高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

第37卷 第5期 2009年10月

煤田地质与勘探

COAL GEOLOGY & EXPLORATION

Vol. 37 No.5 Oct. 2009

文章编号: 1001-1986(2009)05-0019-04

沁南高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

王兴隆1，赵益忠2，吴 桐3

(1. 中石油煤层气有限责任公司，北京100013；2. 胜利油田采油工艺研究院，

山东 东营 257000；3. 中油长城钻探工程有限公司, 北京100101)

摘要: 煤层气排采技术和排采工作制度的正确与否对煤层气井的产气量和服务年限有很大影响。通过对“沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程—— 潘河先导性试验项目”36口井排采过程的分析和跟踪研究，认为煤层气井的排采过程分为几个不同阶段, 且不同阶段间的转化主要受控于含水饱和度和气-水相对渗透率的变化；煤层气井通常会有3个产气高峰, 并探索了一套适合示范区煤层气井3号煤排采的工作制度。这些成果对今后示范区煤层气井以及其他同类型盆地中煤层气井的排采生产, 都具有重要的示范意义。

关 键 词：沁水盆地；示范工程；高煤阶；煤层气排采；含水饱和度；渗透率 中图分类号：P618.11 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2009.05.005

Analysis of typical production mechanism and characteristics of coalbed

methane wells for high rank coal in south Qinshui basin

WANG Xinglong1, ZHAO Yizhong2, WU Tong3

(1. Petrochina Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100013, China; 2. Oil Production Technology Research Institute of Shengli Oilfield, Dongying 257000, China; 3. CNPC Greatwall Drilling Company, Beijing 100101, China) Abstract: The extraction of coalbed methane (CBM) from wells is a key element of CBM development, whether the measures are right has great impact on productivity and well service life. Lack of technology and experience restricts the CBM development. According to the tracking research of “Pilot Projects of Qinnan CBM Development by Hi-tech Industrialization-Panhe Pilot Test Project”, we got some idea about the gas production mechanism and rules: extraction process of CBM from wells consists of several periods, the period conversion is controlled by wa-ter saturation and gas relative permeability; 3 gas production peaks exist in CBM wells and the production schedule of the wells for pilot area was set up; which is important for the later production of the other wells in the pilot project and also has demonstration effect for CBM exploitation in other similar basins.

Key words: Qinshui basin; pilot project; high coal rank; CBM extraction; water saturation; permeability

我国煤层气资源非常丰富，对煤层气藏的勘探开发已成为我国能源战略的重要发展方向。然而，煤层气排采技术和经验的缺乏是当前制约我国煤层气大规模开发的技术瓶颈。本文借助于“沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程—— 潘河先导性试验项目”(以下简称“示范工程”)，通过沁水盆地南部36口煤层气井排采生产过程，拟对高煤阶煤层气井的产出机理和生产特征进行研究，以形成适合高煤阶煤层气井排采的工作制度。

变质无烟煤，煤层气平均含量10.35 m3/t。

示范区36口井，均分布在沁水盆地东南缘潘庄井田次级褶皱潘河向斜与霍家山背斜之间。

潘河向斜 位于潘庄1号井田北偏西，褶皱宽缓，向斜轴近南北向，由南向北倾伏，向斜东翼地层倾角10~15°，西翼地层倾角变缓为5~8°。

霍家山背斜 位于潘河向斜西北部，背斜褶皱紧密，轴向为NNW向，由南东向北西倾伏，背斜东翼地层倾角缓，西翼倾角陡。

1 研究(示范)区概况

沁水盆地南部3号煤层为示范工程试验的主力煤层。该煤层全区构造简单，横向展布稳定，为高

2 煤层气排采机理

煤层气的排采实际上是煤储层压力的传播过程。煤层甲烷通常要经过煤孔隙表面的解吸-扩散、

收稿日期:2008-11-10

作者简介: 王兴隆(1980—)，男，山东潍坊人，硕士，主要从事煤层气勘探开发及煤层气储层研究工作.

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煤田地质与勘探 第37卷

显微裂隙及割理渗流、宏观裂隙层流或紊流3个连续的阶段, 它们受控于煤孔隙扩散系数、煤心实验渗透率和试井渗透率, 煤层气井产能主要受控于3个流场中最慢的流场。

煤层气在宏观裂隙中的运移产出又分为3个阶段。第1阶段是指随着井筒附近地层压力的下降，只有水产出的时期，这一阶段地层压力下降不多，井筒附近只有单相流动。当储层压力进一步下降，井筒附近开始进入第2阶段，这时有一定数量的甲烷从煤的表面解吸，开始形成气泡，阻碍水的流动，水的相对渗透率下降，但气也不能流动，为非饱和水单相流动阶段。储层压力进一步下降，有更多的气解吸出来时，井筒附近则进入第3阶段，含气饱和度超过临界流动饱和度，气泡互相连通形成连续的流线，形成气-水两相流。随着压力下降和水饱和度的降低，煤层气的相对渗透率逐渐上升，气产量也逐渐增加，此后出现拟稳定流动特征，产气量达到高峰，产水量下降，持续一段时间后，产气量将开始缓慢下降。

上述3个阶段是连续的过程，随着时间的延长，由井筒沿径向逐渐向周围煤层中推进，且在井筒周围形成3个区域：最外层为单相水渗流区，其波及范围主要受煤层对水单相渗透率(Kw)的影响，在一定时间内，Kw越大，波及范围越大；中间区为有效解吸区，地层压力降到临界解吸压力之下，气体开始解吸，但含气饱和度小于临界流动饱和度，流动

相仍为水相，此时水相渗透率已有所下降，区域范围受Kw、Krw 影响；内层区域为两相渗流区，为有效供气区，气、水产量大小主要受相对渗透率Krg、Krw和束缚水下气相渗透率Kog的影响，稳产能力主要受该区范围r大小的影响。为提高产量和稳产能力，必须有效扩大两相渗流区面积[1-2]。

3 煤层气典型排采曲线分析

3.1 第1产气高峰

高煤阶煤层气井都需要经过水力压裂改造后方可投产，进行排采。通常情况下，煤层气井经过半月左右的排水降压即可出现第1个产气高峰。这是由于压裂改造在近井地带形成了大量高导流能力的裂缝，煤层气压降幅度也比较大，因此近井筒区域，首先有大量煤层气解吸产出，形成了投产后的第 1个产气高峰。此阶段的产气量主要取决于地层的原始渗透率和近井地带压裂改造效果，产气量一般为2 000 m3/d。第1产气高峰一般可以维持3~6个月。如图1所示，1号井于2005年10月份投产，第1产气高峰持续到2006年2月，稳产4个月，气产量维持在2 000 m3/d。

3.2 第2产气高峰

经过第1个产气高峰后，近井地带高渗区的甲烷在当时压力条件下已经解吸产出，远端的煤层气受压降漏斗波及范围和含水饱和度影响，不能补充过来，出现了一个相对的产气低谷。随着排采的不

图1 煤层气井(1号井)典型排采曲线图

Fig. 1 The production curve of the 1st well

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第5期

王兴隆等: 沁南高煤阶煤层气井排采机理与生产特征 · 21 ·

断深入，水不断从地层中产出。初期为定流量排采阶段，产水量依据泵的排量而定，此时产水量一定，井筒液面不断下降。压降漏斗波及范围内的任意点，随着时间的延续，降深不断加大，但加大速度逐渐减小。此时，地层水饱和度不断降低，地层孔隙压力不断减小，甲烷开始解吸产出。因此，该阶段排采过程中，产气量会有略微增加，但由于受气相相对渗透率(Krg)的影响，产气量增加不大，一般维持在1 000~1 500 m3/d。如图1所示，1号井2006年2月10日到2006年5月20日的排采阶段，1号井平均产气量为1 400 m3/d，产水量为4~8 m3/d。

经过一段时间排采后，煤层气井由定流量阶段转入定降深阶段。如图1所示，从2006年5月20日开始，1号井转入定降深排采阶段，动液面保持在煤层以上8 m左右，产水量为1~2 m3

/d 。渗透性差、井壁污染严重的煤层气井排采开始后会很快进入定降深排水阶段。沁南高煤阶煤层气井由于渗透性Kw比较好，定排量生产阶段一般可以维持6~8个月。在不过分激动煤层的前提下，可以较快地把水排出，这有利于煤层气井的生产，且可较早迎来第2次产气高峰。第2次产气高峰的到来取决于压降漏斗波及范围和降落幅度。

定降深阶段压降漏斗不断扩展，汇水面积不断扩大，甲烷不断从煤基体解吸，但是受到含水饱和度Sw的影响，气相渗透率Krg仍然较低，这时气产量并未见明显增长。随着地层水继续不断排出，煤层含水饱和度进一步降低，当达到临界饱和度S0时(图1所示1号井2006年9月12日)，气相相对渗透率Krg会明显升高，这时甲烷从煤基体中大量解吸，并且可顺利通过显微裂隙、割理渗流和宏观裂隙层流或紊流产出。这时便出现了第2个产气高峰，产气量可高达3 000~6 000 m3/d。第2个产气高峰可以维持8~9个月，图1所示1号井的第2产气高峰时间为2006年9月12日到2007年4月16日，此阶段1号井平均产气量为4 500 m3/d。

在第2产气高峰期间，由于地层水的产出，导致地层孔隙压力降低，从而使地应力不断增加，又因煤层渗透率具有应力敏感性，因此其渗透率Kw便会下降，这不利于地层水的进一步产出，也不利于压降漏斗的继续扩展。因此，在第2产气高峰，初始气产量一般相对较高，但在整个区间内产气量是递减的。

3.3 第3产气高峰

第2产气高峰期间，压降漏斗不断向井筒远端扩展，当与邻井的压降漏斗相接时，就会迎来第3

个产气高峰。当两个压降漏斗相接，随着抽水的延续，压降漏斗在水平方向不再扩展，而在垂直方向上不断加深，且煤层压力快速下降，甲烷大量解吸，从而使产气量大增，迎来第3个产气高峰。第3产气高峰为最主要的产气阶段，其气产量较大，示范区内井可达到3 000 m3/d，且持续时间长，可以延续几年时间。

第3产气高峰的气产量受控于煤层束缚水条件下的煤层气渗透率(Kog)。气、水两相界面因压力差产生毛细管力，并且会出现贾敏效应，两者均可导致流体沿渗透性较好的区域前进，使流体绕过较大面积的被驱替相，形成被驱替相的一座座“孤岛”。高煤级煤束缚水饱和度大，这样的“孤岛”较多，因此部分煤层气被残留，影响煤层气井的气产量以及最终采收率。

4 高产水井排采曲线分析

有的井产水量比较大，会出现第1、第2和第3产气高峰叠加重合现象。如图2所示，2号井由于位于向斜底部，产水量比较大，从投产到开始产气，产水量平均接近40 m3/d；排采20个月后，开始产气，气产量可高达6 000 m3/d，展示出良好的产气前景。2号井经过20个月高产水期排采，获得了高产，可以看作是3个产气高峰的叠加。因此，可以说，压裂改造形成的高渗区、气相相对渗透率的增加以及邻井压降漏斗的波及，共同保证了2号井最终可以获得高产。

5 无限边界井排采曲线分析

当煤层气井附近不存在断层和含水层时，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展。但当降落漏斗扩展到一定程度，其不再向远处发展，且也不明显加深。此时，煤储层压力缓慢下降，甲烷少量缓慢释放，井口表现为气产量长期稳定低产的状态[3]。示范区内一期压裂投产的36口井中，有4口井处于井网边界，井网整体压降波及到的时间较长，基本与孤立排采井类似。因此，地层压降速度比较慢，甲烷不能大量解吸产出，从而使这类井的第3产气高峰到来时间延迟。如图3所示，3号井排采22个月未出现井间干扰。

6 地质条件对煤层气排采的影响

示范区36口井，均分布在沁水盆地东南缘潘庄井田次级褶皱—— 潘河向斜与霍家山背斜之间。

高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

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煤田地质与勘探 第37卷

图2 2号井排采曲线图

Fig. 2 The production curve of the 2nd well

图3 3号井排采曲线图

Fig.3 The production curve of the 3rd well

研究发现，处于向斜部位的煤层气井陆续获得高产，而处于背斜部位的几口井，产气效果不甚理想。分析其原因，可能是由于不同构造部位地应力不同， 致使储层渗透率和煤层吸附气量的不同而造成的[4-5]。

示范区3号煤层分布稳定，构造简单，煤层强度大，不易坍塌，基本不存在出煤粉问题。因此，增加排采强度，也不会激动煤层和使渗透率降低。

(下转第27页)

高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

第5期

刘丽民等: 河南省煤层气储层压力特征及其形成机制

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(上接第22页)

7 结 论

a. 影响煤层气排采的因素较多，主要因素为含水饱和度和气-水相对渗透率的变化情况。

b. 沁南示范工程高煤阶煤层气井压裂投产后取得了可喜的气产量，形成了巨大的规模效应和示范效果。通过这些井的开发，摸索出了一套适合高煤阶煤层气排采的经验方法，即合理控制降液速度，在保证煤层稳定的前提下，增加压降漏斗扩散速率，尽快形成井间干扰，从而获得一个长期的产气高峰期。

c. 沁南高煤阶煤层气井排采过程会出现3个产气高峰，不同产气高峰对应的产气量和稳产时间不同。因此，及时合理地调整工作制度是保证煤层气井正常生产的关键。

d. 不同地质条件下，高煤阶煤层气井排采曲线

特征会出现一些差异。因此，针对某口井的排采分 析，首先要考虑该井的构造部位，并结合区域范围内的地质特征和其他井的生产情况进行综合分析。

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高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

沁南高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

王兴隆， 赵益忠， 吴桐， WANG Xinglong， ZHAO Yizhong， WU Tong

王兴隆,WANG Xinglong(中石油煤层气有限责任公司,北京,100013)， 赵益忠,ZHAO Yizhong(胜利油田采油工艺研究院,山东,东营,257000)， 吴桐,WU Tong(中油长城钻探工程有限公司,北京,100101)煤田地质与勘探

COAL GEOLOGY & EXPLORATION2009，37(5)0次

参考文献(5条)

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煤层气是一种储存在煤层中的天然气,主要成分是甲尝,煤层气产业是中国正在兴起的一个新的能源产业,即将投入商业化生产.经过最新一轮煤层气资源评价,中国2000米以浅的煤层气资源大约31万亿立方米(与陆上常规天然气30万亿立方米相当),在世界排第三位.中联煤层气有限责任公司(简称中联公司)是中国唯一专营煤层气勘探、开发和生产的国家公司.自1996年经国务院批准成立以来,中国煤层气产业有了长足进展.几年来,我公司先后在山西省沁水盆地、黑龙江省三江-穆棱河盆地、辽宁省中部地区、滇东-黔西地区和河东煤田进行了大量的煤层气勘探和评价工作.在山西省沁水盆地南部已首获探明地质储量402亿立方米,探明储量的规模正在继续扩大.投入开发的示范工程已经启动,示范井组正在进行排采试验.我公司由国务院授予对外合作勘探、开发和生产煤层气的专营权,在对外合作项目中采用产品分成合同模式.几年来,本公司已经分别与六家外国公司签定了十一个合同.已钻井47口,29口井正在排采试验.目前,本公司又有14个新区块正寻求对外合作.中国煤层气商业化生产阶段已为期不远,中国煤层气产业必将蓬勃发展.

7.期刊论文 姚国欣.王建明 国外煤层气生产概况及对加速我国煤层气产业发展的思考 -中外能源2010,15(4)

我国煤层气资源丰富,埋深2000m以浅的煤层气资源量达到31.46×1012m3,是世界第三大煤层气储藏国.加速我国煤层气产业发展,既有利于煤矿安全生产,增加洁净能源供应,也有利于减少温室气体排放.美国是煤层气产业发展最早、最快、最成功的国家,居世界领先地位,其煤层气产量从1985年的2.8×108m3增加至2008年的493×108m3;加拿大的煤层气资源集中在西部的沉积盆地,以艾伯塔省为主,该省2008年产量达到73.4×1.08m3.我国目前已建成地面煤层气产能20×108m3,产量5×108m3,民用煤层气用户超过90万户,煤层气发电装机容量达到92×104kW,2008年井下抽采瓦斯53×108m3.具体进展表现为山西煤层气顺利注入西气东输主干线,沁水盆地南部煤层气开发示范工程开始商业运营,煤层气进入规模化开发新阶段;与此同时,相关行业标准陆续出台,有关技术取得可喜进步,招商引资和对外合作也初见成效;国家还出台了一系列方针政策支持煤层气产业发展.但也存在一些亟待解决的问题,如探明储景仅占总资源量很少一部分,煤层气年商业产量不足4×108m3,煤矿瓦斯平均抽出率仅23%等.国有企业应勇于承担加快我国煤层气产业发展的重任,加大人力、物力、财力投入,加快煤层气勘探开发步伐;科技创新方面应以重大科技专项为契机,尽快取得突破性进展;同时应进一步加速煤层气管网建设,加强招商引资和对外合作.

8.会议论文 接铭训 中国煤层气产业发展现状及前景展望 2005

本文对中国煤层气产业发展现状及前景进行了探讨。煤层气(又称煤层瓦斯)是吸附在煤层中的非常规天然气,其组成成分与常规天然气一样,是一种高效的洁净能源,是常规天然气的现实接替能源。先采气后采煤,既可以充分地利用宝贵的煤层气资源,又可以有效地防治煤矿重大瓦斯事故,从根本上改善煤矿生产安全条件。近年来,中国的煤层气勘探、开发工作呈现出良好的发展态势,尤其是在沁水盆地南部、北部和鄂尔多斯盆地东缘等地区的进展迅速,在很多地区实现了产气突破。随着国家批准的“沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程项目”、“煤层气开发示范工程”、“重大高技术建设项目”在这些地区的实施,以及技术的不断创新、优惠政策的鼓励和投入资金的推动,通过井下和地面两种方式协同开发,近期可望实现(30～40)×108m3的煤层气年产能。

9.期刊论文 孙艳莉 中联煤层气开发战鼓擂响——访中联煤层气有限责任公司董事长孙茂远 -中国石油石化2009,""(24)

"这不仅是中联煤的大事,也是煤层气产业发展史上的一件大事!"当"沁水盆地南部煤层气开发工程示范项目"通过管道向当地企业进行商业供气时,中联煤层气有限责任公司(简称"中联煤")董事长孙茂远神采飞扬,做出如上评语.这个项目是国家级的煤层气开发示范工程,其商业投产具有里程碑意义.

高煤阶煤层气井排采机理与生产特征

10.期刊论文 杨焦生.李安启.YANG Jiao-sheng.LI An-qi 樊庄区块煤层气井开发动态分析及分类评价 -天然气工业2008,28(3)

中国石油煤层气开发利用示范工程项目--沁水盆地樊庄区块煤层气开发试验项目,目前已经生产了1年,各井生产动态表现出很大的不同,通过对先期20口井试验井生产动态的跟踪研究,对该区煤层气井的生产特征和规律有了一定的认识,并在综合考虑气井的解吸产气时间早晚、产气量大小、井口套压等因素的基础上对20口井进行了产能分类评价,分析了不同产能级别的气井产量的主要影响因素,为樊庄区块煤层气田的开发管理提供了参考和依据.

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