煤层气井合层排采过程中储层伤害问题研究

李彬刚

【摘 要】The aim of multilayer drainage CBM well is to realize the positive superimposed effect of multilayer production.But,in the practice,the multilayer drainage may frequently initiate harms on reservoir,even the daily output less than the single layer drainage in the same block.Based on systematic analysis of multi-layer drainage possibly initiated harms on reservoir,the case studies have shown that the harms on upper

reservoir,impact from water producing formation and too large interval between pay layers are the main causes of the harm.The analysis has summarized that when the critical desorption pressures of bi-(multi)layer coal seams are closer,thus the optimum condition to carry out multilayer drainage.%合层排采的煤层气井目的是实现多层产气的正向叠加效应,但是,在实际生产中,合层排采往往引发储层伤害,造成多层合采的煤层气井日产气量甚至小于同一区块内单煤层排采的井.在系统分析合层排采可能引发的储层伤害基础上,以实例说明,上部储层的伤害、产水层的影响和产层间距过大是合层排采过程中造成储层伤害的主因,并分析总结认为当两(多)层煤的临界解吸压力较为接近时,是进行合层排采的最优条件.

【期刊名称】《中国煤炭地质》 【年(卷),期】2017(029)007 【总页数】4页(P33-35,79)

【关键词】煤层气井;合层排采;储层伤害;临界解吸压力 【作 者】李彬刚

【作者单位】中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西西安710077 【正文语种】中 文 【中图分类】P618.13

合层排采是指在煤层气直井中，对两层或多层目标煤层以同一套抽采设备实施排水采气。如果多煤层同时产气，实现煤层气井高产和稳产，则会以较小的经济投入获取更多的经济回报，实现投入产出比的最大化。但是，山西、贵州[1-3]等多个煤层气产区的生产实践证明，合层排采时，层间干扰不可避免。有些合层排采的煤层气井日产气量甚至小于同一区块内单煤层排采的井，不但没有实现多层产气的正向叠加效应，反而出现1+1小于2，甚至小于1的现象[4] 。学者们着重研究了合层排采的条件，但缺少对合层排采过程中潜在的储层伤害研究。目前我国在产的煤层气井中直井的数量占绝大多数，这些井中，合层排采过程中储层伤害问题必须引起重视。

我国许多地区含煤地层中发育煤层群，如华北晚古生代盆地石炭-二叠纪含煤地层、西南地区含煤盆地的上二叠统龙潭组等。多煤层发育地区往往是我国煤层气资源集中赋存区，煤层气开发前景巨大。但是，煤层气藏的特点决定了合层开采与常规油气藏的多层合采不同：煤层气主要是以吸附状态存在于煤层中，随着动液面下降，储层压力逐渐减小，当其低于临界解吸压力时，煤层气才从煤层基质上解吸出来，进而产出到地面，这是煤层气井合层排采的基础。因此，排采过程中动液面的控制非常关键，如果控制失当，就有可能造成储层伤害，影响气井产量。

单一煤层解吸压力不同，甚至差异很大。当上部煤层已经开始解吸产气时，下部煤

层的储层压力还远远大于其解吸压力，无法形成两层煤或多层煤同时产气的正向叠加效应。为了使下部煤层产气，唯一的途径就是继续降低动液面，使吸附的煤层气解吸。实际生产中，当动液面位置接近上部煤层或大于其埋深时，煤层气井的产量往往出现不升反降的现象。其主要原因是孔隙压力(裂隙内流体压力)下降，上部煤层渗透率降低，导致该层产气量下降，从而影响气井产量。

研究认为：煤层受3个力：向下方向的上覆地层压力PZ、向上的煤基质承受的力PS和向上的裂隙系统内水的压力PW。上覆地层压力主要由地层自身重力引起。 在垂向上的3个力受力平衡，即[5]： 因此，PS=PZ-PW

排水降压过程中，PW快速降低，PZ基本维持恒定，导致作用在煤基质上的有效应力PS增大，基质中微小孔道闭合，造成渗透率降低，直接影响气井产量。 GZX井是贵州的一口煤层气生产直井。该井对4煤、6～9煤段和11～13煤层段进行了射孔和水力压裂改造，3个目标层段埋藏深度见表1。 GZX井三层合采，排采曲线如图1所示。

当动液面降至527.05m(对应图中的A点)，距离4煤层26.17m时，日产气量达到最大值1 119.70m3/d，随着动液面继续下降，产气量基本稳定，但是呈现整体下降趋势。当动液面进一步下降至590.19m(对应图中的B点)时，6～9煤层段裸露了8m左右，日产气量降至985.60m3/d，此后呈现出快速下降趋势。这说明6～9煤层段是主要产气层，更说明煤层段裸露之后，有效应力增加对6～9煤层段的伤害非常大。与排采过程中因速敏等原因引发的其它伤害相比，这一伤害是根本性的，也是在以后生产实践中应该避免的。

煤层裸露造成的储层伤害，对不同煤体结构的煤层，其伤害程度有所不同。碎粒结构煤和糜棱结构煤，由于强烈的挤压和揉皱作用使煤层的原生层理和结构形态被完全破坏，煤呈粉末状或鳞片状，手搓捻即成煤粉，机械强度基本没有[6]。有效应

力增加造成的储层伤害对这种煤层更为严重，伤害后其渗透性难以恢复。这也是这种类型的煤层气井产气量低、衰减快、产气效果不好的主要原因之一。

因此，合层排采的煤层气井，必须更加科学地控制排水降压的速度及动液面的高度，否则，上部煤层渗透率将下降到使煤层水难以流动的状态。更为严重的是，这种渗透率的伤害是难以恢复的。

多煤层合层排采，前期主要考虑上部煤层产能，确保液面在煤层以上，维持上部煤层具有一定的孔隙流体压力。避免排采不当，对煤储层造成伤害。当气产量明显下降时，再考虑继续降低动液面，挖潜下部煤层产能[7]。

目标产层压裂时，含水层的影响因素至关重要。压裂裂缝一旦沟通含水层，排采过程中水的产量会大幅增加，直接影响煤层气井正常生产。这种影响主要体现在两方面：第一，动液面控制难，无法实现平稳、持续、缓慢降压，难以实现精细化排采。 吴堡矿区早期4口煤层气井采取S1和T1煤层合层排采的方式。T1煤层产水量非常大，严重影响了气井正常生产，产气效果远不及单一开发S1煤层的生产井。二叠系下统山西组S1煤层和石炭系上统太原组T1 煤层是主采煤层，平均厚度分别为2.73 m和6.03 m。T1煤层直接顶板为K2灰岩，属于石炭系上统太原组碳酸盐岩溶裂隙承压水含水层，供液能力极强。压裂T1煤层时，压裂缝不可避免延伸到K2灰岩。排采时K2灰岩产水量非常大，单井平均日产水量达到68.93 m3，动液面难以控制，产气效果不好[4]，平均日产气量仅为300m3左右。

第二，产出水量过大时，为了平稳、持续降低动液面，不可避免造成抽采系统高频运转，容易发生机械故障，造成频繁修井，无法连续排采，影响稳产和高产，降低了经济效益。

解吸与吸附是动态过程。修井停抽阶段，井中的动液面会很快恢复或接近开抽时的状态，储层压力也会快速恢复，已经解吸出来的甲烷气体又会以吸附态存在。吸附状态的甲烷要运动到井筒形成产量必须经历：从煤的表面解吸成为游离气，在基质

中从煤的表面向细微裂缝扩散，再渗流到大裂缝，最后运移到井筒等过程。解吸→扩散→渗流是一个串联发生的过程。，而对大多数煤层而言，由于对甲烷吸附能力强解吸能力弱，而解吸和扩散常常成为其运移的主控因素[8]。频繁发生的机械故障和修井，不仅造成储层伤害，而且引发反复的解吸和吸附，必然导致煤层气井产量降低。

目标产层间距不大时可以实施合层排采。如果间距过大，则会造成储层伤害。除了上覆岩层应力压差增大造成的储层伤害之外，如果产层间距过大，受井筒中动液面高度影响，下部储层中的压裂液不能及时返排，造成储层伤害。

煤储层通常包含一定的黏土成分，包括蒙皂石、伊利石、高岭石和方解石等，这些矿物能够被侵入的不配伍的水基压裂液滤失液所影响，导致煤岩基质膨胀，造成相对渗透率大幅度降低[5]。虽然水基压裂液中都加有具有抑制黏土膨胀作用的KCl，但是如果压裂液不能及时返排，黏土矿物仍然会部分膨胀，导致储层渗流能力降低[9]。

一般情况下，储层压力随着埋深的增加而增加，但是下部煤储层压力小于上部储层压力的情况在实际中经常遇到。这种情况下如果层间距过大，合层排采对下部煤层的影响会更加突出。平顶山矿区的PS02井，上部四2煤层和下部二1煤层间距176.10m，储层压力梯度分别为1.05×10-2MPa/m和0.519×10-2MPa/m，储层压力明显呈现上高下低现象。排采过程中如果将动液面始终维持在四2煤层以上，对二1煤层来说，井底流压一直大于1.73MPa，无法及时排出大量滞留在二1煤层中的压裂液。针对产层间距过大的煤层气井，采用分层控压合层排采的方式是未来的发展方向。

煤层气开发必须避免射开含水层，在此基础上综合考虑储层压力、气含量、渗透率等储层参数以及产层间距等实际情况，减少排采过程中的储层伤害，形成气产量正向叠加，从而达到双(多)煤层均衡抽采和科学管理，实现经济效益最大化。

煤层气排采是储层流体在一定能量驱动下，通过裂缝裂隙流入井筒并产出地面的过程[10]。储层能量和导流能力，决定了煤层气井的产气能力。煤层气临界解吸压力与煤储层含气量及吸附—解吸特性呈函数关系[11]，气含量与储层压力密切相关，因此临界解吸压力是储层产气能力的综合体现，可由下式计算得到。

式中，Pcd—临界解吸压力，MPa； V实 —实测气含量，cm3/g； PL —郎氏压力，MPa； VL —郎氏体积，cm3/g。

上、下煤层的临界解吸压力是否接近或者下部煤层的解吸压力是否大于上部煤层是判断煤层气井能否合层排采的关键。动液面的位置是临界压力的直接反应，下部煤层开始产气时，如果动液面的位置依旧在上部煤层以上位置，就既能形成两层煤产气正向叠加，又能避免因上部煤层裸露对其造成储层伤害。

我国煤储层的压力梯度一般等于静水压力梯度或者小于静水压力梯度，因此，一般情况下，都是上部煤层先产气。所以在排采过程中要坚持以上部煤层为主，选择适当的排采强度，避免因强度过大对储层造成速敏伤害，影响储层渗透率，最终影响产气量[2]。

煤层渗透率是用来衡量煤层气开采难易程度的关键性参数。它的大小直接决定孔、裂隙中煤层气流动的快慢[12]。因此，从经济角度来讲，单层的产气能力也是能否合层排采的重要因素。即便两层煤的解吸压力接近，如果某一单层的产气能力过差，也没有必要合层开采。

(1)排采过程中上部煤层裸露、产水层影响持续、稳定排采和产层间距过大是合层排采过程中造成储层伤害的几大主要原因。两(多)层合采时，前期主要考虑上部煤层产能，确保液面在煤层以上；后期当气产量明显下降时，再考虑继续下降动液面，以下部煤层为主要管理对象，必要时，采用分层控压的方式均衡、高效抽采，实现经济效益最大化。

(2)煤层临界解吸压力是储层产气能力的综合体现。为减少合层排采过程中的储层

伤害，煤层临界解吸压力是否接近或者下部煤层的解吸压力是否大于上部煤层是能否合层排采的判别标准。单一煤层产气能力，也是判别能否合层排采的重要因素。如果单一煤层产气能力过差，当然也不适合合层排采，即便它的临界解吸压力与其它煤层相差不大。