呂玉民 湯達禎 許 浩 陶 樹 張 彪
( 中國地質大學 ( 北京) 能源學院 北京 100083)
摘 要: 研究欠飽和煤層氣藏開發過程中獨特性的單相水流階段有助於加深了解這類煤層氣藏早期排采特征及其對氣井潛在產能的指示作用。本文以沁南煤層氣田欠飽和煤層氣藏為例，重點研究這類氣藏開發初期單相水排采特征，揭示其與後期氣井產能大小的關系，並分析其對氣井潛在產能的預示意義。研究表明: 沁南地區氣井單相水排采特征受斷層影響大，其排采時間與累計產量之間存在指數關系; 排采時間介於 50 ～140 d、累計產水量小於 500 m3的氣井顯示較好的產氣能力。
關鍵詞: 欠飽和煤層氣藏 單相水 排采特征 指示意義
基金項目: 大型油氣田及煤層氣開發國家科技重大專項 ( 2011ZX05034 －001) ; 國家重點基礎研究發展規劃項目 ( 973) ( 2009CB219600) ; 中央高校基本科研業務費專項資金 ( 2011PY0211)
作者簡介: 呂玉民，男，1985 年生，江西吉安人，博士生，現從事煤層氣地質與開發研究。地址: 北京市海澱區學院路 29 號中國地質大學 ( 北京) 能源學院。電話: 010 82322011。E-mail: yale1210@163. com
Single-Phase Water Flow Performance and Indication for Coalbed Methane Early Development: A Case of Southern Qinshui Basin
LV Yumin，TANG Dazhen，XU Hao，TAO Shu，ZHANG Biao
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing，100083，China)
Abstract: Research on the unique single-phase water flow performance in the under-saturated reservoir devel- opment is favorable to acquire early pumping characteristics and forecast gas well productivity. This paper takes the case of the under-saturated CBM reservoirs in the southern Qinshui Basin，places emphasis on the characteristics of single-phase water pumping in the infancy of developing those under-saturated reservoirs，reveals the relation- ship between single-phase water pumping performance and gas well productivity，and analyses its indication of gas well potential production capacity. Results show single-phase water flow performance in Southern Qinshui Basin is mainly controlled by faults，and single-phase water pumping time has exponent relation to the accumulative water production. Additionally，those wells with pumping time of 50 ～ 140d and accumulative water production of less than 500 m3show excellent gas production performance.
Keywords: under-saturated coalbed methane reservoirs; single-phase water; pumping characteristics; indication
煤層氣藏作為重要的非常規天然氣藏，日益受到國內學者的廣泛關註。近幾年來，壹大批國內學者在煤層氣藏儲層物性(陳振宏等，2007)、水文地質條件(王紅巖等，2001;王勃等，2007)、邊界及封閉機理(蘇現波等，2005;宋巖等，2009)及成藏演化(宋巖等，2009;趙群等，2007;趙孟軍等，2005)等方面開展了大量的研究工作並取得壹定的成果。但與國外相比，我國煤層氣藏基礎研究起步晚，在煤儲層發育地質環境及形成機理、高溫高壓下煤的吸附特性及描述模型和煤的吸附性能的地質控制因素等方面需要加強和深化(宋巖等，2005)。我國目前對煤層氣藏開發缺乏系統的認識，尤其是對欠飽和煤層氣藏開發初期單相水排采特征及其與氣井產能之間的關系認識不足，制約了氣田的合理開發部署。由於煤儲層具有明顯的應力敏感特性，因而欠飽和煤層氣藏開發初期不合理的單相水排采措施將極大地損害儲層絕對滲透率，降低氣井潛在的產氣能力，甚至影響整個煤層氣田的後期開發部署和開發效果。
1 欠飽和煤層氣藏氣水產出特征
較強的吸附能力是煤儲層的顯著特點之壹，煤層吸附態氣體壹般能達到80%以上(蘇現波等，1999)。這種不同於常規天然氣藏的特殊賦存機制，決定了煤層氣產出機制的獨特性。煤層氣產出是壹個排水→降壓→解吸→擴散→滲流→產出的過程(馮文光，2009)。在這個過程中，煤層氣藏氣水產出機理受其含氣飽和度大小的影響，也就是說煤層氣藏含氣飽和度不同，煤層氣井的氣水生產曲線也不同(蘇現波等，2001)。
1.1 過飽和/飽和煤層氣藏氣水產出特征
過飽和煤層氣藏指含氣飽和度大於100%的煤層氣藏，其特點是部分煤層氣以遊離態賦存於煤儲層的孔裂隙系統中。當氣井開井排水降壓後，煤層氣迅速解吸擴散，並與遊離態的煤層氣壹同產出(圖1a)。因而，開發這類氣藏時，氣井開井排水後立即產出煤層氣，基本上不經歷不飽和單相水流階段，直接進入氣水兩相流階段(如圖1中III階段)。
圖1 不同含氣飽和度的煤層氣藏氣水產出特征曲線
飽和煤層氣藏指含氣飽和度等於100%的煤層氣藏。當氣井開井排水降壓後，煤層氣立即解吸擴散。隨著解吸和擴散的進行，煤層孔裂隙中遊離氣飽和度逐漸增大，直到其大於殘余氣飽和度後，氣井才開始產出煤層氣(圖1b)。因而，開發這類煤層氣藏，氣井經歷壹段較短的不飽和單相水流階段(如圖1中II階段)，之後才產出煤層氣。
1.2 欠飽和煤層氣藏氣水產出特征
欠飽和煤層氣藏指含氣飽和度低於100%的煤層氣藏。當氣井開井排水降壓後，煤層氣基本上尚未發生解吸，直到儲層壓力低於臨界解吸壓力後，煤層氣才開始解吸。此時氣井仍未產出煤層氣。只有當煤層孔裂隙中遊離氣飽和度大於殘余氣飽和度後，氣井才開始產出煤層氣(圖1c)。因而，開發這類煤層氣藏，氣井先後經歷飽和單相水流、不飽和單相水流(圖1中I、II階段)，之後才開始產出煤層氣。
欠飽和煤層氣藏開發初期單相水排采階段需要較長的時間，少則1～2個月，多則數年之久。長時間單相水排采期內形成的氣水排采特征是認識氣藏儲層特征和研究氣井潛在產能的重要依據。
2 欠飽和煤層氣藏開發初期單相水排采特征
表征欠飽和煤層氣藏開發初期單相水排采特征的量化參數主要有2個:單相水排采時間和單相水累計產量。
2.1 單相水排采時間
單相水排采時間指開發欠飽和煤層氣藏時煤層氣井早期只產水不產氣階段所經歷的時間。長時間的單相水排采時間勢必增加煤層氣井開發作業成本。因而，單相水排采時間的長短直接影響氣田開發成本，是評價煤層氣田開發經濟性的重要參數。
2.2 單相水累計產量
單相水累計產量指開發欠飽和煤層氣藏時煤層氣井早期只產水不產氣階段地下水累計產出的總量。由於采出水大多具有高礦化度、高鹽度等特征，不符合國家排放標準，必須經過處理後才能排放，以便不對地表水系及地下水造成汙染(潘紅磊等，1998;王誌超等，2009)。采出水的處理無疑增加了煤層氣開發成本，因而單相水累計產量的大小影響氣田的開發成本，是評價煤層氣田開發經濟性的重要參數。
2.3 單相水排采時間與單相水累計產量之間的關系
欠飽和煤層氣藏開發初期單相水排采時間與單相水累計產量同時受地質、工程以及人為因素等諸多相同因素的影響，兩者之間必然存在壹定的關系。從沁南煤層氣田煤層氣井單相水排采時間與單相水累計產量之間的關系圖上可以看出(圖2):當單相水排采時間小於250d時，其與單相水累計產量之間呈現較強的線性關系;當單相水排采時間大於250d時，其與單相水累計產量的相關性較差，呈指數關系;整體而言，兩者之間呈指數關系:
y=144.37exp(0.0069x)
式中:x為單相水排采時間，d;y為單相水累計產量，m3。該擬合函數的R2值達到0.8323，表明該函數能較好地描述該地區單相水排采時間與單相水累計產量之間關系。
2.4 單相水排采特征的影響因素
影響單相水排采特征的因素很多，主要有氣藏臨儲比、排采速度、構造地質條件和水文地質條件。
在排采速度相同的條件下，煤層氣藏含氣飽和度越高，臨解比越大，即臨界解吸壓力越接近儲層壓力，意味著氣井實現產氣所需降壓的幅度越小，因而單相水排采時間就越短，累計產水量也相對較小。
圖2 單相水排采時間與單相水累計產量之間的關系圖
在臨儲比相近的條件下，煤層氣井排采速度越快，儲層降壓越快，實現產氣的時間越短(即單相水排采時間就越短)，累計產水量也越小，如表1中的含氣飽和度約為82.8%的J7與J10。
表1 單相水排采特征與斷層的關系
構造地質條件和水文地質條件對單相水排采特征的影響極大。不同構造部分、不同水文地質條件的區域，其儲層的滲透性、含水性以及地下水體的活躍性各不相同，造成氣井的單相水排采特征也存在差異。沁南煤層氣田多發育正斷層(王紅巖，2005)，這些斷層附近的水文地質條件復雜，不利於排水降壓，單相水排采時間較長、累計產量較大(表1)。
3 單相水排采特征與氣井產能的關系
對於應力敏感的煤儲層來說，欠飽和煤層氣藏開發初期不合理的單相水排采措施(排采過快或過慢)必然引起儲層滲透率的損害，降低氣井後期的排水產氣能力。研究探討單相水排采特征參數與氣井產能之間的關系可以為開發早期制定合理單相水排采方案、提前預測煤層氣井產能以及采取必要的儲層增產改造措施提供指導。
目前，沁南煤層氣田處於開發初期階段，大部分煤層氣井排采時間不長。該區樊莊、潘莊及鄭莊區塊煤儲層含氣飽和度大體在80%～90%，屬於欠飽和煤層氣藏(要惠芳等，2009)。為了科學地評價單相水排采特征與氣井產能之間的關系，選擇氣井產氣後連續排采1年形成的平均產氣量和最大產氣量作為氣井產能指標。
3.1 單相水排采時間與氣井產能的關系
氣井排采過快，單相水排采時間過短，往往引起儲層不可恢復的應力傷害，降低滲透率，影響產能;同時單相水排采時間過長，儲層中水量較大(或連通含水層)，不利於氣井形成較好產能。
圖3顯示為沁南地區單相水排采時間與產氣量之間的關系。從圖中可以清楚地看出，氣井的單相水排采時間與氣井1年內的產氣量之間存在4個明顯的特點:1)單相水排采時間大於140d的煤層氣井，其平均產氣量基本上都小於3000m3/d，最大產氣量則小於6000m3/d;2)單相水排采時間小於50d的煤層氣井，其平均產氣量基本上都小於3000m3/d，最大產氣量則小於6000m3/d;3)出現較高產能的煤層氣井(平均產氣量大於3000m3/d，最大產氣量大於6000m3/d)，其單相水排采時間均介於50～140d;4)部分單相水排采時間介於50～140d的煤層氣井產能偏低。這表明過長/過短的單相水排采時間不利於煤層氣井形成高產。
圖3 單相水排采時間與氣井產能的關系圖
在煤儲層含氣飽和度相當、地下水總體不活躍的沁南地區，部分井出現過長的單相水排采時間意味著該井溝通了活躍的水層，造成氣井降壓困難，產氣有限;而過短的單相水排采時間表明氣井排采速度過快，儲層滲透率出現不同程度不可逆轉的傷害，不利產氣。因而，沁南地區單相水排采時間大於140d或小於50d的煤層氣井，指示其產能普遍偏低;而介於50～140d的煤層氣井比較有利於形成較高的產能。
3.2 單相水累計產量與氣井產能的關系
單相水累計產量的大小往往指示區域水文地質特征。在相同的水文地質背景下，某些氣井長時間大量排采單相水，很可能表明儲層與含水層溝通，不利排采，難以形成較好產能。
圖4顯示沁南地區單相水累計產量與產氣量之間的關系。從圖中可以清楚地看出:氣井的單相水排采時間與氣井1年內的產氣量之間存在3個明顯的特點:1)單相水累計產量大於500m3的煤層氣井，其平均產氣量基本上都小於2000m3/d，最大產氣量則小於4000m3/d;2)出現較高產能的煤層氣井(平均產氣量大於2000m3/d，最大產氣量大於4000m3/d)，其單相水累計產量小於500m3;3)有壹部分單相水累計產量小於500m3的煤層氣井產能偏低。
圖4 單相水累計產量與氣井產能的關系圖
從表1看，沁南地區單相水累計產量偏高的煤層氣井大多位於正斷層附近。在煤層氣藏成藏過程中，正斷層絕大部分時間作為煤層氣逸散的通道，導致正斷層附近的煤層氣保存條件較差，煤儲層含氣飽和度較低，增加了單相水排采階段的排采時間和累計產水量。同時，正斷層溝通附近的含水層，造成單相水排采階段長時間降壓困難，也延長了排采時間，增大了氣井產水量。因而，沁南地區單相水累計產量大於500m3的煤層氣井，指示其產能普遍偏低;而小於500m3的煤層氣井比較有利於出現較高的產能。
4 結論
(1)過飽和、飽和和欠飽和煤層氣藏開發過程中的氣水產出特征各不相同，其中以欠飽和煤層氣藏的氣水產出特征最典型。欠飽和煤層氣藏的氣水產出特征最顯著的特點是其開發初期存在較長時間的單相水排采階段。
(2)單相水排采時間和單相水累計產量是描述欠飽和煤層氣藏開發初期單相水排采特征的2個重要參數。單相水排采特征受斷層影響大。沁南煤層氣田氣井的單相水排采時間與單相水累計產量之間存在指數關系。
(3)沁南煤層氣田產能較好的煤層氣井，其單相水排采時間為50～140d，單相水累計產量小於500m3;單相水排采時間大於140d及小於50d或單相水累計產水量大於500m3的煤層氣井，其產能普遍偏低。
參考文獻
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