韩城地区煤层气井合理动液面高度控制方法探讨

1. 韩城地区煤层气井合理动液面高度控制方法探讨

翟雨阳1 胡爱梅1 王芝银2 段品佳2 张冬玲3
基金项目:“十一五”国家科技重大专项项目38——煤层气排采工艺及数值模拟技术(2009ZX05038)资助。
作者简介:翟雨阳,男,1973年生,博士,主要从事常规油气、煤层气排采及数值模拟研究工作,通讯地址:北京市海淀区地锦路5号中关村环保科技示范园7号楼,E-mail:zhaiyy@nccbm.com.cn
(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司 北京 1000952.中国石油大学城市油气输配技术北京市重点实验室 北京 1022493.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028)
摘要:韩城地区煤层属低渗透率煤层气藏,且地质条件复杂,煤岩结构及力学性能差。在煤层气开采初期,井筒内的液柱重力在井底流压中占很大的比例,而井底流压与井周煤岩的应力状态变化规律密切相关。排采降压过程中,过小的动液面高度使煤层处于进一步压密状态,并导致渗透率降低,而过大的动液面高度使井底压力过大进而引起井周岩石产生较大软化破碎区,形成煤粉堵塞渗流通道。因此,研究煤层气动液面高度的合理区间及降低速率对开采过程中有效保持井周应力的合理分布,维持或提高储层渗透率,具有十分重要的意义。本文以韩城示范区为例,利用韩城3#,5#煤层的岩石力学试验,分析了煤岩应力状态与渗透率的关系,通过井周弹塑性应力分析,建立了不同应力状态下保持或提高绝对渗透性的合理动液面高度区间和降低速率。利用所建立的模型对韩城地区WL1,WL2井组进行计算分析,获得了韩城煤层气井开采过程中动液面高度的合理变化区间和排采速率的合理值。本论文研究成果为韩城煤层气井排采强度定量化控制提供了重要的指导意义和借鉴方法。
关键词:煤岩 应力 动液面 渗透率 排采速率
Discussion on Control Method to Reasonable Height of Dynamic Liquid Level for CBM Well
ZHAI Yuyang1, HU Aimei1, WANG Zhiyin2, DUAN Pi njia2, ZHANG Dongling3
(1.China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co.Ltd.; 2.Beijing KeyLaboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 3.PetroChina CBM Company Limited, Beijing, 100028, China)
Abstract: In China, Coal is of low permeability, complex geological conditions, and weak petrographical structure and mechanical performance.In the initial stage of the recovery, the gravity of the liquid column takes a large proportion in bottom-hole pressure (BHP), and the stress state of surrounding rock are closely related with BHP.Thus, in the process of recovery, too small height of the dynamic liquid level makes coal seam be further compacted and leads to permeability reducing; reversely, too much height of dynamic liquid level easily causes BHP too large and induces the surrounding rock breaking in soften, and produces the coal powder and blocks the seepage channels.Therefore, the study on the rational range of dynamic liquid level and the reducing rate have the vital significance to effectively maintain the reasonable distribution of stress state of surrounding rock and increase reservoir permeability.Based on the 3#, 5# coal rock mechanical experiments in Han-cheng, this paper analyses the relationship of the stress state and permeability of coal rock.Through the elastic-plastic stress analysis to the surrounding rock of well, the mathematical model is established, which is about the reasonable range and depres- surization rate of dynamic liquid level to maintain and improve the absolutely permeability.The established models are applied to calculate and analyze the field data of WL1 and WL2 Wells in Han-Cheng.Finally. the reasonable variations of dynamic liquid level are obtained.The researching results provide important instructions and refer- ences to the reasonable recovery control of the coal bed methane in Han-cheng.
Keywords: coal rock; stress; dynamic liquid level; permeability; depressurization rate
引言
煤层气作为非常规能源,对其有效的开采不但可以缓解我国能源短缺的问题,还可以提高煤炭资源的开采效益,并且能够减少对环境(温室效应)的影响。煤层气的有效开采受多种因素的影响,如地质构造特征、煤岩结构、煤阶、渗透率、含气量、解吸吸附特征和开采工艺等[1~5]。因此,煤层气的开采与常规油气开采相比既有相似之处,同时又存在着较大的差异。其中,应力敏感性问题在煤层气工程中表现的尤为显著[6~7]。煤岩储层的渗流能力受孔隙压力变化、煤层气解吸引起的基质收缩作用和滑脱效应的综合影响[8~10]。加载速率和加载方式的不同对煤岩的力学特性和破坏特征有较大的影响,如果加载速率较快,煤岩将呈脆性粉碎性破坏,抗压强度略有提高;相反若加载速率较低,则煤岩抗压强度偏低,延性增大。在煤层气工程实际中,煤岩结构复杂,裂隙(面割理和端割理)十分发育,随着排采的进行煤岩的应力状态将不断发生变化,导致煤岩的裂隙开始发生闭合,然后产生开裂,最终会发生破碎的过程,进而引起储层的渗流系统发生改变,而排采过程中渗透率的变化规律决定着煤层气是否能够高效的开采[1~2]。目前国内外煤层气行业在制定排采工作制度方面主要依靠经验及井筒液面变化来定性确定,这往往导致排采制度不合理,对储层造成伤害,影响开发效益。本文探讨如何通过排采过程中控制煤层气井的合理动液面高度变化规律提高煤层气效益,为煤层气排采强度定量控制提供了科学的理论依据。
1 韩城地区煤岩物理力学特性
1.1 试验测试
煤岩力学特性是反映和研究储层力学行为和应力敏感性的基础数据。利用RW-2000岩石三轴压缩试验机对高径比为2:1的煤岩心试件进行实验,测定了韩城3#,5#和11#煤岩的抗压强度和抗拉强度等参数。其中,抗压强度、弹性模量、泊松比由单轴压缩试验测得;抗拉强度由劈裂试验测得;内摩擦角、粘聚力、残余粘聚力和残余内摩擦角通过三轴压缩强度试验获得,试验结果见表1和表2。
表1 韩城煤岩单轴抗压抗拉强度及变形参数


表2 韩城煤岩三轴抗压强度试验结果


由表1和表2中的实验测试资料可见,韩城煤岩力学特性较差,抗压强度均在10MPa以下。三类煤岩比较而言,3#和5#煤的物理力学特性要比11#煤强,11#煤的残余强度非常低。因此,在煤层气工程中必须注意煤岩力学特性对排采强度控制的影响。
1.2 煤岩应力状态影响渗透率变化机理
基于对韩城主力产气煤层煤岩(3#,5#和11#煤)进行的室内试验和应力应变全曲线下煤岩应力状态对渗流能力影响关系研究表明,煤岩的绝对渗透率在初始弹性变形阶段是随有效应力的增加而减小,但减小的幅度并不大;当有效应力接近煤岩的峰值强度时,由于原有裂隙的开裂和新裂隙的出现导致渗透率缓慢增加当超过峰值强度后,渗透率迅速增大;但当有效应力接近煤岩的残余强度时,渗透率逐渐趋于稳定。
其中,煤岩弹性极限点为原生裂隙开裂、新裂纹开始萌生的临界点。
2 合理动液面高度的确定
在煤层气开采过程中,随着动液面的降低,储层煤岩应力状态不断发生变化,导致煤岩的结构特征和孔隙率等物理力学特性发生改变,因而影响了储层的渗流能力。在此过程中,储层渗透率的变化规律与煤岩的力学特性和煤岩的应力状态变化规律密切相关。根据煤岩应力状态对绝对渗透率的影响关系,考虑煤层气井井周具有破碎区的弹塑性应力状态,则可以通过对井周围岩进行应力状态变化规律分析,另由煤层气生产不同阶段井周应力分布与井底流压及套压和液柱高度之间的关系,忽略气柱摩擦阻力,推导得出保持储层处于塑性裂隙发育阶段的液柱高度合理区间为

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

则,动液面高度为h′w=H-hw
另由工程实际分析可知,井底流压的上限值不超过储层原始压力pe。
式中:H为储层埋深;pe,pc,p0分别表示为储层压力,套管压力和原岩平均水平应力;c,φ,cr,φr,St分别表示煤岩的粘聚力,内摩擦角,残余粘聚力,残余摩擦角和抗拉强度;ρg表示液柱重度。
因此,要想提高渗透率,应控制合理的动液面高度变化范围,以保持井周应力状态为弹塑性状态,以在井周形成割理或裂隙贯通的流体运移通道,且随着开采过程中塑性区的发展,在井周出现塑性软化区或破碎区,但需防止井周出现过大塑性软化区。
合理的动液面高度变化范围与煤岩的力学性质、储层埋深密切相关,尤其是受内摩擦角影响较大。由于储层的软化区受煤粉的影响会使渗透率受到抑制,因此,在煤层气开采过程中需根据储层的力学特性及埋深来合理控制动液面高度,尽量避免软化区大范围产生,以免造成储层伤害而影响煤层气的进一步开采。
3 动液面合理降低速率
由煤岩的加载速率效应可知,加载速率对煤岩的强度呈正相关影响,同时煤岩脆性亦增强。对于各向异性的煤岩介质,过快的加载速率不利于煤岩中的原始裂隙裂缝的稳定扩展和煤层气的渗透的提高。同理,对于煤层气工程排采过程中的动液面降低速率对井周储层煤岩具有类似的影响机理,如果动液面降低速率过快,将会使储层煤岩有效应力快速增大,最终不合理的动液面降低速率导致煤岩出现脆性破碎并有大量煤粉产生,对储层造成巨大的伤害。所以,煤层气开采不同阶段需控制动液面降低速率在合理值域内。
当储层煤岩处于初始弹性应力状态下时,

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当储层煤岩处于裂隙扩展的塑性阶段,即动液面高度满足(1)式时,

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式中:h′w表示动液面降低速率;ωcr、ωce为塑性软化阶段和弹性阶段的动液面降压速率上限值,可通过试验和现场数据综合分析确定。
4 韩城地区工程应用
韩城地区煤层气为多煤层储层联合排采,煤岩力学特性较差,合理的动液面变化规律对煤层气的高效排采具有很大的意义。根据韩城煤岩的试验力学参数和合理动液面高度变化规律的确定方法(见式1~3),对韩城地区WL1和WL2的3#和5#煤联合开采的典型煤层气井排采数据进行了统计计算分析,结果见表3。
表3 合理动液面高度降低速率上限值


通过拟合分析可得:
在开采初期的弹性阶段,3#、5#煤联合开采井的动液面近似合理降低速率上限值h′w(m/d)随储层埋深h(m)的变化规律分别为:h′w≤0.022h~5.188;当井周煤岩处于塑性阶段,3#,5#煤联合开采井的动液面合理降低速率上限值h′w(m/d)随储层埋深h(m)的变化规律为:hw≤0.006h~1.234。
开采过程中无论是初始弹性阶段或塑性破坏阶段,动液面降低速率上限值与储层埋深均近似呈线性递增的规律。煤岩力学特性对开采过程中降液速率影响较大,因此对于力学特性较差的储层,需控制好降液速率才能维持较高的排采能力。初始弹性阶段的降液速率比中期塑性阶段的降液速率一般高4~5倍,这也恰好与室内强度实验曲线峰值前后稳定加载的速率值相同。考虑到工程实际中的安全因素,建议取1.2的安全系数。
5 结论
(1)本文基于煤岩试验揭示了煤层气开采过程中井周煤岩应力状态对渗透率影响的力学机理;储层有效应力随着压降漏斗不断扩展而不断增大,煤岩从原岩区到井壁处,由原始的弹性状态进入塑性状态,在井壁处出现张拉破坏区,此时裂隙开裂积累,日产能达到最大。
(2)以韩城地区煤层气工程数据为依托,探讨提出了生产过程中为提高储层的渗流能力,合理动液面高度变化规律的控制范围及降低速率上限值,对煤层气井的合理排采具有借鉴意义。
(3)煤层气开采受多种因素的综合影响,还需考虑表皮效应(储层伤害)和压裂效果的影响,有待进一步考虑研究。
参考文献
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