李　東　金　軍　汪凌霞　白麗娜　周呈艷　易　旺

（貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州　貴陽　550081）

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貴州煤層氣新井壓降測試分析

李東金軍汪凌霞白麗娜周呈艷易旺

（貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550081）

摘要準(zhǔn)確獲取煤層的滲透率、地層壓力以及煤層的破裂壓力和閉合壓力等儲層參數(shù)，是為下步增產(chǎn)措施和進一步評價該地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)前景提供依據(jù)的重要環(huán)節(jié)。為此分析了某礦區(qū)A井（新井）3號煤層注入壓降測試和原地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，通過雙對數(shù)曲線、霍納曲線以及壓力擬合求取煤層參數(shù)，并用半對數(shù)曲線加以驗證；在原地應(yīng)力測試階段通過時間平方根曲線分析求取儲層的破裂壓力和閉合壓力等地層參數(shù)。結(jié)果表明：3號煤巖層滲透性較差，屬于高壓煤層，井筒儲集系數(shù)較小，采用井下關(guān)井方式降低了井筒儲集效應(yīng)對測試數(shù)據(jù)分析的影響，井筒附近煤層完善程度較好，地應(yīng)力梯度正常。

關(guān)鍵詞煤層氣注入壓降試井地應(yīng)力滲透率地層壓力

0　引言

隨著人們對環(huán)保要求的日益增加，煤層氣（瓦斯）作為世界上公認(rèn)的清潔能源之一，在非常規(guī)油氣領(lǐng)域的地位得到顯著提高。貴州省富煤、貧油、少常規(guī)天然氣的特殊能源結(jié)構(gòu)，為其煤礦安全生產(chǎn)、大氣環(huán)境保護等造成巨大壓力，一定程度上制約著該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。貴州作為我國南方煤層氣資源量最為豐富的省份，其煤層氣地質(zhì)儲量預(yù)測為（2.23～5.02）×1012m3，有其豐富的煤炭地質(zhì)資料作基礎(chǔ)，加上合理的開采工藝，煤層氣的勘探開發(fā)前景不可限量［1］。如何充分利用其自身優(yōu)勢，使煤層氣的開發(fā)利用成為新的經(jīng)濟增長點，改善民生，逐漸成為研究的熱點。

1　煤層地層參數(shù)的求取方法

滲透率和原始地層壓力是評價煤儲層的重要參數(shù)。通常在室內(nèi)通過巖心實驗來評價煤巖的滲透率，然而，煤層的滲透率受地應(yīng)力的影響較大，在室內(nèi)是無法精準(zhǔn)模擬地應(yīng)力條件下煤巖的物性變化的［2-3］。因此，借鑒常規(guī)的天然氣試井方法來求取煤層地層參數(shù)尤為重要。

常見的天然氣試井方法包括：中途測試（DST）、段塞流測試（Slug）、注入壓降測試以及壓力恢復(fù)測試（PBU）等［4-5］。然而，煤儲層不僅在成分、結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)上與常規(guī)儲層（如砂巖）有著明顯的差異，而且在煤層氣的賦存和采出機理上也有本質(zhì)區(qū)別［6-7］。因而，常規(guī)的方法不一定完全適用于煤層當(dāng)中。張兆新等人對煤層氣DST試井方法進行了研究，結(jié)果表明：其測試難度大、測試時間較長而且成本較高、測試的地層半徑小而很少被使用［8］。張文秀等人在煤層中進行Slug測試，測試結(jié)果表明：對于煤層氣新井，Slug測試相對比較簡單、可靠而且非常經(jīng)濟，能夠用于低壓儲層，但是其波及半徑較短，而且計算出的滲透率值受井儲效應(yīng)影響比較明顯，測試結(jié)果準(zhǔn)確性較差［9］。煤層氣是通過排水降低地層壓力來進行開采，目前國內(nèi)煤層氣產(chǎn)量普遍較低，因而壓力恢復(fù)試井很難達到我們想要的結(jié)果。

新煤層氣井的煤層往往被水所飽和，煤層裂縫中沒有游離氣，所有的氣體都吸附在煤基質(zhì)里面，只有在排水降壓過程中氣體才會被解析出來。壓降測試則需要煤層中飽含水而且不含游離氣，BFP-IFT是國內(nèi)最常見的注水/壓降測試方法，注入期間的井底壓力小于破裂壓力。通過壓降測試，煤層氣新井往往能獲得比較準(zhǔn)確的地層壓力、表皮系數(shù)以及地層滲透率［10-16］。

2　注入壓降試井設(shè)計

現(xiàn)代試井理論研究認(rèn)為，在不穩(wěn)定試井當(dāng)中，早期曲線形態(tài)會受井儲效應(yīng)影響。采用井口關(guān)井時，井筒中充滿水與液面低于井口兩種情況下，井儲系數(shù)會發(fā)生顯著變化，對測試曲線有很大影響。為了獲得更加準(zhǔn)確的測試參數(shù)，在注入壓降試井測試過程中，可采用井下關(guān)井的方法消除井儲效應(yīng)對測試結(jié)果的影響［5］。

2.1注水時間

對于低滲煤層，想要增加波及半徑非常困難。為了保證測試期間的波及半徑ri足夠大，在進行試井設(shè)計時，必須要綜合考慮波及半徑和測試時間兩個因素。根據(jù)波及半徑計算公式可以推導(dǎo)出注水時間計算式：

式中，ri為波及半徑，m；K為估計的最小滲透率，mD；tinj為注入時間，h；?為孔隙度，%；μ為水的黏度；mPa·s；ct為地層綜合縮系數(shù)，MPa-1。

測試前知道氣藏壓力，注水時間和關(guān)井時間可以相同。如果測試前不知道氣藏壓力，關(guān)井時間一般取注水時間的兩倍。

2.2最大注入壓力

測試壓降要求井底壓力必須低于煤層的破裂壓力，否則煤層將會形成水力裂縫，分析結(jié)果將會失真［17-19］。井口最大注入壓力為：

式中，σmin為煤層最小主應(yīng)力梯度，MPa/m；ρw為注入流體相對密度；d為煤層中部深度，m；pinj為最大井口注入壓力，MPa。

2.3注入速率

穩(wěn)定的注入排量是準(zhǔn)確控制液量獲取高質(zhì)量壓力數(shù)據(jù)的前提，注入過程中要求排量的波動值不超過10%。注入速率計算式為：

式中，q為最大注入排量，m3/D；pr為地層壓力，MPa；Bw為地層條件下水的體積系數(shù)，m3/sm3；rw為井筒半徑，m；h為煤層厚度，m；s為表皮系數(shù)。

3　注入壓降試井解釋儲層參數(shù)

在常規(guī)的壓降測試當(dāng)中，注入時間通常比關(guān)井時間要長很多。對于新煤層氣井，要盡可能減少注入時間來節(jié)省測試費用。當(dāng)注入時間和關(guān)井時間相對較長時，利用一個時間函數(shù)△te來分析測試數(shù)據(jù)，表達式為：

式中，△t為關(guān)井時間，h。

在常規(guī)的注入壓降測試解釋方法中，利用等效時間與壓力的函數(shù)曲線來計算地層滲透率、表皮系數(shù)以及儲層壓力［20］。通過壓力和等效時間的雙對數(shù)曲線中切線的斜率可以計算滲透率。其表達式為：

式中，m為雙對數(shù)曲線的斜率。

從式（6）可以看出，地層滲透率與水的黏度成正比。在煤層條件下，水的黏度與壓力和礦化度的相關(guān)性較弱，與溫度的相關(guān)性較強。因此，為了獲得比較準(zhǔn)確的地層水黏度，必須知道煤層的準(zhǔn)確溫度。

表皮系數(shù)s計算式為：

式中，p1h為等效時間為1 h外推的壓力，MPa；pwf為關(guān)井后井底流動壓力，MPa； ?f為割理孔隙度，%；k為滲透率，mD。

4　原地應(yīng)力測試分析

地應(yīng)力測試是直接獲取儲層巖石力學(xué)參數(shù)的主要方法之一，由于其簡單、快速、準(zhǔn)確等特點被廣泛用于煤層氣新井當(dāng)中，為后期鉆井、壓裂提供了大量重要資料。煤層中割理和微裂縫較為發(fā)育，當(dāng)煤層破裂時壓力變化不是特別明顯，在裂縫閉合前后壓力變化也是一個逐漸下降的過程。實踐經(jīng)驗表明，利用雙對數(shù)法和時間平方根方法可以準(zhǔn)確確定煤層的破裂壓力和閉合時間。

5　實例

A井是貴州省某礦區(qū)一口煤層氣新井，3號煤層為其主要產(chǎn)氣層之一。3號煤層埋深618 m，有效厚度為2.1 m，孔隙度為0.04，煤層飽含水，不含游離氣，流體密度為1.00 g/cm3，流體黏度為0.97 mPa·s，綜合壓縮系數(shù)為4.44×10-3MPa-1。壓裂前做壓降測試，采用清水注入，注入時間為10 h，注入速率為0.38 L/min，總注入量為229.5 L，關(guān)井時間為20 h。

對3號煤層采用雙對數(shù)擬合、Horner曲線分析方法，并輔以壓力歷史擬合、壓力半對數(shù)曲線分析，對結(jié)果進行檢驗。試井解釋結(jié)果如圖1至圖4所示。

通過對關(guān)井壓降曲線雙對數(shù)—導(dǎo)數(shù)曲線圖形特征診斷分析（圖1），前期雙對數(shù)—導(dǎo)數(shù)曲線擬合顯示井筒儲集效應(yīng)較低，曲線沿斜率1上升，井筒附近煤巖層物性較好；導(dǎo)數(shù)曲線中期是過渡階段，出現(xiàn)徑向流特征；后期雙對數(shù)導(dǎo)數(shù)曲線顯示煤巖層物性變差呈現(xiàn)邊界地層特征?；艏{半對數(shù)曲線后期斜率增大（圖2），煤巖層物性變差。

圖1　3號煤層BFP-IFT關(guān)井壓降雙對數(shù)擬合曲線圖

圖2　3號煤層BFP-IFT關(guān)井壓降霍納曲線圖

從擬合結(jié)果得知（圖3），在前期曲線擬合程度很差，不過在后期曲線擬合程度很高。前期曲線擬合程度低可能是因為壓力數(shù)據(jù)錯誤或者井筒附近地層的非均質(zhì)性較強而造成的。

圖3　3號煤層BFP-IFT關(guān)井壓力擬合曲線圖

通過對關(guān)井壓降測試數(shù)據(jù)進行解釋（圖4），測點地層壓力為6.944 49 MPa、壓力系數(shù)為1.14，從壓力系數(shù)分析本層屬超壓儲層系統(tǒng)，地層靜溫為32.58℃。

圖4　3號煤層BFP-IFT關(guān)井壓降半對數(shù)擬合檢驗曲線圖

通過現(xiàn)代試井理論擬合分析求得該煤層地層系數(shù)為0.26 mD·m，地層有效滲透率為0.106 mD，本次試井解釋結(jié)果說明煤巖層滲透性較差。井筒儲集系數(shù)5.4×10-4m3/MPa，井筒儲集系數(shù)較小，說明采用井下關(guān)井方式工藝合理，有效降低了井筒儲集效應(yīng)對測試數(shù)據(jù)分析的影響；表皮系數(shù)為-1.46，表明井筒附近煤層完善程度較好。

在原地應(yīng)力測試的4個循環(huán)中，選取破裂、閉合效果好的第3個循環(huán)，分析其關(guān)井段的壓降數(shù)據(jù)，求取裂縫閉合壓力，采用時間平方根法進行解釋。通過微破裂測試獲得煤層破裂壓力為12.37 MPa（圖5、圖6），煤層閉合壓力為10.15 MPa；原地應(yīng)力重張壓力為12.28 MPa，閉合壓力為10.67 MPa。從原地應(yīng)力梯度數(shù)值分析，介于煤巖層的平均值附近，屬正常梯度范圍。

圖5　3號煤層原地應(yīng)力測試階段壓力歷史曲線圖

圖6　3號煤層地應(yīng)力測試循環(huán)時間平方根曲線圖

6　結(jié)論

1）注入壓降測試方法可用于飽含水的煤層新井。

2）為了減少注入流體對煤層的傷害，應(yīng)該選用清水為注入介質(zhì)，采用井下關(guān)井方式減少井儲效應(yīng)對測試分析的影響。

3）壓降測試獲得煤層的絕對滲透率，井筒表皮系數(shù)，原始儲層壓力等參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

4）壓降測試與原地應(yīng)力測試相結(jié)合可以有效地降低施工成本，增加測試結(jié)果的準(zhǔn)確性?？茖W(xué)技術(shù)，2014，6（6）：126-129.

［3］趙培華，劉曰武，鹿倩，等.煤層氣井試井研究的意義［J］.油氣井測試，2010，19（6）：1-5.

［4］陳志勝.煤層氣井常用試井方法及應(yīng)用［J］.陜西煤炭，2003（1）：40-42.

［5］劉能強.實用現(xiàn)代試井解釋方法［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［6］劉曰武，趙培華，鹿倩，等.煤層氣與常規(guī)天然氣測試技術(shù)的異同［J］.油氣井測試，2010，6（6）：6-11.

［7］陳彥麗，劉啟國，張烈輝，等.淺析煤層氣井與常規(guī)油氣井在試井方面的差別［J］.中國煤層氣，2006，（4）：44-46.

［8］張兆鑫，王德偉，范云霞.煤層氣DST試井方法應(yīng)用與研究［J］.環(huán)球人文地理，2014（6）：64-64.

［9］張文秀，崔義儒.Slug測試法在煤層氣測試中的應(yīng)用［J］.煤氣與熱力，1994（S1）：112-115.

［10］景興鵬.不同完井方式下注入/壓降煤儲層參數(shù)法測試結(jié)果對比［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（2）：33-37.

［11］劉遠(yuǎn)志，高曉飛，張東平，等.煤層氣井注入/壓降測試技術(shù)及應(yīng)用［J］.油氣井測試，2014，（23）：30-33.

［12］柳光偉，安杰.煤層氣注入/壓降試井分析中幾個問題的探討［J］.中國煤層氣，2011（1）：29-32.

［13］陳志勝，廉有軒.煤層氣井注入/壓降試井測試中有關(guān)技術(shù)問題探討［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2003（31）：23-26.

［14］劉立軍，王立中，張增惠，等.煤層氣井注入壓降試井技術(shù)研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（5）：79-81.

［15］李士才，邵先杰，喬雨朋，等.韓城礦區(qū)煤層氣井試井分析［J］.延安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（2）：31-35.

［16］韓永新，莊惠農(nóng).煤層氣井注入/壓降試井測評分析［J］.油氣井測試，1999（1）：51-56.

［17］Ramurthy，M，Marjerisson，D.M， Daves， S.B.Diag?nosticFractureInjectionTestinCoalstoDetermine Pore Pressure and Permeability［J］.SPE 75 701，2002.

［18］Zuber， M.D， Sparks D P，Lee W J.Design and In?terpretation of Injection/Falloff Tests for Coalbed Meth?ane Wells［J］.SPE 20 569，1990.

［19］Hopkins，C.W，F(xiàn)rantz J H，F(xiàn)lumerfelt，R.W，et al. Pitfalls of Injection/Falloff Testing in Coalbed Meth?ane Reservoirs［J］.SPE 39 772，1998.

［20］安杰.煤儲層注入/壓降試井中注入段曲線的分析及應(yīng)用［J］.中國煤炭地質(zhì)，2014，（11）：31-33.

（編輯：李臻）

參考文獻

［1］傅雪海，秦勇，韋重韜.煤層氣地質(zhì)學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［2］趙福平.貴州省煤層氣試井質(zhì)量影響因素分析［J］.煤炭

修訂回稿日期：2016-05-05

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：2095-1132（2016）03-0035-04

基金項目：貴州省科技重大專項“貴州省煤層氣地面抽采關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范”（黔科合重大專項字［2014］6002號）。

作者簡介：李東（1989-），工程師，從事煤層氣頁巖氣開發(fā)相關(guān)工作。E-mail：742779745@qq.com。