高 宇 紀(jì)彥波 董建秋 關(guān)濟朋 趙晨光 姜文文

(中石油華北油田分公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000)

1 區(qū)塊概況

成莊合作區(qū)塊處于沁水盆地東南部晉城斜坡帶，煤種為無煙煤，區(qū)塊3號煤層埋深較淺，平均440m，平均5.81m。含氣量平均19.21m3/t； 3號煤儲層孔隙度平均5.80%，滲透率平均值2.67mD，滲透率高。15號煤層埋深較淺，平均490m，厚度平均3.90m。含氣量平均16.67m3/t。目前區(qū)塊主采3號煤層，15號煤作為接替產(chǎn)能逐步開發(fā)。

2 區(qū)塊開發(fā)現(xiàn)狀

2.1 開發(fā)現(xiàn)狀

區(qū)塊開采已長達(dá)11年之久，采出程度89.6%，3號煤層煤層氣資源嚴(yán)重枯竭，儲層壓力及地層能量基本釋放完畢，且區(qū)塊老井范圍內(nèi)存在3個煤礦，煤礦開采及瓦斯抽采的嚴(yán)重影響煤層氣的開采，已累計關(guān)停30口井，目前影響井31口。2019年老井遞減率高達(dá)22.3%。常規(guī)的儲層增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)措施對于采收率較大的井已經(jīng)不適用，負(fù)壓抽排幾乎成為唯一的選擇。正如多數(shù)氣田在開發(fā)后期都會采用負(fù)壓抽排措施來穩(wěn)產(chǎn)。而決定負(fù)壓抽排適用性的關(guān)鍵因素就是儲層滲透率，楊亞聰?shù)热嗽趯鴥?nèi)外負(fù)壓抽排采氣研究中表明評價產(chǎn)層透氣性的可抽放性指標(biāo)為滲透率大于0.25mD可以抽放。成莊合作區(qū)塊滲透率平均值2.67mD，是可抽放性指標(biāo)的十倍，因此這也是本區(qū)塊負(fù)壓抽排實施的前提。成莊區(qū)塊根據(jù)實際情況，在2019年開始逐漸增加負(fù)壓抽排措施規(guī)模，老井負(fù)壓抽排實施率已經(jīng)達(dá)到54%，增產(chǎn)效果明顯。

2.2 管網(wǎng)集輸

成莊區(qū)塊管網(wǎng)復(fù)雜，存在自營、合作和中聯(lián)三方管線，氣量和管壓相互影響，這也是很多區(qū)塊集輸管網(wǎng)普遍存在自身復(fù)雜情況的一個縮影。

成莊合作區(qū)塊內(nèi)三方管線整體集輸，集氣站來氣井?dāng)?shù)眾多，集氣站處理壓力較大。根據(jù)近三年的數(shù)據(jù)分析，管壓明顯抑制套壓的井?dāng)?shù)較多，老井套管閥門已經(jīng)全部打開，很多井是管壓反過來使套壓“憋壓”，這種憋壓狀態(tài)使井筒以及煤層中的氣體處于抑制狀態(tài)，無法最大可能的運移擴散。

2.3 煤礦影響

已開發(fā)區(qū)內(nèi)有3個煤礦(端氏、坪上、曲堤)。隨著煤礦采掘的不斷推進，受影響面積不斷擴大。煤礦影響存在兩個極端，一是正效應(yīng)，煤礦挖掘造成地應(yīng)力釋放，煤儲層卸壓裂縫張開，增大煤層滲透率。二是負(fù)效應(yīng)，瓦斯抽放形成的負(fù)壓直接將煤層氣抽采，煤礦開采直接使物源枯竭。

煤礦井下布置的瓦斯抽采孔對煤層氣井的正常生產(chǎn)影響巨大，直接導(dǎo)致無法產(chǎn)氣，甚至井口出現(xiàn)倒吸的情況。這種情況即使上負(fù)壓設(shè)備也于事無補。成莊區(qū)塊存在三個井組，存在此情況，如圖1所示，受端氏煤礦布置的超長瓦斯抽采鉆孔已經(jīng)穿過該井組，導(dǎo)致這些井組在負(fù)壓抽排的情況下也不產(chǎn)氣?？梢娒旱V瓦斯抽采對作用范圍內(nèi)的煤層氣井是致命的。值得一提的是當(dāng)不再有煤礦瓦斯抽采和煤的采出的本質(zhì)影響后(即是沒有力的作用和資源的減少時)，地面煤層氣抽采也會取得一定的效果，采空區(qū)進行地面煤層氣抽采也是可行的。

3 負(fù)壓抽排選井原則

無論常規(guī)天然氣還是非常規(guī)天然氣在生產(chǎn)后期都會進行負(fù)壓抽排，眾多學(xué)者針對氣井生產(chǎn)后期負(fù)壓抽排情況都進行過研究，也制定過一些選井原則或方法。根據(jù)成莊區(qū)塊的生產(chǎn)情況、地質(zhì)情況以及地面條件，綜合考慮各方面的因素制定以下原則。

(1)投產(chǎn)時間長，產(chǎn)水較少或基本不產(chǎn)水；

(2)氣量遞減且前期氣量較好；

(3)目前管壓導(dǎo)致套壓較高；

(4)前期氣量較好，目前氣量為氣量高峰水平的1/3～1/2的井；

(5)煤礦開采影響。

煤礦開采對于煤層氣井的正常生產(chǎn)影響極大，不論產(chǎn)氣情況如何，應(yīng)盡快進行負(fù)壓抽排。

4 負(fù)壓抽排控制原則

負(fù)壓抽排至煤層氣井產(chǎn)氣后期的生產(chǎn)運行方式，正如煤層氣開采前期排水降壓一樣，同樣需要連續(xù)緩慢穩(wěn)定的抽采方式。生產(chǎn)初期，地層壓力大，處在物性敏感期；生產(chǎn)后期，地層能量接近枯竭，處于物性脆弱期。在地層壓力及套壓均處于較低狀態(tài)小進行負(fù)壓后排，實際上就如同生產(chǎn)初期降流壓生產(chǎn)一個性質(zhì)。生產(chǎn)后期，負(fù)壓設(shè)備將控制套壓降低產(chǎn)生運輸壓差來重新啟動煤層氣的運移產(chǎn)出。因此負(fù)壓抽排過程需要遵循以下原則：

(1)負(fù)壓設(shè)備運行連續(xù)穩(wěn)定；

(2)在負(fù)壓設(shè)備能力范圍內(nèi)，根據(jù)煤層氣井的套壓情況逐漸調(diào)整負(fù)壓設(shè)備的轉(zhuǎn)速。

(3)當(dāng)閥組間多口井進行負(fù)壓抽排時，可通過井口大門來平衡各進氣管道的壓力平衡，避免相互影響。

正如圖2、3所示兩口多分支水平井負(fù)壓抽排的管理過程，效果迥異。一個是遞減的過程，一個是逐漸提升的過程。CZP1-1井由于負(fù)壓設(shè)備提氣太快，導(dǎo)致前期產(chǎn)量提升明顯但無法保持。CZP1-2井穩(wěn)步提升，逐漸提高負(fù)壓設(shè)備轉(zhuǎn)速，根據(jù)套壓降低管壓，從而能保證產(chǎn)氣的穩(wěn)定。

圖2 CZP1-1井負(fù)壓抽排管控效果圖

圖3 CZP1-2負(fù)壓抽排管控效果圖

5 效果分析

成莊項目至今已開發(fā)十余年，區(qū)內(nèi)由于受煤礦開采影響，自2012年以來成莊項目已動用負(fù)壓設(shè)備十多臺，負(fù)壓抽排井次50余次，負(fù)壓抽排經(jīng)驗豐富，效果顯著，近五年的負(fù)壓設(shè)備應(yīng)用情況，分兩類來進行分析：煤礦影響井和管壓較高井。

(1)煤礦影響井

煤礦影響分兩種情況，一是煤礦開采，二是瓦斯抽采。

煤礦開采影響的井對煤層氣開采有很大的影響。但只對于滲透率來說，滲透率會得到一定程度的提升，因此對于負(fù)壓抽排的井是有利的。如果瓦斯逸散速度小于煤層氣開采速度，對煤層氣開采就是有利的。此類井對于多分支井最為有利，原因就是多分支控制的資源量足夠大，滲透率是制約產(chǎn)氣的關(guān)鍵。尤其是裸眼完井的多分支水平。成莊合作區(qū)塊兩口多分支水平井負(fù)壓抽排的效果就很好(表1)。這兩口井在煤礦開采影響范圍外端，周圍煤礦開采沒有直接影響到煤層氣含氣量，但是對整體區(qū)域降壓有一定的作用。煤層氣井距離煤礦開采影響范圍的距離的變化會產(chǎn)生的效果也會變化，一般情況下，由遠(yuǎn)到近的過程，對煤層氣的作用效果為：正效應(yīng)逐漸增強到減弱直至產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。當(dāng)正效應(yīng)最強的時候負(fù)壓抽排效果最好，當(dāng)在負(fù)效應(yīng)的情況下，負(fù)壓設(shè)備只是一種彌補措施。

表1 負(fù)壓抽排效果表

煤礦井下瓦斯抽采對地面煤層氣開采起不到任何正效應(yīng)。煤礦瓦斯抽采對煤層氣井正常生產(chǎn)以及負(fù)壓抽排影響巨大，只要在煤礦瓦斯抽采的范圍內(nèi)，地面煤層氣井基本不會再產(chǎn)氣，負(fù)壓設(shè)備的能力遠(yuǎn)低于煤礦井下的瓦斯抽采，在抽采范圍外的又不能提高儲層的滲透率，相反影響范圍外的煤層氣會緩慢的向瓦斯抽采部分?jǐn)U散。

(2)管壓較高井

管壓較高井進行負(fù)壓抽排降管壓措施是煤層氣排采后期進行提氣穩(wěn)氣的正常措施，此類井的效果分析及經(jīng)驗更具有指導(dǎo)意義。此類井生產(chǎn)能力受管壓制約，煤層能量有限，地層壓力幾近枯竭。就算有氣，但苦于運移不出去。因此重啟一個運移的壓力梯度是煤層氣井生產(chǎn)后期提高采收率，穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。負(fù)壓抽排能夠有效的降低管壓，使煤層氣重新獲得一個支持運移的動力，從而明顯的提高產(chǎn)量。但是在所有的單井上進行負(fù)壓抽排從經(jīng)濟角度是不現(xiàn)實的，因此普遍在閥組上進行負(fù)壓抽排，這就涉及到負(fù)壓抽排井互相影響的情況，負(fù)壓抽排設(shè)備能力有限，單井的產(chǎn)量和距負(fù)壓設(shè)備的距離對負(fù)壓抽排的效率有一定的影響。煤層氣井管線較長時管壓會較高，同時沿線的摩阻也會較大，這種情況下負(fù)壓設(shè)備能夠提供一個新的動力用來克服阻力來提升煤層氣井的產(chǎn)氣量。負(fù)壓抽排的能力是一定的，但具體作用到煤層氣井上時，會根據(jù)這口井的產(chǎn)氣能力、管壓、摩阻而產(chǎn)生實際的增產(chǎn)效果。如果一口井有一定的產(chǎn)氣能力且管壓和摩阻是制約這口井的主要因素，那么負(fù)壓設(shè)備的增產(chǎn)效果會是最大的。如果后期這口井的產(chǎn)氣能力本身就弱，再加上管壓和摩阻的抑制作用，增產(chǎn)效果也會受限。