摘要：为了研究煤层气排采时原位煤储层流体的动态效应，基于煤储层动水孔隙度、含气饱和度等储层物性实测成果，结合中国第一口地面多分支煤层气水平井——QNDN1井的排采数据，通过气、水产能及储层压力曲线的耦合分析，探讨了煤层气井排采时储层压力的传播特征；估算了煤层气单井排采范围内的重力水量，水溶气、游离气量；划分了煤层气井排采的游离气运移阶段和煤层气的解吸阶段；指出煤层气排采流体效应的主要影响因素是储层压力和受煤孔径结构控制的煤层气解吸特征。该研究成果对煤层气井排采制度的确定具有指导意义。
关键词：煤层气；排采效应；重力水；游离气；采收率；QNDN1多分支水平井；解吸特征；储层压力
通常将煤层气井的气产量划分为衰减型、上升型、低产稳定型、高产稳定型4种曲线类型[1]，或将煤层气井分为A类井(日平均产气量大于1000m3)、B类井(日平均产气量为700～1000m3)和C类井(日平均产气量小于700m3)3种类型[2]。而对于气产量、水产量、储层压力降的耦合分析及单井排采范围内重力水量、水溶气、游离气量的研究尚未见诸报道。
QNDN1井是由亚美大宁能源有限公司组织、奥瑞安公司设计的中国第1口地面多分支煤层气水平井，位于沁水煤田晋城矿区内，由1个主井眼、12个分支组成，在煤层中进尺7685m，入煤率达90%[3]。由于该井未进行试井、压裂等人工改造，煤层顶底板未被压裂破坏，煤层气排采流体响应来自于煤储层本身。该井完井后一直连续排采，气、水产能记录较全，有利于研究排采的动态流体效应。
1 排采的流体效应
1.1 地质背景
QNDN1井所在区域地质构造简单，煤层呈向北倾的单斜，主要煤层为山西组的3#煤层，太原组的15#煤层。该井是在3#煤层中钻进的多分支水平井，结合邻近直井及样品室内实验测试，确定3#煤层的物性参数为：埋深184m，厚度5.15m，储层温度为17℃，地下水矿化度约为800mg/L，朗格缪尔体积(VL)为45.0m3/t，朗格缪尔压力(pL)为2.7MPa，平衡水含量为8.74%，含气量为15.00m3/t，渗透率为18.5mD。孔隙度为4.29%、动水孔隙度为为0.9%(动水孔隙度占总孔隙度的20.98%)。镜质组反射率为4.5%，煤类为无烟煤3#。
1.2 流体效应
煤层气排采的流体源于3#煤层本身，既有煤层中的重力水，也有煤层中的水溶气、游离气和吸附气。
QNDN1井自排采以来至2008年1月27日，累计产水1877.5m3，最大日产水量为22.3m3，平均日产水量为1.63m3。排采96d后产水量低于5m3/d，排采670d后产水量低于2m3/d，排采720d后产水量低于1m3/d(图1)。
QNDN1井自排采以来至2008年1月27日，累计产气21.3×106m3，最大日产气量为40830m3，平均日产气量为18465m3。排采77d后产气量突破5000m3/d，随后一直徘徊在20000m3/d左右，排采926d后产气量大于30000m3/d，排采1144d后产气量又逐渐下降至20000m3/d左右，如图2所示。
2 分析与讨论
2.1 排采流体相态分析
2.1.1 排采水
估算QNDN1井的排采面积S为0.5km2，则3#煤层重力水由式(1)计算为23175m3(煤层倾角低于15°，未计算斜面积)。
W=Shφpcosα (1)
式中：W为重力水量，m3；S为排采面积，km2；h为煤层厚度，m；φp为动水孔隙度，%；α为煤层倾角，(°)。
2.1.2 排采气
2.1.2.1 水溶气
水溶气量由式(2)计算，甲烷溶解度据3#煤层特征与傅雪海相应储层水矿化度、温度和压力模拟成果估算为O.52m3甲烷/m3水[4～5]，则QNDN1井排采面积S在0.5km2内，水溶气量计算为12051m3。
Gw=Wλ=Shφpcosαλ (2)
式中：Gw为水溶气量，m3；λ为甲烷溶解度，m3甲烷/m3水。
2.1.2.2 游离气
水是不可压缩流体，则游离气量由式(3)、(4)进行计算。
式中：Vg′为压力pg(气压)、温度T状态下的游离气量，m3；φp为埋深H下煤的孔隙度，%；Sg为游离气饱和度，%；Vg为标准状态(p0=0.101325MPa、T0=0℃)下的游离气量，m3；T为储层温度，℃。
1) 埋深H下的孔隙度
样品实测视密度为1.56g/cm3，真密度为1.63g/cm3(比重瓶法)，计算无应力状态下的孔隙度为4.29%，埋深H下的孔隙度通过物理模拟得出(图3)，即
φH=4.29σv-0.15 (5)
式中：σv为体积应力，MPa。
QNDN1井3#煤层埋深184m，由式(6)、(7)计算体积应力(三向主应力的平均值)为2.82MPa，由式(5)得φH=3.67%。
式中：σg为垂向应力，MPa；r为地层平均密度，g/cm3，取值2.3g/cm3；H为煤层埋深，m；σhg为垂直应力在水平方向产生的分应力，MPa；λ为侧压系数；α为毕奥特系数；p为孔隙压力，MPa；v为泊松比，取值0.3。
2) 游离气饱和度
储层气压为0.5MPa(大宁矿同埋深实测瓦斯压力)，则单体体积(1m3)煤的饱和游离气量由式(3)、(4)计算为1.30m3/m3煤，即为0.84m3/t；由朗格缪尔公式(8)计算单位体积煤的饱和吸附气量为17.00m3/t。
式中：Va为饱和吸附气量，m3/t；p为储层压力，MPa。
实测3#煤层气含量(包括游离气与吸附气)为15.00m3/t，储层状态下游离气与吸附气处于动平衡，则储层含气饱和度为84.1%。QNDN1井排采面积S在0.5km2内，游离气量计算为2.82391×106m3，吸附气为36.8×106m3。
2.2 采收率分析
基于实测含气量和朗格缪尔参数，由式(9)计算出煤层气临界解吸压力为1.35MPa。
式中：pcd为临界解吸压力，MPa；V实为实测含气量，m3/t。
枯竭压力(pad)为0.7MPa、0.5MPa、0.3MPa下，由式(10)计算出的理论采收率分别为38.2%、53.1%、70.0%。
至2008年1月27日，实际采收率为53.8%，此时井底压力约为0.5MPa，与计算的理论采收率相当。现今该井已采气枯竭，估计采收率达到70%，也就是说水平井的枯竭压力约为0.3MPa。
2.3 排采阶段划分
QNDN1井排采过程中(包括停排阶段)最大的井底压力为1.64MPa(图4，笔者认为其为实际的储层压力)，排采第二天就开始连续产气，产气压力为1.40MPa，排采至第77d，井底压力开始低于0.95MPa(后期因故未排水的情况除外)，正是从这天开始产气量突破了5000m3/d。此时，煤层气井累计产水558.72m3，累计产气69857.2m3，排采水量占排采面积内总重力水量的2.41%，则排采水面积内的水溶气量为290.4m3，游离气量为68056.2m3，水溶气量加游离气量与此时累计产气量正好相当。因此，认为此时煤储层处于临界解吸阶段，0.95MPa就是实际的临界解吸压力(计算的临界解吸压力为1.35MPa，煤层气解吸产出后，要克服井筒摩阻、水的摩阻等阻力，一般导致实际临界解吸压力小于计算的临界解吸压力)。据此，笔者把煤层气井排采分为排水阶段(第1天)；水溶气量与游离气量排采阶段(第2～77天)；解吸气排采阶段(第78天开始)。
2.4 排采流体效应的影响因素
QNDN1井排采呈现的流体效应主控因素是储层压力，耦合分析图1、图2、图4可以发现，在排采140d、270d、525d、585d、820d前后，煤层气井因故未排水，储层压力升高，气产量明显下降。储层流体连续、稳定供给依靠储层压力的传播，而后者又受控于煤储层渗透率，本井范围内渗透率达18.5mD。因此，QNDN1井排采呈现出高气产能的流体效应。
在煤层气排采过程中，当储层压力、水产量处于连续稳定下降阶段时，气产量仍然呈现出较大的波动，其影响因素是煤层气的解吸特征，最终受控于煤的孔径结构。煤中显微裂隙(压汞孔径D＞10000nm)和各孔径(大孔：1000nm＜D＜10000nm；中孔：100nm＜D＜1000nm；过渡孔：10nm＜D＜100nm；微孔D＜10nm)的比容积、比表面积的分布是不连续的(图5、6)，比容积主要分布在显微裂隙、过渡孔和微孔中，比表面积则以微孔和过渡孔占绝对优势(表1、2)。在煤层气的解吸过程中，当解吸到某一孔径段时，因孔容、孔表面积的变化导致产气速率变化，气产量也呈现波动(尽管气产量是一个综合效应，当解吸到某一优势孔径时气产量仍然会呈现出强势)。
3 结论
QNDN1多分支水平井连续4年多的排采实践表明：该井煤储层含气饱和度高，渗透率高，动水饱和度低，煤层气产量高，且持续、稳定；排采流体来源于煤储层本身，前两个半月为重力水、水溶气、游离气排采阶段，两个半月后进入大规模吸附气解吸阶段；煤层气、水产能受控于储层压力降，煤层气产能波动受控于不同煤孔径段内的煤层气解吸；水平井的排采率约为70%，枯竭压力约为0.3MPa。
参考文献
[1] 叶建平.水文地质条件对煤层气产能的控制机理与预测评价研究[D].北京：中国矿业大学，2002.
[2] 冯三利，胡爱梅，叶建平.中国煤层气勘探开发技术研究[M].北京：石油工业出版社，2007：258-259.
[3] 杨陆武.中国煤层气水平井开发的理论与实践[M]∥叶建平，范志强.中国煤层气勘探开发利用技术进展.北京：地质出版社，2006：100-113.
[4] 傅雪海，秦勇，韦重韬.煤层气地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007：24.
[5] 傅雪海，秦勇，杨永国，等.甲烷在煤层水中溶解度的实验研究[J].天然气地球科学，2004，15(4)：345-348.
(本文作者：傅雪海1，2 秦勇1，2 韦重韬1，2 汪吉林1，2 周荣福1，2 1.中国矿业大学资源与地球科学学院；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室)
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