贾慧敏 胡秋嘉 刘 忠 刘春春 乔茂坡 秦 宇

(中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司,山西 048000)

裂缝应力敏感性对煤层气井单相流段产水影响及排采对策

贾慧敏 胡秋嘉 刘 忠 刘春春 乔茂坡 秦 宇

(中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司,山西 048000)

为了研究应力敏感性对煤层气井单相流段产水规律的影响，文章通过理论推导建立基于煤层应力敏感性的单相流段产水量模型，并在拟合研究区生产井排采数据的基础上，预测应力敏感性对产水规律的影响。研究结果表明，煤岩渗透率与有效应力呈负指数幂关系，应力敏感性系数越大，煤岩应力敏感性越强；且随着应力敏感性系数的增大，产水量曲线由持续上升型转变为先升后降型，且上升段持续缩短，因此不同的应力敏感性储层应该采用不同的生产压差和降压速度，保障最佳排水效率。

煤层气井 应力敏感性 单相流 产水规律 排采对策

本文研究区位于沁水盆地南部，煤层气藏为承压水煤层气藏，煤层气开发需要通过持续排水降低储层压力，使煤层中吸附态的甲烷气体解吸，然后扩散、渗流至井筒。在一定程度上，采出水量决定了压降波及面积及甲烷解吸面积，从而决定了单井产量和稳产期。由于煤储层具有孔隙、裂隙双重孔隙结构，煤岩裂缝系统复杂，应力敏感性较强，许多学者通过室内试验对煤岩的应力敏感性进行了研究。在排水降压过程中，随着生产压差不断扩大，煤层产水动力增强，但煤层所受有效应力也持续增加，渗透率不断降低，产水阻力逐渐增强。可见，井底流压的降低对煤储层产水量具有双重作用。本文通过建立基于应力敏感性的单相流段产水模型，研究应力敏感性对产水量变化的影响，旨在建立不同应力敏感性储层合理的排采制度，实现高效排水降压，不断扩大压降解吸面积，保障煤层气单井产能的有效释放，并延长稳产期。

1 区域概况

沁水盆地整体为一近南北向的大型复式向斜，盆地内次级褶曲发育，断层以北东、北北东向高角度正断层为主，集中分布在盆地西北部、西南部及东南部边缘。盆地南部东西两翼为斜坡带，中间为洼槽区，夏店区块位于东部斜坡带，区内分布有文王山断层和二岗山断层两大张剪性断裂和一系列小断层，煤岩裂缝系统发育。

研究区内自上而下发育4套含煤层系，10～16套煤层，其中本溪组和下石盒子组仅含薄煤层或煤线，石炭系上统的太原组和二叠系下统的山西组为主要含煤层系。其中，山西组发育1号～4号煤，3号煤分布稳定，厚度在3.8～8.4m之间，平均为5.82m，是本区目前煤层气勘探开发的主要目的层。3号煤层煤岩镜质体反射率分布在1.9%～2.7%之间，平均2.35%，属于中、高阶煤。渗透率分布在0.006～0.19×10-3μm2之间，平均0.04×10-3μm2，属于低渗、特低渗储层。孔隙度在3%～7%之间，平均4.5%，属于低孔隙度储层，物性较差。

2 煤储层裂缝应力敏感性分析

煤层与常规天然气储层不同，其作为煤层气的源岩和储集层，是一种双孔隙岩层，由基质孔隙和裂隙组成，且其自身发育独特的割理系统。煤岩基质孔隙渗透率极低，基本不具备渗流能力，其割理裂隙系是煤层气渗流的主要贡献者。煤层气开发储层具备复杂的天然-人工裂缝网络，主要包括在成煤过程中由于煤基质收缩作用产生的内生裂隙、受古构造运动影响形成的外生裂隙以及大规模水力压裂形成的人工裂缝。

研究表明，裂缝渗透率主要取决于其宽度，且对宽度非常敏感，即在其他参数不变时裂缝宽度微小的变化都会导致渗透率的极大变化。裂缝渗透率与宽度的关系为：

(1)

式中，Kf为裂缝渗透率，b为裂缝宽度，L为裂缝长度，A为渗流面积。

蒋官澄等、李相臣等通过室内试验研究了不同应力条件下的煤岩裂缝宽度的变化，结果表明裂缝宽度与其所受的有效应力成负指数关系：

bi=b0e-α(δi-δ0)

(2)

式中，σ0，σi分别为作用于裂缝的初始有效应力和排采过程中i时刻的有效应力，b0为σ0对应的裂缝宽度，bi为σi对应的裂缝宽度。

设Kf0，Kfi分别为σ0，σi对应的裂缝渗透率，则由式(1)、式(2)可得：

Kfi=Kf0e-α(δi-δ0)

(3)

由式(3)可知裂缝渗透率随作用于其上的有效应力的增加呈负指数形式降低，式中α为应力敏感性系数，可以定量评价应力敏感性的大小，α值越大煤岩应力敏感性越强。

3 考虑裂缝应力敏感性的单相流段渗流产水量模型

3.1 单相流段排采过程中应力变化分析

如图1所示，在排水降压前，煤基质所受的压力(Pm)、煤层中流体压力(Pr)与上覆岩层压力(Po)三者处于平衡状态：Po=Pm+Pr。其中，上覆地层压力Po为上覆岩层重力对煤层所产生的压力，为一定值。在煤层气井生产后，煤层气井持续排水使原有应力平衡系统被打破：储层流体压力Pr不断降低，煤基质所受压力Pm逐渐增加，致使煤层裂隙系统承受的有效应力增加，裂缝宽度减小甚至闭合，煤岩裂缝渗透率降低。排水降压过程中煤岩有效应力的变化可以用流体压力与井底流压值差表示。

图1 煤层气井单相流段应力敏感性示意图

3.2 单相流段考虑应力敏感性的产水量模型

假设煤层均质、等厚，流体流动为稳定流动，符合达西定律，则煤层气井解吸前单相流段平面径向流公式为:

(4)

式中，qw为日产水量，m3/s；h为煤层厚度，m；K(p)为煤层渗透率，为储层压力的函数，m2，pr为煤层压力，Pa; pwf为井底流压，Pa;Bw为液体体积系数，无量纲量；μw为液体粘度，Pa·s；rw为井筒半径，m；re为井筒控制半径，m。

考虑压裂后储层表皮系数上式变为：

(5)

式中，S为表皮系数，煤层气井经过压裂改造，近井地带物性得到改善，所以S均为负值。

将式(3)带入式(6)可得考虑应力敏感性的煤层单相流段产液量公式：

(6)

4 实例拟合与讨论

根据试井解释、煤岩室内实验等资料确定X-1井地质及流体参数：渗透率K0=0.06×10-3μm2，煤层厚度h=3.5m，液体体积系数Bw=1，液体粘度μw=0.99mPa·s，井筒半径rw=0.11m，井筒控制半径re=100m，根据试井解释给出表皮系数S=-4，煤层储层压力pr=4.5MPa。

根据上述参数，利用式(6)对X-1井解吸前生产资料进行拟合，结果如图2所示，当应力敏感性系数值为0.89时，式(6)可以很好地与X-1井产水量数据拟合，说明式(6)能够表明煤层气井单相流段日产水量随井底流压的变化规律。

在对X-1井拟合基础上，利用式(6)预测出不同应力敏感性系数对煤层气井单相流段产水规律的影响，结果如图3所示。

图3表明，在相同生产压差下，随着应力敏感性系数增大，煤层气井日产水量降低，这主要是由于煤层应力敏感性增强导致渗透率下降幅度增大，渗流阻力增加，因此对于不同应力敏感性的储层应该采用差异化的排采制度，采用相同的排采制度可能导致完全不同的结果。

图3还表明，应力敏感性系数值不仅影响煤层气井日产水量的大小，同时也影响日产水量的曲线形态。应力敏感性系数以0.5为界限，日产水量随着生产压差的增加而表现出3种变化形态：当αlt;0.5时，日产水量持续上升；当α=0.5时，日产水量先上升后平稳；当αgt;0.5时，则日产水量先上升后下降，且开始下降时的生产压差持续降低。这是由于生产压差增加一方面导致煤层水渗流动力增加，另一方面导致煤层裂缝系统所受的有效应力增大，渗透率降低，渗流阻力增加。而对于研究区块，当α=0.5时，由于生产压力增加而造成的动力增量等于阻力增量。这说明，该区块应当根据不同的值制定差异化的排采制度。

图2 式(7)对X-1井生产曲线拟合结果

图3 应力敏感性对产水量的影响

5 不同应力敏感性储层差异化排采控制方法

煤层气井单相流段应遵循“以水换气”基本理念，首要任务是尽可能多排水，通过持续排水，增加压降波及面积，扩大解吸范围，为后续持续高产稳产奠定基础，因此该阶段最佳的工作制度应保障日产水量持续处于最高水平。

而产水量主要受储层应力敏感性系数影响，煤层应力敏感性较强时，渗透率下降程度较大，阻力成为主要因素，产水量下降；应力敏感性较弱时，渗透率下降程度较小，动力成为主要因素，产水量上升；且应力敏感性越强，上升段持续的时间越短，下降点出现的越早。因此，不同的应力敏感性储层应采用不同的生产压差，以便达到最佳的排水效果，研究区块不同的应力敏感性系数对应的最佳生产压差如表1所示。

表1 不同应力敏感性系数对应的合理生产压差

在现场排采管理中，由于储层压力下降速度较慢，为了保持最佳的生产压差，应该合理控制降压速度，通过现场试验发现不同应力敏感性储层对应的最佳降压速度不同。GC区块的α值在0.9～1.1之间，由图4可知，当动液面降幅在6～10m/d时，单位压降产水量最大，即产水能力最大。而WY区块α值在1.3～1.5之间，由图5可知，当动液面降幅在2.5～4.5m/d时产水能力最大。这表明，应力敏感性越强，降液速度应该越小，应该根据不同区块的应力敏感性程度来确定合理的降液速度。

图4 GC区块压降速度与单位压降产水量关系

图5 WY区块压降速度与单位压降产水量关系

6 结论

(1)煤岩渗透率主要由裂隙系统渗透率决定，其值随有效应力的增加而呈负指数形式降低，复杂的裂缝系统是煤岩高应力敏感性的根本原因。煤岩应力敏感性系数可以有效表征煤岩应力敏感性程度，应力敏感性系数越大，煤岩应力敏感性越强。

(2)应力敏感性系数值不仅影响煤层气井日产水量的大小，同时也影响日产水量的曲线形态。随着应力敏感性系数增加，煤层气井产水量呈现出持续上升型、先升后平稳型，先升后降型三种形态，且产水量上升段的长度逐渐减小。

(3)不同应力敏感性储层应该采用差异化排采控制方式，以求获得最高的排水效率。

[1] 赵贤正,杨延辉,孙粉锦,等.沁水盆地南部高阶煤层气成藏规律与勘探开发技术[J].石油勘探与开发,2016,43(2):1-6.

[2] 谢诗章,许浩,汤达祯,等.煤层气储层产水量的分类和成因分析[J].煤田地质与勘探,2016,44(1):47-50,55.

[3] 薛培,郑佩玉,徐文君,等.有效应力对不同阶煤渗透率影响的差异性分析[J].科技导报,2015,33(2):69-73.

[4] 郭春华,周文,孙晗森,等.考虑应力敏感性的煤层气井排采特征[J].煤田地质与勘探,2011,39(5):27-30.

[5] 刘会虎,桑树勋,冯清凌,等.沁水盆地南部煤层气井排采储层应力敏感研究[J].煤炭学报,2014,39(9):1873-1878.

[6] 冀涛,杨德义.沁水盆地煤与煤层气地质条件[J].中国煤田地质,2007,(19)5:28-30,61.

(责任编辑 桑逢云)

Influence of Fractures Stress Sensitivity on Water Production Law for the Single-phase Flow of CBM Wells and Drainage Countermeasures

JIA Huimin，HU Qiujia，LIU Zhong，LIU Chunchun，QIAO Maopo，QIN Yu

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

This article aims to study the effect of stress sensitivity on reservoir water rate. Through the theoretical derivation，It establishes the model of water production rate with single-phase flow based on stress sensitivity of coal seam，and predicts the influence of stress sensitivity on water production law on the basis of the data fitting of the production wells in the researched areas. The results show a negative exponent relations between the overall permeability of coal and rock fracture and the effective stress. The stress sensitivity coefficient will increase with stress of the coal and rock. As the sensitive coefficient increase，the curve of water production rate keeps rising fist and then shift to rise first and fall later，and the greater the stress sensitivity coefficient is，the shorter the rise period will be. Therefore，reservoirs with different stress sensitivity should adopt separated production pressure difference and pressure decrease rate，so as to guarantee the best water production efficiency.

CBM wells; stress sensitivity; single-phase flow; water production law; drainage countermeasures

贾慧敏，男，硕士研究生，目前从事煤层气地质与开发方向研究。