1 煤层气所针对的流体
煤层气地层在初始打开时,由于地层压力一般高于临界解吸压力,常常不存在游离气(在美国的部分煤层气层中也有存在游离气的情况)。此时为了测试储层的渗透率,经常采用注入/压降试井方法。煤储层中裂隙等较大孔隙中的储层流体是水。
煤储层压力表现为煤层水压力,被测井常常是水井,并按水井试井方法进行地层参数分析,而普通的试井分析的对象是油或气。
煤层气注入/压降试井方法是一种单井压力瞬变测试,测试时以恒定排量将水注入井中一段时间后关井。注入和关井阶段都用井下压力计记录井底力,这两个阶段的压力数据可独立用于分析求得渗透率。注入压降测试方法在煤层气勘探中应用相当广泛。
注入压降试井主要有以下优点:
(1)流体的注入提高了地层压力,保证了在测试过程中为单相流,它适用于负压、正常压力和超压等各种情况的煤层气井;
(2)不需要井下机械泵送设备,简化了操作步骤,降低了成本;
(3)可以用标准试井分析方法来分析,结果比可靠;
(4)探测半径较大,时间相对较短。
注入压降试井对于低渗透率煤层很难进行,因为要保持非常低的注入排量,因此在采用注入压降方法时,必须预防以下两点:
(1)地层伤害。其原因之一,是由于注入的流体可能与地层的化学环境不相容,发生反应;之二,是由于有可能注入了会堵塞储层孔隙的微粒,此把取自被测试层位的地层水回注到测试井中是最理想的,至少应当采用与地层和气藏流体相容的
淡水。
(2)压开地层。如果注入过程中排量控制不好,使井底压力超过了测试层的破裂压力,就可能会压开地层,产生裂缝,这种裂缝的产生被认为是自然渗透率或井筒伤害的假象,使测试结果不可靠。因此在注入压降过程中一定要保证井底压力低于地层破裂压力。
2 煤岩两重孔隙的结构,但试井时并不表现油气层中的双孔介质流动特征从地质结构上看,煤层确实包含有煤基质和割理系统两种不同的介质。甲烷气和水赋存在煤基质和割理中。从煤层结构看,它也是一种“两重孔隙”结构,但试井时并不表现油气层中的双孔介质流动特征,显然它与Barenblatt于1960年定义“双重介质”有着本质的差别,因此流动机理也截
然不同。
煤层甲烷气,除少量游离气外,基本上是以吸附态赋存于煤基质中,水则只存在于割理中。随着割理中水的采出,储层压力降低,甲烷气从煤基质中解吸出来,解吸过程符合Fick扩散定律,继而在割理中流动,符合达西定律。与此不同的是,普双重介质天然气层,天然气是以压缩状态同时存在于基质孔隙和裂缝中的。天然气的流动,不论从基质到裂缝,或是在裂缝中的流动,都符合达西定
律,因而形成“双重流动”。双重的存储和双重的流动,构成普通裂缝性天然气层的双重介质流动特征。而煤层气层虽然有双重的结构,却不具备双重的渗流条件,因而也就不具备双重介质的渗流特征。某些现场测试资料虽被牵强地解释为双重介质,但就目前见到的这样资料,经分析核实后发现,实际是特定的测试方法所形成的变井储影响。
煤层气渗流又与开采过程分不开。煤层从被打开排水开始,到采气结束,在流动上大致分为三个阶段,即单相水裂缝流动段,井附近局部解吸时的过渡流动段,全面解吸时的气水两相流动段。以上阶段,基本上延续数年以至长达数十年,而煤层气试井过程涵盖的时间就只有几天,或者是在排水阶段,或者是在部分解吸阶段,或者是在全面解吸阶段。一次试井的过程,不会同时出现在开采中的不同阶段。与此不同的是,普通天然气层开采过程中出现的裂缝流动段,从基质向裂缝的过渡流动段统流动段,在一次完整的试井中会同时存在。并且不但在开井压降过程中同时存在,在关井恢复过程中也会同时存在。早期测试时存在,过一段时间再测试时还会重复出现。这是与煤层气试井截然不同的,这也是煤层渗流与普通裂缝性天然气层渗流过程的一个重大差别。
2·3 煤层气开采不同阶段具有不同的试井对象和分析方法
2·3·1 勘探时期的煤层气试井主要是寻找高产区在煤层气井打开初期,煤层裂缝中充满了水,水并不能进入煤基质,煤基质中的甲烷气在未进行降压解吸以前也不参与裂缝中的流动,因此试井是针对“单相水的裂缝均质流”。从中国国内大量的注入/压降试井资料看,确实证实了这一点。从这一时期的试井研究,可以发现并确认煤层
气开采区内的高导流裂缝区,这也就是高产区的主要特征,因此是煤层气区勘探井和开发评价井的主要研究内容。这一时期的试井测试和分析,也是煤层气试井的主要时段。
2·3·2 煤层气井开采期的试井是两相流试井
在煤层气井抽水降压后,煤层开始有甲烷气解吸进入裂缝,煤层中的流体为气、水混合物,此时裂缝中的水仍然不能进入煤基质;而从煤基质中解吸出来的气进入裂缝后,也很少有可能再返回到煤层基质中,因此关井测压力恢复时,实质上被测对
象是均质地层的两相流。作为两相流试井,至今仍是试井理论范畴的研究课题,并无成熟的方法。而且在低压开采状态下
的煤层气层,既无特别的必要也较少有可能再开展大规模的试井测试研究。
2·3·3 煤层气井试井动态模型
根据煤层气开采的不同阶段和现场实际需要步把煤层气试井划分为7种典型模型:(1)单相水裂缝(割理)均质流模型。当煤层
气井刚刚打开进行注入/压降试井时,适用于这种模型。
(2)单相水线性流或双线性流模型。当煤层在早期经过大型压裂改造后完井,进行注入/压降试
井时,适用于这种模型。
(3)气水两相裂缝(割理)均质流模型。当煤层中原生大量游离气时,适用于此种模型。
(4)有源的气、水两相流模型。当煤层气地层在全区范围内压降,形成解吸开采时,适用于此种模型。
(5)有源的单相气试井模型。在甲烷气体解吸条件下,煤层内含水饱和度很低,或者煤层内含水饱和度稳定分布,接近束缚水状态时,适用于这种模型。
(6)复合地层模型。当井附近局部地区压降较大形成甲烷气解吸区时,在近井地带为解吸区,远井地带为单相水区,适用于这种模型。
(7)气水两相的线性流或双线性流模型。当甲烷气已在地层中解吸、或早期存在大量游离气时,对于压裂井,适用于这种模型。
2·4 煤层的物理特性决定测试分析的差异
这种取决于煤层物理特性测试分析的差异主要表现在以下几个方面
(1)描述煤层气渗流过程的微分方程与常规的天然气所依据的微分方程不同。甲烷气解吸使储层压缩系数中包含了解吸压缩系数,从而使其数量值
提高了1~2个数量级;
(2)煤层一般都具有很低的渗透率,开采时都具有很低的储层压力;
(3)常常应用一些很简单的测试方法,例如水罐测试、段塞测试等。
结论:
本文介绍了煤层气井试井分析中与常规油气井的差别。主要包括:
(1)煤层气试井按水井试井方法进行地层参数分析;
(2)煤层气“双重”的结构决定了它的渗流与普通天然气的双孔介质渗流不同;
(3)煤层气特殊的渗流机理又决定了它的三个开采阶段;
(4)每一个开采阶段又有不同的试井模型和不同的试井分析方法。
综上所述,我国煤层气的勘探开发处于起步阶段,对煤层气渗流机理和煤层气试井的研究,也还刚刚起步,因此有待通过大量的实验研究和现场实践不断完善,从而逐步建立有中国特色的煤层气工业发展道路。