Analysis on production characteristics of coalbed methane multi-layer production wells

Ying-shuang SHI; Bing LIANG; Lu XUE; Wei-ji SUN; Qing-chun WANG; Zhi-heng CHENG

doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2020.04.027

Natural Gas Geoscience >

2020 , Vol. 31 >Issue 8: 1161 - 1167

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.04.027

Analysis on production characteristics of coalbed methane multi-layer production wells

Ying-shuang SHI ^,¹ ,
Bing LIANG ^,² ,
Lu XUE ³ ,
Wei-ji SUN ² ,
Qing-chun WANG ¹ ,
Zhi-heng CHENG ⁴^,⁵

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^1. College of Science, North China of Science ＆ Technology, Yanjiao 065201, China
^2. Institute of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
^3. China Construction First Group Construction ＆ Development Co. Ltd. ，Beijing 100102, China
^4. School of Safety Engineering，North China of Science ＆ Technology，Yanjiao 065201，China
^5. Huake Zhongan Technology(Beijing) Co. Ltd．，Beijing 102300，China

Received date: 2019-09-19

Revised date: 2020-04-13

Online published: 2020-07-29

Fold

Highlights

The purpose of this paper is to study that, the relationship of reservoir liquid level pressure between the combined mining layers, the relationship of production pressure difference between the combined mining layers, and the relationship of gas-seeking time between the combined mining layers during the combined production of multi-layer coalbed methane reservoirs. To this end, this paper takes multi-layer independent coalbed methane reservoirs as the research object. Starting from the reservoir forming characteristics and coalbed methane production mechanism, based on the expression of downhole pressure expression of coalbed methane wells, the relationship expression of reservoir liquid level pressure between the combined mining layers was derived. Furthermore, the relational expression of production pressure difference between the combined mining layers and the relational expression of gas-seeking time between the combined mining layers were derived. The following conclusions are drawn through analysis. Due to the existence of the layer spacing, there is a certain difference in the reservoir liquid level pressure between the upper and lower reservoirs when the lower reservoir is bare. After the lower reservoir is exposed, the reservoir liquid level pressure at the reservoir between the upper and lower reservoirs is equal. The production pressure difference between layers and the gas-seeking time between layers are not necessary to be equal. And the size of the difference is related to the reservoir layer difference, interlayer spacing, and whether the reservoir is exposed. In addition, the difference in gas-seeking time between layers is also affected by the gas well production pressure difference. The research results provide a theoretical basis for the development of the drainage system of the coalbed methane combined production well and the selection of simulation experiment methods for combined production of coalbed methane reservoirs with multiple reservoirs.

Cite this article

Ying-shuang SHI , Bing LIANG , Lu XUE , Wei-ji SUN , Qing-chun WANG , Zhi-heng CHENG . Analysis on production characteristics of coalbed methane multi-layer production wells[J]. Natural Gas Geoscience, 2020 , 31(8) : 1161 -1167 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.04.027

0 引言

我国煤层气藏普遍具有垂向上多层叠置的特征，开采时为了提高单井产量和经济效益，通常采用多层合采的开采方式^[1-4]，如阜新、韩城、贵州织纳、沁水南部等地区的煤层气开采井多为合采井。然而由于多层煤层气藏垂向上储层物性多具有非均质性的特征^[5-7]，合采时易产生层间干扰现象，影响合采效果。对此，一些学者通过气井产能数据分析、数值模拟、物理实验等手段，研究了层间物性参数的差异以及压裂、排采制度等因素对合采效果的影响，并提出了“阶梯式降压”、“低速—低套—阶梯式降压”等排采原则^[8-15]，但对于煤层气多层合采井的层间井底压力、生产压差、见气时间的关系目前未见报道。对于已选定的多层煤层气藏，若能明确合采时合采层间的井底压力、生产压差、见气时间之间的关系，则将更加有助于合理的制定排采制度，提高合采效果。对此，本文以多层叠置独立含煤层气系统为研究对象，从成藏特征和煤层气产出机理出发，分析了煤层气多层合采井层间储层处液面压力的关系、层间生产压差的关系、层间见气时间的关系。

1 多储层煤层气藏类型

煤层气成藏过程中受地层沉积作用的影响，含煤地层通常发育多个煤层气储层，秦勇等^[5-6]、张广政等^[7]根据含气性及储层压力随埋深的变化特征以及封闭层的渗透性，将多储层煤层气藏分为多层叠置独立含煤层气系统和多层统一含煤层气系统。

1.1　多层叠置独立含煤层气系统

多层叠置独立含煤层气系统是指垂向上发育有多套相对独立的流体压力系统和含气性的含气单元^[5-7]，如图1（a）所示，此类含气系统具有以下特征：

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图1 多层煤层气系统示意

Fig. 1 Schematic diagram of multi-layer coal bed methane system

（1）沉积特征。多层叠置独立含煤层气系统垂向上煤层间无流体（气体、液体）交换，所在盆地沉积体系和沉积相及组合类型多样，煤层顶、底板多以渗透性差的细砂岩、泥质岩、凌铁岩为主，且通常较厚，封盖能力良好，可以有效地阻断储层间的流体交换。

（2）储层压力。由于多层叠置独立含煤层气系统各储层之间存在封闭性良好的岩层，层间流体无法交流，储层间存在一定的水头压力差，使得储层压力随埋深的增加往往呈“波动式”变化，由浅至深存在多个压力梯度，如红梅井田上部含气系统的储层压力随埋深增加而增大，而中部含气系统的储层压力随埋深增加则呈现出复杂的变化。

（3）含气性特征。由于储层压力梯度与埋深的关系复杂，煤层含气量与埋深之间也呈现出复杂的关系，常常出现与“吸附原理”相悖或呈“波动式”变化的现象，突变主要出现在不同含气单元之间，且突变一般较大。

（4）水文特征。多层叠置独立含煤层气系统层间被封闭性良好的岩层隔开，岩层透水性差，使得煤层与含水层之间缺乏连通，垂向上地层富水性变化较大。

1.2　多层统一含气系统

多层统一含煤层气系统是指垂向上大范围的储层处于同一流体压力系统中，此类含气系统具有储层多而薄的特点，如图1（b）所示，此类气藏特点如下：①垂向上跨度大，层间岩层厚度小，且渗透性良好，封闭性差，通常多为砂岩、灰岩等；②煤层与岩层之间的水力联系强，系统内层间封闭性弱；③储层压力随埋深的增加而增大，各储层垂向上的压力梯度基本一致；④煤层含气量随埋深的增加变化简单，基本符合“吸附理论”。

多层叠置独立含煤层气系统通常采用分层压裂合层开采的方式，而多层统一含煤层气系统开采通常采用合层压裂合采的方式。

2 合采井的井底压力特征

以多层叠置独立含煤层气系统为例，以煤层气井井底压力表达式为基础，结合成藏特征及煤层气产出机理，推导煤层气多层合采井储层处液面压力表达式，分析层间储层处液面压力的关系。

2.1　煤层气合采井产气机理

无论是单井单层开采还是单井多层合采，煤层气产出机理和产出过程是一样的，即通过排水降压降低储层压力至临界解吸压力以下，使吸附态煤层气解吸为游离态，并经扩散和渗流运移至井筒产出。如图2所示，煤层气从煤基质运移至井筒中，渗流过程和解吸过程的驱动力是压力差，扩散过程的驱动力是浓度差，排水降压是前提，解吸、扩散、渗流、排水降压环环相扣、相互制约。

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图2 煤层气的产出过程

Fig.2 Production process of coalbed methane

煤层气井生产周期一般可分为产水期、产气量快速增加期、稳产期以及衰减期。产水期储层压力未降至临界解吸压力以下，此阶段只产水或有微量原始储层中游离态气体产出；产气量快速增加期吸附态气体开始解吸为游离态产出，此阶段日产气量逐渐增加，而产水量逐渐减少；稳产期气井日产气量达到最大值且较稳定，同时日产水量减小至一稳定值，此阶段气井以产气为主；衰减期气井日产气量开始下降，同时日产水量也再次开始下降，当日产气量为0时气井停产。

多层煤层气合采与单层煤层气开采相比，由于各储层的形成时期和成藏特征存在一定的差异，使得纵向上层间储层压力、渗透率、临界解吸压力、埋深、供液能力等存在一定的非均质性，从而造成合采过程中各储层的供液能力、产气速度、压降传播速度等产生差异，影响合采效果。例如，储层压力、渗透率、供液能力等直接影响储层流体的产出速率，如果合采层间上述因素差异较大，则合采时易造成物性条件好的储层抑制物性条件差的储层流体的产出，造成物性条件差的储层较单采时产气效果差甚至不产气；临界解吸压力直接影响储层的见气时间，若当上储层的临界解吸压力比下储层的临界解吸压力大的多时，为了使下储层尽早见气必须降低气井动液面高度，这样不仅会加大上储层的生产压差，易使上储层发生速敏效应，造成储层伤害，还会使上储层过早的暴露，影响储层压降漏斗的扩大和加深^[10,16-17]。

生产压差是煤层气产出的直接驱动力，通常在单井单层开采中是指储层压力与井底压力之间的压差，但实际上直接决定储层生产差的是储层压力与井筒中储层处的液面压力之间的压差。对于多层叠置独立煤层气藏合采井，由于层间距较大，使得各储层处的液面压力存在一定的差异，不可再用同一井底压力代替。加之层间储层压力、临界解吸压力的差异，导致各储层的生产压差和见气时间也不一定相同。因此，分析层间储层处液面压力的关系、层间生产压差的关系、层间见气时间的关系，对于煤层气多层合采井更加合理的制定排采制度，提高合采效果很有帮助。

2.2　井底压力特征

2.2.1　单层开采井的井底压力特征

如图3（a）所示，煤层气井的井底压力由3部分组成：混气液柱压力、纯气柱压力以及井口套压^[16-17]，可通过式（1）进行计算。

P f = P m + P g + P e

（1）

P m = ρ 液 g h

（2）

式中：

P f

为井底压力，MPa；

P m

为井筒中混气液柱压力，MPa；

P g

为井筒中环空纯气柱压力，MPa；

P e

为井口套压，MPa；

ρ 液

为液柱的平均密度，kg/m³；

g

为重力加速度，m/s²；

h

为液柱高度，m。

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图3 煤层气井示意

Fig.3 Schematic diagram of coalbed methane well

煤层气井产水阶段井筒中的液柱为水柱，井筒中无气柱，井口套压为0，井底压力由井筒中的水柱产生，即：

P f = P m = ρ 水 g h

（3）

式中：

ρ 水

为水的密度，kg/m³。

当煤层气井开始产气后，井筒中的液柱开始变为混气液柱，同时随着产气量的增加，液柱上端开始聚集气体，井口开始出现套压，此时井底压力可通过式（1）计算得到。

当井筒中的动液面降至储层以下时，井底压力由井筒中的气柱压力和套压提供，其表达式如式（4）所示:

P f = P g + P e

（4）

2.2.2　多层合采井的井底压力特征

对于多层叠置独立含煤层气系统，合采井可简化为图3（b）的形式，在图3（b）中，假设第i储层处的液柱高度为

h i

，第（i+1）储层处的液柱高度为

h (i + 1)

，当第i储层与第（i+1）储层均未暴露前，储层处的液面压力可分别用式（5）和式（6）表示:

P 液 i = ρ 液 g h i + P g + P e

（5）

P 液 (i + 1) = ρ 液 g h (i + 1) + P g + P e

（6）

式中：

P 液 i

为第i储层处的液面压力，MPa；

P 液 (i + 1)

为第（i+1）储层处的液面压力，MPa。

设第i储层与第（i+1）储层的层间距为

Δ h (i, i + 1)

，则两储层处的液面压力关系如式（7）所示:

P 液 (i + 1) = P 液 i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1)

（7）

此时第i、（i+1）储层处液面压力差等于层间距高度的液柱重力。

当第i储层暴露，第（i+1）储层未暴露时，第（i+1）储层处的液面压力仍可用式（6）表示，而第i储层处的液面压力则用式（8）表示，两储层处的液面压力的关系可用式（9）表示:

P 液 i = P g + P e

（8）

P 液 (i + 1) = P 液 i + ρ 液 g h (i + 1)

（9）

当第i储层和第（i+1）储层都暴露时，两储层处的液面压力相等，都等于环空纯气柱压力和套压的和。

3 合采井生产压差及见气时间特征

3.1　合采井生产压差特征

假设图3（b）中第i储层的生产压差为

Δ P i

，第（i+1）储层的生产压差为

Δ P (i + 1)

，根据生产压差与储层压力和储层处液面压力的关系，可得第i储层和第（i+1）储层的生产压差表达式（10）:

Δ P i = P i - P 液 i Δ P (i + 1) = P (i + 1) - P 液 (i + 1)

（10）

式中:

P i

为第i储层的储层压力，MPa；

P (i + 1)

为第（i+1）储层的储层压力，MPa。

将式（10）代入式（7）和式（9），得到第i、（i+1）储层生产压差的关系，如式（11）所示。将式（11）变形得式（12）:

P (i + 1) - Δ P (i + 1) = P i - Δ P i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1) 第 i 储 层 未 暴 露 P (i + 1) - Δ P (i + 1) = P i - Δ P i + ρ 液 g h (i + 1) 第 i 储 层 暴 露, 第 (i + 1) 储 层 未 暴 露 P (i + 1) - Δ P (i + 1) = P i - Δ P i 第 i 、 (i + 1) 储 层 均 暴 露

（11）

Δ P (i + 1) = P (i + 1) - P i + Δ P i - ρ 液 g Δ h (i, i + 1) 第 i 储 层 未 暴 露 Δ P (i + 1) = P (i + 1) - P i + Δ P i - ρ 液 g h (i + 1) 第 i 储 层 暴 露, 第 (i + 1) 储 层 未 暴 露 Δ P (i + 1) = P (i + 1) - P i + Δ P i 第 i 、 (i + 1) 储 层 均 暴 露

（12）

由式（12）可知，第i、（i+1）储层均未暴露，只有当

P (i + 1) = P i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1)

时，两储层的生产压差才相等；第i储层暴露、第（i+1）储层未暴露，只有当

P (i + 1) = P i + ρ 液 g Δ h (i + 1)

时，两储层的生产压差才相等；第i、（i+1）储层均暴露，当

P (i + 1) = P i

时，两储层的生产压差相等。由上文可知多层煤层气藏合采过程中，各储层的生产压差不一定相等，层间生产压差的关系不仅受层间储层压力和层间距的影响，还受储层是否暴露的影响。

3.2　合采井见气时间特征

假设图3（b）中的第i储层以生产压差

Δ P i

定压生产，n次降压后其储层压力和储层处液面压力均为

P i - n Δ P i

，若此时第（i+1）储层未暴露，根据式（7）和式（9）可得此时第（i+1）储层处的液面压力，如式（13）所示，若此时第（i+1）储层已暴露，则第（i+1）储层处的液面压力与第i储层相等。

P 液 (i + 1) = (P i - n Δ P i) + ρ 液 g Δ h (i, i + 1) 第 i 储 层 未 暴 露 P 液 (i + 1) = (P i - n Δ P i) + ρ 液 g Δ h (i + 1) 第 i 储 层 暴 露

（13）

饱和煤层气藏开采，只需降低储层压力便会有气体产出，而非饱和煤层气藏，只有当储层压力降至临界解吸压力以下才会有气体产出。以饱和气藏为例，只有当式（14）成立时，第（i+1）储层才开始产气。

P 液 (i + 1) < P (i + 1) P (i + 1) - P 液 (i + 1) ≤ Δ P i

（14）

将式（13）代入式（14），得第（i+1）储层开始产气时第i储层的降压次数n需满足式（15）、式（16）。

（1）　第i储层未暴露时

P i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1) - P (i + 1) Δ P i < n ≤ 1 + P i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1) - P (i + 1) Δ P i

（15）

（2）　第i储层暴露时

P i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1) - P (i + 1) Δ P i < n ≤ 1 + P i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1) - P (i + 1) Δ P i

（16）

由式（15）、式（16）可知，多储层煤层气藏合采各储层的见气时间不一定相同，层间见气时间的差异与储层压差、层间距以及气井排采压差有关。

4 多层煤层气藏合采相关建议

根据煤层气多层合采井的井底压力、生产压差、见气时间的特征，多层叠置独立煤层气藏制定合采井排采制度或开展实验研究时应注意以下事项：

（1）在制定排采制度时应综合考虑由于层间距引起的层间储层处液面压力的差异，结合层间生产压差的关系和层间见气时间的关系，尽量在储层暴露前使其排液和卸压半径达到最大，且储层暴露后应尽量减弱暴露层对下储层的压制作用，同时尽可能地避免下储层对上储层的倒灌。

（2）在进行多层合采室内模拟实验时，各模拟层不应用同一回压模拟井底压力，应根据层间距大小确定层间储层处液面压力的差异是否忽略，不可忽略时应给每一模拟层提供单独的回压。

例如，假设某多层煤层气田1^#储层和2^#储层的储层参数如表1所示，在不考虑含气饱和度以及气水两相的前提下，开展1^#、2^#模拟层初次均见气时的合采模拟实验，设模拟气井的生产压差为0.40 MPa，为了避免1^#模拟层过早暴露，以1^#模拟层优先产气为前提，即1^#模拟层的实际生产压差

Δ P 1 = 0.40 M P a

，则合采模拟前1^#模拟层的储层压力

P 1

和2^#模拟层的储层压力

P 2

、模拟的1^#储层处液面压力

P 液 1

和2^#储层处液面压力

P 液 2

以及各的实际生产压差

Δ P 1

、

Δ P 2

，确定方法如表2所示。设此时气井中混气液柱的平均密度近似为水的密度。

表1 储层参数

Table 1 Reservoir parameters

模拟储层	压力点深度/m	压力点间距/m	原始储层压力/MPa	垂直地应力梯度/（MPa/100 m）
1^#	740.00	80.00	6.70	1.29
2^#	820.00	80.00	6.80	1.30

表2 模拟参数的选取

Table 2 Selection of simulation parameters

降压次数	$P 1$	$P 2$	$P 液 1$	$P 液 2$	$Δ P 1$	$Δ P 2$	是否开始模拟
1	6.70	6.80	6.30	6.80	0.40	0.00	否
2	6.30	6.80	5.90	6.40	0.40	0.40	是

5 结论

从煤层气产出机理及多储层煤层气藏特征出发，分析了煤层气多层合采井的井底压力、生产压差及见气时间特征，得出：

（1）对于多层叠置独立煤层气藏，各储层处的液面压力有一定的差距，合采过程中，当第i储层未暴露时，层间储层处液面压力满足

P 液 (i + 1)

P 液 i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1)

；当第

i

储层暴露、第

(i + 1)

储层未暴露时，层间储层处液面压力满足

P 液 (i + 1)

P 液 + ρ 液 g Δ h (i + 1)

；当第

i

储层和第

(i + 1)

储层都暴露时，两储层处的液面压力都等于环空纯气柱压力和套压的和。

（2）合采各储层生产压差相等需满足以下条件：①第

i

储层未暴露时，需满足

P (i + 1)

P i + ρ 液 g Δ h (i, i + 1)

；②第

i

储层暴露、第

(i + 1)

储层未暴露时，需满足

P (i + 1)

P i + ρ 液 g Δ h (i + 1)

时；③第

i

、

(i + 1)

储层均暴露时，只要两储层的储层压力相等，两储层的生产压差就相等。

（3）多储层煤层气藏合采各储层的见气时间不一定相同，层间见气时间的差异与储层压差、层间距以及气井排采压差有关。

（4）多层叠置独立煤层气藏在制定合采排采制度时应考虑层间储层处液面压力的差异、生产压差的差异以及见气时间的差异；在进行合采物理模拟实验时，应根据层间距的大小制定回压。

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0 引言

1 多储层煤层气藏类型

1.1 多层叠置独立含煤层气系统

图1 多层煤层气系统示意

1.2 多层统一含气系统

2 合采井的井底压力特征

2.1 煤层气合采井产气机理

图2 煤层气的产出过程

2.2 井底压力特征

2.2.1 单层开采井的井底压力特征

图3 煤层气井示意

2.2.2 多层合采井的井底压力特征

3 合采井生产压差及见气时间特征

3.1 合采井生产压差特征

3.2 合采井见气时间特征

4 多层煤层气藏合采相关建议

表1 储层参数

表2 模拟参数的选取

5 结论

References

1.1　多层叠置独立含煤层气系统

1.2　多层统一含气系统

2.1　煤层气合采井产气机理

2.2　井底压力特征

2.2.1　单层开采井的井底压力特征

2.2.2　多层合采井的井底压力特征

3.1　合采井生产压差特征

3.2　合采井见气时间特征