2020, Vol. 42
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2. 中海石油(中国)有限公司非常规油气分公司, 北京 朝阳 100015
2. Unconventional Oil & Gas Branch, CNOOC China Limited, Chaoyang, Beijing 100015, China
煤层气的生产动态研究多采用矿场统计、数值模拟以及典型图版等方法[1-5]，地球化学分析表明，气井产水主要来自层内水与顶板水体[6-7]，而顶板水体在生产过程中会造成层间越流补给，在生产动态上会有一定的响应[8-9]。对于气井在同时打开煤层和顶板水层时，越流补给效应研究已比较成熟，可以定量刻画水体大小对煤层压力的补充程度[10-11]；当气井避射顶板水体时，亦有研究定性分析了层间越流在煤层气井排水采气动态上的响应[12]，完善了不同水体对煤层气生产动态影响的研究。与常规气藏的圈闭条件不同，煤层气是吸附气成藏的典型非常规气藏[13-14]，并不要求煤层顶板比煤层更加致密，因此，无法形成应力遮挡层[15]。常规气藏的压裂缝一般被盖层阻隔，但是煤层压裂过程通常存在裂缝压穿顶板的现象[16-17]。此时，压裂缝不仅沟通了煤层和气井，也沟通了顶板水体。地层水不仅可以通过煤层流入井筒，也会通过压裂缝流入井筒。
对于压裂缝沟通顶板水体条件下，越层窜流效应对煤层气生产动态的影响研究较少。因此，本文通过数值模拟方法建立了两种压裂缝沟通顶板水体的模型，研究了不同裂缝穿透条件下，顶板水体的越流补给效应对煤层气生产动态的影响，并绘制了无因次特征曲线，研究了不同裂缝条件下的气井产水特征。
1 煤层气藏的水源 1.1 现场产水统计规律煤层气井生产时需要经历排水阶段，通过排水降低煤层压力，使煤层气解吸产气。不同井、不同区块的气井排水量差异明显，即使相同区块气井排水量可从0~5 m3/d到20~30 m3/d不等[18-19]。本次研究工区位于山西沁水盆地柿庄南区块TS井组，煤层气开发主力煤层为二叠系山西组3号煤层，TS井组累积排采量如图 1所示。
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| 图1 某区块煤层气井累积排采量 Fig. 1 Cumulative production of CBM wells in a block |
由于同一区块煤层气的储层厚度、孔渗、吸附气量、临界解吸压力和构造特征等地质因素以及钻、完井与压裂施工等工程因素大致相同[20-23]，如果煤层气藏中仅存在层内水，理论上煤层气井排水越多，产气量越大[24-26]。然而，TS井组累积排采量(图 1)表明，即使是相同区块的气井排采过程中，气-水关系差别很大，规律性不强。同时，部分井出现了明显的产水异常(井11、12、13与17等)。因此，要通过研究顶板水体对煤层气井产水的影响规律，从而判断煤层气井的出水水源。
1.2 产水水源分析煤层气井出水影响因素复杂，但是出水本质是煤层本身层内水与煤层顶板产水。煤层气井的压裂规模以及排采制度是影响单井产水的重要因素。即使在同一生产区块内，由于地质因素和施工因素的区别，气井的产水规律并不统一。因此，需要对水源进行分析，目前普遍认为排采过程中的水来自煤层内部可动水以及顶板补给水。
1.3 裂缝中的水煤岩发育割理和裂缝，层内水多数储存在裂缝系统中。由于煤层气开发过程中通常需要压裂改造，改善煤层的渗流通道，但对其储集能力影响不大。TS井组井距为300 m，煤层厚度6 m，裂缝孔隙度3%，根据煤层气裂缝相渗曲线测试可知，其裂缝系统可动水的含量为30%。如果煤层裂缝系统中含水饱和度为100%，则TS储层单井控制面积内的煤层裂缝系统的含可动水量为4 860 m3，根据图 1可知，3 a内多数井已经接近该含水量，部分井已经超过该含水量，可见层内水并非煤层气藏的唯一水源。
1.4 顶板水源煤层气井开发通常需要进行压裂，从而达到改善渗流能力的目的。在排采过程中，由于煤层的压力降低导致顶板水层通过断层输导作用进入煤层或是人工压裂缝进入井筒，形成水侵，导致煤层气井的排水期延长，形成无效采水。而多数煤层厚度较小，压裂施工参数控制难度较大。压裂缝穿透顶板，成为煤层气井产水的重要因素。对于顶板水出水情况，类比煤矿开采过程中顶板水突水动态可知其水量递减较慢，由于裂缝沟通，类似于煤矿开采过程中的断层导水作用，在重力作用下顶板出水多发生于气井排采初期，直到顶板水压力衰减为止。
2 顶板水模型利用数值模拟软件，建立了考虑气体在基质中吸附、通过基质流动及裂缝系统中气、水的两相流动的双重介质模型。模拟假设条件为：(1)气井通过射孔与煤层连接，气井没有射开顶板水体；(2)当煤层与顶板水体间存在泥质隔挡层时，压裂缝可以压穿隔挡层，并穿透部分水体；(3)当煤层与顶板水体间存在泥质隔挡层时，压裂缝是连接井筒与顶部水体的唯一通道；(4)当煤层与顶板水体直接接触时，顶板水体与煤层直接连通，同时顶板水体与气井通过压裂缝沟通。以TS井组实际地质和动态资料为依据，设置数值模拟机理模型参数如表 1，其中，网格尺寸为3 m×3 m×2 m。模拟过程中的煤层与顶板地层的毛管压力曲线及相渗曲线取自文献[27-28]。
| 表1 模型基础参数表 Tab. 1 Basic parameters of simulation model |
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根据沁水盆地柿庄南区块3号煤层与顶板水体的地质关系，可以构建两种顶板水体与煤层的接触关系(图 2)。可以定义顶板水体的穿透比为水力裂缝穿入顶板水体的高度与水体高度的比值。裂缝穿透比是表征顶板水体被压裂缝连通程度的物理量。
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| 图2 两种煤层与顶板水体的接触关系模型 Fig. 2 Two contact models of coalbed and top aquifer |
根据机理模型，煤层与顶板水体的直接接触模型(图 2a)可以模拟顶板水体倍数(水体倍数指顶板水体积相对煤层水体积的比值)对生产动态的影响以及不同裂缝条件下顶板水体直接对生产动态的影响。煤层与顶板水体的间接接触模型(图 2b)可以模拟排采制度对煤层气生产动态的间接影响(压裂缝未穿透顶板)以及直井压裂缝穿透遮挡层和顶水后对生产动态的影响。数值模拟过程中，各模拟案例的参数配置见表 2。
| 表2 数值模拟过程中参数变化表 Tab. 2 Parameter setting during numerical simulation |
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根据煤层与顶板水体的直接接触模型，设立压裂缝未穿透遮挡层，模拟无顶板水体条件下煤层气的生产动态，结果如图 3所示。由模拟结果可知，排采制度对煤层气生产动态的影响较小。当供给水体仅为煤层的层内水时，煤层气排采过程中产水量不能稳定，在投产初期即开始递减，气井的见气时间为1~2 d。而多数煤层气井需要经历一定的排水过程，这说明多数煤层气井的产水水源并不只有煤层的层内水。
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| 图3 不同采水量的排采曲线 Fig. 3 The production curve of different water production |
根据煤层与顶板水体的间接接触模型，设置顶板水体厚度为14 m，网格尺寸与煤层网格尺寸一致，在压裂缝未压穿顶板水的条件下，根据间接接触模型模拟在不同水体倍数条件下顶板水体对煤层气生产动态的影响规律(图 4)。
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| 图4 不同水体大小的排采曲线 Fig. 4 The production curve of different aquifer volume |
存在顶板水时，产气曲线呈尖峰状(图 4a)，而初期产水可以稳定(无顶板水时产水不稳定)。产气量达到峰值后迅速递减，产水同时递减。顶板水越大，煤层气最大产气量越小，见气时间越长，产气上升速度越慢。顶板水体延迟了气井的见气时间，不同水体倍数对应的见气时间为109~318 d(图 4a)。水体大小对产气上升以及产水递减过程影响较大，但对产气量的递减影响较小。
3.3 无遮挡层条件不同裂缝穿透比对生产的影响根据煤层与顶板水体的直接接触模型可知，当网格尺寸与煤层网格尺寸一致时，在水力裂缝压穿顶板水的条件下，模拟不同裂缝穿透比条件下，顶板水体对煤层气生产动态的影响规律，结果见图 5，其中，假设水体倍数为1。
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| 图5 不同顶板水穿透比的排采曲线 Fig. 5 The production curve of different penetration ratios of top aquifer |
根据顶板水穿透比对排采曲线的影响(图 5a)，排采特征与不压开顶板水特征一致。一旦压穿顶板水体后，顶板水体穿透比对煤层气排采动态影响较少。见气时间被进一步延迟，大致在731~1 216 d。当裂缝压穿顶板水体后，不论穿透比大小，都会对气井见气时间以及峰值产量产生重要影响。
3.4 有遮挡层条件不同裂缝穿透比对生产的影响根据煤层与顶板水体的间接接触模型，设顶板水体厚度为12 m，网格尺寸与煤层网格大小一致。模拟存在遮挡层条件下，不同裂缝穿透比对煤层气生产动态的影响规律(图 6)。其中，0/6指裂缝压穿泥质隔层，沟通顶板水但未压穿顶板水的情况。
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| 图6 有遮挡层不同顶板水穿透比的排采曲线 Fig. 6 The production curve of different penetration ratios of top aquifer with a barrier |
根据有遮挡层顶板水穿透比对排采的影响，与无遮挡层相比，遮挡层的存在有效降低气井的见气时间(小于42 d)，提高产气量增加速度。有遮挡层的压穿顶板水的产气上升期明显分为两个不同的阶段。当穿透比小于1/6，产气速率先快后慢；穿透比大于2/6，产气速率先慢后快，且穿透比对排采的影响不大。这种情况是煤层和顶板水体同时排水造成的。当穿透比较小时，气井先对煤层排水，煤层快速产气，之后顶水沿裂缝进入井筒，延缓了煤层的排水，使得产气速度下降。
而当穿透比较大时，顶板水与裂缝的接触面积较大，顶板水直接影响煤层排水，使得气井初期产气较慢。当顶板水压力衰减时，层内水是排水的主要部分，产气速率上升。穿透比大于2/6时，穿透比对排采影响较小，这与无遮挡层条件下压裂缝压穿顶板水的排采规律一致。
4 不同水源无因次排采特征曲线引入无因次参数组合将煤层气井排采数据无因次化，形成无因次产量(产量与最大产量之比)和无因次时间(累积采水量与总含水量之比)特征曲线，可以进一步表征不同条件下顶板水体对煤层气排采动态的影响规律。无因次产气、产水及无因次时间的计算方法如下
| $ {q_{{\rm{wD}}}} = {{{q_{\rm{w}}}}/{{q_{{\rm{iw}}}}}} $ | (1) |
| $ {q_{{\rm{gD}}}} = {{{q_{\rm{g}}}}/{{q_{{\rm{gmax}}}}}} $ | (2) |
| $ {t_{\rm{D}}} = {{t{q_{{\rm{iw}}}}} / {{W_{\rm{i}}}}} $ | (3) |
式中：
qwD-无因次产水量；
qgD-无因次产气量；
qw-产水量，m3/d；
qiw-最大产水量，m3/d；
qgmax-最大产气量，m3/d；
tD-无因次时间；
t-生产时间，d；
Wi-水体系统中初始含水量，m3。
4.1 层内水无因次曲线层内水来自煤层的裂缝系统，Wi即为煤层水量，计算公式为
| $ {W_{\rm{i}}} = {A_1}{h_1}{ϕ _{\rm{f}}}{S_{{\rm{wi}}}}_1 $ | (4) |
式中：
A1-煤层面积，m2；
h1-煤层厚度，m；
ϕf-裂缝孔隙度，无因次；
Swi1-裂缝初始含水饱和度，无因次。
根据层内水生产的数值模拟结果(图 3)，在供给水体只有层内水时，排水制度对排采动态影响不大。因此，取排采量为5 m3/d的排采过程绘制层内水的无因次特征曲线(图 7)。由图 7可知，当煤层没有供给水体时，生产过程持续时间较长，产气量上升和递减速度均较为缓慢，而产水量接近层内水的总水量(无因次时间接近1)。
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| 图7 层内水无因次特征排采曲线 Fig. 7 The dimensionless type production curve of inner-layer water |
当补给水为层内水与顶板水体时，Wi计算公式为
| $ {W_{\rm{i}}} = {A_1}{h_1}{ϕ _{\rm{f}}}{S_{{\rm{wi1}}}} + {A_2}{h_2}ϕ {S_{{\rm{wi2}}}} $ | (5) |
式中：
A2-含水层面积，m2；
h2-含水层厚度，m；
ϕ-含水层孔隙度，无因次；
Swi2-含水层初始含水饱和度，无因次。
根据图 4及图 5可知，水体倍数主要影响煤层气产量上升阶段，不同的水体倍数对见气时间的影响效果不同。当压裂缝穿透顶板水体后，见气时间明显延迟，但煤层气产量上升阶段对穿透比并不敏感。因此，取不同水体倍数的排采过程，绘制无遮挡层顶板水产水的无因次特征曲线(图 8)，由图 8可以看出，顶板水体对煤层能量持续补充，延长了气井的见气时间并缩短了煤层气的有效生产时间。
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| 图8 无遮挡层的顶板水体对生产动态的影响 Fig. 8 The effect of top aquifer on production performance with no barrier |
根据有遮挡层的不同顶板水穿透比数值模拟结果(图 6)，绘制不同穿透比对煤层与顶板水体间接接触模型的无因次产气特征曲线(图 9)。若产气量的生产阶段与图 9中的无因次产量一致，则可以判断气井的顶板水水侵是由压穿隔层的裂缝造成，根据两阶段的斜率大小判断裂缝穿透顶板水的程度。
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| 图9 有遮挡层的不同顶板水穿透比无因次排采曲线 Fig. 9 The dimensionless production curve of different penetration ratios of top aquifer with a barrier |
本次研究工区为山西沁水盆地柿庄南TS井组，在300 m井距上形成井间干扰需要2~3 a时间。取产水量较少的4号井前两年的排采数据，根据其曲线形态，比对合适的曲线(图 10a)可知，4号井排采特征与层内饱和水排采特征相符，因此，可以判断4号气井属于层内饱和水出水。取中等产水量的16号井前两年排采数据，比对特征曲线(图 10b)可知，产气无因次曲线呈尖峰状，且上产过程中存在明显的两阶段特征，与有隔层且裂缝穿透顶板水的排采特征相符，因此，可以判断16号气井的产水来自顶板水，且裂缝在顶板水层的穿透比大于1/6。
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| 图10 气井实例计算 Fig. 10 Case calculation of wells |
(1) 煤层气井产水主要来自层内水与顶板水体，不同的水体产水动态不同。同时，煤层气压裂过程中，存在裂缝穿透顶板水体的情况，顶板水通过裂缝导入煤层会延迟气井的见气时间，减小气井的有效开采时间。
(2) 无遮挡层的顶板水体主要影响煤层气的上产阶段，产气量达到峰值后迅速递减，递减时间与产水量递减时间一致，水体的大小对排采影响较大；当压裂缝穿透顶板水体时，顶板水可以显著影响气井的见气时间，但穿透比对排采特征的影响不大。
(3) 对于有遮挡层的顶板水体，煤层气的产量气上升过程出现明显的两阶段特征，当顶板水穿透比小于1/6时，产气速率先快后慢，穿透比对排采影响较大；而穿透比大于2/6时，产气速率则先慢后快，穿透比对排采规律影响较小。
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