降壓速率對沁水盆地南部高階煤產氣能力的影響

蘇雪峰，劉巖，崔周旗，張建國，余麗，王楷

（1.中國石油煤層氣開采先導試驗基地，河北任丘 062552；2.中國石油華北油田勘探開發研究院，河北任丘 062552；3.中國石油華北油田煤層氣事業部，河北任丘 062552；4.中國石油山西煤層氣勘探開發分公司，山西晉城 048000）

0 引言

煤層氣降壓解吸主要經歷流體壓力降至臨界解吸壓力之前的地層水單相流、吸附氣開始少量析出的氣-水兩相流、基質與割理孔隙水基本排出后的氣相單相流3個排采階段[1-4]。根據對美國與澳大利亞等煤層氣主要開采國家的排水采氣方式調研，中—低階煤層的滲透率均較高[5-7]，降壓方式較為簡單，排采方式是以最快的速度將井筒水位抽到煤層以下并保持煤層持續暴露于水面之上。中國20世紀90年代開始煤層氣開發，渤海灣盆地冀中坳陷大城凸起中階煤發育區大參1井用上述排采方式進行試采，獲得較高的初期產氣量，但產氣量快速衰減。研究認為排水降壓速率過快，造成大量煤粉運移堵塞產氣通道是導致該井產量快速衰減的主要原因[8]?；谶@個認識，研究者們開始提出控壓慢速排采的理念[9-12]，即：①慢速排水降壓，盡量加大甲烷解吸之前壓降漏斗波及范圍，為解吸后氣源有效供給提供基礎；②控制采水強度，減少儲集層中煤粉運移，緩解因煤粉堵塞孔隙而導致的滲透率下降現象。

華北油田2006年開始在山西沁水盆地高階煤發育區進行大規模煤層氣勘探開發，一直采用控壓慢速排采的理念，并在此基礎上發展深化了“五段三壓四點”排采控制方法[13-14]。該方法在樊莊區塊取得了較好的效果，但在沁南、夏店、鄭莊等區塊大規模開發中并未有效地提升產量、釋放產能。而采用快速降壓排采方式試驗結果顯示，對于地質條件好的煤層氣區塊，快速降壓排采可以達到較好的產氣效果。

以上問題促使筆者對控壓慢速排采策略的必要性進行深入思考?，F有文獻多是針對儲集層滲透率變化模擬和煤粉運移的探討[15-17]，關于排水降壓速率對產氣量影響方面的模擬實驗幾乎是空白。本文設計了地層條件下煤巖降壓解吸模擬實驗，對相同流體飽和順序（先飽和氣體進行吸附，吸附平衡后進行高壓注水）、不同降壓速率下的瞬時產氣量和累計產氣量進行分析比較，考察降壓速率對高階煤解吸-滲流耦合過程的影響。

1 實驗條件與實驗方法

1.1 實驗設備

實驗設備采用法國生產的BRP-350氣液相滲儀，該設備可實時監控10項參數，所有實驗參數均為計算機自動采集記錄、最小采集時間間隔為1 s。采用高精度壓力傳感器實時記錄夾持器兩端的壓力、壓差、圍壓、回壓、閾壓等；高精度濕式氣體流量計測量質量流量計無法測量的微小氣量；采用長周期內氣體平均流量計算滲透率，可對滲透率小于1.0×10-7μm2的樣品進行精確測試。整個實驗裝置見圖1。

圖1 BRP-350氣液相滲儀測試裝置

為保證穩定控制降壓速率，對回壓系統進行改進，采用充入高壓氣體的中間容器作為緩沖裝置，同時利用高精度驅替泵組（見圖2）進行程序升壓、降壓，保證對回壓的精確控制，實現模擬排采降壓的過程。

圖2 用于控制降壓的精密驅替泵組

1.2 實驗樣品

實驗樣品選自晉城大寧煤礦井下，挑選發育有較均勻割理的部位，沿水平層理制備成質量為214.5 g、長度為78.58 mm、直徑為50 mm的圓柱形樣品。煤柱樣品在8 MPa圍壓下水測滲透率為0.001 8×10-3μm2。實驗氣體為氦氣，圍壓保持在8 MPa，逐漸降低流壓，進出口壓差基本保持在0.34 MPa左右，對空氣干燥基樣品進行變流壓滲透率變化測試，得到滲透率隨有效應力變化曲線（見圖3）。實驗結果顯示，氣測滲透率隨有效應力的增加而逐漸降低，當有效應力增至6 MPa時，氣測滲透率基本穩定在0.04×10-3μm2。

圖3 氣測滲透率隨有效應力變化圖

在覆壓條件下對多塊次煤柱樣品進行了滲透率測試，大多數樣品的滲透率值為（0.010～0.112）×10-3μm2（見表1）。鄭莊區塊78.9%的評價井試井解釋滲透率低于0.1×10-3μm2?？涤郎械萚18]提到沁水盆地柿莊區塊3號煤滲透率為（0.010～0.075）×10-3μm2，中國34%的煤巖滲透率低于0.1×10-3μm2。以上資料表明樣品的滲透率與柿莊、鄭莊區塊大多數測試資料較為接近，具有較好的代表性。

表1 沁水盆地南部煤柱樣品實測滲透率結果表

采取煤柱周邊樣品進行鏡質體反射率、等溫吸附、工業分析等基礎分析。晉城樊莊地區華固、華溪3號煤巖平均鏡質體反射率為3.51%，鄭莊區塊39口評價井3號煤巖鏡質體反射率為3.29%～3.98%，平均值為3.67%。本文樣品鏡質體反射率為3.38%，與樊莊、鄭莊區塊演化程度一致。本文樣品的工業分析結果為：水分2.91%、灰分10.10%、揮發分6.73%、鏡質體反射率3.38%，屬于典型的無煙煤范疇。

1.3 實驗方法

將實驗系統置于25 ℃恒溫環境。夾持器圍壓保持在8 MPa，模擬500 m深度煤巖所受應力。甲烷飽和壓力2.5 MPa，飽和時間超過7 d，待關閉氣源24 h內壓力變化不超過0.007 MPa認為飽和完成，模擬臨界解吸壓力。甲烷飽和完成后，進行注水平衡，注水壓力5 MPa，此時出口端回壓閥壓力保持3.0 MPa，以保證吸附甲烷不解吸。模擬地層流體壓力下氣、水競爭吸附，注水過程持續48 h以上，待出口見到水流出，表明系統中自由空間、煤巖裂隙等均已由水充填完成。實際注水量為20 mL，根據計算已超過煤巖中裂隙容積。結束注水平衡時間為出口見到水流出后12 h左右，系統完成地層條件氣、水飽和模擬重建。每個實驗過程開始前均進行相同的氣、水飽和操作，保證樣品初始條件盡量一致。

模擬地層排水降壓過程，逐漸降低出口回壓閥壓力，回壓通過精密驅替泵程序降壓，保證了回壓按照預定的幅度連續遞減，以模擬實際排采過程中由于井筒液面的逐漸降低而產生的系統壓力下降，儀器自動記錄實驗過程中氣體產出量及樣品兩端壓力變化，實驗系統產氣速率小于2 mL/h后結束實驗?？紤]到模擬實驗系統的樣品比實際小，如降壓速率選取過低則整個系統的產氣量隨時間變化過小。首先選取0.5 MPa/d的降壓速率進行模擬實驗（實際生產區塊一般降壓速率在0.1 MPa/d左右），后續又進行了0.3，1.0，3.0 MPa/d共3個降壓速率的實驗過程。

2 實驗結果及分析

2.1 最終解吸率

對煤柱樣品周邊取樣進行等溫吸附實驗，實驗溫度25 ℃，與沁南地區主力區塊地層溫度一致，與整個排采模擬實驗溫度也一致。得到平衡水條件下蘭氏體積為40.544 cm3/g，蘭氏壓力為4.561 MPa（見圖4）。據此推算煤巖在2.5 MPa時可以吸附甲烷量為14.2 cm3/g。4個降壓速率下的樣品最終解吸量均接近3 000 mL（見表2），解吸率均超過90%。說明無論降壓速率高低，只要解吸時間足夠長，煤巖中吸附的甲烷均能有效解吸出來。同時也說明煤柱樣品在前期甲烷飽和時已經達到吸附平衡。

圖4 平衡水等溫吸附測試結果

表2 不同降壓速率下的最終解吸量

2.2 不同降壓速率下的產氣速率

不同降壓速率下甲烷產出量隨時間的變化顯示，解吸過程中甲烷產出曲線均有一個明顯的拐點，在拐點之后甲烷產出速度大幅提升，出現一個快速解吸產氣的階段（見圖5）。拐點出現的時間隨降壓速率的降低而延長，當降壓速率為3.0 MPa/d時，拐點出現時間為48 h；當降壓速率為1.0 MPa/d時，拐點出現時間為69 h；當降壓速率為0.3 MPa/d時，拐點出現時間為138 h。對應生產實踐，這個快速解吸拐點出現的時間應該就是氣井產氣量出現快速上升并達到產氣高峰的時刻。

圖5 不同降壓速率下解吸氣量隨時間變化曲線

2.3 產氣量與煤柱前后端壓力的關系

將降壓解吸過程中煤柱前后端壓力與產氣曲線進行對比發現（見圖6），產氣量發生突變的時間節點在煤柱進口壓力（遠端壓力）降至解吸壓力之下后。這是由于遠端壓力降至臨界解吸壓力以下時，整個煤體已經開始解吸產氣，割理系統中的殘余水飽和度較小、含氣飽和度較高，氣相滲透率快速提高，從而導致產氣速率開始快速提升?？焖俳馕A段均出現在樣品進口（遠端）壓力降至2.5 MPa飽和壓力之下后。不同降壓速率下，出現快速解吸節點時出口（近端）壓力卻相差很大（見圖6）。以上現象說明無論降壓速率高低，快速產氣階段始終出現在煤體開始整體產氣、裂隙中水被解吸氣基本驅替完全的時候。

2.4 不同降壓速率下的經濟效益

根據等溫吸附實驗結果推算，在2.5 MPa飽和壓力下煤體吸附甲烷理論值為3 046 mL，累計產氣量達到2 000 mL時解吸率接近三分之二，采用2 000 mL累計產氣量作為不同降壓速率下經濟效益的考察基準。不同降壓速率下的產氣曲線顯示（見圖6），累計產氣量超過2 000 mL以后，產氣速率均開始下降。

階段產氣量及時間的統計結果表明（見表3），快速降壓達到快速產氣階段的時間比慢速降壓更早。3.0 MPa/d降壓速率下48 h開始快速產氣，而0.3 MPa/d降壓速率下138 h才開始快速產氣。實驗開始時出口端壓力都是從3.0 MPa降壓，如都從系統平衡壓力5.0 MPa左右開始降壓，則慢速降壓真正開始產氣的時間更要大大延長。

快速降壓總產氣量達到2 000 mL的時間也早于慢速降壓。實驗結果顯示，隨著降壓速率的降低，總產氣量達到2 000 mL的時間逐漸延長。3.0 MPa/d降壓速率下僅需要101 h，而0.3 MPa/d降壓速率下則需要240 h。表明快速降壓不僅達到高產的時間更短，總體解吸效率也將高于慢速降壓。

雖然快速降壓模式下解吸前期發生了一段時間的產氣停滯，但無論是煤塊壓力整體降到解吸壓力之下的時間，還是通道暢通后解吸到2 000 mL的時間，快速降壓都要短于慢速降壓，因此快速降壓排采從經濟效益上來看，明顯好于慢速降壓排采。

3 實驗現象與討論

3.1 快速解吸段解吸速率影響因素

從快速解吸開始后的產氣速率來看，快速降壓的樣品單位產氣率明顯高于慢速降壓樣品，分析認為通道暢通后的兩端壓差（即滲流壓差）不同是造成這一現象的根本原因。3.0 MPa/d降壓速率下進出口壓力變化曲線顯示，煤樣開始快速解吸后，近端壓力早已降至零，而遠端壓力剛剛降到解吸壓力之下，最大滲流壓差可達2.2 MPa，單位產氣率高（見圖6f、圖6h）；1.0 MPa/d降壓速率下滲流壓差也可達2.2 MPa左右，單位產氣率較高（見圖6e、圖6g）；而0.3 MPa/d降壓速率下，由于壓力下降太過緩慢，當遠端壓力降至1.8 MPa時，近端壓力才降至1.3 MPa，這時雖然滲流通道已經全部通暢，但由于樣品兩端滲流壓差只有0.5 MPa，產氣速率明顯低于前兩個降壓過程（見圖6a、圖6c）。

降壓速率分別為1.0 MPa/d和0.3 MPa/d時的滲流壓差與產氣速率變化曲線顯示（見圖7），產氣速率隨著滲流壓差的逐漸增大先逐漸降低后迅速升高，雖然滲流壓差最大時解吸速率并未同步達到最高，但快速解吸發生時，具有較高滲流壓差的產氣速率明顯高于低滲流壓差。隨著解吸時間的延長，解吸速率均呈現逐漸遞減的趨勢。表明甲烷的解吸速率受滲流壓差影響較大，高滲流壓差有利于氣體快速解吸。

3.2 快速降壓前期產氣停滯原因分析

降壓速率為3.0 MPa/d時，降壓時間為24～48 h時產氣出現中斷并存在一個平臺（見圖6h），這一現象在其他幾個較慢的降壓過程中沒有出現，原因值得深入分析。

圖6 不同降壓速率下樣品兩端壓力與產氣量變化綜合對比圖

表3 不同降壓速率下的階段產氣量及時間統計表

圖7 不同降壓速率下滲流壓差與產氣速率對比圖

以3.0 MPa/d降壓速率降壓24 h，出口端壓力已經降至大氣壓，進口端壓力為2.84 MPa，仍高于2.5 MPa的甲烷飽和壓力，說明此時煤柱進口端（解吸遠端）還沒有開始解吸，發生解吸的界面仍停留在煤柱內部，產氣量達233.7 mL，遠高于其他較慢解吸過程。降壓48 h時產氣緩慢段結束，出口端壓力仍為大氣壓，進口端壓力降至2.25 MPa，低于飽和壓力，說明此刻煤柱中解吸界面已傳導到最遠端。

1.0 MPa/d降壓速率下的進出口壓力變化曲線顯示（見圖6e），解吸界面傳導時間與降壓速度基本匹配，出口端壓力降至大氣壓用時72 h，降壓69 h左右進口端壓力降至2.25 MPa。如果將2.5 MPa作為解吸壓力，1.0 MPa/d和3.0 MPa/d降壓速率下的解吸界面傳導時間分別為57 h和44 h。

前期產氣量數據統計表顯示（見表4），3.0 MPa/d降壓速率下，降壓24～48 h階段產氣量為17.3 mL，高于其他降壓過程該階段的產氣量。由于降壓48 h后進入快速解吸段，降壓72 h的產氣量已經達到1 221 mL；而1.0 MPa/d降壓速率下降壓72 h剛剛進入快速解吸模式不久，產氣量只有155 mL，實際降壓69 h產氣量僅有60 mL。

表4 不同降壓速率下的前期階段產氣量統計表

以上分析認為，解吸界面傳導階段煤巖產氣量很少，壓降主要消耗在裂隙水的滲流產出上。1.0 MPa/d降壓速率降壓模式下的壓降速度與解吸界面傳導速度匹配，裂隙水持續產出，煤基質中吸附氣受裂隙水抑制，難以解吸，因此整個降壓時間段內產氣量極少。而3.0 MPa/d降壓速率快速降壓模式下，樣品出口端壓降速率大，遠遠高于解吸界面的傳導速率，與裂隙水的滲流產出速度不匹配，致使煤柱前端出現部分裂隙被解吸氣充填，打開了部分解吸通道，煤柱前端氣體部分解吸；當出口端壓力降至大氣壓，中、后端煤巖由于還沒有開始解吸，其裂隙中的水仍未排出，隨著解吸界面后端的水向已降壓前端推移，煤柱前端裂隙空間再次被水充填，滲流通道被堵塞，氣相滲透率快速下降，這時便產生了產氣中斷，隨著中后端煤巖中的水逐漸排出，遠端煤巖壓力下降至解吸壓力，滲流通道再次打開，煤巖開始快速解吸。

0.3 MPa/d降壓速率降壓模式下，裂隙水有充分的滲流時間，因此其壓力傳導界面得以順利向遠端移動，在出口壓降不大的時候就使整個煤體進入整體解吸。這種模式下，產氣雖然不會出現快速遞減，但快速解吸段出現之前產氣量僅為150.5 mL，整體降壓時間也遠遠高于快速降壓。

3.3 關于慢速降壓提高煤層氣產量的討論

中國學者普遍認為煤層氣排采應當堅持“緩慢、長期、持續、穩定”的原則。趙群等[9]通過數值模擬研究認為山西寧武盆地某井產氣量陡降的原因是排水降壓速度過快?？涤郎械萚19]基于數值模擬研究提出逐級慢速降壓可以得到更大的波及體積。李金海等[10]認為焦作礦區某井后期產氣量快速降為零的原因主要是降壓速率過快造成裂縫過早閉合。后續多數文獻均基于這些認識對不同地區的煤巖應力敏感性進行探討，均認為快速降壓會導致井筒周邊煤巖滲透率快速下降，進而造成產氣量下降。

上述理論模型計算及分析忽略了慢速降壓帶來的排采降壓時間延長所造成的影響，雖然慢速降壓排采后得到了更大的波及體積，但并不意味著可以獲得更高的平均日產氣量，特別是將全部的排采降壓時間都計算在內的情況下；同時，理論模型計算基于壓降漏斗以井筒為圓點放射性向四周擴散的井筒模型，而實際生產時，煤層氣井均需要進行壓裂，壓裂后的滲流模型與理論模型完全不同，模擬計算結果會有偏差。

在生產實踐中，造成煤層氣井前期產氣量快速下降的原因有很多。根據對沁水盆地南部區塊煤層氣開發井資料分析認為，由于煤粉產出堵塞排采設備而造成頻繁停泵，致使排采不連續是最重要的影響因素，而排水期的降壓速率高低造成的影響則不明確。李金海等[10]認為焦作礦區X-1井排采時液面快速降至煤層底板，由于多次停泵導致液面在煤層上下來回波動，產氣量由500 m3/d下降至300 m3/d時伴隨有煤粉吐出，說明煤粉已經在滲流通道中運移，停泵會造成儲集層傷害而導致產氣量下降。趙群等[9]研究認為寧武盆地某井由初期高峰產氣量3 112 m3/d很快降低至1 000 m3/d的原因是液面下降速度過快造成波及面積小而供氣不足，排采曲線顯示后期雖然氣產量大幅下降，但水產量一直保持150 m3/d左右的高值，井底流壓變化較小，說明儲集層滲流通道一直暢通，滲透率沒有顯著降低。說明前期的快速排水降壓并沒有對煤層造成顯著傷害。

快速降壓與慢速降壓相比，對煤巖的滲透率傷害沒有明顯增大。雖然快速降壓模式下煤基質所受有效應力快速增大，相同時間內滲透率降幅比慢速降壓要大；但當降壓幅度達到一致時，其滲透率基本一致。許小凱[20]利用5塊煤巖進行降壓強度對滲透率影響模擬實驗結果顯示，降壓強度的不同對煤巖整體滲透率的傷害程度有限。高彩霞等[21]對沁水盆地高階煤的應力敏感性系列實驗研究認為，高階煤在未遭受應力破壞之前，滲透率雖然隨應力增大而急劇下降，但應力釋放后滲透率基本能夠恢復。

本文模擬實驗結果顯示快速降壓排采有利于盡快獲得產氣高峰，總體經濟效益好于慢速降壓排采。受限于實驗對象的代表性及樣品量較少，尚無法完全證明其普遍適用性。

4 實例應用

華北油田在沁水盆地南部樊莊區塊和鄭莊區塊進行煤層氣商業化開發，其中，樊莊區塊于2006年投入開發，主力煤層為山西組3號煤層，主要包括樊莊、成莊、鄭村等3個井區；鄭莊區塊于2011年投入開發，主力煤層為山西組3號煤層。截至2017年底，樊莊區塊共完鉆直井1 162口，建產規模為7.70×108m3/a；鄭莊區塊完鉆直井1 135口，建產規模為7.87×108m3/a。

生產中將煤層氣井開始排水降壓至井筒出現套壓這段時間稱為見氣時間，降壓開始直到氣井產量達到預期產量的時間稱為達產時間。降壓速度的快慢對見氣時間、達產時間均有直接的影響。

樊莊區塊煤層氣井的大規模開發至今已歷時12年。前期采用長期緩慢排采降壓的策略，2006—2011年投產的6批次直井[22]見氣前純排水時間平均為103 d，實際產量達到高峰時間為6～18個月，平均為12個月左右；2016—2018年樊莊老區年產3×108m3穩產調整井排采時采用了快速降壓策略，在見氣后采用低恒套壓的管控方式，排采見氣前的排采時間減為1個月左右，同時從投產到產量達到1 000 m3所需時間為5個月左右（見表5）。

表5 不同降壓策略下煤層氣井生產指標統計表

與樊莊區塊類似，鄰近的鄭莊區塊也采用了不同的排采策略。2012—2013年采用長期緩慢的排水降壓策略，見氣前平均排采時間為133 d，大部分井產氣效果不佳，平均單井產氣量僅為500 m3/d。2017—2018年后續投產的49口試驗井采用了快速降壓策略，排采見氣時間縮短為2個月，大大提高降壓速度的同時，平均單井產氣量突破2 600 m3/d，取得了提產速度快、達產時間短、穩產氣量高的效果（見圖8）。

圖8 鄭4-11-1井生產曲線

上述兩個區塊的生產實踐表明，慢速降壓策略并不能提高地質條件較差地區煤層氣井的產氣量，而快速排水降壓策略可以顯著提高煤層氣的生產效果。因此煤層氣井“緩慢、長期”排采降壓的原則是值得商榷的。

5 結論

排采模擬實驗結果及現場生產實踐表明，無論排水降壓速率高低，高階煤的吸附氣均能有效解吸，甲烷最終解吸率均較高，產氣速率均在煤整體解吸后得到大幅提升。不同降壓速率下甲烷產出曲線均有一個明顯的拐點，拐點之后甲烷產出速度大幅提升?？焖佼a氣階段發生在煤體整體解吸之后，產氣速率受當時煤體兩端壓差控制。甲烷的解吸-流動耦合速率受壓差的影響較大，高滲流壓差有利于氣體的快速解吸。無論是煤塊整體降到解吸壓力之下的時間，還是大部分吸附氣（約占66%）解吸出來的總時間，快速降壓都要短于慢速降壓，因此從經濟效益上來看，快速降壓排采策略好于慢速降壓。