張亞飛 王建中 周來誠 劉 杰

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

柿莊南煤層氣田管理模式及應(yīng)用實踐

張亞飛1王建中2周來誠1劉 杰1

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

本文通過分析煤層氣的產(chǎn)出特點及產(chǎn)出過程排采控制要求，歸納總結(jié)了柿莊南氣田的工程管理模式和生產(chǎn)管理模式，認為以集氣閥組為單元的“邊建設(shè)邊投產(chǎn)”模式及“單井-閥組-集氣站”集輸模式具有較好的應(yīng)用效果；氣田的數(shù)字化水平無法滿足煤層氣井精細高效管理要求，嚴重制約煤層氣井單井產(chǎn)量。因此，提高柿莊南氣田數(shù)字化管理水平顯得尤為重要。同時，在煤層氣田開發(fā)初期，優(yōu)化完善煤層氣井的動力模式、生產(chǎn)工藝和數(shù)字化設(shè)施，堅持“地上地下一體化優(yōu)化設(shè)計”。

煤層氣田 工程建設(shè) 排采控制 管理模式

1 開發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)狀

柿莊南氣田位于沁水盆地南部，隸屬山西省晉城市，位于晉城市西北80km處，屬于山地丘陵地帶，溝谷切割，基巖出露，國家基本農(nóng)田和天然林地廣泛分布，河流湍急，地形條件異常復(fù)雜，海拔為450～1300m，相對高差大。

該氣田區(qū)塊面積388.299km2，其中合作區(qū)面積328.299km2，已提交探明儲量534×108m3，完成鉆井1386口，建設(shè)集氣站3座，建成產(chǎn)能7.2×108m3，鋪設(shè)采氣管線1000余km，集氣管線及外輸管線200多km，新建集氣閥組100座，2010～2016年，已實現(xiàn)累計抽采量3.7×108m3。目前，該氣田中南部已進入正常生產(chǎn)階段，北部正在完善地面工程配套建設(shè)。

2 氣田開發(fā)特點

2.1 地質(zhì)儲層特征

柿莊南煤儲層壓力系數(shù)0.6左右，基質(zhì)滲透率0.1mD以下，具有低壓低滲特點；整體構(gòu)造簡單，斷層發(fā)育少，3號煤層埋深適中(平均750m)，煤層較厚(平均5.95m)，含氣量高(平均13.5m3/t)，臨界解吸壓力高(平均1.36MPa)，壓裂后試井滲透率平均1.82mD，通過產(chǎn)能預(yù)測結(jié)果可以看出該區(qū)塊具有較好的煤層氣開發(fā)潛力(表1)。

表1 產(chǎn)能預(yù)測產(chǎn)量分布表

2.2 煤層氣產(chǎn)出特點

由于煤層氣是以吸附態(tài)賦存于煤巖表面，要想使煤層氣產(chǎn)出，首先要克服范德華力變?yōu)橛坞x態(tài)，而主要手段就是通過排出煤巖周圍的地層水，降低儲層壓力，進而降低煤巖表面的壓力，使煤層氣從煤層表面解吸，并通過微孔隙擴散，進入裂隙滲流通道，從井筒產(chǎn)出。

通過分析柿莊南煤層氣井生產(chǎn)資料及煤層氣產(chǎn)出過程儲層流體地下流動狀態(tài)，可以將煤層氣產(chǎn)出過程分為產(chǎn)水、產(chǎn)氣上升、產(chǎn)氣穩(wěn)定及產(chǎn)氣衰減四個階段，并且各生產(chǎn)階段的受控因素不同(圖1)，目前柿莊南氣田60%的煤層氣井處于產(chǎn)氣上升階段。

圖1 煤層氣井生產(chǎn)階段劃分

在實際開發(fā)建設(shè)過程中，通過考慮煤層氣產(chǎn)出的階段特點及產(chǎn)出能力，確定合適的開發(fā)工藝及合理的生產(chǎn)管理制度，實現(xiàn)煤層氣資源的低成本高效開發(fā)。

2.3 煤層氣產(chǎn)出過程控制

引導(dǎo)煤儲層產(chǎn)能釋放的過程需要精細化控制兩個重要條件，一個是控制排采強度，一個是維持排采連續(xù)性。

煤儲層特殊的孔隙結(jié)構(gòu)特性決定了其對外界條件的變化非常敏感，排采過程中容易受到損害，當(dāng)煤儲層有效應(yīng)力急劇變化時氣相滲透率會大幅降低(90%以上)，且不可逆程度高于50%(圖2)，儲層損害可致煤層氣井的實際產(chǎn)能減少30%以上。因此，必須精細化控制煤層氣排采過程，保證儲層壓力穩(wěn)定、緩慢、連續(xù)下降。

圖2 煤巖應(yīng)力敏感曲線

W1井采用數(shù)字化監(jiān)控，井下安裝壓力計，遠程監(jiān)控設(shè)備和氣水流量計，且有操作人員24小時不間斷記錄數(shù)據(jù)并隨時調(diào)控，在排水階段動液面線性下降，實現(xiàn)了精細化排采，避免了對儲層造成損害，穩(wěn)產(chǎn)氣量達9600m3/d(圖3)。

W2井未采用數(shù)字化監(jiān)控，初始產(chǎn)氣階段動液面波動明顯，由于排采監(jiān)控不及時，造成煤粉頻出，多次出現(xiàn)卡泵停機，排采連續(xù)性差，產(chǎn)氣量下降嚴重(圖4)。由于技術(shù)、成本及現(xiàn)場工作環(huán)境等因素，柿莊南氣田24%的生產(chǎn)井停機頻繁，造成壓裂裂縫閉合嚴重，單井產(chǎn)量低。

3 氣田管理模式

煤層氣排采應(yīng)遵循連續(xù)緩慢穩(wěn)定的原則，這對煤層氣開發(fā)工藝及排采控制方面提出了很高的要求。緩慢降液導(dǎo)致煤層氣井達產(chǎn)高產(chǎn)的時間長，投資回收周期長(柿莊南氣田平均見氣時間123天，達到高產(chǎn)需要3～4年)，連續(xù)排采對動力設(shè)備、 采氣工藝的可靠性和穩(wěn)定性提出很高要求，造成投資成本增加。煤層氣的特殊的產(chǎn)出規(guī)律決定了其在開發(fā)模式、建設(shè)周期和生產(chǎn)工藝等方面與常規(guī)天然氣田有明顯區(qū)別。

圖3 W1井排采曲線

圖4 W2井排采曲線

3.1 工程管理模式

柿莊南氣田的工程建設(shè)主要包括新建井場、平整井場、新建集氣站及鋪設(shè)采集氣管線和動力電纜。項目包含的子工程很多，且特點不同，參建單位眾多，協(xié)調(diào)管理難度大。同時，氣田地處太行山西麓，山巒重疊，地形地貌復(fù)雜，需進行高填方施工和強夯地基處理，工程土石方量巨大，此外，工程還具有設(shè)備運輸難度大、工程投產(chǎn)難度大等特點。

針對柿莊南氣田工程建設(shè)中面臨的困難，采取以閥組為生產(chǎn)單元的投產(chǎn)模式，邊建設(shè)邊投產(chǎn)，并根據(jù)生產(chǎn)實際進行方案優(yōu)化調(diào)整。地面集輸模式為“多點接入、柔性集輸”，采用一級增壓，單井來氣經(jīng)集氣閥組至集氣站集中增壓。該工程管理模式提高管理效率的同時完成盡早供氣，提前實現(xiàn)經(jīng)濟效益，大大縮短氣田達產(chǎn)周期及投資回收年限。從2009～2013年，柿莊南氣田完鉆煤層氣井1386口，投產(chǎn)井?dāng)?shù)從2010年逐年穩(wěn)步增加，截至2016年，已實現(xiàn)累計外銷氣量1.2×108m3。

在集氣站建設(shè)過程中，由于產(chǎn)能調(diào)整，導(dǎo)致原設(shè)計集氣站規(guī)模偏大，無法達到預(yù)期效果，因此將原方案進行優(yōu)化調(diào)整，方案調(diào)整前后參數(shù)對比見表2。

表2 集氣站調(diào)整前后方案

3.2 生產(chǎn)管理模式

合理的生產(chǎn)管理模式是根據(jù)煤儲層地質(zhì)特征，找出滿足生產(chǎn)需要時煤層氣井產(chǎn)氣量及煤儲層壓力之間的控制原則，歸根結(jié)底是通過對煤層氣井生產(chǎn)過程中動液面及套管壓力控制，實現(xiàn)對產(chǎn)氣量的控制。

柿莊南氣田根據(jù)排采井分布區(qū)域及現(xiàn)場所處地形、地貌特征，實行劃片分區(qū)管理，各區(qū)生產(chǎn)管理人員及時分析巡井人員每天采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果和生產(chǎn)需要下達生產(chǎn)制度調(diào)整任務(wù)書，包括調(diào)整沖程、沖次、防沖距、碰泵，更換油嘴，開關(guān)生產(chǎn)閥門等，巡井人員按下達的生產(chǎn)制度調(diào)整任務(wù)書要求進行生產(chǎn)制度調(diào)整。

(1)動液面控制

煤層氣井排采初期，動液面的下降速度不能過大，防止井底流壓降低過快，造成煤儲層應(yīng)力敏感及煤粉產(chǎn)出。

煤層氣井產(chǎn)氣出現(xiàn)套壓后，主要基于兩個思路控制動液面，一是低套壓生產(chǎn)：通過分析現(xiàn)場采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，控制動液面的下降速度，將套壓維持在相對較穩(wěn)定的低值處，實現(xiàn)對產(chǎn)氣量的控制；二是高套壓生產(chǎn)：煤層氣井產(chǎn)氣后仍舊關(guān)閉生產(chǎn)閥門持續(xù)建立套壓，將套壓保持在1MPa甚至更高的水平，套壓的升高會使動液面較快降至目標深度，然后通過調(diào)節(jié)油嘴大小逐級開啟生產(chǎn)閥門，實現(xiàn)對產(chǎn)氣量的控制。

(2)套壓控制

套壓的控制和動液面的控制相對應(yīng)，排采初期，油管出口進分離器，關(guān)套管閘門。當(dāng)煤儲層開始解吸產(chǎn)氣后，打開生產(chǎn)閥門，就是低套壓生產(chǎn)模式；當(dāng)煤儲層開始解吸產(chǎn)氣后，仍關(guān)閉生產(chǎn)閥門，待動液面下降到目標值時再通過調(diào)節(jié)油嘴大小逐級開啟生產(chǎn)閥門，不同級別油嘴在控制氣產(chǎn)量的同時調(diào)節(jié)套壓和動液面。目前，柿莊南主要采用高套壓模式進行生產(chǎn)調(diào)控，有效防止出砂、煤粉微粒運移造成的煤層堵塞及卡泵。

W3井2016年3月投產(chǎn)見氣后關(guān)閉生產(chǎn)閥門憋壓，待套壓和動液面穩(wěn)定后逐級放壓提產(chǎn)，目前產(chǎn)氣量達到1250m3/d(圖5)。

圖5 W3井排采曲線

通過完善數(shù)據(jù)采集、排采控制、排采操作規(guī)程、井場巡檢、修井作業(yè)規(guī)程、設(shè)備維保規(guī)程各類管理制度，加強生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化工作制度，明確了生產(chǎn)管理職責(zé)，提高了煤層氣井的產(chǎn)氣能力。

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(責(zé)任編輯 桑逢云)

Management Mode and Application of Coalbed Methane Gas Field In Shizhuang South

ZHANG Yafei1, WANG Jianzhong2, ZHOU Laicheng1, LIU Jie1

(1.Jincheng Branch of China United Coalbed Methane Co., Ltd, Shanxi 048000; 2. China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011)

Based on analyzing the output characteristics and drainage control requirements during output process of coalbed methane, the paper summarizes the management mode of engineering and production in Shizhuang South gas field. Research shows the mode of simultaneous construction and production which sets valve group as units and gathering-transportation of “single well-valve group-gathering stations” have good application effect. The digital level of gas field cannot meet the requirements of fine and high efficiency management of coalbed methane wells, which seriously restricts the production of single well. Therefore, to raise the digital management level of Shizhuang South gas filed is particularly important. At the same time, at the beginning of gas field development, it needs to optimize the dynamic model, production technology and digital facilities of coalbed methane wells, and adhere to “integration of ground and underground during optimization design”, which have important significance of economic and efficient development coalbed methane in the future.

Coalbed methane gas field; engineering construction; drainage control; management mode

張亞飛，男，碩士，工程師，從事煤層氣開發(fā)生產(chǎn)工作。