煤层气井微破裂试验测试技术及应用

收稿日期:20020705作者简介:陈志胜(1969-),男,河南内黄人,中国煤炭科学研究院西安分院工程师,从事煤田地质和煤层气试井研究.第32卷第1期 中国矿业大学学报 Vo l.32No.12003年1月 Jo ur nal o f China U niver sity of M ining &T echno log y Jan .2003文章编号:1000-1964(2003)01-0053-04煤层气井微破裂试验测试技术及应用陈志胜(煤炭科学研究总院西安分院,西安　710054)摘要:根据煤层气勘探开发新区内煤储层参数资料和实际应用情况,研究了微破裂试验的测试工艺技术和数据分析方法.介绍了微破裂试验的测试方法、设备组合、施工程序以及数据分析解释,并通过实例阐述了微破裂试验在煤层气井测试工作中的应用.结果表明,在煤层气勘探开发新区,注入压降试井测试前进行一次微破裂试验,可以获取有用的储层信息,为煤层气井的试井设计提供重要的参数依据.关键词:煤层气井;微破裂试验;测试技术;应用;数据分析中图分类号:P 618.11 文献标识码:A 随着煤层气勘探事业的发展,试井测试技术得到普遍应用,微破裂试验作为注入/压降试井的一种辅助测试方法,在煤层气试井过程中起着重要作用.尤其对勘探开发新区,煤层气勘探井非常少,储层参数资料有限,这给试井设计带来一定困难.微破裂试验提供了一种揭示真实储层的方法,是煤层气井试井设计及试井施工的重要依据.微破裂试验是在小型压裂试井技术[1]的基础上,结合煤储层特点逐步发展完善的一种测试方法.早期微破裂试验主要目的是获取煤储层闭合压力,测试工艺技术相对比较简单.经过近几年的研究和实践应用,对测试工艺技术逐步进行改进和完善,伴随着数据分析技术的发展,微破裂试验可以反映出更多的储层信息,为准确编制试井设计提供可靠的储层参数.目前,微破裂试验测试技术已在我国许多煤层气勘探开发区应用.本文从微破裂试验测试实际应用的角度,对测试工艺技术和数据分析方法进行研究.一方面通过改进工艺技术、优化设备组合,减少微破裂试验对随后进行的注入/压降试井的影响;另一方面加强对关井后期的数据分析,以获取更多的储层参数.1　微破裂试验测试技术1.1　测试方法微破裂试验是一种瞬时压裂煤层的测试方法,通过向目标煤层注水,依此产生一个压裂煤层的瞬时压力脉冲,根据注入流量的变化,在确认煤层被压裂后井底关井,观测压力变化趋势.采用压力计记录井底压力随时间的变化规律,通过分析,可以判断和确定储层的参数性质.微破裂试验测试中需特别考虑的因素:1)注入流体的选择[2]:注入流体是造成煤层污染的一个因素,由于流体中固体颗粒对煤层孔隙的堵塞而导致煤层孔隙的连通性降低,因此对注入水的水质应加以控制,可选用清水注入,以防止对煤层造成伤害.2)注入流体体积的控制:大量的流体进入煤层后对煤层(特别是低渗透的薄煤层)的恢复非常不利,通过优化泵注设备,在满足瞬时压裂煤层的前提下,减少注入时间,控制进入煤层的流体体积.3)测试时间的选择:测试时间的选择原则:缩短注入时间,延长关井时间.在测试过程中缩短注入时间,可以减少注入流体体积,煤层产生的裂缝小,因此关井后裂缝很快闭合;另外,适当延长关井时间,有利于地层压力的恢复,对随后进行的注入/压降试井分析不会产生太大影响.1.2　地面设备微破裂试验所需的地面设备包括注水泵、储水罐、流量计、压力表、回流阀、截流阀及高压管汇.其中注水泵是关键设备,为确保在很短的时间内压裂煤层,通常采用高压大排量注水泵,以满足微破裂试验的测试需求,同时可以最大限度降低进入煤层的流体体积.微破裂试验地面设备组合如图1所示.图1　微破裂试验地面设备组合示意图Fig.1　Surface equipment co mbinatio n fo rsho rt -br eakdow n t est1.3　井下设备微破裂试验所需的井下设备包括压力计、封隔器、井底关井工具、筛管及油管.由于注入时间短,压力变化范围大,通常采用高精度、高分辨率电子压力计记录井底压力的变化规律.微破裂试验下井测试管柱组合示意图如图2所示.图2　微破裂试验下井测试管柱示意图F ig .2　D ow nho le t est st ring forsho rt -br eakdow n t est1.4　施工程序1)测试管柱下井:按测试要求连接下井管柱,记录每一个部件尺寸以及下井油管的根数和长度.2)压力计编程:为确保获得裂缝破裂及闭合时的压力点,采样速率至少1～2s 记录一次数据点.3)安装和连接地面装置:管柱下至预定深度后,校正下井管柱的长度,确保深度无误后,安装井口设备,连接地面测试管柱.4)测试管柱试压:实施井下关井,对测试管柱进行试压,确保管柱密封良好.5)封隔器坐封:根据封隔器的型号及坐封形式,实施封隔器坐封,并检验封隔器坐封情况.6)微破裂试验:通过向测试目标煤层注水,依此产生一个压裂煤层的瞬时压力脉冲,注入时间一般控制在2min 内,确认煤层被压裂后井底关井,并利用压力计记录井底压力变化情况.测试结束后,现场录取压力计数据,处理数据,求取煤储层参数结果.2　微破裂试验数据分析储层参数的分析主要依据关井压降期的压力数据.闭合压力的数据反映在压降阶段的初期,根据裂缝闭合前后的曲线特征,采用时间平方根法和双对数法可以获取闭合压力值,它是注入/压降测试中煤层最大注入压力设计的重要依据.另外,经过多年的研究和实践发现,适当延长关井时间,压降阶段后期的压力数据一定程度上能够反映出地层拟径向流特征.运用现代试井分析方法的基础理论[3,4],建立脉冲压力瞬时源项解方程,依此可以获取储层的渗透率和储层压力,为注入/压降测试中注入时间及注入排量的设计提供重要参数.2.1　闭合压力闭合压力分析一般采用时间平方根法[5],早期裂缝闭合之前,反映裂缝线性流阶段特征,p -t关系曲线呈线性关系,表现为一条直线;晚期裂缝闭合之后,反映地层线性流阶段特征,p -t 关系曲线同样是线性关系,表现为另一条直线,两条直线的交点为闭合压力.根据闭合压力值的大小,可以确定注入/压降试井测试的最大注入压力.另外,采用双对数法也可以获取闭合压力,对压降期数据作压力-时间双对数曲线,在曲线上存在一条1/2斜率直线,该斜率线偏离点对应的压力即为裂缝闭合压力.2.2　储层压力和渗透率压降测试后期,地层表现出拟径向流特征,利用脉冲压力源项解可以初步分析渗透率和储层压力值.储层模型的基本假设[4]为均质、各向同性、厚度均匀的水平储层;单相、粘度恒定、弱可压缩且压缩系数为常数的流体;储层的孔隙度和渗透率恒定,与压力无关,忽略重力和毛管力的影响.瞬时源项解方程:$p (r ,$t )=V L4P kh $te-5L C t r 24k $t,(1)式中:$p 为井底压降,M Pa;$t 为关井时间,h;r 为径向影响半径,m;V 为注入流体体积,m 3;L 为注入流体粘度,mPa .s ;k 为煤层渗透率,m d ;h 为煤层厚度,m ;5为孔隙度;C t 为综合压缩系数,MPa -1;上式为整个储层的关系式,进行数据分析时,通常考虑井筒点源处的井底压力,因此源项解的表54 中国矿业大学学报 第32卷达式简化如下:$p =V L 4P kh ×1$t,(2) 公式(2)两边取对数得lg $p =lg V L 4P kh-lg $t ,(3) 公式(3)表明,在后期拟径向流阶段,$p 与$t的双对数曲线表现为单位斜率直线;同样压力导数d ($p )/d (ln $t )与$t 的双对数曲线也表现为单位斜率直线.压力曲线及压力导数曲线在后期重合,反映了地层拟径向流特征,这是分析渗透率和储层压力的依据.将$p =p -p i 代入公式(2):p =p i +V L 4P kh ×1$t ,(4)式中:p 为井底流压,MPa ;p i 为储层压力,M Pa ;储层压力p i 可以从1/$t =0处推出;渗透率k 可以通过p -1/$t 关系曲线后期直线段的斜率求出k =C u V L 4P hm ,(5)式中:m 为后期直线段斜率;C u 为单位换算因子,281.68;3　应用实例某勘探新区一口煤层气参数井,要求通过注入/压降试井测试获取煤层的各项储层参数.由于资料有限,在注入/压降试井前,先进行了一次微破裂试验.测试目标煤层的厚度为6.5m ,注入流体选择清水,以避免对储层的伤害.微破裂试验实测压力时间曲线如图3所示.图3　微破裂试验实测压力时间曲线Fig.3　Curv e of p and t for shor t-br eakdo wn test 采用大排量注水,在很短的时间内产生一个压裂煤层的压力脉冲,尔后关井监测压降变化规律,实际注入时间为1m in ,注入流体体积0.05m 3,为了便于地层压力充分恢复,选择关井时间为4h.图4是微破裂试验闭合压力分析曲线,采用时间平方根法进行分析,在p -t 曲线上,裂缝闭合之前早期和裂缝闭合之后晚期分别出现两条明显的直线,利用两条直线的交点求出闭合压力p c 为9.45MPa ,它是试井设计的重要参数依据,为防止注入/压降试井因压破煤层而导致的测试失败,在随图4　闭合压力分析曲线F ig.4　Cur ve o f closur e pr essur e analy sis后进行的试井测试过程中,最大注入压力应控制在闭合压力p c 值以下.图5为微破裂试验脉冲压裂测试诊断图版,压力及压力导数双对数曲线后期重图5　脉冲压裂测试诊断图版F ig.5　I mpluse fractur e test diagnostic合,表现为单位斜率直线,反映出明显的拟径向流特征,可以利用后期直线段进行初步分析.微破裂试验脉冲压裂测试分析曲线如图6所示,在p -1/$t 关系曲线上,可以从1/$t =0处推出储层压力p i =7.20MPa,利用后期直线段斜率求出渗透率k =0.03m d.微破裂试验的分析结果在随后进行的注入/压降测试中得到验证,注入/压降试井资料分图6　脉冲压裂测试分析Fig.6　A nalysis of impluse fractur e test析所求取的渗透率k =0.037md ,储层压力p i =7.12MPa,两种测试方法所获得的参数结果非常接近,证明微破裂试验的数据分析是可靠的.55第1期 陈志胜:煤层气井微破裂试验测试技术及应用4　结束语1)微破裂试验作为注入/压降试井的一种辅助测试方法,在资料有限的勘探开发新区,它提供了一种获取储层信息切实可行的方法.2)测试施工中尽可能缩短注入时间,控制进入煤层的流体体积,减少对地层压力恢复的影响.3)适当延长关井时间,利用压降阶段后期的压力数据,可以获取更多的储层信息.4)微破裂试验数据分析的理论基础基于脉冲压力源项解,压力及压力导数双对数曲线在后期所表现出的拟径向流特征是分析渗透率和储层压力的依据.5)对于裂缝闭合压力的分析解释,采取时间平方根和双对数相结合的分析方法,可以提高分析结果的准确性.6)微破裂试验旨在确定煤层的最大注入压力,是煤层气井试井设计的重要依据,对注入/压降测试具有指导作用.参考文献:[1]　孙茂远,黄盛初.煤层气开发利用手册[M].北京:煤炭工业出版社,1996.223-227.[2]　韩永新,刘振庆.煤层气试井测试方法[J].油气井测试,1997.6(3):59-63.[3]　Stanislav J F,K abir C S.压力不稳定试井分析[M].谢兴礼,陈钦雷译.北京:石油工业出版社,1996.10-15.[4]　林加恩.实用试井分析方法[M].北京:石油工业出版社,1996.13-15.[5]　秦玉英,陈为龙,何青.煤层气井原地应力测试方法及其应用[J].中国煤层气,1996.(2):129-132.T est T echnique for Short-Breakdow n T estin CBM W ell and Its ApplicationCHEN Zhi-sheng(Xi'a n Bra nch,CCRI,Xi'an710054,China)Abstract:Test technique and analysis method fo r short-breakdow n w ell w er e studied based on so me data and the actual applicatio n in a new coalbed methane ex plo ratio n area.T he testing method,equipment co mbinatio n,co nstr uctio n procedur e and data analy sis w ere introduced.And the application of the shor t-breakdow n test metho d in CBM w ell w as discussed.The results show that the shor t-breakdow n pr io r to injection/fall-o ff w ell-test can obtain som e useful info rmation of reserv oir in a new coalbed methane exploration area,and pr ovide im por tant par ameters for well-test design o f CBM w ell.Key words:CBM well;short-breakdo wn test;test technique;applicatio n;data analysis(责任编辑　李成俊) 56 中国矿业大学学报 第32卷。