煤层气试井设计方法

DESIGN OF COAL BED METHANE WELL TEST

　　Tang Shuheng　(No.1 Exploration Bureau,China National Administration of Coal Geology)

　　Abstract　Some important parameters of coalbed methane reservoir can be determined by the injection and falloff well test.The injection pressure and flow rate and the lengths of injection and falloff periods are the key factors to the succession of well test.This paper introduces how to make the design of coal bed methane well test through an example.
　　Keywords　coalbed methane;injection and falloff;well test;design

1　引言
　　煤层气田大规模开发需要大量的初始投资，因此在开发煤层气田之前首先要查清煤层气储层的特性，并对煤层气井的长期产能和最终采收率进行预测。渗透率是控制煤层气开采的主要储层参数之一，煤层在水饱和条件下，渗透率对煤层气井的排水降压起着控制作用，因此渗透率是控制煤层气井产量动态变化的主要因素。准确地测定煤储层渗透率在确定最优井距和增产设计，以及完井设计和优化储层动态管理方面十分重要。

2　概念、原理及特点
　　所谓“试井”，顾名思义，就是对油气井或水井进行测试。试井是一种以渗流力学理论为基础，以各种测试仪表为手段，通过对油气井或水井生产动态的测试来研究油、气、水层和测试井的各种物理参数、生产能力以及油、气、水层之间的连通关系的方法^［1］。
　　压力瞬变测试，或称不稳定试井，就是当储层中流体的流动处于平衡状态时，改变测试井的产量，并测量由此引起的井底压力随时间的变化。这种压力变化同测试过程中的产量有关，也同测试层和测试井的特性有关。因此运用试井资料，即测试过程中的井底压力和产量资料，结合其它资料，可以估算测试层和测试井的许多特性参数，包括完井效率、井底污染、增产措施的效果、地层参数、地层压力、边界情况、井间连通情况等。因此试井是油气田(包括煤层气田)勘探开发过程中认识储层特性并确定储层参数的不可缺少的重要手段。
　　显然，试井资料的测取和分析是试井工作的两个重要组成部分。前者即现场测试，为的是取得足够的可靠资料；后者即试井解释，要求通过分析所测资料，得到尽可能多的关于地层和测试井的可靠信息。
　　在原始储层条件下，测试工作最好在气井投产之前，煤储层处于100%水饱和状态。如果储层达到了两相流状态，则很难对试井数据进行解释。一般采用段塞试井或注入压降试井，因为这种试井是对单相流储层进行测试，可以确定水饱和煤层的渗透率。
　　注入压降试井是一种单井压力瞬变测试，它是以恒定排量将水注入井中一段时间后关井。注入和关井阶段都用井下压力计记录井底压力，这两个阶段的压力数据可独立用于分析求得渗透率。注入压降测试方法在煤层气勘探中应用相当广泛。
　　注入压降试井的主要优点是：
　　a.　流体的注入提高了地层压力，保证了在测试过程中为单相流；它适用于负压、正常压力和超压等各种情况的煤层气井；
　　b.　不需要井下机械泵送设备，简化了操作步骤，降低了成本；
　　c.　可以用标准试井分析方法来分析，结果比较可靠；
　　d.　探测半径较大；时间相对较短。
　　其缺点主要是对于低渗透率煤层很难进行，因为要保持非常低的注入排量。所以在采用注入压降方法时，必须预防以下两点：
　　第一，地层伤害。其原因之一，由于注入的流体可能与地层的化学环境不相容，发生反应；之二，有可能注入了会堵塞储层孔隙的微粒，因此把取自被测试层位的地层水回注到测试井中是最理想的，至少应当采用与地层和气藏流体相容的淡水。
　　第二，压开地层。如果注入过程中排量控制不好，使井底压力超过了测试层的破裂压力，就可能会压开地层，产生裂缝，这种裂缝的产生被认为是自然渗透率或井筒伤害的假象，使测试结果不可靠。因此在注入压降过程中一定要保证井底压力低于地层破裂压力。
　　由此可见，在对煤层气井进行试井之前，作好试井设计十分重要。
　　
3　注入压降试井的压力和排量
　　注入压降试井设计最关键的因素是注入排量和压力。为了减少对应力敏感的渗透率的影响，应使注入压力尽可能的低，最大注入压力应远低于煤层破裂压力，一般不能超过破裂压力的75%。如果不知道破裂压力，在设计时可根据邻井应力测试和增产措施作业的数据推算。如果不知道该煤层渗透率，可以根据估计的最低渗透率进行试井设计。
　　在注入压降测试设计过程中，假设储层为均质等厚，各向同性且在平面上无限伸展，则单相流水平流动符合下列公式：

式中　Δp——测试期压力的变化，MPa；
　　　　q——流量，m³／d；
　　　　B——地层体积系数，无因次；
　　　　μ——流体粘度，mPa*s；
　　　　t——测试时间，h；
　　　　r_W——井筒半径，m；
　　　　K——地层渗透率，μm²；
　　　　H——地层厚度，m；
　　　　φ——地层孔隙度，无因次；
　　　　C_t——地层及其中流体的综合压缩系数，MPa^－1；
　　　　S——井筒污染系数，即表皮系数，无因次。
　　对于注入压降测试，要估算最大允许注入压差Δp，在理论上Δp=p_b－p_i(其中p_b为煤层破裂压力，p_i为煤层原始压力)，可根据此Δp值及估测的渗透率值等参数利用公式(1)来求取最大排量，即：

　　在井筒污染带以外的地层压力不等于井底压力，井筒污染伤害的压降Δp_S，由下式给出^［2］：

式中，Δp_S单位为MPa。当表皮系数为正值时，由于存在的表皮压降将会增加井底压力，所以当以最大排量注入时，会压开地层。因此当存在正表皮时，不应采取零表皮时的最大允许注入量，而应该选择尽可能小的注入排量。

4　注入时间的确定
　　为了获取充分的测试数据，应使注入时间超过井筒控制期足够长。在使用半对数分析方法中， 一个经验法则是：直线段开始的时间是在双对数图上数据偏离单位斜率直线时间后的1.5个对数周期。因此要获得1／3～1／2对数周期的直线段，就得使试井注入时间达到井储结束时间的三倍以上^［2］，即：

　　(3)

式中　C——井筒储集系数。
　　选择测试时间的另一个方法是计算为了达到进入地层的某一距离(即调查半径)所需的注入时间，可由下式估算^［2］：

(4)

式中　r_i——调查半径。
　　理论上来说，要获得最大代表性的参数，需使恒量注入的时间尽可能地长，但从经济角度来考虑，应尽量缩短注入时间和关井时间。一般注入时间只要大于12 h，关井时间达到24 h，就可以获得较为可靠的资料。

5　某地一口煤层气井注入压降试井设计
　　测试煤层厚度5.8 m，深度521.6～527.4 m，井筒直径124.2 mm，由本区其它井知道，该煤层渗透率界于0.2×10^－3～1.1×10^－3 μm²，要求测试的调查半径大于5 m，注入时不得压裂煤层。设计时采用的其它参数见表1。

表1　试井设计参数表