一种煤层气井控压排水采气方法以及系统与流程

本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种煤层气井控压排水采气方法以及系统。

背景技术：

目前，随着能源技术的不断发展，煤层气和页岩气等非常规能源已经成为能源结构的重要组成部分。

对于煤层气井，其常规埋藏深度1500米以浅，超过2000米埋藏深度的相对较少。因为煤层气存储的特性，90％以上的煤层气通过物理吸附的方式赋存在煤岩基质内表面，为了开发煤层气藏，必须使得占绝大多数的吸附气从基质内表面解吸出来，从而扩散进入裂缝和节理，再通过大裂缝进入井筒，最后从井筒中抽采出来。但是，在煤层中，当压力稳定在煤层气储层的临界解吸压力之上时，吸附气与解吸气维持一种动态的平衡。因此，为了使吸附气大量解吸，必须使得煤层气储层的压力小于该储层煤层气的临界解吸压力，使得吸附与解吸的动态平衡打破。

大多数煤层气藏里面含水较多，常规煤层气储层开发煤层气的方法主要通过钻直井或者水平井，然后通过井底抽排水的方法，使得煤层气储层压力下降，从而使得吸附态的煤层气大量解吸。

在煤层气井的排水降压的初期，因为煤层气井的钻成，储层煤岩整体性招致了破坏，井筒周围储层中产生了大量的煤粉和煤屑，并且钻完井过程中，钻完井液会在井筒周围的储层有一定的残留，造成井筒伤害。理想的情形是，在排水降压过程中，大排量快速的抽水，一方面快速降低储层压力，使得煤层气储层的孔隙压力低于该储层煤岩内煤层气的临界解吸压力，占储量90％以上的吸附在基质内表面的煤层气大量解吸出来，快速建产；另一方面，初期钻井产生的大量煤粉煤屑，需要大排量排液给带出来，防止煤粉煤屑处于静态而淤积，堵塞裂缝及孔隙吼道，钻完井液的残留，也需要大排量排液而返出，减少井筒表皮。

但是，在实际现场施工过程中，过快的排水速度，通常导致低渗透煤层气储层，超低渗煤层气储层较低的产能，主要因为孔隙压力的快速降低，导致储层煤岩的有效应力快速增大，进而有效应力导致裂缝收缩，闭合，引起应力敏感性对储层渗透率的伤害，导致井筒周围储层煤岩渗透率下降。

在现有技术的排水采气作业中，一个关键的技术参数是排水阶段的排水量控制。当采用排水方法生产时，如果抽水速度过快，则煤层气井筒附近储层的孔隙压力下降快，煤岩内的有效应力快速增大，从而使得煤层气储层内的微小裂缝、次生裂缝闭合，大裂缝收缩，严重损害和降低了储层的渗透率，不利于煤层气的生产。然而当抽水速度较慢时，一方面储层水源较多，通常排水速度下，排水时间都需要半年-两年，如果抽水速度慢，则排水降压的时间会更长，严重增加了成本以及投资成本的回收期；另一方面，由于煤岩中含有大量煤粉、煤屑等，并且钻井打开储层过程中，钻井液或者完井液会有部分或者较多的残留及侵入井筒周围储层，相对较慢的排水速度，不利于煤粉、煤屑的采出，不利于带出钻完井过程中钻完液在储层中的残留，低速排水过程，煤粉、煤屑结合钻完井液的残留，会堵塞井筒附近的微小裂缝或者次生裂缝，导致相对高渗的煤层气储层产气量下降，低渗透煤层气储层，直井开采时，不压裂就几乎不产气。

由于在煤层气井排水降压过程中，无论排水速度快或者慢，都会带来储层渗透率伤害以及产气量下降。因此在现有技术的排水采气作业中，排水阶段的具体排水速度经常处于一个前后矛盾的位置，很难对其确定一个合理的数值。

技术实现要素：

本发明提供了一种煤层气井控压排水采气方法，所述方法包括：

以第一日排水量进行排水，其中，所述第一日排水量满足煤层中开采干扰物的排除需求；

在进行排水的同时注入补压介质，维持井底流压日降量为第一压差值，以避免所述煤层中孔隙、裂缝回缩、闭合。

在一实施例中，所述补压介质包括气体补压介质以及液体补压介质。

在一实施例中，所述气体补压介质为氮气。

在一实施例中，所述液体补压介质为清水。

在一实施例中，在进行排水的前期注入气体补压介质进行补压，在进行排水的后期注入液体补压介质进行补压。

在一实施例中，对排水过程中排出的流体进行固液气分离，以获取所述气体补压介质和/或所述液体补压介质。

本发明还提出了一种煤层气井控压排水采气系统，所述系统包括：

排水装置，其配置为以第一日排水量进行排水，其中，所述第一日排水量满足煤层中钻完井液、煤粉以及煤屑排除需求；

补压装置，其配置为在所述排水装置进行排水的同时注入补压介质，维持井底流压日降为第一压差值，以避免所述煤层中孔隙、裂缝回缩、闭合。

在一实施例中，所述补压装置包括气体补压单元以及液体补压单元。

在一实施例中，所述补压装置配置为在所述排水装置进行排水的前期启动所述气体补压单元进行补压，在所述排水装置进行排水的后期启动所述液体补压单元进行补压。

在一实施例中，所述系统还包括固液气分离装置，其配置为对所述排水装置排出的流体进行固液气分离，以向所述气体补压单元和/或所述液体补压单元提供用于补压的气体和/或液体。

根据本发明的煤层气井控压排水采气方法，可以方便的确定排水阶段的排水速度，其不仅可以满足煤层中钻完井液、煤粉以及煤屑排除需求，同时也可以避免煤层中孔隙、裂缝回缩、闭合；相较于现有技术，本发明的方法过程简单，可以大大提高煤层气井的开采效率，具有很高的实用价值以及推广价值。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的方法流程图；

图2是根据本发明一实施例的煤层气井控压排水采气系统示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

对于煤层气井，其常规埋藏深度1500米以浅，超过2000米埋藏深度的相对较少。因为煤层气存储的特性，90％以上的煤层气通过物理吸附的方式赋存在煤岩基质内表面，为了开发煤层气藏，必须使得占绝大多数的吸附气从基质内表面解吸出来，从而扩散进入裂缝和节理，再通过大裂缝进入井筒，最后从井筒中抽采出来。但是，在煤层中，当压力稳定在煤层气储层的临界解吸压力之上时，吸附气与解吸气维持一种动态的平衡。因此，为了使吸附气大量解吸，必须使得煤层气储层的压力小于该储层煤层气的临界解吸压力，使得吸附与解吸的动态平衡打破。

大多数煤层气藏里面含水较多，常规煤层气储层开发煤层气的方法主要通过钻直井或者水平井，然后通过井底抽排水的方法，使得煤层气储层压力下降，从而使得吸附态的煤层气大量解吸。

在煤层气井的排水降压的初期，因为煤层气井的钻成，储层煤岩整体性招致了破坏，井筒周围储层中产生了大量的煤粉和煤屑，并且钻完井过程中，钻完井液会在井筒周围的储层有一定的残留，造成井筒伤害。理想的情形是，在排水降压过程中，大排量快速的抽水，一方面快速降低储层压力，使得煤层气储层的孔隙压力低于该储层煤岩内煤层气的临界解吸压力，占储量90％以上的吸附在基质内表面的煤层气大量解吸出来，快速建产；另一方面，初期钻井产生的大量煤粉煤屑，需要大排量排液给带出来，防止煤粉煤屑处于静态而淤积，堵塞裂缝及孔隙吼道，钻完井液的残留，也需要大排量排液而返出，减少井筒表皮。

但是，在实际现场施工过程中，过快的排水速度，通常导致低渗透煤层气储层，超低渗煤层气储层较低的产能，主要因为孔隙压力的快速降低，导致储层煤岩的有效应力快速增大，进而有效应力导致裂缝收缩，闭合，引起应力敏感性对储层渗透率的伤害，导致井筒周围储层煤岩渗透率下降。

上述情况直接表现为，当采用排水方法生产时，如果抽水速度过快，则煤层气井筒附近储层的孔隙压力下降快，煤岩内的有效应力快速增大，从而使得煤层气储层内的微小裂缝、次生裂缝闭合，大裂缝收缩，严重损害和降低了储层的渗透率，不利于煤层气的生产。然而当抽水速度较慢时，一方面储层水源较多，通常排水速度下，排水时间都需要半年-两年，如果抽水速度慢，则排水降压的时间会更长，严重增加了成本以及投资成本的回收期；另一方面，由于煤岩中含有大量煤粉、煤屑等，并且钻井打开储层过程中，钻井液或者完井液会有部分或者较多的残留及侵入井筒周围储层，相对较慢的排水速度，不利于煤粉、煤屑的采出，不利于带出钻完井过程中钻完液在储层中的残留，低速排水过程，煤粉、煤屑结合钻完井液的残留，会堵塞井筒附近的微小裂缝或者次生裂缝，导致相对高渗的煤层气储层产气量下降，低渗透煤层气储层，直井开采时，不压裂就几乎不产气。

也就是说，由于在煤层气井排水降压过程中，无论排水速度快或者慢，都会带来储层渗透率伤害以及产气量下降。针对该问题，本发明提出了一种全新的煤层气储层排水产气方法。

在本发明的方法中，首先通过大排量抽水方式，较快速度带出煤岩地层水中含的开采干扰物(例如煤粉、煤屑、钻井液或者完井液)。防止煤粉、煤屑沉淀淤塞近井地带储层，一定程度上通过较快流速带出部分钻完井过程中造成的井筒污染(钻井液或者完井液)，减小表皮因子。在大排量抽水的同时，向井筒注入补压介质，保持井底储层压力，防止井筒周围储层在排水降压的初期因为孔隙压力的急剧减小而引起煤岩有效应力的急剧增大，导致储层渗透率的应力敏感伤害，储层裂缝闭合，引起煤粉、煤屑无法排出堵塞孔隙喉道，妨碍后期煤层气的产出。最大程度上加快储层水的产出，同时减小表皮因子，排出煤粉、防止有效应力伤害储层渗透率，达到减少抽排水时间、增加煤层气井产量的目的。

具体的，如图1所示，在一实施例中，本发明提出的方法包括以下步骤：

步骤s110，以第一日排水量进行排水，其中，第一日排水量满足煤层中开采干扰物的排除需求；

步骤s120，注入补压介质，维持井底流压日降量为第一压差值，以避免煤层中孔隙、裂缝回缩、闭合。

步骤s110以及步骤s120同时进行，直到煤层气的解吸操作完成，可以进行下一步的开采作业。具体的，判断解析操作是否完成(s130)，未完成则重复步骤s110以及步骤s120，完成则停止排水阶段，执行下一步的开采作业(s140)。

进一步的，在一实施例中，用于维持井底流压日压降量所注入的补压介质包括气体补压介质以及液体补压介质。

在一实施例中，在排水阶段，在进行排水的前期注入气体补压介质进行补压，在进行排水的后期注入液体补压介质进行补压。具体的，在一实施例中，在前期注入气体补压介质增压，大排量抽水一定时间后，当观察到井底抽采出来的地层水煤粉煤屑含量显著降低、不再返出钻完井液残留时，停止注入气体补压介质增压，改为注入液体补压介质增压。

进一步的，在一实施例中，以氮气作为气体补压介质。注入氮气、可以防止储层伤害、同时根据分压原理和甲烷气的选择性吸附原理，一定程度上置换出少部分的甲烷气，有利于增加煤层气储层的甲烷气采出程度。

进一步的，在一实施例中，以清水作为液体补压介质。

在本发明其它实施例中，可以采用其他类型的补压介质。

进一步的，在一实施例中，对排水过程中排出的流体进行固液气分离，以获取到的井底分离气体和/或井底分离液体作为气体补压介质和/或液体补压介质。

根据本发明所提出的方法，本发明还提出了一种煤层气井控压排水采气系统。在一实施例中，系统包括：

排水装置，其配置为以第一日排水量进行排水，其中，第一日排水量满足煤层中钻完井液、煤粉以及煤屑排除需求；

补压装置，其配置为在排水装置进行排水的同时注入补压介质，维持井底流压日降为第一压差值，以避免所述煤层中孔隙、裂缝回缩、闭合。

进一步的，在一实施例中，补压装置包括气体补压单元以及液体补压单元。

具体的，在一实施例中，补压装置配置为在排水装置进行排水的前期启动气体补压单元进行补压，在排水装置进行排水的后期启动液体补压单元进行补压。

进一步的，在一实施例中，系统还包括固液气分离装置，其配置为对排水装置排出的流体进行固液气分离，以向气体补压单元和/或液体补压单元提供用于补压的气体和/或液体。

具体的，在一实施例中，系统的部件和结构如图2所示。包括：1、气液注入管，2、三通阀，3、气体注入管，4、液体注入管，5、外部液源，6、外部液源输入管，7、液体柱塞泵，8、气体增压泵，9、气体输入管，10、气体三通阀，11、井底分离气体收集罐，12、氮气源，13、井底分离气体输出管，14、井底过滤净化液体输出管，15、井口连接管，16、气液固三相分离罐，17、采油树，18、双管井口，19、套管、20，油管，21、动液面，22、煤层气储层，23、煤粉及煤屑，24、微小裂缝及孔隙吼道，25、采油泵。

图2中部位1为气液注入管，前期主要用来注入氮气，后期用来注入过滤沉淀后的地层水及清水，以使得井筒内压力保持在一定的水平，使得井筒周围储层不会因为快速抽水而导致孔隙压力的迅速降低，导致井筒周围煤岩有效应力的急剧增大而引起井筒周围大裂缝的回缩，小裂缝和次生裂缝的闭合，导致有效应力对储层渗透率的伤害，进而因为裂缝闭合导致井筒周围孔隙吼道的淤积堵塞等，影响煤层气的产出。

图2中部位2为三通阀，主要用来控制连接的部位3气体注入管和部位4和液体注入管路的开关。

图2中部位3为气体注入管，主要用来在排水降压的前期向井筒注入氮气，使得井底煤层气储层水被大量抽出的同时，井底维持一定的孔隙压力，进而使得井筒附近的孔隙压力不至于下降太快，以致井筒附近储层煤岩有效应力快速增大对储层渗透率造成伤害。

图2中部位4为液体注入管，主要用来中后期注入清水或者过滤沉淀后的地层水，以使得井底保持一定的孔隙压力，有利于煤层气储层中地层水的排出，同时带出煤层气储层中的煤粉和煤屑，不至于因为孔隙压力的减小，煤岩有效应力的增大而导致裂缝闭合，煤粉煤屑无法顺利排出。

图2中部位5为外部液源，主要用来储集清水，用于后期的注入。

图2中部位6为外部液源输入管，用来连接部位5。

图2中部位7为液体柱塞泵，主要用来向井筒注入液体增压。

图2中部位8为气体增压泵，用来将外部气源增压后井筒注入气体。

图2中部位9为气体输入管，用来连接外部气源。

图2中部位10为气体三通阀，用来连接部位12氮气源和部位11井底分离气体收集罐，以及部位9，控制三个不同管路的开与关。

图2中部位11为井底分离气体收集罐，用来收集排水过程中，井底排水带出的气体，部位11中气体将被气体增压机增压后，注入至井筒内，以增加排水初期井底的孔隙压力。

图2中部位12为氮气源，排水降压的初期提供氮气注入井筒中，用来保持井筒周围储层的孔隙压力。

图2中部位13为井底分离气体输出管。

图2中部位14为井底过滤净化液体输出管。

图2中部位15为井口连接管，用来将井底抽排出来的液体输入至部位16气液固三相分离罐中。

图2中部位16为气液固三相分离罐，煤层气储层排水过程中，排水会带出地层水，水中含的煤粉煤屑及游离气，一直部分分离出来的气体，通过部位16分离而输出，煤粉煤屑等固体沉积在罐底部，沉积过滤的液体通过部位14抽走，分离出来的气体位于罐的顶部，通过部位13抽走。

图2中部位17为采油树等井口装置。

图2中部位18为双管井口，为特殊设计，其内可以安装部位20油管，以及部位1，气液注入管，并保证密封性。

图2中部位19为套管或者导管，通常的煤层气井1开会下套管固井。

图2中部位20为油管，用来输出井底抽采上来的地层水。

图2中部位21为动液面，它的深度决定了煤层气储层内的孔隙压力，当排水一定时间，动液面降至一定深度，煤层气储层内孔隙压力低于该储层煤层气的临界解吸压力时，储层内的煤层气大量解吸出来。

图2中部位22为煤层气储层。

图2中部位23为煤粉及煤屑，该类物质存在于储层煤岩内，当井筒钻成或者储层煤岩收到外力扰动时，煤粉及煤屑大量产生，煤层气井排水过程中，如果排水速度过慢，至煤粉煤屑容易沉积而导致部位24微小裂缝及孔隙吼道的堵塞。

部位24为煤层气储层内的微小裂缝及孔隙吼道。

部位25为采油泵，主要来用抽排储层内含水，降低储层压力。

当一个煤层气井钻成后，需要下入部位20及部位25等装置，对煤层气储层排水，使得部位22煤层气储层内压力下降，直到煤层气储层的压力降至该储层煤层气临界解吸压力以下，这样才能打破该储层煤岩的煤层气解吸与吸附的动态平衡，从而使得煤层气大量解吸出来，以被开采输送至地面。

控压排水采气方法，包括在开始进行排水作业时，按照图2所示安装对应工具及设备。等安装后图2所示装置设备后，开始排水降压。

根据邻井产液数据或者本井测试数据，设计日排水量，从而达到一定的压降水平，根据历史数据，针对常见的应用场景，井底流压每日降低0.01-0.03mpa。比如，在一具体的应用场景中，日抽水量为n1方，对应井底流压每日压降0.01mpa，日抽水量为n2方，对应井底流压每日压降0.03mpa。

当该煤层气井的液量相对较小时，一般设计较小的日排水量，如n1方，对应井底流压日降低0.01mpa甚至更低，以控制井底压降在较低的水平，防止井筒周围储层孔隙压力的快速减小，造成井筒周围储层有效应力的快速增大而导致裂缝回缩，闭合。

在实际操作中，需要开启部位12氮气源、部位10气体三通阀、以及部位8气体增压泵，使得氮气源通过部位3、部位2和部位1注入井筒中，同时开启部位25采油泵，井底的液体通过部位25、部位20和部位15、抽出地面进行处理。以降低部位21动液面，做到日抽水量可以达到n2方，对应的井底流压每日降低量0.01mpa，甚至更低。这样可以保证大排量抽排煤层气储层水，较快速度带出钻井过程产生的煤粉和煤屑，防止煤粉煤屑沉积淤塞井筒附近储层，堵塞微小裂缝及孔隙吼道。利于地层水的排出和煤层气的产出，减小储层渗透率伤害。同时大排量的抽水，可以一定程度上返排钻完井过程中渗透遗留在井筒周围储层中的钻完井液，减少钻完井液对储层的伤害，减小井筒表皮因子。

以上实施例的描述中，日排水量n2方、日压降0.01mpa及具体的日注入井筒中的氮气量，具体数据根据具体井进行设计，实施例中所述数据仅为一种表征说明性数据。

前期注氮气抽排水过程中，排出的地层水中会有部分游离的甲烷气分离出来，此时部位16中的上部会存在一定的甲烷气，当部位11中收集的甲烷气到一定量时，可以通过部位8及部位3、部位2和部位1，注入至井筒中，起到和注入氮气一样的增压作用。

在前期注入氮气增压，大排量抽水一定时间后，当观察到井底抽采出来的地层水煤粉煤屑含量显著降低、不再返出钻完井液残留时，可以关闭图1中所示的氮气注入系统，开始启用部位14、部位7、部位6、部位5、部位2和部位1，向井底注入清水、注入的清水主要先接触部位21动液面，在井筒液柱的上方，日注入清水的量小于日抽水量，注入的清水量根据需要保证的井底流压及井底流压日压降水平来决定。此时的抽水速度保持类似前期的大排量日抽水n2方的水平，保证日井底压降在0.01mpa甚至更低。

排水的水源主要来源于井筒液柱的下方，注入清水和井筒大排量抽排水，构成了上部液面一定程度上保压，下部液体建立循环的路径模式。此时大排量抽水的同时注入一定量的清水的目的，还是在于保证大排量抽水速度以利于煤粉煤屑的抽出，防止井底地层水出现反向流动，地层水中携带的煤粉煤屑堵塞孔隙吼道及微小裂缝。等到煤层气井底压力降低到低于该煤层气储层的临界解吸压力一定值时，撤走井口以上设备，在井口中安装连接管和气嘴，准备生产。

本发明针对以往煤层气井排水降压过程中存在的，当无论采用较快或者较慢的排水降压速度，都会对储层渗透率造成伤害，妨碍或者减少煤层气的产出问题，提出了一种煤层气井的控压排水采气方法。前期通过向井筒注入氮气、同时大排量抽水，后期向井筒注入清水，同时大排量抽水，达到了大排量抽排煤层气储层地下水的同时，保证了井筒附近储层煤岩内孔隙压力不至于快速下降目的。一方面防止了较慢速度抽水，不利于井筒周围储层中残留的钻完井液的残留物的排出，以及储层地层水中携带的煤粉煤屑在储层中沉淀淤积，堵塞微小裂缝及孔隙吼道，导致相对高渗的煤层气储层产气量下降，低渗透煤层气储层，不压裂就几乎不产气等系列问题。另一方面防止了单纯大排量抽水不控制井筒流压，导致井筒周围煤岩内的有效应力急剧增大使得井筒周围煤层气储层内的大裂缝收缩，微小裂缝、次生裂缝闭合，降低了井筒周围储层应力敏感对渗透率的伤害，有利于煤层气的生产；同时大排量抽水有利于前期带出钻井过程中产生的煤粉和煤屑、有利于返排出一定量的钻完井液残留，减小井筒伤害，降低表皮因子。注入氮气、可以防止储层伤害、同时根据分压原理和甲烷气的选择性吸附原理，一定程度上置换出少部分的甲烷气，有利于增加煤层气储层的甲烷气采出程度。煤层气井控压排水采气方法，可以总体上加快煤层气储层地层水的排出速度，减少排水降压时间和成本，缩短投资回收期，有利于较多的返排钻完井液残留，减小了井筒表皮，有利于排出煤粉煤屑，防止淤积堵塞裂缝，防止孔隙压力的快速降低导致有效应力快速增加而伤害储层渗透率，增加煤层气井产量和单井采出程度。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。