延川南煤层气田氮气扰动增产技术试验及效果分析

王 喆，张培先，陈贞龙，郭 涛，王文进

(中国石化华东油气分公司 勘探开发研究院，江苏 南京 210000)

截至2020年底，我国累计完钻的煤层气井已经超过2万口，产气井超过13 000口[1]，但是经过统计其中一半以上都是低产低效井，这些低产低效井的大量存在严重制约着我国煤层气的下一步大规模产能开发建设。如何利用现有增产措施或者创新措施对这些低产低效的煤层气井进行治理一直是一个困扰广大石油技术人员的技术和方法难题。以延川南煤层气田为例，累计投产的煤层气井有1 000余口，但是产气量低于300 m3/d的低产低效井就有300余口，甚至还有一些日产气量低于100 m3/d的超低产低效井。低产低效井分为多种类型，例如李勇等[2]就煤层气低效井的成因专门构建了一个体系，分类治理。近年来，国内针对不同类型的低效井治理采取了很多措施，例如苏士龙等[3]开展的可控冲击波解堵试验取得了一定效果，李贵川等[4]试验了煤层气水平井注氮气解堵技术，胡秋嘉等[5]尝试了氮气泡沫解堵技术，崔彬等[6-7]进行了氮气泡沫压裂技术，杨琦[8]进行了煤层气压裂新技术研究，常红梅等[9]尝试了一种新的煤层气解堵技术，于泽蛟[10]进行了等离子脉冲增产技术的应用实践。这些技术都取得了一定的效果，但是成本高增产效果有限。在美国和加拿大同样存在低产低效井的增产问题，先驱者尝试了氮气驱替增产改造技术和氮气压裂技术，取得了一定效果，但是这2种技术仅仅适用于双低压煤储层，有着很大的局限性[11]。

目前，氮气扰动技术正在试验研究阶段，中石化华东油气分公司首次在延川南煤层气田进行了该项新技术的应用试验。本文将对试验效果、地质和工程因素，以及氮气扰动技术的增产机理以及效果进行分析。

1 研究区和试验井组概况

1.1 研究区煤储层地质特征及低产井概况

(1)含煤地层和地质构造。延川南煤层气田坐落于山西省和陕西省交界处，主要由3个小的构造单元组成：谭坪构造带、西掌断裂带和万宝山构造带[12-14](图1)。山西组2号煤是主力煤层，煤层的水平分布在整个区块都是稳定的，平均厚度5 m，普遍有夹矸，平均厚度0.35 m[15]。

二叠系山西组和石炭系太原组为该区块含煤层系[16-18]。其中，位于西部万宝山构造带2号煤层为主力煤层，1 000 m埋深以深，鼻状构造是其构造形态，较小的正断层位于整个区域西北部；东部谭坪构造带，埋深1 000 m以浅，局部发育小断层在部分地区发育，中心区域较平坦[19-20]。

(2)低产低效井分类。为了更好地治理延川南煤层气田低产低效井，根据低产原因将延川南煤层气低产低效井分为3种类型[21]：①后期低产井。这类煤层气井曾经高产并且大都已经排采3～5年，进入煤层气排采的中后期，即煤层气井的第3个生产阶段(递减阶段)，通常主要表现为低产气，低流压，不产水或低产水[22]。增产措施主要是二次压裂体积改造和可控电脉冲解堵[23]。②煤粉堵塞或其他钻井压裂等原因所造成的低产水、低产气井。此类井通过可控电脉冲解堵，氮气扰动或者其他解堵措施，可以重新恢复高产，但是停止施工排采一段时间后由于堵塞会重新变成低产井[24]。③先天地质条件造成的低产井，从未高产。此类低产井由于本身不具备高产潜力，目前还没有适用的增产技术。本文主要论述使用氮气扰动技术来治理第②类低产低效井。

图1 延川南区块构造井位Fig.1 Structure and well location map of southern Yanchuan block

1.2 试验井组煤储层特征

通过地质和生产参数的筛选，在延川南煤层气田优选20余口低产井开展了氮气扰动试验，根据试验前的生产状态可分为4大类(表1)。本文在20余口低产井氮气扰动试验综合研究的基础上，对每一大类中选出一口典型井进行重点分析。4口典型试验井储层特征、排采生产数据见表1。

试验井目标煤层2号煤埋深950～1 682 m，平均1 438 m；厚度3.4～5.4 m，平均厚4.55 m；初始储层压力4.66～11.63 MPa，平均8.26 MPa，气含量11.9～14.6 m3/t，渗透率0.04×10-3～0.28×10-3μm2，孔隙度2.98%～8.2%，属于低孔渗储层。

2 氮气扰动技术的机理、技术优势

2.1 氮气扰动机理

氮气扰动的具体工作原理是通过地面增压系统，通过注入氮气把煤层压力提高到一定的数值，然后逐渐释放压力，当压力降到一定数值时，再进行增压。以此反复工作，达到煤层气快速解吸的目的，并打通由于煤粉堵塞的渗流通道。低排量注氮气增加储层能量、改善裂隙，逐步降压抽排，产生氮气扰动促进解吸[25-26]。

表1 延川南煤层气田氮气扰动试验典型井基本地质和生产参数Tab.1 Basic geological and production parameters of typical wells for nitrogen disturbance test in Southern Yanchuan coal field

氮气扰动的增产机理是利用氮气进行压力扰动，打通被煤粉堵塞的渗流通道，随着压力的降低，煤层气大量解吸，从而增加煤层气产量。当注入氮气后形成一个浓度差，井筒附近氮气浓度高，远离井筒甲烷浓度高，受氮气扰动作用降低煤层中甲烷的有效分压，促进煤层气持续解吸，浓度差导致煤层深处的甲烷向低浓度方向(井眼方向)流动，煤层压力再次达到平衡后，煤层渗透性改善、深部煤层气被置换出来[27]。

2.2 氮气扰动技术步骤和优势

氮气扰动实施步骤是，首先建立氮气输送管线，将制氮和注氮系统连接到井口，然后氮气扰动在试验井每天分3个阶段进行：先低排量注入一定量(100～200 m3)的低压氮气气体进行压力扰动(约4 h)，然后关闭井口闷井一段时间(约4 h)，再进行抽采(16 h)。如此反复达到压力扰动的目的。

使用氮气技术进行煤层气井的措施井增产，在国际国内上已经有很长的时间和应用，然而在煤层气井中应用氮气扰动技术这项新技术却是首次。氮气扰动相比传统煤层气增产技术有无可比拟的优势：①煤储层会在氮气扰动的作用下被微微撑开，从而使煤层渗透性有一定程度的提高。氮气注入煤储层后会进入原有压裂改造的裂缝，并且会打开新的微裂缝，增加新的裂缝通道，加快煤层气解吸[28]。此外，氮气附着在煤储层，在甲烷和氮气两相存在时，高压氮气在驱替甲烷产出的同时，增加了煤层渗透性，也就是说，氮气改造具有提高储层渗透性的效应[29-30]。②氮气是低压和干储层(不产水或少产水的储层)最佳无污染改造流体。由于氮气的惰性特征，它不与煤层和煤层中各类矿物质发生物理和化学作用，是低压和干储层最好的储层保护流体。其不燃不爆特性也是保障煤层气井作业安全可靠的基础[31]。③高压氮气促进甲烷分压降低和快速产出[32]。对于不饱和低解吸压力的煤储层，注入煤层的高压氮气将产生部分吸附，产生氮气吸附分压，同时降低甲烷吸附分压，并促进甲烷解吸和运移产出[33-34]。④相对目前重复压裂等措施，不破坏储层，不影响当地生态环境。⑤无起下管柱作业等操作，节约成本，施工见效快。⑥氮气注入压力通常小于1 MPa，安全稳定，不会出现井喷井涌等大型事故。

3 氮气扰动试验实施效果及分析

3.1 试验煤层气井运行情况

为证明该技术有效，对充氮气前、充氮气时、充氮气后的气体组分在实验中心分别进行了测试。

(1)Y-A井。氮气扰动施工前Y-A井运行情况是低产气、低产水。氮气扰动试验于2019年6月13日进行，试验后的早期，日产水量无变化，约90 d后上涨至0.17 m3/d，扰动约180 d后由于杆断停抽产水量为0。扰动后的日产气较施工前有较大提高，最高产气量1 079 m3/d，随后产气量稳定在1 000 m3/d左右，150 d后产气量快速下降，180 d后产气量降为156 m3/d。早期流压无变化，而后有小幅增长，6个月后为0.14 MPa。Y-A井生产曲线如图2所示。

图2 Y-A井生产曲线Fig.2 Production curves of Y-A Well

(2)Y-B井。氮气扰动施工前Y-B井运行情况是低产气、不产水。氮气扰动试验于2019年10月15日进行，试验后的早期，该井的日产水量急速抬升，产水量到最大值0.37 m3/d，但随后逐渐下降，扰动4个月后已经不产水，扰动6个月后仍然不产水。扰动后日产气较施工前有较大提高，但随后产气量有所波动，最大值达694 m3/d，6个月后产气量为383 m3/d。早期扰动后流压初期有所增加，增加到0.32 MPa，而后缓慢下降，6个月后为0.11 MPa。Y-B井生产曲线如图3所示。

图3 Y-B井生产曲线Fig.3 Production curves of Y-B Well

(3)Y-C井。氮气扰动施工前Y-C井运行情况是不产气、产水。氮气扰动试验于2019年6月15日进行，试验后的早期，该井的日产水量逐渐下降，到2019年11月30日产液量为 0.51 m3/d，随后产水量出现抬升，180 d后产水量为1.05 m3/d，扰动后的日产气较施工前有较大提高，初期产气量最高531 m3/d，但随后产气量出现剧烈波动，有时产气，有时不产气，最高产气量在2019年11月11日出现，为614 m3/d，180 d后产气量为458 m3/d。早期扰动后流压初期有所增加，增涨至1.47 MPa，而后出现波动，180 d后为0.19 MPa。Y-C井生产曲线如图4所示。

图4 Y-C井生产曲线Fig.4 Production curves of Y-C Well

(4)Y-D井。氮气扰动施工前Y-D井运行情况是不产气、不产水。氮气扰动试验于2019年8月23日进行，试验后的早期，该井的日产水量升高，产水量1.96 m3/d，6个月后产水量为1.73 m3/d。扰动后的日产气较施工前有较大提高，初期产气量最高为340 m3/d，随后产气量稳定在300 m3/d左右，180 d后日产气为0。流压在扰动后变化不大，180 d后为0.08 MPa。Y-D井生产曲线如图5所示。

图5 Y-D井生产曲线Fig.5 Production curves of Y-D Well

3.2 氮气扰动试验增产效果分析

(1)典型井试验前后气体组分对比。经过对多口井氮气扰动试验前后氮气和甲烷含量的连续监测(图6)，氮气含量呈扰动前低、扰动过程中高、扰动停止后低的变化，而甲烷含量呈相反变化关系。

图6 氮气扰动试验井气体组分监测曲线Fig.6 Monitoring curve of gas components in nitrogen disturbance test well

(2)氮气扰动试验前后产气对比。试验井组包含万宝山、谭坪构造带不同位置的20余口煤层气井，这些井有着不同的地质构造特征，前期压裂改造规模都不同，在试验前的生产运行情况都是低产气或不产气状态，在氮气扰动试验后，日产气、日产液和流压都有着不同程度的增加，试验后早期产气量抬升的井占到总井数的9/10(图7)，氮气扰动试验180 d产气量大于试验前的占到总井数的3/5。成果表明氮气扰动技术在万宝山、谭坪乃至整个延川南煤层气田低产气或不产气井的治理上是有效的。

图7 延川南煤层气田氮气扰动试验前后日产气量对比Fig.7 Comparison of daily gas production before and after nitrogen disturbance test in South Yanchuan coal field

最具代表性的4口井试验前后运行情况对比如图8所示。4口井分别位于万宝山、谭坪不同的位置，地质构造特征和前期压裂改造规模不同，但试验前产气运行情况都非常糟糕，但经过试验注氮气扰动后，早期4口井日产气都出现大幅度抬升，其中最具代表性的Y-A井，扰动后打通了由于煤粉堵塞的渗流通道，日产气比试验前增长了10倍，并且非常稳定，说明氮气扰动技术开启了新的通道，渗透性和孔隙度有不同程度的提高，试验效果良好。

此外还可以看到，在试验后日产气到达峰值后都开始缓慢下降，并且在扰动过程中产气量尽管增长，但是都有着不同程度的波动，说明氮气扰动对于地质特征不好的煤储层产生的能量有限，打开的渗透通道较小，增加的渗透性有限，其中最典型的是Y-D井(每日注入氮气120 m3)，扰动过程增产的气量有限并且不稳定剧烈波动。但是还应该看到积极性的一面，4口井有2口井，井扰动后180 d仍然高于试验前，说明氮气扰动技术在低产低效井改造方面有着不错的效果。

图8 氮气扰动试验前后生产运行情况对比Fig.8 Comparison of production operation before and after the test

3.3 氮气扰动技术的适应性分析

(1)对试验井煤储层地质特征的选井分析。分析21口试验井的前期地质情况，有代表性的产气量出现大幅度抬升的井均具有以下特征：①2号煤层整体上煤体结构都比较完整，糜棱煤非常少；②2号煤层的初始储层压力在一个比较高的水平上(解吸压力大于2.0 MPa)，煤层含气性也比较高(含气量大于10 m3)；③这些井早期生产运行情况良好产气量高，生产一定时间后日产气量水平降低。

与之出现鲜明对比的产气量没有变化或者无效果的井：①煤的煤体结构非常破碎，不够完整；②煤初始储层压力在一个很低的水平上，煤层含气性低；③这些井早期生产运行情况糟糕，产气量低或者从未产气。

(2)对试验井压裂工程参数的选井分析。分析试验井的前期压裂改造情况，有代表性的增产明显的井，具有以下特征：①压裂改造曲线较平稳，加砂加液相对容易；②压裂体积改造比较充分，裂缝延伸得更远，进入地层的压裂支撑剂石英砂和压裂液清水的总量较大，地层破裂压力较低，破裂相对容易。

与之出现鲜明对比的产气量没有变化或者无效果的井：①压裂改造曲线剧烈波动变化，加砂加液困难；②压裂体积改造不充分，裂缝延伸距离近，进入地层的压裂支撑剂石英砂和压裂液清水的总量较小，地层破裂压力较高，破裂相对困难。

4 结论及建议

(1)煤层气低产低效井经过氮气扰动试验后大幅度增产，而停止试验抽排一段时间后又恢复低产，说明氮气扰动是一种辅助增产手段，可根据经济效益反复实施。部分井停止试验排采较长时间后仍然高产，说明疏通了煤粉堵塞通道。

(2)氮气扰动的核心是注入氮气形成压力差，使压力急速变化疏通煤粉堵塞通道，达到煤层气快速解吸目的。氮气扰动技术适用于通过水力压裂、拥有完整裂缝通道、初期产量较高、抽采周期短、递减率较高的低产低效井或停产井。应用该技术的选井标准是高产递减井、原生—碎裂煤、储层有效改造的井。

(3)延川南煤层气田氮气扰动技术试验表明，该技术对低产井低效井和停产井增产改造具有重要理论和现实意义，是煤层气低产井增产改造的创新性技术，值得在延川南煤层气田进一步探索和应用推广。