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煤层气井产能预测研究 (1)

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煤层 气井 产能 预测 研究
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© 1994 ,1958 年 生 ,教 授 ;一 直 从 事 采 油 采 气 工 艺 理 论 研 究 。 地 址 : (102249)北 京 市 昌 平 区 石 油 大 学 石 油 天 然 气工 程 学 院 。 电 话 : (010) 89734626。 263. 气 井 产 能 预 测 研 究吴 晓 东 1   王 国 强 1   李 安 启 2   王 欣 2(1. 石 油 大 学 · 北 京   2. 中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 廊 坊 分 院 )吴 晓 东 等 . 煤 层 气 井 产 能 预 测 研 究 . 天 然 气 工 业 ,2004 ;24 (8) :82~ 84摘   要   文 章 采 用 数 值 模 拟 方 法 ,从 煤 层 甲 烷 的 流 动 机 理 入 手 ,利 用 朗 格 缪 尔 等 温 吸 附 方 程 描 述 甲 烷 从 煤 表面 解 吸 过 程 ,利 用 律 描 述 甲 烷 从 煤 基 质 和 微 孔 隙 中 的 扩 散 ,综 合 考 虑 了 煤 层 甲 烷 的 解 吸 附 、 扩 散 、 渗 流 三 个过 程 ,并 考 虑 了 水 力 压 裂 产 生 高 渗 透 裂 缝 对 渗 流 场 的 影 响 ,在 煤 层 理 想 化 等 七 个 假 设 条 件 下 ,建 立 了 煤 层 甲 烷 的 非平 衡 拟 稳 态 吸 附 扩 散 模 型 ,利 用 该 模 型 编 制 了 煤 层 气 井 产 能 预 测 软 件 ,并 进 行 了 模 拟 计 算 ,给 出 了 计 算 实 例 。 结 果表 明 :煤 层 在 没 有 经 过 水 力 压 裂 处 理 时 ,煤 层 的 气 、 水 产 量 是 很 小 的 ;经 过 水 力 压 裂 处 理 后 ,由 于 煤 层 的 排 水 降 压 效果 ,煤 层 气 井 气 、 水 产 量 有 明 显 的 增 加 ,具 有 经 济 开 采 的 产 量 规 模 。主 题 词   煤 成 气   产 能 预 测   模 型   数 值 模 拟   研 究一 、 引   言煤 层 气 (煤 层 甲 烷 )作 为 非 常 规 天 然 气 资 源 的 重要 组 成 部 分 ,是 最 现 实 的 接 替 常 规 天 然 气 的 后 备 资源 。 开 发 和 利 用 我 国 丰 富 的 煤 层 气 资 源 将 对 我 国 的能 源 储 备 起 到 至 关 重 要 的 作 用 。 通 过 煤 层 气 井 产 能预 测 技 术 ,可 以 在 煤 层 气 井 投 入 正 式 生 产 之 前 ,对 煤层 气 井 的 生 产 动 态 进 行 预 测 ,这 样 ,可 以 避 免 盲 目 的生 产 开 发 ,尽 可 能 的 提 高 经 济 效 益 。 煤 层 甲 烷 的 数值 模 拟 软 件 是 预 测 煤 层 气 井 长 期 生 产 动 态 的 最 好 工具 。 模 拟 软 件 可 以 同 时 精 确 解 释 气 体 解 吸 、 扩 散 、 气液 渗 流 、 相 渗 关 系 、 井 间 干 扰 等 过 程 。 模 拟 软 件 也 能描 述 由 于 煤 本 身 的 可 压 缩 性 以 及 甲 烷 从 煤 中 解 吸 所引 起 的 渗 透 率 和 孔 隙 度 随 时 间 的 变 化 。 本 文 建 立 了煤 层 甲 烷 非 平 衡 拟 稳 态 吸 附 和 扩 散 模 型 ,该 模 型 可很 好 地 描 述 煤 层 气 井 井 底 渗 流 过 程 ,对 煤 层 甲 烷 的开 发 有 一 定 的 指 导 作 用 。二 、 产 能 预 测 数 值 模 拟1. 煤 层 甲 烷 的 赋 存 状 态煤 层 中 天 然 气 以 游 离 、 吸 附 和 溶 解 三 种 状 态 赋存 于 煤 层 中 。(1) 游 离 状 态 。 天 然 气 以 自 由 气 体 状 态 存 在 于煤 的 割 理 和 其 它 裂 缝 孔 隙 中 ,可 以 自 由 运 移 ,运 移 的动 力 主 要 是 地 层 水 的 压 力 。 当 天 然 气 运 移 进 入 裂 缝网 络 中 呈 游 离 状 态 以 后 ,可 用 常 规 气 田 的 方 法 进 行研 究 ,游 离 状 态 的 天 然 气 占 10 %~ 20 %。(2) 吸 附 状 态 。 在 煤 的 内 表 面 上 分 子 的 吸 引 力一 部 分 指 向 煤 的 内 部 ,已 达 到 饱 和 ,而 另 一 部 分 指 向空 间 ,没 有 饱 和 ,于 是 就 在 煤 的 表 面 产 生 吸 附 场 ,吸附 周 围 的 气 体 分 子 。 这 种 吸 附 属 于 物 理 现 象 ,是100 %的 可 逆 过 程 。 在 一 定 条 件 下 ,被 吸 附 的 气 体 分子 与 煤 的 内 表 面 脱 离 ,叫 做 解 吸 ,并 进 入 游 离 相 。 呈吸 附 状 态 的 天 然 气 可 占 70 %~ 95 %。 由 此 可 见 ,天然 气 在 煤 层 中 的 储 集 主 要 依 赖 于 吸 附 作 用 ,而 不 依赖 于 是 否 有 储 集 气 体 的 常 规 圈 闭 存 在 ,因 而 与 常 规砂 岩 中 天 然 气 的 储 集 有 本 质 上 的 区 别 。(3) 溶 解 状 态 。 煤 中 还 有 少 量 的 天 然 气 溶 解 在煤 层 的 地 下 水 中 ,称 为 溶 解 气 ,通 常 ,这 部 分 气 量 极少 。2. 煤 层 甲 烷 流 动 机 理煤 层 气 的 流 动 包 括 三 个 过 程 :甲 烷 从 煤 表 面 解吸 ;甲 烷 通 过 煤 基 质 和 微 孔 隙 的 扩 散 ;甲 烷 通 过 割 理系 统 的 达 西 渗 流 。3. 煤 层 甲 烷 流 动 机 理 数 学 描 述(1)甲 烷 从 煤 表 面 解 吸 过 程 利 用 朗 格 缪 尔 等 温吸 附 方 程 描 述 。·28·开 发 试 采                             天   然   气   工   业                                   2004 年 8 月© 1994 + 1)式 中 : V 为 压 力 p 下 单 位 质 量 固 体 所 吸 附 的 气 体 体积 ,g ; 朗 格 缪 尔 吸 附 常 数 ,即 单 位 质 量 固体 最 大 单 层 吸 附 量 ,g ; b 为 朗 格 缪 尔 压 力 常 数 ,也 是 朗 格 缪 尔 压 力 ( 的 倒 数 ; 当 吸 附 气 体 量为 单 层 完 全 吸 附 时 最 大 吸 附 量 的 一 半 所 需 的 压 力 ,1/ p 为 气 体 压 力 ,2)煤 层 甲 烷 从 煤 基 质 和 微 孔 隙 中 的 扩 散 遵 循 律 。Q = (2)式 中 : Q 为 从 基 质 中 流 出 的 甲 烷 流 量 ,d ; 基质 体 积 , 在 基 质 / 割 理 面 的 甲 烷 体 积 浓 度 , 由 朗 格 缪 尔 公 式 计 算 的 含 气 量 ,τ 吸 附 时 间 ,d。公 式 中 : t = - 1τ ( = i =1Di : S 为 割 理 间 距 ,即 煤 块 尺 寸 。(3)煤 层 甲 烷 在 割 理 系 统 中 的 流 动 为 达 西 渗 流 。4. 产 能 预 测 数 学 模 型模 型 的 基 本 假 设 条 件 为 : ① 煤 层 理 想 化 如 图 1所 示 ,长 方 体 表 示 基 质 ,长 方 体 之 间 的 空 隙 表 示 割 理系 统 (面 割 理 和 端 割 理 ) ; ② 煤 层 微 可 压 缩 ,基 质 均 质图 1   理 想 化 煤 层 模 型各 向 同 性 ,割 理 系 统 也 均 质 各 向 同 性 ; ③ 煤 层 流 动 为等 温 流 动 ; ④ 在 原 始 状 态 下 ,煤 层 的 割 理 系 统 含 游 离气 ,其 余 气 体 都 以 吸 附 气 的 形 式 储 集 在 煤 基 质 的 内表 面 ; ⑤ 由 于 煤 基 质 中 的 孔 隙 直 径 小 ,水 不 能 进 入 ,仅 含 气 ; ⑥ 水 是 微 可 压 缩 的 流 体 ,忽 略 水 中 溶 解 的 气量 ; ⑦ 自 由 气 作 为 真 实 气 体 ; ⑧ 水 和 气 体 在 割 理 系 统中 的 流 动 服 从 达 西 定 律 ,忽 略 重 力 作 用 ; ⑨ 在 煤 基 质中 气 体 的 扩 散 过 程 为 非 平 衡 拟 稳 态 过 程 ,服 从 定 律 。综 合 考 虑 煤 层 甲 烷 在 煤 层 中 的 三 种 流 动 ,建 立了 煤 层 甲 烷 的 井 底 流 动 模 型 :55x α 55c w 55t )55 c g B g5 x +55 c g B g5 y - 2t - 55 t )t = 1τ [ V E ( - (5)如 果 V E ( ,则 d t = 0 ; 1 。5. 水 力 压 裂 裂 缝 的 处 理对 裂 缝 网 格 的 处 理 ,其 原 理 是 在 保 证 裂 缝 内 流量 不 变 的 前 提 下 ,适 当 放 大 缝 宽 而 相 应 的 调 整 渗 透率 ,缝 宽 放 大 是 以 不 影 响 地 层 内 部 的 网 格 划 分 和 实际 计 算 为 原 则 的 。6. 煤 层 气 井 的 三 个 生 产 阶 段(1)脱 水 降 压 阶 段 。 主 要 产 水 ,随 着 压 力 降 到 临界 解 吸 压 力 以 下 ,气 体 饱 和 度 增 加 ,气 相 渗 透 率 提高 ,井 口 开 始 产 气 并 逐 渐 上 升 。(2)稳 定 生 产 阶 段 。 产 气 量 相 对 稳 定 ,产 水 量 逐渐 下 降 ,一 般 为 高 峰 产 气 阶 段 。(3)气 产 量 下 降 阶 段 。 随 着 压 力 下 降 ,产 气 量 下降 ,并 产 出 少 量 或 微 量 的 水 。三 、 计 算 实 例笔 者 利 用 煤 层 气 井 数 值 模 拟 软 件 进 行 一 口 煤 层气 井 的 产 能 预 测 。动 态 预 测 输 入 的 参 数 :煤 层 深 度 512 m ,煤 层 原始 压 力 3. 95 煤 层 孔 隙 度 0. 01 ,煤 层 厚 度 为 3 m ,地 层 液 体 原 始 粘 度 0. 0015 s ,朗 格 缪 尔 吸 附 常 数41 朗 格 缪 尔 压 力 常 数 0. 5 拟 稳 态 扩 散时 间 常 数 170 d ,煤 基 质 中 原 始 气 体 体 积 浓 度 37 煤 层 压 缩 系 数 为 0. 0008 1的 割 理 系 统 原 始·38·第 24 卷 第 8 期                                 天   然   气   工   业                             开 发 试 采© 1994 ,割 理 系 统 绝 对 渗 透 率 0. 0002μ 生 产 井 半 径 0. 1 m ,煤 层 气 井 列 方 向 间 距 的 一 半 为400 m ,煤 层 气 井 行 方 向 间 距 的 一 半 为 240 m ,列 方 向上 第 一 个 网 格 间 距 为 20 m ,行 方 向 上 第 一 个 网 格 间距 为 10 m ,列 方 向 上 网 格 间 距 差 为 10 m ,行 方 向 上 网格 间 距 差 为 10 m ,生 产 天 数 4000 d。首 先 针 对 煤 层 只 有 天 然 割 理 系 统 ,没 有 进 行 水力 压 裂 处 理 的 情 况 进 行 动 态 预 测 ,结 果 见 图 2。图 2   没 有 经 过 水 力 压 裂 处 理 的 变 化 图针 对 煤 层 经 过 水 力 压 裂 处 理 后 的 情 况 进 行 动 态预 测 ,其 中 水 力 裂 缝 绝 对 渗 透 率 为 20μ 水 力 裂 缝支 撑 半 长 为 80 m ,水 力 裂 缝 支 撑 缝 宽 为 0. 006 m。 计算 结 果 如 图 3 所 示 。图 3   经 过 水 力 压 裂 处 理 的 变 化 图比 较 图 2、 3 可 以 看 出 :煤 层 在 没 有 经 过 水 力 压裂 处 理 时 ,煤 层 的 气 、 水 产 量 是 很 小 的 ;经 过 水 力 压裂 处 理 后 ,由 于 煤 层 的 排 水 降 压 效 果 ,煤 层 气 井 气 、水 产 量 有 明 显 的 增 加 ,具 有 经 济 开 采 的 产 量 规 模 。从 图 3 还 可 以 看 出 在 煤 层 生 产 初 期 ,煤 层 气 产量 随 着 生 产 时 间 的 变 化 快 速 增 大 ,这 是 由 于 随 着 煤层 水 的 大 量 产 出 ,煤 层 压 力 降 低 ,煤 层 气 体 析 出 并 形成 连 续 的 渗 流 ;气 产 量 在 经 历 了 快 速 增 加 的 过 程 后 ,逐 渐 稳 步 增 加 ,生 产 在 五 年 左 右 之 后 ,逐 渐 达 到 最 大气 产 量 值 ;煤 层 气 井 可 以 维 持 最 大 气 产 量 持 续 生 产3、 4 年 左 右 ,之 后 气 产 量 逐 渐 降 低 。 在 煤 层 整 个 生 产过 程 中 ,煤 层 水 产 量 值 是 一 直 呈 逐 渐 下 降 趋 势 的 。四 、 结   论(1)通 过 模 拟 软 件 的 计 算 实 例 可 以 看 出 ,建 立 的煤 层 甲 烷 非 平 衡 拟 稳 态 吸 附 和 扩 散 模 型 能 够 反 映 出煤 层 甲 烷 的 生 产 特 性 。(2)煤 层 在 没 有 经 过 水 力 压 裂 处 理 时 ,是 没 有 经济 产 能 的 ,经 过 了 水 力 压 裂 处 理 ,脱 水 降 压 效 果 明显 ,气 产 量 增 加 很 快 。(3)通 过 模 拟 计 算 结 果 可 以 表 明 ,笔 者 所 建 立 的非 平 衡 拟 稳 态 模 型 能 够 正 确 模 拟 煤 层 气 井 井 底 渗 流过 程 ,也 能 够 用 于 已 知 压 力 预 测 气 产 量 、 水 产 量 和 已知 产 量 预 测 压 力 变 化 。参   考   文   献1   A , A ,8584 ,19942   葛 家 理 . 油 气 层 渗 流 力 学 . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 ,19823   韩 大 匡 ,陈 钦 雷 ,闫 存 章 . 油 藏 数 值 模 拟 基 础 . 山 东 东 营 :石 油 工 业 出 版 社 ,19934   陈 月 明 . 油 藏 数 值 模 拟 基 础 . 山 东 东 营 :石 油 大 学 出 版 社 ,19945   钱 凯 ,赵 庆 波 ,汪 泽 成 等 . 煤 层 甲 烷 气 勘 探 开 发 理 论 与 实验 测 试 技 术 . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 ,1996(收 稿 日 期   2004205224   编 辑   韩 晓 渝 )·48·开 发 试 采                             天   然   气   工   业                                   2004 年 8 月© 1994 — in . . 0 — 1. 25) of is is of in to a is If is a it be or If to is of by of be of be 30021) ,     (023) 67323702F F )2 , 1. 2. & . v. 24 , 8 ,78 — 81 , 8/ 25/ 2004. ( 0976 ; of to of on of or is of as To of at by of , 964 , is       &D 650021) ,     ( (0871) 6145176F ) 2 , &D . v. 24 , 8 , 82 — 84 , 8/ 25/ 2004.( 0976 ; to of to of to of of by on of is as of is is is of is to of of of , 2004© 1994 ( 958.         102249) ,     (010) 89734626       F Y ) , . 24 , 8 , 85 — 88 , 8/ 25/ 2004. ( 0976 ; to 01 of is of by of is of in of as of is to of of in of 7. 7 —38 ℃ 0. 00 — 0. 10 2of by is of to of be to in at it is in 65 m. to 8 ℃ , t in It in to of 2 ℃ 6 ℃ 964.   37001) ,     (0817) 2643081F F ). v. 24 , 89 — 91 , 8/ 25/ 2004. ( 097
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