基于CBM-SIM的梨树煤矿瓦斯地面抽采数值模拟_李晓龙.pdf

第 46 卷 第 1 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.1 2018 年 2 月COALGEOLOGY 2. Shaanxi Institute of Geological Survey, Xi’an 710054, China Abstract To meet different requirements of time and space for gas extraction in preparation and planning area, based on the coalbed methane well test in Lishu coal mine, coalbed methane simulation software CBM-SIM was used to do history match and achieve precise reservoir parameters. For vertical wells in rectangular pattern, CBM-SIM was applied to predict gas rate for 5 years, 10 years and 15 years for 7 diffrent kinds of well spacing, and the dynamic change of gas content for 5 years, eventually determine the best well spacing in different area. Based on the above conclusion, considering all factors, wells were drilled in Lishu coal mine, and gas extraction was predicted by simulation. The results of the study show that the optimal well spacing for preparation areas is 200m250m and 300 m300 m for planning areas. 7 wells were placed in preparation areas and 64 wells in planning areas; the recovery ratio for 5 years in the preparation area will be 32.3038.20, the gas content can be reduced to below 8 m3/t, meeting the requirements for safe production in the mine; the recovery ratio in the planning area will be 30.0039.05 for 5 years, 41.7852.06 for 10 years. Except the planning areas Ⅲ andⅤ, the gas content can be decreased to below 8 m3/t in other areas, for extraction for 15 years, the recovery ratio will be 48.2062.04. The research results provide reference for the coal and gas co-extraction in Lishu coal mine and other mining areas of the deep thin coal seam in Northeast China. Keywords surface gas extraction; history matching; borehole spacing; numerical simulation; gas content 矿井瓦斯事故已成为制约煤矿安全生产的“第 一大害”； 同时， 瓦斯也是一种宝贵的不可再生资源。 据统计，我国埋深 2 000 m 以浅的瓦斯资源量约为 36.8 万亿 m3，位居世界第三位，可见，抽采瓦斯可 ChaoXing 42煤田地质与勘探第 46 卷 有效改善我国能源紧缺的局面[1]。现阶段，煤与瓦 斯共采技术研究，已成为我国煤矿安全生产和科学 开采的一个重大课题[2]。在不影响煤矿正常接续生 产的前提下，地面瓦斯抽采，实现先抽后采，可降 低煤矿瓦斯事故，且预抽时间长，已在我国得到广 泛应用。而抽采方式、井网类型、井间距等均对地 面瓦斯抽采效果有一定的影响。而煤矿准备区、规 划区对瓦斯抽采的时空接续要求不同，因此非常有 必要分区研究相应的瓦斯地面抽采技术[3-4]。 梨树煤矿位于黑龙江鸡西市，主采 14 号煤层，该 煤层瓦斯含量高。矿井采掘过程中瓦斯问题异常严重， 矿方常采用井下抽采瓦斯的方式降低瓦斯含量，这种 方式不仅影响矿井正常接续生产，而且难以满足矿井 安全生产要求[5-6]。为此，2012 年以来，矿方委托中煤 科工集团西安研究院有限公司以下简称西安院开展 地面抽采瓦斯的工业试验。西安院在研究我国东北深 部薄煤层区地面瓦斯抽采相关技术的基础上，在梨树 煤矿分两期共计施工了 5 口试验井。由于井田内参数 井较少，同时井网布置方案尚未成熟，为此笔者以此 工业试验为基础， 借助 CBM-SIM 数值模拟软件， 对抽 采井的排采历史进行拟合，进而分区域对井网布置方 案进行优化，并依据优化结果在矿井不同采掘区域进 行布井，最终进行瓦斯抽采模拟，为其地面瓦斯抽采 方案提供借鉴[7-8]。 1储层参数优化 梨树煤矿瓦斯地面抽采试验工程共计两期，其 中一期施工了 1 口直井1 井， 二期施工了一组丛式 井2 井、3 井、4 井和 5 井，5 口井均获得了较为 可观的工业气流，平均最高日产气量达 1 636.8 m3， 为后续地面瓦斯规模化开发提供了依据[8]。 矿井主采的 14 号煤层位于侏罗系城子河组下部， 基本全区可采，平均煤厚 2.55 m，属肥煤，煤体结构 主要为原生–碎裂结构煤，本组地层断层较发育[9]。在 施工过程中，对储层相关参数进行测试表 1，从表 1 中可看出，该煤层吸附性能相对一般，较利于后期排 采。由于试验井获取的参数较少，且存在随机性、不 确定性，为此笔者采用 CBM-SIM 软件对试验井生产 数据进行历史拟合，以优化储层参数。1 井先于二期 试验井施工、抽采，中途停止抽采了一段时间，后期 又进行修井，之后同二期 4 口井一起抽采，且二期 3 井产气情况异常。故本次首先拟合 1 井前期正常生产 阶段的抽采数据，待拟合出一套储层参数后，将此套 参数继续应用于二期 2 井、4 井和 5 井的历史拟合， 进一步对储层参数进行优化校正。 表 114 号煤储层参数表 Table 1The No.14 coal seam reservoir parameter 渗透率/ 10-3μm2 吸附常数 临界解吸 压力/MPa 临储比 VL,daf/m3t-1pL/MPa 0.100.6719.0223.182.152.394.97.10.520.97 CBM-SIM 软件是用于模拟非常规油气藏的三 维、两相，单、双、三孔隙模拟软件。本次采用双 孔隙/单渗透率模型，选取产气量为主要拟合指标， 模型的井位为实际井位位置。 选取单层煤进行模拟， 模型尺寸为 1 400 m1 400 m，网格大小为 50 m50 m图 1[8,10-11]。 历史拟合结果将孔隙度调整为 1.2， 渗透率调整为 1.310-3μm2， 其他参数均在实测值范 围内，拟合度较高 图 2图 3、表 2。 图 1历史拟合模型示意图 Fig.1Historical fitting model 图 21 井日产气量拟合效果图 Fig.2Daily gas production fitting effect of the well No.1 ChaoXing 第 1 期李晓龙等 基于 CBM-SIM 的梨树煤矿瓦斯地面抽采数值模拟43 图 32 井、4 井、5 井日产气量拟合效果图 Fig.3Daily gas production fitting effect of wells 2 , 4 and 5 表 214 号煤层拟合结果 Table 2Fitting results of coal seam 14 吸附常数 孔隙度/ 渗透率/ 10-3μm2 储层压力/ MPa VL, daf/m3t-1pL/MPa 15.52.31.21.36.68 2井网优化 梨树煤矿试验井为直井、丛式井，单从见煤点 来看，丛式井和直井基本一样，因此本文采用直井 的抽采方式进行模拟。目前国内较常用的井网类型 为矩形井网[12-13]，且其较适用于各向渗透率差异较 大的储层，布置方便，故本次模拟选取矩形井网。 现阶段国内矩形井网的井间距基本为 200350 m[8]，本文试验井压裂缝长为 259.7 m，设计了 7 种井 间距， 分别为 200 m200 m、 200 m250 m、 300 m250 m、300 m300 m、350 m250 m、350 m300 m、350 m350 m。 针对煤矿准备区、 规划区对瓦斯抽采的时空 接续要求不同，利用 CBM-SIM 软件对不同井间距模 型进行瓦斯含量动态预测及产能预测。模型设定为 9 口井，模拟参数采用前述历史拟合优化的参数。 a. 准备区井网优化 准备区即矿井未来 35 a 即将开采的区域，此 区域应以降低瓦斯含量为主要目的。 模拟结果显示， 200 m200 m、200 m250 m 的井组抽采 5 a，均可 实现瓦斯含量降至 8 m3/t 以下表 3，同时考虑经济 因素， 故在准备区宜选取 200 m250 m 的矩形井网。 b. 规划区井网优化 规划区即矿井未来 510 a 即将开采的区域，此 区域要求在降低瓦斯含量的同时，兼顾地面瓦斯抽 采。 模拟结果表明， 300 m300 m 的井组在抽采 10 a 和 15 a 的累计产气量均最高图 4，产气量分别为 2949.62 万 m3、3597.17 万 m3；单井平均产气量曲 线相对平稳， 其峰值达 3 000 m3/d， 稳产时间最长图 5， 故 300 m300 m 的井间距适用于该区。 表 3不同井组抽采 5 a 瓦斯含量动态表 Table 3Dynamic data of gas content in different well groups for 5 years 井间距平均瓦斯含量/m3t-1 200 m200 m7.68 200 m250 m7.80 300 m250 m8.38 300 m300 m8.67 350 m250 m8.85 350 m300 m9.02 350 m350 m9.16 图 4井组累计产气量对比图 Fig.4Comparison of accumulative gas production of well group 图 5单井平均日产气量对比图 Fig.5Comparison of average daily gas production in single well 3井位部署 梨树煤矿目前正在回采 14 号煤层，且形成了较大 面积的采空区图 6，考虑井田内不同区域瓦斯抽采时 空接续要求不同，加之井田内断层较发育，同时参考 试验井压裂缝半长 130 m，因此布井应遵循的原则[14] 为 ① 距离采空区之外 150 m； ② 避开断层 150 m； ③ 按照试验井压裂裂缝方位 43.3布井；④ 2017 2020 年准备区选取 200 m250 m 井间距，2020 年以后 的规划区选取300 m300 m井间距； ⑤ 考虑林区地貌， ChaoXing 44煤田地质与勘探第 46 卷 在局部区域应调整井网、井型或者井间距等；⑥ 距已 有试验井的距离超过压裂缝长；⑦ 为了提高抽采率， 在断层、井田边界处可适当调整压裂规模。 4抽采效果分析 基于布井原则，最终在井田内共计布井 71 口， 其中准备区布井 7 口，规划区布井 64 口图 6，已 有试验井 5 口。由于井田内断层较发育，利用 CBM-SIM 软件对准备区、 规划区分区域进行瓦斯抽 采效果动态模拟预测，本次未考虑实际采动影响对 准备区煤储层渗透率的影响。 准备区抽采 5 a，采收率为 32.3038.20。规 划区抽采 5 a， 采收率为 30.0039.05； 抽采 10 a， 采收率为 41.7852.06；抽采 15 a，采收率为 48.2062.04表 4。 准备区Ⅰ、Ⅱ分区抽采 5 a，瓦斯含量均可降至 8 m3/t 以下，满足煤矿安全生产。规划区Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ 分区抽采 10 a，全区瓦斯含量可降至 8 m3/t 以下； 规划区Ⅲ分区抽采 15 a， 全区瓦斯含量可降至 8 m3/t 以下；规划区Ⅴ分区抽采 15 a，有 81.70的区域瓦 斯含量可降至 8 m3/t 以下，其中规划区Ⅴ分区南部 瓦斯含量未降至 8 m3/t 以下，这是由于该区构造复 杂，未进行布井所致图 6。 表 4采收率统计表 Table 4Recovery factor statistics 区域 采收率/ 5 a10 a15 a 准备区 Ⅰ38.20 Ⅱ32.30 规划区 Ⅲ30.0044.2048.20 Ⅳ32.0647.5062.04 Ⅴ30.5041.7857.46 Ⅵ37.6652.0759.64 Ⅶ39.0552.6060.05 模拟结果表明， 各区域的瓦斯含量降幅均较大， 采收率也均较高，布井方案合理，地面抽采瓦斯效 果较显著。 图 6抽采不同年限瓦斯含量分区图 Fig.6Zonation of gas content after different years 5结 论 a. 利用 CBM-SIM 软件拟合已有生产井数据， 将研究区渗透率调整为 1.310-3μm2， 孔隙度调整为 1.2，拟合度较高。 b. 在准备区、规划区选择的最优井间距分别为 200 m250 m 和 300 m300 m。该井间距下，准备 区瓦斯含量降幅较大，规划区产气量达到峰值的时 间较快，且稳产期较长。 c. 综合考虑采掘规划、地质构造、地形、压裂规 ChaoXing 第 1 期李晓龙等 基于 CBM-SIM 的梨树煤矿瓦斯地面抽采数值模拟45 模等多个因素，在准备区布井 7 口，规划区布井 64 口。准备区抽采 5 a 采收率为 32.3038.20，瓦斯 含量可降至 8 m3/t 以下，满足矿井安全生产。规划区 抽采 5 a，采收率为 30.0039.05；抽采 10 a，采收 率为 41.7852.60，除规划区Ⅲ、Ⅴ以外，其他区 域瓦斯含量均可降低至 8 m3/t 以下；抽采 15 a，采收 率为 48.2062.04，除规划区Ⅴ以外，其他区域瓦 斯含量均可降低至 8 m3/t 以下。瓦斯含量均得到一定 程度的降低， 采收率也较高， 布井方案抽采效果较好。 参考文献 [1] 郭继圣，张宝优. 我国煤层气煤矿瓦斯开发利用现状及展望[J]. 煤炭工程，2017，49383–86. GUO Jisheng，ZHANG Baoyou. Present situation and prospect of coalbed methane development and utilization in China[J]. Coal Engineering，2017，49383–86. [2] 谢和平，周宏伟，薛东杰，等. 我国煤与瓦斯共采理论、技 术与工程[J]. 煤炭学报，2014，3981391–1397. XIE Heping，ZHOU Hongwei，XUE Dongjie，et al. Theory， technology and engineering of simultaneous exploition of coal and gas in China[J]. Journal of China Coal Society， 2014， 398 1391–1397. [3] 周德昶. 地面钻井抽采瓦斯技术的发展方向[J]. 中国煤层气， 2007，4177–79. ZHOU Dechang. Development trend of CBM surface well drilling technology[J]. China Coalbed Methane，2007，41 77–79. [4] 李林. 鸡西盆地梨树煤矿地面煤层气开发井网部署优化研究[J]. 中国煤炭地质，2015，27115–8. LI Lin. CBM Exploitation well pattern layout optimization study in lishu coalmine，jixi basin[J]. Coal Geology of China，2015， 27115–8. [5] 杜维甲. 影响鸡西盆地煤层气赋存的地质因素[J]. 辽宁工程 技术大学学报，2009，282189–191. DU Weijia. Impact of Jixi basin coalbed methane occurrence of geological factors[J]. Journal of Liaoning Technical University， 2009，282189–191. [6] 李林. 鸡西煤田梨树煤矿地面煤层气抽采潜力[J]. 煤田地质 与勘探，2017，45167–70. LI Lin. CBM surface extraction potential in Lishu mine of Jixi coalfield[J]. Coal Geology Exploration，2017，45167–70. [7] 吴静. 焦坪矿区低阶煤储层因素对煤层气井产能的影响及敏 感性分析[J]. 煤田地质与勘探，2015，43544–48. WU Jing. Influence of reservoir factors on low-rank coalbed methanewellproductionandsensitivityanalysis[J].Coal Geology Exploration，2015，43544–48. [8] 李晓龙. 鸡西矿区梨树煤矿瓦斯地面抽采井位部署及效果分 析[D]. 西安西安科技大学，2016. [9] 周加佳， 姜在炳， 李彬刚. 鸡西盆地煤层气资源开发潜力分析 与评价[J]. 煤炭科学技术，2015，439110–116. ZHOU Jiajia ， JIANG Zaibing ， LI Bingang. Analysis and uationondevelopmentpotentialofcoalbedmethane resources in Jixi basin[J]. Coal Science and Technology，2015， 439110–116. [10] 韦重韬，秦勇，傅雪海. 煤层气储层数值模拟[M]. 北京科 学出版社，2015. [11] 王晓梅，张群，张培河，等. 煤层气井历史拟合方法探讨[J]. 煤田地质与勘探，2003，31120–22. WANG Xiaomei， ZHANG Qun， ZHANG Peihe， et al. Discussion on historic fitting of CBM well[J]. Coal Geology Exploration，2003，31120–22. [12] 倪小明，苏现波，张小东. 煤层气开发地质学[M]. 北京化 学工业出版社，2010. [13] 史进，吴晓东，韩国庆. 煤层气开发井网优化设计[J]. 煤田地 质与勘探，2011，39620–23. SHI Jin，WU Xiaodong，HAN Guoqing，et al. Optimization designofCBMwellgridpattern[J].CoalGeology Exploration，2011，39620–23. [14] 张培河， 白建平. 煤矿区煤层气开发部署方法[J]. 煤田地质与 勘探，2010，38633–36. ZHANG Peihe ， BAI Jianping. on well pattern arrangementofcoalbedmethaneCBMdevelopmentin coalmine area[J]. Coal Geology Exploration，2010，386 33–36. 责任编辑 范章群 ChaoXing