煤层气井开发效率及排采制度的研究.pdf

第2 7 卷第7 期 天然气工业 煤层气井开发效率及排采制度的研究 * 康永尚 赵 群 王红岩 刘洪林 杨 慎 1 ． 中国石 油大学 北京 2 ． 中国石油勘探 开发研究院廊坊分院 康永 尚等． 煤 层气井开发效率及 排采制度 的研 究． 天然气工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 7 7 9 8 2 ． 摘 要 分析我 国煤层气井排水采气过程 中井筒 附近应 力的变化 ， 认为 由于 井筒液面 下降太 快， 导致 井筒 附 近渗透率 降低 ， 煤 层气井无法获得长 期持 续的较高产量， 从而使得开发效率低 下。为此， 从煤层气 井排采工作制度 方面探讨 了我 国低渗煤层气藏的增产 问题 ， 针 对煤 层低 渗和压缩性大的特点， 运用地 下渗流 力学理论 ， 建 立 了煤层 气井排水采 气数 学模型 ， 给 出了同时间条件下煤层气井排 采制度 的定量解 ， 以数值 模拟 的方 法优 化 了煤 层气 井排 采 的工作制度 ， 得 出逐 级降压 的工作制度 能扩 大气井压 降漏斗的体 积， 使煤层气解析 范 围增大 ， 从而增加 了煤层气 井的累积采气量。该数学模型及其定解为我 国煤层气井在开发过程 中井底压力 如何 降低 以及 降低 幅度 、 速 度控制 在何 种程度 ， 给 出了量的参数， 为低渗煤层气井合理开采提供 了一个新 的途径 。 主题词 煤成 气 开采 孔 隙度 渗透率 耦合 增产 一 、引 言 我 国煤层气资源潜力巨大 ， 据“ 新一轮全 国油气 资源评价” 结果表明埋深 2 0 0 0 m以浅的煤层气资源 总量达 3 6 ． 8 1 0 m。 。但我国煤层气开发步伐相对 缓慢 ， 这是 由我 国煤层 的具体 地质特点所决 定 的。 煤 层气 开发 最成 功的美 国所 处 的美 洲 大 陆构 造运 动 相 对较 少 ， 煤 层 的构 造相 对 比较 简单 [ 1 ] 。煤 的变 质 程度较低 ， 煤阶以中低煤 阶为主[ 3 ] 。同时美 国大多 已开发的煤层气资源埋深较浅 ， 大多都低于 8 0 0 m， 其 中很 多煤 层 在 5 0 0 m 左 右 。与美 国相 比 ， 我 国所 在位置经受 多期构造运动 ， 煤层构造 复杂L 4 ] 。受构 造运动多期造热事件影响， 煤 的变质程度较高， 大多 煤层气资源都 富集在中高煤 阶的煤层 中， 并且我国 很多煤层气资源埋藏较深。这就决定了我国含煤盆 地煤层气储层不均一性强、 渗透率普遍偏低的特点 。 1 ． 我 国煤层气 开 发存在 的 问题 煤 层是 一 种 具 有 高 压缩 性 的介 质 ， 因此 其 压 力 敏感性大。从 宁武盆地 9 煤层渗透率 随有效应力 变化的实验 曲线 图 1 一 a 中可 以看出， 在煤层 的有效 压力增大的早期 ， 其渗透率 的压力敏感性表现得最 为敏 感 。 由于我 国煤 层 的渗透 率低 和煤 层 的压 力 敏感 性 大 ， 这 就 导 致 了煤 层 气 在 开 发 过 程 中 的 一 些 问题 。 如山西 宁武 盆地 试一 1 井 ， 生 产 井段 埋 深 为 8 9 6 ． 5 ～ 9 0 7 ． 5 m 和 9 0 9 ． 2 ～9 l 2 ． 2 m 两 层 ， 煤 层 总 厚 度 l 4 m。含气 量 1 2 ～ 1 8 m。 ／ t ， 孔 隙度 2 ％ ～5 ， 煤级 为 肥 煤 ， R。 值 在 1 ． 0 左右 ， 试井 解 释煤层 渗透率 0 ． 8 6 1 0 m ， 地层压力 8 ． 7 1 MP a 。该井试气时 间 5 6 d ， 在试气试采过程中没有考虑井筒周 围煤层 的压力 敏感性 ， 在排采过程中动液面下降很快， 最快时大约 在 2 0 d内下降了 6 0 0 m。从图 1 一 b的试气曲线可 以 看出， 在试气 3 5 d左右该井气产量突然升高到产气 最高峰 3 1 1 2 m ／ a 。当气产量达到最高峰后 ， 又很快 降低 ， 大约在 1 5 d内气产量 由 3 1 1 2 m ／ d降低 到 1 0 0 0 m。 ／ d 。高产时间短是该井开发的致命缺点， 这 也是我国中高煤阶低渗煤层煤层气的开发瓶颈所在 。 0 ．2 糖 0 ． 1 0 l O 2 O 3 0 有效应力 MP a 殿 时 间 图 1 有效应力与渗透率关 系图和试气 曲线图 a ． 据王红岩 、 鲜保安 ； b ． 据 中国石油勘研院廊坊分院 *本文受 国家“ 9 7 3 ” 计划“ 中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究” 项 目 编号 2 0 0 2 C B 2 1 1 7 0 5 资助 。 作者简介 康永 尚， 1 9 6 4年生 ， 教授 ； 1 9 9 1年获法 国洛林理工学 院博 士学 位 ， 1 9 9 1 ～1 9 9 4年在 法国洛林理 工学院和 中国地 质大学从事博士后研究 ； 现主要从 事油气 田开发地质工程 、 油气形 成与分 布规 律 、 数 学地质等 方面研究 。地 址 1 0 2 2 4 9 北 京 市昌平 区中国石 油大学 资源与信息学 院。电话 0 1 0 8 9 7 3 4 6 0 8 。E - ma i l k a n g y s h s i n a ． c o m 7 9 维普资讯 天然气工业 2 0 0 7 年 7 月 经分析 ， 认 为煤层气产量急剧下降且无法长期 持续生产的原因是由于在试气过程中动液面下降过 快而使井筒附近本来渗透率就很低 的煤层发生 了急 剧压密所致 ， 这样就使降压漏斗得不到充分的扩展 ， 只有井筒附近很小范 围内的煤层得到了有效 降压 ， 使少部分煤层气解吸 出来 ， 气井的供气源受到 了严 重的限制。所以该井产气量在 达到高峰后 ， 由于气 源的供 应不足而使产气量很快下降 。因此， 如何提 高煤层气井 的卸压体积， 增大煤层气井的气源， 使煤 层气井在开发时获得更大的气源 ， 是煤层气井产气量 持续时间更长和加快煤层气商业开发的关键问题。 2 ． 解 决方 法 在相 同的钻井条件下 ， 由于压力变化而产生的 压密 ， 应该通过控制压力变化来解决或缓解 。故提 出根据数值模 拟的方法 ， 通过试算来确定合理的降 压制度， 并给出相应制度的定量解。在具体模拟时， 吸取 了非连续思想 ， 将井筒动液面离散为若干级进 行降低 。这样分级降低煤层气井 的井底流压 的好处 在于， 在每一级降压时虽然割理、 裂隙同样会有一定 的闭合， 但是由于降压 的幅度很小， 割理 、 裂隙 的闭 合也很小。并且 在每一级降压保证足够 长的时间， 使压力波传播到尽可能远处 ， 使降压漏斗充分扩展 ， 最大限度地提高卸压体积 。 二 、 气井排采定量数学模 型的建 立 1 ． 基 本假设 煤层 的厚度在流体流动的范围内保持不变； 煤 基质中仅含气相 ， 且气体的扩散过程为非平衡拟稳 态过程 ， 服从 F i c k定律； 储层流体温度恒定 ； 在流动 过程中， 气体之间、 气体和水之间及气体和其他 物质 之间不发生任何化学反应 ； 自由气作为真实气体 ； 水 是可压缩的流体。在微孔隙系统 中， 各种气体组分 不存 在选 择性 吸 附和扩散 现 象 ； 忽 略重 力 的影 响 ， 流 体的流动是严格的径向流动。 2 ． 连续性 方程 根据 物质守 恒 定 律 流 人 mo 1 一流 出 mo 1 源或汇 too 1 一单元体 的积累 mo 1 。可以得到如下 径 向水 气 的连续 方程 R -w w A r R 啦 惫 s A A r Q i Q i 一 丢 [ S w s s 惫 ] 1 3 ． 水相流 动方 程 研究认 为， 水在煤层割理裂 隙系统 中的流动符 8 0 一一 8 ． 5 26 8 2 O 8 ． 5 2 6 8 甓 B w c 3 一⋯ 4 D 象 ≥ s -- 8 ． 5 2 6 8 Vwg 一 尝 1 一 5 一 一 w 而 一 w 0 w 甓 M ” O R sw 1 8 ． D Z O p g_O r L B B P O r Z s a r 一 ～ g＼ ⋯ g 。 s - s 2 6 8 警 A ] △ r M w 堕iOgst 一 O R Sw T S g ] 6 ’ 一一 E v一 ] 7 一 8 r w ， ￡ 一 s r o p 9 维普资讯 第 2 7 卷第 7期 大然气工业 类型 。 定 压边界 即知道 边 界上 每一 点 每一 时 刻 的 压力 分布， 也叫第一类边界条件， 用数学表达式表示为 P r ， ￡ 一 f r ， ￡ 1 0 煤储层的压力在一个适当大范围内可 以认 为是 恒定 ， 所 以这个 外边 界条 件可 以简化 为 P r ， ￡ 一 P 1 1 定流量边界 外边界 E上有流量流过边界， 而且 每一点在每一时刻的值都是已知的， 在数学上也称 第二 类边 界条 件 。表 示为 I酏 一 f 2 ，z c 1 2 实 际上 ， 最 简单 、 最 常见 的定 流量 边 界 是 封 闭边 界 ， 也叫不渗透边界， 如尖灭或断层遮挡 ， 即在此边 界 上无 流量通 过 。 I 一 f 2 x ,y ,z ,t 一 0 13 2 初 始条 件 1 饱和度初值 煤层初次降压 模型 的初始气水饱 和度为煤层 原始气水饱和度值。 S w 。一 e 1 4 S 一 1一 1 5 非初次降压 在初次降压之后的每一个级次降 压的气水饱和度值都取上一降压之后所得出的饱和 度值 。 S r， t o一 S r， t o 1 6 S k r ， t o 一 S r ， t o一 1一 s r ， t o 1 7 2 压力初值 煤层初次降压 对于煤层倾角不是很大 的煤层 ， 可以认为在单井范围内煤层 的原始地层压力是恒定 的。煤层气藏在初 次降压 时， 模 型可 以选 取地层 压 力作为计算 的压力初值。 P r， t 0 一 Pi 1 8 非初次降压 初次降压煤层气藏原始压力受到 破坏 。因此在初次降压之后 的每一个级次降压 的计 算模型的压力初值都应该取上一降压之后所得 的压 力值 。 户 r， t o一 P r， t o 1 9 三 、 煤层气 井排 采制度定量模拟实例 本次数值模拟是山西宁武盆地某煤层气井 ， 具 体参数是 初始气藏压力为 8 ． 7 1 MP a ， 气藏深度为 9 0 0 m， 基质渗透率为 0 ， 裂缝渗透率 为 0 ． 8 6 1 0 。 “ m ， 渗透率系数为 0 ． 4 2 0 2 ， 裂缝孔隙度为 1 ， 储层 有效厚 度 为 1 1 m， 含 气 量 为 1 3 ． 7 6 m。 ／ t ， L a n g mu i r 压力为 2 ． 2 2 MP a ， L a n g mu i r 体积为 1 8 ． 3 m。 ／ t ， 气 体相对密度为 0 ． 5 7 ， 地面水密度为 1 ． 0 g ／ c m。 ， 地层 水体积系数为 1 ． 0 5 ， 水的黏度为 0 ． 5 mP a s ， 水的 压缩系数 为 4 ． 3 51 0 MP a _ 。 ， 气 体扩 散 系数 为 0 ． 0 0 1 8 6 m ／ d ， 临 界解 吸压 力为 5 ． 5 MP a ， 井筒 半 径 为 0 ． 0 7 m， 井 底 流压最 低 0 ． 3 5 MP a 。 1 ． 实 际生产 制度 下 降压漏 斗扩展 情况 取 宁武 盆地 的某 井 井 底 压 力 图 1 _ b 和其 相关 参数进行数值模拟 ， 并将影响半径设定为距离井筒 1 0 0 m 处 。通 过 模 拟 图 1 - b所 示 的生 产 制 度下 的排 水采气 ， 得到 了降压后井筒影响范围内降压漏斗的 扩展情况 如图 2 - a所示 。此时煤层的降压漏斗体 积 为 1 8 7 ． 6 1 0 。 m。 。 4 o o 0 3ooo 姿 lOOO 届 。 距井简距离 m 图 2 煤层气井数值模拟的降压漏斗扩展情况图 和不控制排采时间的定量模拟图 2 ． 确定 排采 总 时间的 定量模 拟 确定排采总时间的定量模拟是控制模拟计算的 总时间， 并在降压过程 中的每一次压力降低的持续 时间相等。在模拟时 ， 确定总的模拟时间为 5 4 d ， 总 降压级次 2 6级， 但每一级降压的间隔不同。通过逐 次试验 的方法 ， 保证在每一级降压 时煤层中压力都 为下降。在经过多次试验后得到在限定总时间和降 压次数 的条件下较为合理 的降压制度， 其井底压力 变化的定量解如 图 3 - a 。其具体各节点在储层 中的 降压情况见图 3 - b ， 煤层最终 降压漏斗体积为 2 8 5 ． 3 1 0 。 m 。。 3 ． 不控 制排 采总 时 间的定量模 拟 不控 制排 采 总时 间的定 量模 拟 是 不严 格 限 制模 拟计算 的总时间 ， 并在降压过程 中的每一次压力降 低的间隔值 和时 间的延续值不 相等。在模 拟过程 中， 取时间步长两端压力变化值小于 0 ． 0 0 0 1 MP a时 为降压停止。根据每一次降压储层压力都降低 防止 压力恢复的原则 ， 依此选择降压方式 ， 井底压力 间隔 值 0 ． 3 2 1 MP a降 1 3次， 井底压力间隔值 0 ． 2 2 1 MP a 降 5次 ， 井底压力间隔值 0 ． 1 2 1 MP a降 1 9次 ， 井底 压力间隔值 0 ． 0 5 1 MP a降 1 5次 。采用该种制度进 8 1 且 且 轹 I 维普资讯 天然气工业 2 0 0 7 年7 月 行数值模拟共用时间 2 2 6 d ， 总降压级次 5 2级 ， 其具 体的井底压 力变化 的定量解如 图 3 - c 。具体各节点 在储层中的降压情况见图 3 - d ， 煤层最终降压漏斗体 积 为 4 0 2 ． 6 1 0 。 m。 。 半径 5 1 11 时问 d 8 皇 4 邕 0 图 3 控制与不控制排采总时间的定量模拟井底压力变化、 降压漏 斗扩展情 况图 四、 结 论 1 我 国煤层气井的排水采气制度 主要是采取 控制流量 的方法进行 的， 这种制度是来 自于美 国的 煤层气开发经验 。但是 我 国煤层 气储层 的渗 透率 低 ， 在煤层气井早期 的过渡采水使井筒附近储层压 密渗透率降低 ， 而导致煤层气储层无法大范围卸压。 如图 2 - a 所示 ， 根据模拟的结果可以看出常规的以控 制水产量为主的生产制度并不合理 。 2 确 定排 采 总时 间 的定量 模 拟结 果 显示 ， 排 采 总时间限定的条件下， 在排采早期减小降压间隔值 ， 使井筒附近渗透率降低较小 ， 在同样 的时间内降压 漏斗体积相对较大 ， 更能发挥 出时间 的价值。在有 时间限制的煤层气井的开发 时， 该种降压制度更 为 合 理 。 3 不控制排采总时间的定量模拟结果显示 ， 在 时间较为宽松 的条件下对煤层气井进行排采 ， 能够 使煤层气储层得到较好 的卸压 。由于该种排采制度 没有 明确限制煤层气井降压 的排采时间， 并灵活地 选取每一级的降压 间隔值， 即使 由于井筒附近已经 具有一定程度的压密 ， 但排采时间足够长 ， 因此也能 使储层继续卸压 ， 所 以此种降压制度对煤层的卸压 相对最 有效 见 图 2 - b 。 符号说明 l 0 2 0 半径 5 m 面条件 或标 准条 件 下 的密度 ， g ／ c m。 ； D 为扩散 系数 ， 与气 体成分和扩散介质有关 ， c m ／ s； Z为气体 的修正 因子 ； P 为 气体的压力 ， MP a ； S 为气 体饱 和度 ， 小数 ； D 为气体 在基质 中的扩散系数 ， c m ／ s ； 口为基质 的形 状 因子 ， c m_ ； V为在 当 前时间和压力下吸附 的气体 体积 ， IT I 。 ／ t ； V 为在 压力下气体 的 吸 附 能 力 ／ t． R 溶 解 气 水 比 御[ ] stc ； 阳 为 气 在地 面条件 或标 准条 件 下 的密 度 ， g ／ c m 。 ； V 为溶 解在 水 中的气体 的体积 ， c m ／ s ； r 为拟稳定时间系数 。 参考 文 献 [ 1 ]ANNA L 0 ． Gr o u n d w a t e r f l o w a s s o c i a t e d wi t h c o a l b e d g a s p r o d u c t i o n ，F e r r o n S a n d s t o n e ， e a s t c e n t r a l Ut a h 1, J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Co a l Ge o l o g y， 2 0 0 3， 5 6 I 6 9 95 ． [ 2 ]S C OT T A R ． Hy d r o g e o l o g i c f a c t o r s a f f e c t i n g g a s c o n t e n t d i s t r i b u t i o n i n c o a l b e d s 1, J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C o a l Ge ol og y， 20 02， 5 0 3 63 38 7 ． 1 3 1王红岩 ， 刘洪林． 煤层气富集成 藏规律I- M] ． 北京 石 油工 业 出版社 ， 2 0 0 5 ． I- 4 ]刘洪林 ， 王红 岩， 张建 博． 煤 储层 割理评 价方法 I- J ] ． 天然 气 工业 ， 2 0 0 0 ， 2 0 4 2 7 - 2 9 ． [ 5 1[ 美] 哈利德 阿齐兹 ， [ 加] 安 东尼． 塞特瑞． 油藏数值 模 拟 [ M] ． 袁 士义 ， 王家 禄 ， 译． 北 京 石 油 工 业 出版 社 ， 20 04 ． I- 6 ]同登科． 变形介 质煤层 气不稳定 渗流问题 [ J ] ． 天然气 工 业 ， 2 0 0 5， 2 5 1 7 4 7 6 ． 口 w为水的渗流 速度 ， m／ d ； K 为绝对 渗透率 ， md ； Kr w 为 修改 回稿 日期 2 0 0 7 0 3 2 8 编辑韩晓渝 水相相 对渗透率 ， 小数 ； 为流 体的黏度 ， mP a s ； 为压 力 ， MP a ； y为重度 ， MP a ／ m, B 为水 的体积 系 数 ； p w 为 水在 地 8 2 维普资讯