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低渗透煤层气产能影响因素评价

来源：尚佳旅游分享网

　第28卷　第4期

文章编号:0253-9985(2007)04-0516-04

OIL&GASGEOLOGY2007年8月　

低渗透煤层气产能影响因素评价

杜志敏,付　玉,伍　勇

(西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,四川成都610500)

摘要:采用数值模拟方法,从煤层气的流动机理入手,利用Langmuir等温吸附方程描述煤层气从煤表面的解吸过程,用

Fick定律描述煤层气在煤基质和微孔隙中的扩散,综合考虑了煤层气的解吸、扩散和渗流3个过程,建立了煤层气储层数

学模型,推导数值模型并进行了模拟计算。计算结果表明:裂缝半长越长产能越高,当裂缝半长增加100m后,裂缝半长对产能的影响较小;裂缝的导流能力越大产能越高,当裂缝导流能力超过20μm2・cm后,产能增加不明显;分子扩散系数对产能影响较小,而割理的渗透率对产能影响较大;对于不同的煤层气井在投产时,应合理优选压裂缝半长和导流能力。关键词:压裂;数值模拟;产能;煤层气中图分类号:TE12212　　　文献标识码:A

Evaluationoffactorsaffectingproductivityoflow2permeability

coalbedmethanereservoirs

DuZhimin,FuYu,WuYong

(StateKeyLaboratoryofOil&GasReservoirGeologyandExploitation,

SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500)

Abstract:Beginningwithflowmechanismofcoalmethane,amathematicalmodelforcoalbedmethanereservoirsisestablishedbyutilizingtheLangmuirisothermaladsorptionequationtodescribethedesorptionofmethanefromcoalsurfaceandtheFick’slawtodelineatethediffusionofmethaneincoalmatrixandmicropores.Thecalculat2edresultsofthismodelshowthattheproductivitystepsupwiththeincreaseoffracturehalflengthandflowcon2ductivity.However,whenthefracturehalflengthisincreasedto100mandthefractureflowconductivityisbeyond20μm・cm,theireffectsupontheproductivitybecomeslessevident.Moleculardiffusioncoefficienthasnobiginfluenceovertheproductivity,whilethepermeabilityofcleaps,onthecontrary,iscloselyconnectedwithproduc2tivitychanges.Arationalselectionoffracturehalflengthandflowconductivityisstronglyrecommendedwhenputacoalbedmethanegaswellintoproduction.

Keywords:fracturing;numericalsimulation;productivity;coalbedmethane

　　我国煤层气资源丰富,分布广泛。高效开发煤层气,有利于缓解我国天然气的供需矛

[8]

盾、减少煤矿生产安全事故和改善环境。与常规天然气藏不同,煤层气的产出过程涉及到解吸和渗流两种机制:前者遵循Fick扩散定律;后者遵循Darcy定律。煤层气的吸附量与压力的关系通常由Langmuir等温吸附公式描述。所有这些特点使得描述煤层气渗流的数学模型变得更加

[1～7]

复杂。

由于煤层气含气区大都具有低压、低渗、低饱

[3]

和的特点,需压裂投产,因此合理预测煤层气的产能可避免盲目生产开发、提高经济效益。煤层气数值模拟方法可以描述煤层气的解吸、扩散和气液渗流过程,并考虑煤层物性及压力工艺等各种因素对煤层气产能的影响,这对煤层气的开发有一定的指导作用。

　　收稿日期:2007-06-08　　第一作者简介:杜志敏(1953—),女,教授,博士生导师,油气开发工程和油藏数值模拟

　第4期杜志敏,等:低渗透煤层气产能影响因素评价

表1　形状因子与煤基质形状的关系

517　　

1　煤层气储集及产出特征

111　煤层气储集特征

Table1　Relationshipbetweenformfactorand

shapeofcoalmatrix

形　　状σ/m-2

圆柱状

8/a2

球　　状

15/a2

板　　状

3/a2

煤层气在煤储层中以溶解态、游离态和吸附态赋存于煤储层的裂隙、基质孔隙和水中。

1)煤层气溶解态

煤层的裂隙中含水,在一定压力作用下有少部分煤层气溶解于水中,其溶解度可用亨利定律描述。在一定温度条件下,气体在液体中的溶解度与压力成正比。

2)煤层气游离态

游离态煤层气存在于煤储层的裂隙中。与水混相共存的游离状态煤层气在等温条件下可按真实气体状态方程来描述。

3)煤层气吸附态

煤层气吸附在煤岩表面上,煤层气吸附符合Langmuir方程:

-3

　　注:a为圆柱、球的半径或板的半宽

Vm———煤基质块的体积,m;

Cm———煤基质岩块的平均煤层气浓度,m/

C(p)———煤基质块与煤中裂隙界面上的煤

层气浓度,m/m。

[10]

式(2)中的形状因子σ与煤基质块的尺寸大小和形状有关,对于不同几何形态的煤基质块,其取值如表1。

2)裂隙中的煤层气渗流裂隙内流体的流动符合达西定律:

Kf=

QfμL

Δpfwh

(3)

VLppL+p

(1)

式中:Qf———在压差Δp下通过裂隙的流量,m/s;

w———裂隙的宽度,m;h———裂隙的高度,m;

式中:V———吸附量,10m/kg;

VL———吸附常数,也称为Langmuir体积,

-3

m/kg;

pL———吸附常数,也称为Langmuir压力,MPa;p———煤层气储层压力,MPa。

μ———流体粘度,mPa・s;

Δpf———裂隙中的压力差,MPa;

L———裂隙的长度,m;Kf———裂隙的渗透率,10

-3

μm2。

据统计,目前吸附态煤层气占煤层气总量的95%以上。

112　煤层气产出特征

1)基质中的煤层气扩散

2　煤层气储层数学模型

煤层气的几何模型建立在Warren2Root模型

[10]

由于煤基质块中孔隙的孔径很小,煤层气在煤基质块孔隙中运移或质量传递的方式主要是扩散作用

[9]

的基础上,考虑双孔单渗。煤层气储层的数

[11,12]

学模型如下。

,符合Fick定律。

气相方程:

ΦfgΦfg99KfyKfrgρ99KfxKfrgρgg

+・・9x9yμμ9x9ygg

Φf)9(ρΦfggSfg99KfzKfrgρg

++qmdes-qfg=・9z9tμ9zg

(4)

根据Fick第一扩散定律,在浓度差的作用下,煤基质块中煤层气向外扩散量的数学表达式为:

=DσVm[Cm-C(p)](2)

式中:qm———从煤基质块中扩散出来的煤层气量,m/d;

D———扩散系数,m/d;

水相方程:

ΦfwΦfw99KfyKfrwρ99KfxKfrwρww

+・・9x9yμμ9x9yww

σ———煤基质块的Warren和Root形状因子,1/m;

　518　

石油与天然气地质第28卷　

9(ρΦfwwSfwΦf)99KfzKfrwρw

+-qfw=・9z9tμ9zw

(5)

4　实例计算

取某一实际煤层气数据,对一口煤层气井的

产能进行预测和分析。

模型中输入的参数:煤层深度350m,煤层厚度3m,原始地层压力5124MPa,临界解吸压力

4140MPa,煤岩密度1147×10kg/m,割理渗透率

-32-33

013×10μm,含气量19123×10m/kg,扩散系数01002m/d,含气饱和度93%,井网为正方形,单井控制半径150m,井底流压取1MPa,压裂

裂缝半长为100m,导流能力取20μm・cm,压裂

-3

缝所在网格为5m,该网格的渗透率为40×10μm2。1)裂缝半长对产能的影响图1、图2为裂缝半长对对产能影响图。从图　　2

辅助方程:

Sfg+Sfw=1pfcgw(Sfw)=pfg-pfwSfgc≤Sfg≤1-SfwcSfwc≤Sfw≤1-Sfgc

(6)(7)(8)(9)

式中:Kfrg———裂隙中气体的相对渗透率,无量纲;

Kfrw———裂隙中水的相对渗透率,无量纲;Kfx,Kfy,Kfz———裂缝x,y,z方向的渗透率,

-3210μm;

9x,9y,9z———x,y,z方向的网格步长,m;9t———时间步长,d;3

qfg,qfw———裂缝内日产气量、日产水量,m/d;

qmdes———煤基质中扩散到裂缝内的气量,m/

pfcgw———裂缝中气、水界面上的毛管压力,

MPa;

pfg,pfw———裂缝中的气相压力、水相压力,

MPa;

Sfg,Sfw———裂缝内气、水的饱和度,小数;Sfgc,Sfwc———残余气、束缚水的饱和度,小数;

μ——气体、水的粘度,mPa・s;g,μw—

3ρ——气体、水的密度,kg/m;g,ρw—Φf———裂隙的孔隙度,小数;

图1　日产气量和日产水量的变化

Fig11　Dailyrateofoil/watervs1time

Ф——裂隙中气体、水的势,MPa。fg,Фfw—

式(4)—(9)加上边界条件、初始条件,就构成了完整的煤层气储层数学模型。

3　数值模型的建立及求解

对割理系统的微分方程进行有限差分,采用隐式格式进行求解。完善一个气、水两相双重介质数值模拟器源代码,对煤层气井产能进行评价。对压裂缝所在网格,在保证裂缝内流量不变的前提下,适当放大缝宽而相应地调整渗透率。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。

图2　不同裂缝半长与累计产气量的关系

Fig12　Fracturehalflengthvs1cumulativegasproduction

　第4期杜志敏,等:低渗透煤层气产能影响因素评价

519　　

1中可以看出,由于煤层中含有大量的水,所以煤

层气井日产气量先升高、后降低,日产水量逐渐降低;累计产气量随压裂缝半长的增加逐渐增加,当裂缝半长在100m时出现拐点,累计产气量增加变缓。本井的压裂缝半长在100m比较合适,压裂缝长度进一步增加对产量的贡献较小。

2)裂缝导流能力对产能的影响图3为裂缝导流能力与累计产气量关系图。由图中可以看出,随裂缝导流能力的增加,累计产

气量逐渐增加;当裂缝导流能力达到20μm・cm时出现拐点,累计产气量增加变缓。本井的裂缝

导流能力在20μm・cm效果较好,导流能力继续增加对产量增加影响不大。

3)扩散系数对产能的影响

图4为扩散系数与累计产气量关系图。从图　　

图5　割理渗透率与累计产气量的关系Fig15　Permeabilityofcleatvs1cumulative

gasproduction中可以看出,随扩散系数的增加,累计产气量增加;当扩散系数为01002m/d时曲线出现拐点,累

计产气量增加变缓;扩散系数从01001～01007243m/d,累计产气量增加不到5×10m,可见扩散系数对产量影响较小。

4)割理渗透率对产能的影响图5为割理渗透率与累计产气量关系图。从图中可以看出,割理渗透率增加,累计产气量增

-32

加;在割理渗透率为1×10μm时出现拐点,产

-32

量增加变缓;割理渗透率大于1×10μm后,割理渗透率的增加对产量贡献较小。

图3　裂缝导流能力与累计产气量的关系

Fig13　Fractureconductivityvs1cumulative

gasproduction

5　结论

1)文中建立的模型可以模拟煤层气的解吸、

扩散和渗流等产出过程。

2)裂缝半长不是越长越好。当裂缝半长增加到一定程度后,裂缝半长对产能的影响较小。文中实例的裂缝半长在100m时较好。

3)裂缝的导流能力越大,产能增加越高。文

中实例的裂缝导流能力超过20μm・cm后,产能

增加不明显。因此,裂缝的导流能力为20μm・cm就能达到较好的开发效果。

4)分子扩散系数对煤层气产能影响较小;割理渗透率对煤层气产能影响较大。

5)对于不同的煤层气井在投产时,应合理优选压裂缝半长和导流能力。

(下转第527页)

图4　扩散系数与累计产气量的关系

Fig14　Gasdiffusioncoefficientvs1cumulative

gasproduction

　第4期刘启国,等:开关井不同程度应力敏感效应对井底压力动态的影响

(9):1171-1167

527　　

线向上翘起的幅度增大。

3)压降测试的双对数曲线会出现导数曲线上翘的应力敏感特征,而压力恢复则可能出现下掉。因此,压力恢复测试资料的解释需要参考岩心分析结论和地质认识,才能确定正确的解释模型。

4)当开、关井过程中压力变化对渗透率的影响是不可逆时,由于压力恢复阶段储层平均渗透率更低,而使得压降和压力恢复过程气井井底压力响应曲线差异更大。

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(编辑　李　军)

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(编辑　李　军)

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