阜新盆地煤层气产能敏感性因素数值分析.PDF

中国煤层气勘探开发利用技术进展 阜新盆地煤层气产能敏感性因素数值分析 王起新 孙维吉 梁 冰 辽宁工程技术大学 力学与 工程科学系 阜新 1 230 X 摘要建立了煤层气、水二相渗流的孔脓一裂陈双重介质运移模型，应用有限差分方法对模型进 行了 求解， 并对不同产能因素作用下的率新盆地煤层气藏储运规掉进行了 数值模拟。 分析了不同 储层因 素对率新盆地煤层气藏产能的影响，指出吸附时间、渗透率、含气饱和度、原始储层压力、供给丰径是 煤层气产能的关彼参数。 关键词煤层气孔除一裂隙双重介质模型产能歇感性因素数值模拟 N u m e r ic a l A n a ly s is o n S e n s it iv it y ofC B MP ro d u c t io n C a P a c it yin F u x inB a s in Wa n g Q ix in ， S u n w e ii i ， U a n g s i n g D e P a rt m e n t of M e c h a n ic sa n dE n g in e e r i n gS c ie n c e ， L i aon in gU n i versity a f E n g i n e e 而 n g T ech n o l o g y ， F u x i n 1 2 3 0 0 O A 加. 口〔 t Thepor 吧 七留抽red o u bl em edium lr 田 坦 即r la li 朋 即 侧 」 elofC B M叫 w a l e r two 一晚 。 e 即age o ow . esta blish记.阮luti on日tothe ll l.记e 】 脱 脱加叫日 is h ed 师th emel h 侧 l of如itedi价比 加e .，1抚 胜 朋日 ， 川川 ion】 . wand 四d u ctio nc a F H . i tyu n d e r d i ffel e nti l 旧 u e llc i 吧fact帕 映 即al ”ed 勿 eric ds i m ula吐 on毗Ll l司i nF 盯inb asi n - The拙uh indi 〔 a l e d日 d 即甲ti on li m e ，碑佃吧 ab击ty， 而目 n 以olr 衅ssu re，脚 satural ion，sup 内 耐1 姗ale k e yfaCt 帅 e ffec ti ng P r 以 Iu otin nc B p a c i ty K吧 ， words C B M;th ep 〕 况 击日 比让 ed o u bl e 一 mediuln m 记el;p 瓜l u c ti o nc s p a c i ty; it iv ity;n “ meri c 目 . i m ， .I n 宁 ;何 引言 煤层气 属于非常规天然气， 其 储层 产能和常 规天 然气储层产能有很大 差异。 煤层气的 产能 是 由 煤 层 气 解 吸， 扩散， 渗 流 诸 环 节参 数 共同 控 制的 「 ’ 〕 。 本 文通 过 建 立 阜 新盆 地 煤 层气赋存、 运移的动力学模型， 应用 有限 差分理论对 模型进行了 数值 模拟， 对影响阜新盆 地 的 煤 层 气 藏 产 能 的 诸 多 因 素 进 行 了 敏 感 性 分 析 图 一 [4] 。 作者简介 王起新， 男。 玛63年生，辽宁阜新人， 博士，主要从事煤层气渗流理论研究工作。E一 四1 」 卜 货 甲 2 敌 阜新盆地煤层气产能敏感性因素数值分析 1 储层数值模拟 1 . 1 模型的建立 根据实际煤层地质， 建立煤层气、 水二相渗 流的 孔隙一 裂隙双重介质运移模型， 其基 本假设如下 ①将煤层视为 孔隙一 裂隙双重介质， 孔隙介质储气， 裂隙介质导水、导气。 孔隙、 裂隙之间通过压力差 来实现传质; ②煤层不可 压缩; ③流体流动为等温流动; ④水 和气体在裂隙系统中的流体 流动遵循D al c y 渗流和Fick 第一扩散定律， 并考虑 渗流过程中 重力、毛 管力、 粘滞力等的 影响; ⑤在 煤基质中气体的 扩散过程为非平衡拟稳态 过程， 服 从 F ic k 第二定律。 由于 解吸出 来的 煤层气通 过扩散由 孔隙进人裂隙，再由 裂隙 进人并筒， 可以 分两个过 程建立数学模型 孔隙解吸扩 散过程和 裂隙运移过程。 1 . 1 . 1 微孔隙中气体的扩散 一般 情况下， 水不能进人 基质块中的微小孔隙， 认为煤 基质 块中只 有单相气体拟稳态 扩 散， 服 从Fi ck第 一 扩 散 定 律， 认 为 总 浓度今 对 时间 的 变 化 率 与 差 值今一 ， 成 正比， 即 、，J、，声 112 了.、了‘、 会二 。 。 、 一 、 叮 二 一 F ‘ 鲁 其中 ， 凡是 基 质 块 形 状 因 子; F ‘ 是 几 何 因 子; 几是 气 体 扩 散 系 数。 11 . 2 裂隙中气体的输运 景 ‘ 嘛 ， 景 ‘ R ‘ 队 尹 一 v 。 ‘ 一 v ， 、 ‘ 、 、 ; 、。 ， 3 其 中 外 为 质 量 源， k 岁 m ， 。 ; q ， ， q 。 为 溶 解煤 层 气 、 水 量; v，.、 帐是 气 体、 水体 速 度; 下标f ，9和，分别代表裂隙、气相和水相的相关系数。 1 . 1 . 3 裂缝中 水相质量方程 景 、 鬓 ， ，轰 V 乐 -轰V D一q ， 4 1 . 1 . 4边界条件 1 内 边界条件 今 t 与 州t 二、 t 二 0 名多 0E 厂 5 2 外边界条件通常 取定流量边界， 也叫 不渗透边界， 寰 ， 。 二 “ 6 、1，、，.J 7只 了.、2.、 1 . 1 . 5初始条件 1 饱和度初值 殊 ， 二 。 1气1 。 二 0 2 压 力初值 假定将 煤储层顶端视为基准 点， 则水的 压力初值为， p 』 二尸 J 下 四 d 2 心 中国煤层气勘探开发利用技术进展 式中， p 阅 为水相压力初值， M Pa; p J 为基准点处的静水柱压力， M Pa; ， ， 为水的比 密度，M p 盯m ; d 为基准点以上或以下的距离， m 。 方程 1 一 4 构成了煤层气、水二相渗流的 孔隙一 裂隙 双重介质运移模型。 1 . 2 模型的数值模拟 对煤层甲烷气输运数学微分方程 3 、 4 进行空间和时间的离散， 得到差分方程 如下 ‘ n’ 1衅 】 R S‘ 二 ’△ ‘ ’ △ 器 耸 ’‘’“ 誓 ”‘’ “ ’ ‘R S，。 一 。 ， ”‘’ 羞 、 髯 ““ 一 、 鬓 ’ 黔’‘’ 一 臀”1 孵△ 衅 一 积 I 、 卸 ”“ 一 、 卸 ‘ 9 1 0 通过对数学模型进行数值离散，得到煤层中煤层气输运的数值模型， 应用牛顿迭代法 对数值模型进行了 求解[5J。 2 敏感性因素 分析 煤层气产能受诸多因素的 影响，如吸附时间、初始水 饱和度、 储层厚度、渗透率、 孔 隙 率、原始储层压力、 含气 饱和度、供给 半径等。在诸多 影响煤层气产能因素中， 阜 新盆 地受吸附时间、渗透率、原始 储层压力、 含气饱和度、 供给 半径影响比 较大。利用刘家区 U一 1 煤层 气井排 采参数， 对上述影响因素 作用下的产能 进行了数值 模拟[.] 价」 。 2 . 1 吸附时间的影响 吸附时间反映了煤层气从煤基质解吸、扩散进人割理系统所需要的时间，它的大小直 接影响煤层气井不同生产时 期的产 气量。图1 所示为吸附时 间对阜新盆地U一 1 煤层气并 产气量的影响， 从图可以看出， 吸附时间越短， 早期产量 越高口 姗2000900060M3000 11︵一三︶酬扩礼彩畴 刁 减 洲 旧 3 5 加 3 D叱 2 5 00 2 1 阅0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 阅 ︵卫飞︶训扩礼 图 1 0 扩一 几石 面 一 一 石 交 石 一 一 扁。 时间 d 吸附时间对U 一 1 井产气量的影响 哈不 茹飞赢币丽几碗 6 飞渝- 丽面 时间d 图2 吸附时间对 日一 1 井累积产气量的影响 通过对阜新盆地煤层气井在吸附时间为ld、 3 0d、 8 0d时进行产量预测，结果表明 吸附时间短时， 产气高峰到 来较 早， 且峰值较高; 吸附时 间为8 0d时的产 气高峰到 来最晚 且偏低。 煤层气井的累积气产量曲线的 对比 图2 说明 了吸附时 间越短， 对煤层气井的 ‘ 2 酬 阜新盆地煤层气产能敏感性因素数值分析 生产越有利。 2 . 2 渗透率的影响 渗透率是决定煤层中气、 水流动的 主要因 素。 煤层渗透性好， 井筒的 排水降压才能有 效地传到更大的范围， 从而可以 控制更大面积煤层， 使更多的 煤层气解吸， 获得更高的 产 量。 渗透率高， 不但早期产量高， 而且累积产量也高。 图3 为渗透率对阜新盆地 煤层气井气产量的影响。当K二 l m D 时， 气产量只有2 50- 350 m 3 / d ， 在15年的生产期间内没有出现产气高峰。当渗透率 K 二 s m D 时， 在生产450d 后开始出 现产气高峰， 最高气 产量达到18 36 m 3 / d 。当 渗透率K 10 m D 时， 在 Z ood 后进 人产气高峰， 最高气产量达到3 6 28m ， /d。图4 为渗透率对阜新盆地煤层气井累积气产量 的 影响情况。由 此可见， 渗透率 增高， 煤层气井的产气高峰到 来早， 气产量和累 积气产量 都增高。 但应注意的 是， 生产后期由于气源供给不足，渗透率大的情况下产气量衰减 较快。 一 “阵万不 k l mo 。 扩一一南厂一下俪一一瑞丽一一破不 时 间 d 图3 渗透率对阜新盆地煤层气井气产量的影响 洲卿撇姗2000 户目已喇长丫彩践 护 l mD 0‘ J七 乙 一州 ‘ ‘上 二 二二 二二 二 二 01 0002 0 0 03 0 0 04 哪05 0 阅60 即 时间 d 图4 渗透率对阜新盆地煤层气井累积气产量的影响 2 . 3 原始储层压力的影响 原始储层压力对储层产能的 影响涉及原始 储层压力和解吸压力的比 值。 原始储层压力 与临界解吸压力的比值趋近于 1 是最理想情况。如果临界解吸压力比原始储层压力低得 2 6 5 中国煤层气勘探开发利用技术进展 多， 势必要经长期的排水降 压才能产气。图5 为原始 储层压力对阜新盆地煤层气井气产率 和水产率的 影响， 图中显示了煤层在超压20、正常压力和欠压20时的气生产情况。 由此可见， 当煤层的含气饱和度确定后， 即其临界解吸 压力一定时， 原始储层压力只是影 响煤层气井的初始产气时间。超压时，开始产气的时间较晚;欠压时可以较早出气。但对 煤层气井的产气高峰和累积气产量影响不大。 姗朋姗500 分准︶喇礼犷 5 D 0 0阅 00 图 5 1 阅 02 阅 03 00 0叨 00 时间d 原始储层压力对阜新盆地煤层气井气产量的影响 K二 s mD 2 ， 4 含气饱和度的影响 煤层的含 气饱和度的高 低，决定了其临界 解吸压 力的大小。 临界解吸压力越高，意味 着煤层气井需 要排水降压的幅度越小， 开始产气的时间越早， 煤层能解吸的甲烷气量越 大。图6 为含 气饱和 度对阜新盆地煤层气 井气产量的 影响，含气饱和度越高， 煤层 气井的 气产量越大， 产气高峰出现 越早。 吟\眺 哪姗姗姗2000。 后奇日︶嘲长扩 0】 0 阅2 0 0 03 00 040 0 0 时间 d 图6 含气饱和度对阜新盆地煤层气井气产量的影响 5 00 0翻 00 K二1 0 比 】 2 . 5 供给半径的影响 由于 渗透率对煤层卸压有很大的影响， 对低渗透率的 煤层通常 采用较小的布井井距， 提高煤层 泄压效果， 增加煤层气产量。 所以 说， 煤层气 井供给面积大小， 即井网密度 是煤 层气开发 布井的 重大问题。供给面积对气井产能的影响可以见图7 、图8 。从图中 可以看 出，供给面积对气产量和累积气产量的影响非常大。供给半径越大，累积气产量越大，但 2 肠 阜新盆地媒层气产能敏感性因素数值分析 是产 气高峰到 来越晚， 煤层气井的开发年限变长。因 此， 从经济角度分析， 应有一 个最佳 的 井网密度。 对阜 新盆地煤层气井来说， 渗透率K 10m D时， 采用8 00 亩的供气面积虽 然比6 00 亩和喇 刃亩时的产气高峰到来得晚 图7 ，但其 巧 年的累积气产量比它们高的 多 图8 。 ︵理飞︶喇礼犷 1 口洲 2 创 刀3 比 旧礴 侧 0 时 间 d 供给面积对阜新盆地煤层气井气产量的影响 5 00 06洲 K二1 0 m D 3 的 亩 约训川判叫洲。即1800015000120009000姗姗 ︵用日已喇板犷还曦 0曰 匕从 eses 目 一- - 人- 01 1 封 H 】2 0 D040 oo60 oo 图8 供给面 积对阜新盆地煤层气井累积气产量的影响 K二 10 扣 1 〕 3 结论 通过建立煤层气、 水二相 渗流的 孔隙一 裂隙双重介质运移模型， 应用有限差分方法对 模型进行求解，对阜新刘家区U 一 1煤层气井进行排采数值模拟，说明吸附时间、渗透 率、 原始储层压力、含气饱和度、供给半径是影响阜新盆地煤层气藏产能的关键影响 参数。 参考文献 【 1] 周世宁，林柏来等. 1 1巧 旧 . 煤层瓦斯斌存与流动规律 〔 M〕，北京煤炭工业出版社 汇 Z J王起 新. 2 仪 “ . 卒新盆地 煤层气 储运规律及资源预测研究 【 n] . 辽宁工程技术大学， 12 〔 3] 张俊宝，刘秀茹，柯玉 梅， 1 993辽宁 省辜新市刘家区 煤矿勘探报告 〔 R l 率新东北珠田地 质局一0七勘探队 2 6 7 中国煤层气勘探开发利用技术进展 【 4 ]张俊宝。刘秀茄，何玉梅. 2 X 〕1 辽宁店率新盆地嫌层气找矿及资源开发译价报告 【 R] .辜 新东能嫌田地质局一0七勘探队 【 5 」张力，何学秋，李侯全 2 佣2 煤层气渗流方程及数值模拟 【 J 」 .天然气工业，2223一 26 〔 6 1王利， 蔡云飞 1 卯7 . 储集层参数对煤层气产出的影响 【 J] 石油劫 探与开发， 24 74 77 【 7 」梁冰， 赵明麟， 高战武. 2 1洲 幻 . 煤层气 储集层渗透性的分形 理论和实 脸室研究【 J].岩石力学 与工租学报。198 82 8 84 2 石 8