（油气田开发工程专业论文）煤层气分支井产能及优化技术.pdf

p r o d u c t i v i t ya n do p t i m u mt e c h n i q u e o fc o a l - - b e dg a sm u l t i l a t e r a lw e l l 一 一 一 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l in a s u p e r v i s o r ：p r o c u ic h u a n z h i c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 一69删6 。 洲7，77，iiiily ，l i峰，j 式堍萨仁 | t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 奎。鲤同期：枷f d 年6 月 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：w 如年6 月r 同期：pj 口年多月同 摘要 煤层气是一种新型的清洁能源。开发利用它不仅可以缓解常规油气供应紧张的状 还可以保护大气环境。分支井是目前煤层气增产的有效措施。数值模拟，作为一种定 描述、分析手段，可为分支井开采煤层气提供理论依据和指导方案。 本文基于文献调研，研究了煤层气储层特征和储集、运移和产出机理，在此基础上 建立了煤层气直井开采的数学模型、数值模型，并编写了相应的计算程序对数值模型进 一 行求解，分析了影响直井开采煤层气产量的因素。 在此基础上，进一步建立了分支井开采煤层气的数学模型，模型考虑了孔隙度和渗 透率的压力敏感性的影响、井筒的摩擦压降和加速压降的影响：并对数学模型进行了差 分离散，建立数值模型，分别采用预处理共轭梯度法和循环迭代的方法求解地层压力和 井筒压力方程组，并用该算法编写了相应的数值模拟程序。 通过计算，分析了分支井开采煤层气的特征，指出分支井的主支和分支增大了泄气 面积，使整个控制区域的储层压力快速、均匀的下降，煤层气解吸扩散的机会增大，大 大扩大了被动用的区域，提高了煤层的综合开发潜力，这就是分支井开采煤层气产量提 高的原因：分析了吸附时间、等温吸附常数和渗透率等地层参数对分支井产量的影响。 通过计算，得到了优化井身结构参数的依据：随着分支数、分支长度和分支角度的 增大，分支井产量也增大，但是参数的增大对产量的贡献变小，所以从经济上讲存在最 佳的分支数、分支长度和分支角度；在其他参数相同的条件下。分支交错分布比对称分 布效果好。 关键词：煤层气，分支井，数学模型，产能，数值模拟 a b s t r a c t c o a l - b e dm e t h a n e ( c b m ) i san e wt y p eo fc l e a ne n e r g y e x p l o r a t i o na n du t i l i z a t i o n o f c b mc a nn o to n l ya l l e v i a t et h es h o r t a g eo fc o n v e n t i o n a lo i la n dg a s ，b u ta l s op r o t e c t a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t m u l t i l a t e r a lw e l li sa l le f f i c i e n tt e c h n o l o g yw h i c hc a ni n c r e a s et h e o u t p u to fc b m n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nb eu s e da sam e a n so fq u a n t i t i v ef o r e c a s ta n d 一 一 a n a l y s i s ，w h i c hc a np r o v i d en e c e s s a r yt h e o r yb a s i sa n dg u i d a n c e - s c h e m ef o rd e v e l o p m e n to f c b m b a s e do nt h el i t e r a t u r er e s e a r c h ，t h er e s e r v o i rc h a r a c t e r , m i g r a t i o na n dp r o d u c t i o n m e c h a r t i s m so fc b ma r es t u d i e d o nt h i sb a s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dn u m e r i c a lm o d e l o fv e r t i c a lw e l lf o rc b mr e c o v e r yi se s t a b l i s h e da n ds o l v e d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f c o a l b e dg a sp r o d u c t i o na r ea n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dn u m e r i c a lm o d e lo fm u l t i l a t e r a lw e l lf o rc b m r e c o v e r yi se s t a b l i s h e d s u c hf a c t o r sa ss e n s i t i v i t yo fp o r o s i t ya n dp e r m e a b i l i t yt op r e s s u r e ， a c c e l e r a t i o n a la n df r i c t i o n a lp r e s s u r ed r o p si nw e l lb o r ea r ec o n s i d e r e di nt h i sm o d e l m u l t i p l e c y c l ei t e r a t i v es o l u t i o nm e t h o da n dp r e c o n d i t i o n e dc o n j u g a t eg r a d i e n tm e t h o da r ea d o p t e di n n u m e r i c a ls o l u t i o no ft h i sm o d e l g e n e r a lf e a t u r e so fm u l t i l a t e r a lw e l lf o rc b mr e c o v e r ya r ea n a l y z e db a s e do i l c a l c u l a t i o n i ti si n d i c a t e dt h a tb r a n c h e so fm u l t i l a t e r a lw e l lw i d e l yd i s t r i b u t i n gi ns t r a t u m m a k et h es t r a t u m p r e s s u r ed r o pd o w nu n i f o r m l ya n dq u i c k l yi n c o n t r o l l e da r e a ，w h i c h f a c i l i t a t e st h ed e s o r p t i o na n dd i f f u s i o no fc o a l b e dg a s i ti st h ef u n d a m e n t a lf a c t o rt h a t m u l t i l a t e r a l 。w e l lc a ni n c r e a s et h eo u t p u to fc b m t h ee f f e c t so fs u c hs t r a t u mp a r a m e t e r sa s a d s o r p t i o nt i m e ，l a n g m u i rc o n s t a n ta n dp e r m e a b i l i t yo nt h ec o a l b e dg a sp r o d u c t i o no f m u l t i l a t e r a lw e l la r ea n a l y z e d b a s e do nc a l c u l a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fo p t i m i z i n gw e l lc o n f i g u r a t i o nv a r i a b l e sa r e o b t a i n e d t h ep r i n c i p l ei st h a tw i t hb r a n c hl e n g t h ，s e p a r a t ea n g l ea n db r a n c hn u m b e r i n c r e a s i n g ，p r o d u t i o no fm u l t i l a t e r a lw e l l a l s oi n c r e a s e s ，b u tt h ei n c r e a s ec o n t r i b u t et o p r o d u t i o nd e c r e a s i n g s ow ec a ng e t t h eb e s tb r a n c hl e n g t h ，s e p a r a t ea n g l ea n db r a n c h n u m b e rf r o mt h er e s p e c t i v eo fe c o n o m y b e s i d e st h a t ，i nt h ec a s et h a to t h e rv a r i a b l e sa r et h e s a m e ，d e v e l o p m e n te f f e c to ft h eb r a n c h e sw i t hm o s a i cd i s t r i b u t i o ni sb e t t e rt h a nb r a n c h e s 1 l w i t l ls y m m e t r i cd i s t r i b u t i o n k e y w o r d ：c o a l b e dm e t h a n e ；m u l t i l a t e r a lw e l l ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；p r o d u c t i v i t y ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的目的和意义_ o 1 一 1 2 国内外研究现状= 2 1 3 研究内容及技术路线：3 j 1 3 1 研究内容：j ：。3 1 3 2 技术路线j ：- 3 第2 章煤层气的储层特征和储集、运移和产出机理5 2 1 煤层气的储层特征：j - - ：5 2 1 1 煤层的孔隙特征：5 2 1 2 煤层的渗透性6 2 2 煤层气储集特征6 ： 2 2 1 煤层气溶解态。一6 2 2 2 煤层气游离态j 7 2 2 3 煤层气吸附气储集机理7 2 3 煤层气运移和产出机理- _ 8 2 3 1 煤层气的解吸机理8 。j2 3 2 煤层气的扩散机理_ ：9 2 - 3 3 煤层气的渗流机理1 1 2 4 本章小结：1 1 第3 章煤层气直井开采的数学模型j ：j 1 3 3 。l 模型的假设条件1 3 3 2 双重介质中气、水两相连续性方程1 3 3 2 1 基质中气体的扩散。：1 3 3 2 2 裂缝中气体的流动：一1 4 3 2 3 裂缝中水相的流动一1 5 3 2 4 辅助方程：1 6 3 3 煤层气藏的定解条件：1 6 3 3 1 初始条件。1 6 3 3 2 边界条件_ 1 6 。 ” 3 4 数值模型及其求解方法2 _ j 。17 3 4 1 数学模型的差分离散- 17 3 4 2 参数处理：_ j j ：2 2 3 4 3 数值模型的求解。：_ j o2 3 3 5 数值模拟的计算结果及分析：2 3 一 3 5 1 模型的基本参数2 3 3 5 2 参数影响因素分析j 2 4 3 6 本章小结j 3 3 第4 章煤层气分支井开采的数学模型及数值求解一3 4 。4 1 煤层气分支井开采的数学模型3 4 4 1 1 双重介质中气、水两相连续性方程一：3 4 4 1 2 分支井筒内的流动模型：o ：；3 5 ，4 2 煤层气分支井开采的数值模型j _ 3 8 4 3 煤层气分支井开采的数值模型求解：4 2 4 4 参数处理4 5 4 5 煤层气分支井开采的数值模拟及应用：。4 6 4 5 1 模型的基本参数? 4 6 4 5 2 煤层气分支井开采的特征4 6 4 5 3 煤层气分支井开采影响因素分析= ：4 9 4 5 4 分支井构型优化设计：51 4 6 本章小结：j ：2 ：j5 5 结 论：一5 6 参考文献：一5 7 致谢：6 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第1 章绪论 一 煤层气【l j ，又称煤层甲烷、瓦斯，是存在于煤层中的非常规天然气，主要成分是甲 烷，是一种新型的清洁能源。我国煤层气资源丰富，分布集中，可丌发资源比例大，发 一展前景广阔，据新华网报道【2 】，新一轮全国油气资源评价结果得出：中国埋深2 0 0 0 米以 一 浅煤层气地质资源量3 6 8 万亿立方米，1 5 0 0 米以浅煤层气地质资源量2 7 3 万亿立方米 可采资源量1 0 9 万亿立方米；煤层气资源主要分布在西部、中部、东部及南方四个大区， 西部区煤层气地质资源量1 0 3 6 万亿立方米占全国的2 8 1 、可采资源量2 8 6 万亿立方 一 米占全国的2 6 3 ：中部区煤层气地质资源量1 0 4 7 万亿立方米占全国的2 8 4 、可采 资源量2 o o 万亿立方米占全国的1 8 4 ；东部区地质资源量1 1 3 2 万亿立方米占全国的 3 0 8 、可采资源量4 3 2 万亿立方米占全国的3 9 7 ，是我国煤层气资源最为丰富的大 区；南方区煤层气地质资源量4 6 6 万亿立方米占全国的1 2 3 、可采资源量1 7 0 万亿 立方米占全国的1 5 6 。 随着我国经济的快速增长；对能源的需求量日益增大，国内能源短缺的形势也越来 越严重，近年来煤层气受到我国政府和有关工业部门的高度重视，煤层气将弥补我国石 一油天然气等资源的不足，而且能够减少煤炭开采中事故的发生，以及减少大气的污梨3 ，4 1 。 据调查【5 1 ，我国煤矿矿难的8 0 是由瓦斯引起，其中大部分的瓦斯爆炸发生在高煤 阶煤田。我国作为煤炭大国高煤阶煤层较多。目前我国石油登记的矿权中，1 3 的煤层。 气资源量赋存在高煤阶煤层中。高煤阶指无烟煤和贫煤，一般煤层埋藏较深，演化程度 高，生气量大，吸附气量也大，但是渗透率很低，解吸压力低，所以开采难度和风险较 大。据专家介绍，国外煤田主要是中低煤阶，高煤阶煤炭资源很少，所以在煤层气勘探 开采领域中，主要研究的是中低煤阶，基本没有研究高煤阶的。我国对高煤阶煤层气勘 探开采技术及高煤阶煤层气赋存、渗流机理的探索，填补了国际煤层气业界的一项空白。 目前煤层气开采中应用比较广泛的增产技术有【3 0 】：水力压裂改造技术、煤中多元气 体置换驱替甲烷技术和多分支水平井钻井技术。多分支水平井集钻井、完井和增产措施 于一体，是开发解吸压力低、渗透率低煤层气藏的主要手段【6 7 1 。煤层气多分支水平井工 艺集成了随钻地质导向、两井对接、欠平衡、钻水平分支井眼等多项先进的钻井技术【8 9 】， 具有技术含量高和钻井风险大的特点。在国外很多国家多分支水平井丌采煤层气已取得 第1 章绪论 了非常好的效益，而我国还处于初级阶段。2 0 0 4 年1 1 月在山西沁水盆地大宁煤矿完成 了国内第一i ：3 煤层气多分支水平井d n p 0 2 井【1 0 1 ，煤层中水平进尺达到了7 6 8 7 m 。2 0 0 5 年廊坊分院在山西宁武盆地组织施工的武m 1 1 羽状水平井顺利完钻，这是我国依靠 自己的技术力量打出的第一口多分支水平井，该井垂深达9 0 0 m ，是世界最深的二口煤 层气羽状水平井。2 0 0 6 年1 月2 8 日中联煤层气公司成功实施了第一1 3 羽状水平井d s - - 0 1 t l l l 。 一 本课题旨在通过对煤层气储层特征和储集、运移和产出机理的研究，建立煤层气分_ 支井开采的数学模型和数值模型，通过对数值模型进行求解来定量描述煤层气分支井开 采的特征；产能影响因素分析；并能够提供合理的井身结构设计。希望本文的研究能够 对分支井开采煤层气提供理论支持。 一 1 2 国内外研究现状 煤层气的赋存和流动理论主要包括凹：煤层气线性渗流理论、煤层气线性扩散理论、 煤层气渗流扩散理论、煤层气非线性流动理论和地物场效应的煤层气流动理论。 大致有三类预测煤层气产量的数学模型t 1 2 1 3 】：吸附扩散模型、组分模型和黑油模 型。其中吸附扩散模型又包括经验吸附模型i 平衡吸附模型和非平衡吸附模型；组分模 型，能更好的模拟注气开采煤层气，属于组分模型有c o l l i n g s 模型和c o m e t 2 模型【1 4 】； 黑油模型可以用来模拟煤层气开采，煤基质由不流动的油相来表示，油中溶解的气体看 成是煤层气，煤层气从基质中解吸由溶解气一油比和压力曲线来实现。 。 煤层气水平井研究现状。1 9 5 8 年水平井最早应用在煤储层的脱气中【l 引，但是当时 并没有建立完整的数学模型。r a j t a r 和s a r k a r 1 6 】在1 9 9 4 年建立了煤层气水平井丌采的 数学模型，该模型假设单相气体流动、半无限大地层、各向异性、煤层双重介质和考虑 井筒的储集效应、表皮效应，利用拉普拉斯和傅里叶变换求得模型的解析解【1 7 】。何应 付1 3 】等建立了煤层气藏水平井拟稳态单相渗流的数学模型，该模型假设气体拟压力代替 朗缪尔等温吸附方程中的压力、考虑煤层气藏的介质变形和井筒的表皮效应、储集效应， 利用拉普拉斯变换和摄动法求的模型的解析解。目前，张东丽、王新海【l9 】建立了煤层气 定向羽状水平井开采的数学模型，该模型考虑了地层非均质和各向异性的影响、渗透率 的压力敏感性和主支、分支井筒内压降影响。席长丰、吴晓东、王新海【2 0 j 给出了多分支 井模拟c 0 2 注入开采数学模型，模型考虑了气水两相流动、多组分气体吸附、煤基质膨 胀和收缩对渗透率的影响以及分支水平井井筒压降。孟伟东，王延斌，李玉魁，王志华 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 l 】根据多分支井在倾斜煤层不同钻进方式引起的分支井段及末端压降特点，回避煤层气 从基质、裂隙系统运移的复杂过程，结合达西定律，分别建立了下倾钻进和上覆钻进两 种方式下分支井段内与末端的压降模型、解吸半径模型和产气量预测模型。 我国煤层气数值模拟的技术水平与当前世界领先的煤层气数值模拟技术水平仍存 一 ： 在较大的差距【2 3 - - 25 。我国在“八五”国家科技攻关项目中专门设立专题，研究煤层气数 值模拟，清华大学与原华北石油地质局在1 9 9 4 年共同研制了二维单层煤层气模拟软件 一 c m s 。但是由于我国的煤层气藏具有低渗透率、低解吸压力、强吸附能力等特点，限制 了该软件的应用。从美国引进的仅为执行文件的c o m e t 3 d 和c o a l g a s 软件是我国 目前普遍使用的煤储层数值模拟软件。因为软件c o m e t 3 d 和c o a l g a s 是基于美国 简单地质条件开发出来的，它们不能较好的适用于我国复杂地质条件下低解吸压力、低 渗透率储层特性。如果我们自己开发了煤储层数值模拟软件，就可以不用从国外花高价 引进煤储层数值模拟软件。所以开发出适合于我国复杂地质条件下低解吸压力、低渗透 储层特性的煤层气储层数值模拟软件，并应用于煤层气的开发实践中，具有重要意义。 1 一研究内容及技术路线 一 ： 1 3 1 研究内容 本文的研究内容主要分为： ( 1 ) 研究煤层气不同于常规天然气的储层特征和储集、运移和产出机理； ( 2 ) 建立煤层气直井开采的数学模型、数值模型，并编写相应的计算程序对数值 模型进行求解，分析直井开采煤层气产量的影响因素； 一( 3 ) 建立分支井开采煤层气的数学模型，模型考虑孔隙度和渗透率的压力敏感性 的影响、。主井筒和分支井筒内的摩擦压降和加速压降；建立数值模型，并对数值模型进 行求解。通过计算，分析分支井开采煤层气的特征；分析吸附时间、等温吸附常数、渗 透率等地层参数对分支井产量的影响；分支井结构参数优化。 1 3 2 技术路线 根据研究内容，制定的研究路线如图1 1 所示。通过调研国内外大量的文献资料， 了解煤层气不同于常规天然气的储层特征和储集、运移和产出机理：在此基础上，建立 煤层气直井开采的数学模型、数值模型，并编写相应的计算程序对数值模型进行求解， 分析直井开采煤层气产量的影响因素；在研究直井开采煤层气的基础上，研究煤层气羽 第l 章绪论 状分支并双重介质气水流动方程、建立煤层气分支井筒内压降模型、研究分支井筒内 流体和储层内流体耦合，从而建立分支井开采煤层气的数学模型；并对数学模型进行差 分离散，建立数值模型，分别采用预处理共轭梯度法和循环迭代的方法求解地层压力和 井筒压力方程组，并用该算法编写了相应的数值模拟程序。通过计算，分析分支井开采 煤层气的特征；分析解吸时间、等温吸附常数、渗透率等地层参数对分支井产量的影响： 分支井结构参数优化。 文献调研 i 1 煤层气的储层特征煤层气储集、运移和产出机理 i + 一 煤层气直井开采的数学模型及数值求解 图1 - 1 技术路线 f i 9 1 1 t e c h n i c a lp a t h 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章煤层气的储层特征和储集、运移和产出机理 煤层气是赋存于煤层及其围岩之中的一种自生自储式的非常规天然气。煤层气的储 层特征、储集特征、运移和产出过程等与常规天然气相比有其自身的特点，所以常规油 气藏开采模拟的理论和方法不能完全用于煤层气的开采模拟，我们要建立煤层气开采的 数学模型，首先要清楚煤层气储层特征和煤层气储集、运移和产出机理。 一 一 。 2 1 煤层气的储层特征 煤层是煤层气的源岩又是煤层气的储集层即它不但为煤层气提供了储存空间，同时 也为其运移提供了通道，与常规的油气储层不同，因此只有了解煤层气特有的储层特征， 一 才能更好的研究煤层气的储集、运移和产出机理。 ， 2 1 1 煤层的子l 隙特征1 2 6 1 一 煤层的孔隙结构分基质孔隙和裂缝孔隙，构成煤层的双重孔隙系统，其中基质孑l 隙 是煤层气的储集空间，而裂缝孔隙则是煤层气运移的通道。煤层中的裂缝，按其倾角又 可分为两类，一是割理其垂直或近于垂直煤层层面。割理的方位和间距一般是均匀的。 割理又可以按照其特征和形态划分为端割理和面割理，如图2 1 和图2 7 2 所示，其中端 割理连续性差，在面割理处终止；面割理发育较好、连续性好、延伸远。割理将煤层分 割成很多小单元体，煤化作用的结果是产生裂缝，即使煤体产生内部裂缝孔隙，这种裂 隙不仅是煤层气的储集空间，同时又可以使基质孔隙连通，增强煤层气储层的渗透性。 图2 - 1 实际煤样的剖面图1 2 6 i f i g 2 1 t h ep r o f i l eo ft r u ec o a ls a m p l e 5 图2 - 2 割理和裂隙分布图1 2 6 i f i g 2 - 2 c l e a t sa n df r a c t u r e 第2 章煤层气的储层特征和储集、运移和产出机理 2 1 2 煤层的渗透性1 2 7 l 我国煤层的渗透率极低，一般小于一个毫达西。煤层渗透率随着储层压力的变大而 变小；随着储层压力的下降，煤层中裂缝变窄，但是随着煤层气的解吸和采出，煤基质 块收缩，相应的裂缝变宽( 见图2 3 ) 。影响煤层渗透率的因素有煤的变质程度、煤岩组分 和煤的灰分。随着煤的变质程度的增大，煤层的渗透率是降低的；随着煤中惰质组含量 降低、灰分升高，煤层渗透率降低，反之升高。各向煤层的渗透率差别很大，这是因为 煤层渗透率主要是受裂缝孔隙控制。在裂缝发育较好的方- 向，一煤层通常具有较好的渗透 性，因此水平方向的渗透率要比垂直方向的渗透率高出很多。 煤鲁i 理 原始状态 压力衰减 割理收缩 + 气体解吸 割理扩张 图2 3 煤层气生产过程中储层渗透率变化【2 7 】 f i g 2 3 t h ev a r i a t i o no fc o a lb e dp e r m e a b i l i t yi nr r o d u c t i o n ： 2 2 煤层气储集特征 煤层气藏和一般的天然气藏最大的差异就是煤层气不是以简单的游离状态储存于 煤层的孔隙中，煤层气是以溶解态、游离态和吸附态三种状态储集在煤层中，其中7 0 9 5 的煤层气以吸附态存在煤层中，1 0 - 2 0 的煤层气以游离态存在煤层中，只有极 少数的煤层气以溶解态存在。 2 2 1 煤层气溶解态 煤层气在地层水中的溶解规律一般可以用亨利定律来描述，其表达式为： p b = k g ( 2 - 1 ) 式中：q 一气体在水中的溶解度，m o l m 3 ； 魏一溶质在液体上方的蒸气平衡分压，p a ； 6 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 k 一为亨利常数，常数由气体的温度与成分决定，不同气体在同一温度下和同 一气体在不同温度下，亨利常数都是不相同的。 o 该定律表明，在一定温度下气体在液体中的溶解度与压力成正比。影响煤层气溶解 度的因素包括：压力、温度和矿化度。随着压力的增大，溶解度增大；随着温度的升高， 。溶解度减小；水的矿化度越高，溶解度就越大f 2 8 】。 2 2 2 煤层气游离态 j 游离态的煤层气是以气体状态存在于煤层的基质孔隙和裂缝孔隙中，可以自由运 r 移，可以用常规气田方法进行研究。游离态的煤层气符合气体状态方程，即： 一p ：p m 一， ，”( 2 2 ) 。 p 2 一r t z 一 + 昝) o 。式中，r 是气体常数，m 为气体分子量，z 为偏差因子，通常是气体压力和温度的函数， 在等温过程中理想气体z = 1 t 为温度。 一 气体的地层体积系数b 。定义为：地层条件下单位质量气体所占的体积与地面标准 状况下单位质量气体所占的体积之比，所以有： ： b 。：呈：一p , 7 z ( 2 - 3 ) ： 8 瓯p 咒 ， 式中，下标s o 表示标准条件；= 0 1 0 1 3 2 5 m p a ；乙= 3 9 3 k ；z 为偏差因子，z = l 【2 6 j ， ：。 ： 2 ：2 23 煤层气吸附气储集机理1 2 0 1 j 吸附是煤层气最主要的储集方式。煤层孔隙度低但是其微孔隙特别发育，形成了巨 大的内表面积，因而具有很强的吸附能力。煤层气在基质中的吸附作用实际上是固体与 气体的一种表面作用，影响吸附能力的因素有压力和温度。假设温度不变时，随着压力 j 的变大吸附能力增强，当压力增大至l j 某一值时，煤的吸附能力达到饱和。煤层的吸附能 力，二般用吸附量来度量，即单位体积煤样中吸附的标准状况下的气体体积。煤层的等 温吸附曲线是评价瓦斯吸附饱和度的重要特征曲线，而吸附是百分之百的可逆过程，在 一定条件下，被吸附的气体分子又会从煤基质表面脱离出来，称为解吸。 对煤层瓦斯等温吸附线的影响因素主要是压力、煤阶、深度、煤质、温度等。在等 温吸附过程中所遵循的方程为朗缪尔方程，表达式如下【3 1 1 ： ( 尸? = 万v l 百p ( 2 4 ) 7 第2 章煤层气的储层特征和储集、运移和产出机理 其中：( 尸) 一吸附量，m 3 m 3 ；r l 一朗缪尔体积，m 3 m 3 ；p _ 气体压力，m p a ；咒 ： 二- 朗缪尔压力，是吸附量达到极限吸附量的5 0 时的压力，m p a 。 朗缪尔方程的基本假设条件是：吸附平衡仅形成单分子层；吸附平衡为动态平衡； 被吸附的分子间无相互作用力；固体表面是均质的。经过实验和理论研究均表明：煤层 的内表面对煤层气的吸附特征适用于l a n g m u i r 方程，所以，可以用l a n g m u i r 方程来计 算煤层中煤层气的吸附量。 一 ：j 2 3 煤层气运移和产出机理。+ + 2 3 1 煤层气的解吸机理： 原始地层中的煤层气是以承压状态存在，气体处于平衡状态。当开采煤层气时，地 层压力降低，气体从煤基质中解吸出来，破坏了原始的平衡状态，引起了煤层中的气体 流动，煤层气穿过煤层孔隙介质的流动可分为三个过程【3 2 1 ，如图2 - 4 所示。 从煤的内表面解吸通过基质和微孔扩散在裂缝中渗流 图2 - 4 煤层甲烷解吸扩散渗流示意图 j 。 f i g 2 4 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fm e t h a n ef l o wt h r o u g hc o a lb e d 煤层中绝大部分煤层气是以吸附状态存在的，占到煤层中气体总量的9 0 以上【2 6 j 。 因此，为更好的开发煤层气，重要的是使煤层气从基质表面解吸下来。煤层对煤层气的 解吸是煤层对煤层气的吸附的逆过程【3 3 1 ，所以，煤层对甲烷的等温解吸曲线与煤层对甲 烷的等温吸附曲线是相同的，服从l a n g m u i r 等温吸附方程。所以，我们可以根据煤层 对甲烷的l a n g m u i r 等温吸附曲线来描述煤层气的解吸过程，预测煤层气储层在生产中 随着压力的降低解吸出来的气体量。 然而在实际开采煤层气的过程中，煤层气什么时候开始从煤层中解吸下来，还与煤 层的含气饱和度有关。假设煤层中吸附的煤层气达到饱和，即在等温吸附曲线图上，对 应原始地层压力下的煤层气含量落在曲线上时，只要地层压力开始下降，气体就从煤层 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ， 。 中解吸下来。假设煤层为未饱和煤层，即原始的煤层气含量在图中曲线的下方，所以， 压力开始降低时，没有煤层气解吸出来，只有储层压力降到临界解吸压力以下才会有煤 层气解吸出来，临界解吸压力就是在等温吸附曲线上与该原始煤层气含量相等的那一点 所对应的压力，如图2 5 。当煤层是饱和煤层时，地层压力与临界解吸压力相同，解吸 时间用来衡量煤层气从基质中解吸下来的快慢。解吸时间就是煤层中总的吸附气体的 6 3 2 解吸出来所需要的时间，解吸时间表明煤层气早期产量达到峰值的快慢【2 6 】i i j 。 2 3 j2 煤层气的扩散机理 一一 一 。 一 煤基质的渗透率极低，流体在基质中的达西渗流很微弱。所以我们认为煤基质中煤 层气的运移方式主要是扩散作用。煤层气的扩散指的是由气体浓度高的煤层气解吸区即 基质向气体浓度低的割理系统的运动，这种扩散分为非稳态扩散和拟稳态扩散【3 4 刁6 】： 3 0 2 5 p2 0 皇 删1 5 莲 整 题1 0 蝼 5 o 压力m p a 图2 - 5 煤的等温吸附曲线与临界解吸压力示意图1 2 6 | f i g 2 - 5 i s o t h e r m a la d s o r p t i o nc u r v ea n dc r i t i c a ld e s o r p t i o np r e s s u r et oc o a lb e d 非稳态扩散 非稳态扩散服从菲克第二定律。非稳态扩散模型，假设煤基质中各点的煤层气浓度 不同，煤基质中心的煤层气浓度梯度为零，边缘煤层气的浓度是由裂缝系统压力决定的 吸附气的浓度。煤基质中总的的气体浓度由基质孔隙中所含的游离态的气体和表面的吸 附气体组成，其中游离态的气体浓度为【3 0 】： 。g = 岛锄= 等 ( 2 - 5 ) 9 第2 章煤层气的储层特征和储集、运移和产出机理 ： 基质中吸附气的浓度为： c 2 = 圪焘 煤基质块中总的气体浓度为： 一巳= 等圪焘 掣菲克爹二扩散定律得孔譬亨压力p _ l i 】的方程为j i 。昙( 盟+ 圪焘) 矗 d o r t zp pv ( 盟r t z + 吒蔫pp ) 】 钟、 + m 、 l + ” 由上两式解得煤基质块中气体浓度后，煤基质块流出的气体流量为： f 7 _ 三一鲁j 一鲁见v 哆 ：。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中，k ：，4 分别为煤基质块单元的体积和表面积，巩为多孔介质中质量扩散系数， 单位为( m 2 s ) ，j 为扩散通量，单位为( g m 2 s ) 。 拟稳态扩散 ：。拟稳态扩散服从菲克第_ 定律。拟稳态模型假设在扩散, 寸i t n 中每一个时间段煤层气 都有一个平均浓度，该气体浓度随时间的变化与g ，和c 2 的差值成正比，即： 一： d 出c m = 玩只( c 2 一q ) 。 ， ，：( 2 - i 0 ) j 式中c 2 为煤基质块边缘的浓度，大小为割理中的压力所决定的吸附气的浓度。煤基质块 流出的气体流量等于浓度的变化率与几何因子的乘积，即： ， 矿二g 鲁 囊 令f 2 万万1，为稳态吸附时间常数，单位为s 。只是基质块形状因子，单位曹( 1 m 2 ) ， 因为煤层中的割理系统是由两组近于直交并与层面大体垂直的端割理和面割理组成，所 以可以用圆柱体大体描述煤基质形状，形状因子等于8 万s 2 。则 f ：二( 2 二1 2 ) f = 一 l z 二1 2j 8 万蛾 式中，s 为割理间距，单位为m 。 1 0 o o 9 参 ， 二 i-( ( ： 渗流和扩散，分别符合达西定律和菲克定律。煤层的裂缝中同时存在气体和水，在压差 一 一 一 的作用下，流体从高压区向低压区作层流流动，流动规律遵从达西定律：煤层气从煤基 质流入到生产井分为以下三个阶段【3 7 1 。 ， 单相水流阶段 ：一煤层气储层压力没有降到临界解吸压力之前，气体还没有从煤基质中开始解吸，只 有单相水流动，称为单相流阶段。 。 非饱和单相流阶段 当煤层气储层压力进一步下降达到临界解吸压力之后，开始有煤层气从煤层基质孔 隙表面解吸下来，在浓度梯度的驱动下向煤层中的割理扩散，在割理中生产气泡，：这些 _ _气泡是孤立存在的，彼此并不能相连接。此阶段中，只有水相流动，气相不可流动。 一， 气、水两相流阶段 煤层气储层压力持续降低，有更多的煤层气从煤基质中解吸下来，那些孤立的气泡 彼此连接，开始形成气体的连续流动。此阶段中，在煤层的割理中形成了气、水两相达 西流动。 上述三个阶段是一个连续的过程，随着时间的推移，由生产井筒沿径向逐渐向周围 的煤层扩大，这是一个递进的过程。排水降压时间越长，所受影响的范围就越广，煤层 气解吸和排泄的面积也就越大。煤层气产量早期逐渐增加，达到最高产气量，接着逐渐 下降而持续一段时间，开采期可达1 0 年至2 0 年不等，煤层气井生产也有三个生产阶段 ( 图2 6 ) 【2 8 1 。 ： 2 4 本章小结 煤层它不但为煤层气提供了储存空间，同时也为其运移提供了通道，与常规的油气 储层不同，具有很多独有的特点，从储层孔隙特征和储层渗透性揭示煤层气储层所表现 的特殊性。着重阐述了煤层气溶解态、游离态和吸附态的储集机理；介绍了描述煤层气 第2 章 煤层气的储层特征和储集、运移和产出机理 二二= 二二= _ = 二= - t 吸附现象的l a n g m u i r 方程。从煤层气的解吸、扩散和渗流方面及煤层气由煤基质流入 生产井的三个阶段阐明了煤层气运移和产出机理，这为建立适合于煤层气储层特点和煤 层气运移特性的煤层气直井和分支井开采的数学模型奠定了基础。? 图2 - 6 煤层气产出的三个阶段【2 8 】 f i g 2 - 6 t h r e es t a g e so fc b mp r o d u c t i o n 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章煤层气直井开采的数学模型 一 、 + j ， 。 本文在研究煤层气储层特征和储集、运移和产出机理的基础上，建立了煤层气直井 开采的数学模型、数值模型，并编写了相应的计算程序对数值模型进行求解，分析了影 响直井开采煤层气产量的因素，这将为下一章建立分支井开采煤层气的数学模型打下必 要的基础。 一 一 一 j 3 j1 模型的假设条件 一一一， j 。 ( 1 ) 一煤层气的