（无线电物理专业论文）煤层气渗流机理及产能评价研究.pdf

摘要 煤层气是赋存于煤层及其围岩中的一种自生自储的非常规天然气，是一种新型的清 洁能源和优质化工原料。开发利用煤层气不仅可以提高煤矿的安全生产水平，而且在充 分利用不可再生资源、缓解常规油气供应紧张状况、保护大气环境等多方面均有十分重 要的意义。 本文基于国内外文献调研，分析了煤层气的储集、运移和产出机制，建立了非稳态 和拟稳态情况下煤层气单相运移方程，并利用解析方法进行求解。通过分析结果，进一 步认识了煤层气开采所经历的解吸、扩散和渗流一系列过程，在此基础上建立了双重孔 隙度介质下的三维两相数学模型和数值模型，并分别推导出了直井和水平井生产煤层气 时的产能公式。模型中引入了l a l l g m u i r 等温吸附定律、f i c k 定律来描述煤层气的解吸 和扩散行为，并借助计算机技术，利用有限差分方法实现了数学模型的数值求解，同时 编制了计算机模拟程序，开发出具有友好操作界面的煤层气数值模拟软件。 获得的主要研究结论如下： ( 1 ) 利用解析方法对非稳态和拟稳态两种模型煤层气的单相运移方程进行了求解 和分析。通过分析煤层气产量和地层压力变化，发现在煤层气生产前期( 约3 0 天) ，两 种模型有较大差异。非稳态结果能够较好的反映煤层气产量及地层压力变化；中后期两 种模型的结果基本趋于一致。因此在煤层气中后期开采预测中可以使用拟稳态模型； ( 2 ) 直井生产条件下，通过分析煤层厚度、渗透率、孔隙度、扩散系数、等温吸 附常数等9 项敏感参数对产能的影响，发现煤层厚度、割理渗透率和等温吸附常数对煤 层气产量影响较为明显； ( 3 ) 水平井生产条件下，通过分析煤层厚度、渗透率、孔隙度、等温吸附常数、 水平井开采层位等1 1 项敏感参数对产能的影响，发现对直井产能影响明显的因素对水 平井产能仍具有显著影响，并且在相同地质条件下，水平井产能比直井提高2 0 以上。 另外水平井长度和开采层位对水平井产能也有显著影响： ( 4 ) 通过对比直井和水平井产量曲线，发现水平井在开采煤层气方面具有很大优 势，因此在相同条件下，应优先考虑选用水平井开采。 关键词：煤层气，渗流机理，产能，数值模拟 s t u d yo np e i c o i a t i o nm e c h a n i s m a n dd e l i v e r a b i l i t ye v a i u a t i o no fc o a l b e dm e t h a n e s h a i l gy 0 n g t a 0 ( i 泓i op h y s i c s ) d i r c c t e db yp r o 、7 i gd i a n s h e n ga n da s s o c ia ：t ep i d ，j l i 玛y u d o u a b s t r a c t c o a l b e dm e t h 觚e ：( c b m ) i sal 【i n do fs e l f - g e n e r a t i n ga n ds e l 邱r e s e i n 舀u n c o n v e n t i o 衄l i l a i u r a lg 嬲w h i c hs t o r e si nt l l ec o a ls e 锄s 锄di t ss u r r o u n d i n gr o c k s ni san e w t y p eo f c l e a l l e n e r g ya r l dl l i g h - q u a l i t ) rc h e m i c a lr a wm a t i e r i a l s m i i l i n g 锄l du t i l i z a t i o no fc b mc a nn o to i d y i i l l l ) r 0 v et l l es a f e t yo fc o a lp r o d u c t i o n b u ta l s o 伽l yu t i l i z et l l en o n - r e n e w a b l er e s o u r c e st 0 “l e v i a t et 1 1 es h o r t a g eo fc o i e n t i o m lo i la n dg 嬲，觚dt 0p r o t e c ta t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ， w m c ha r eo fg r e a ts i g i l i f i c a n c e i l lt 1 1 i st l l e s i s ，b 嬲e do nm el i t e r a t u r er e s e a r c h m er e s e r v o i rc a p a b i l i t i e s ，m i g r a t i o n 锄d p r o d u c t i o nm e c l l a m s m so fc o a l b e dm e 吐l _ a n ea 陀觚a l y z e d ；t l l eu i l s t e a d ys t ；a t es o 坤t i o ni n o d e l a n d 恤p s e u d o s t e a d ys 切t es o r p t i o nm o d e lo fs i n g l e - p h 2 l s en o wf o rc b m 黜e s 切b l i s h e d a n a l y t i c 甜s o l u t i o 璐a r ea l s oc 硎e do u tf o r 廿1 e s et 、7 1 7 0m o d e l s a c c o r d i n gt 0t 1 1 er e s u l t s o b t a i l l e d 舶mt 1 1 ea b o v em o d e l s ，l ed e s o r p t i o i l ，d i 丘h s i o n 龇l dp e r c o l a t i o ni n e c k l i l i s m sa r e f 时t l l e r 蚰l d i e d a i w o - p h a s e ，廿l r e e - d i m e i l s i o n a lm 蒯h e m a t i c a im o d e la l o n g 、i t l lan u m e r i c a l m o d c lf o rd 呦p o r o s 埘m e d i ai se 鼬l i s h e d ，a l l dp r o d u c t i v 毋f 0 册u l 嬲a r ed e r i v e d b o t l lf o r m ev e r t i c 以w e l l 觚dm ch o r i z 0 删w e l l t h el a l l 舯俯a d s o 唧i o ni s o m e 咖l a wa n df i c l 【s l a wa r ei i l 们d u c e dt 0d e s c r i b em ec b m d e s o r p t i o na n dd i 觚s i o nb e h v i o ri l lm e s em o d e l s w i t l ln l ea i do fm ec o l l 】l p u t e rt e c h n o l o g y ，s o l u t i o n sf o rt h em a ：t 1 1 e m a t i c a lm o d e la r ec a r r i e do u t u s i n gf i l l i t ed i 岱嚣e n c em e 吐l o di i l 廿l em l m e r i c a lw a y a tt l l es 锄et i i l l e ，ac o i n p u t e rc a l c u l a t i o n p r o g 删 i l 锄dc b mn u m 耐c a ls i m u l a t i o ns o f h a r e a r ed e v e l o p e d 诵la 衔e n d l yi l s e r i n t e r l a c e m a j i lr e s e 剐hr e s u l t s ： ( 1 ) t h es i n g l e _ p h a m i 刚i o ne q u a t i o 邶w l l i c ha 陀e 妇b l i s h e df o rt h cu i l s t e a d ys t a t e s o r p t i o nm o d e l 锹l d 也ep s e u d o s t e a d ys t a t es o 叩t i o nm o d e la r ec a l c u l a t e dl i s i i 培a 1 1 a l 如c a l m e t h o d s b y 趾a l y z i n gt l 坞r e s u l t so fc b mp r o d u c t i o na n dc 0 a l b e dp r e s s u r ec h a l l g e s ，b i g d i f f e r e n c ec 锄b es e e nd u r i n gt h ep r o d u c t i o no ft h ef i r s t3 0d a y s t h eu 1 1 s t e a d ys t a t es o i p t i o n m o d e lc 锄d e s c r i b et l l ep r e s s u r e 衄1 s i e n tb e 慨r d 嘶n gt l l el a t e rp r 0 山i c t i o nt i m e ，t l l er e s u l t s o b t a i n e df - r o mt h et 、) dm o d e l st e n dt ob ec o n s i s t e n t ( 2 ) u n d e r 廿l ev e n i c a lw e l lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n ，b ya i l a l y z i n gm ee 舵c t i v e n e s so f9 s e n s i t i v ep 觚吼e t e r s ，s u c h 硒c o a l b e dt l l i c k n e s s ，p e 肌e a b i l i 坝p o r o s i 坝d i 腼s i o nc o e m c i e n t ， 锄d a d s o 印t i o ni s o t h e n i lc o n s t a n t s ，w e 缸d 廿l a tc o 扔e dt h i c l ( i l e s s ，胆m e a b i l i t ) r 觚d a d s o 印t i o ni s o t l l e n nc 0 1 1 s t a 】吡sa r co fg r c a ti m p o r t a i l c ef o rc b m p r o d u c t i o n ( 3 ) u n d e rt h eh o r i z o n t a lw e hp m d u c t i o nc o n d i t i o n ，b ya i l a l y z i n gt h ee 虢c t i v e n e s so f1 1 s 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e s 锄ec o n d i t i o n ，t l l eh o r i z o 删、e l ls h o u l db ec o n s i d e i _ e df i r s t k e yw o r d s ：c o a l b e dm e t l l 觚e ，p e r c o l a t i o nm e c l 瑚1 i s m ，p r o d u c t i v i 哆e v a l u a t i o i l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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： i 童塞羞 日期：触g 年古月51 日 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。 学位论文作者签名：l 蜀塞鑫 指导教师签名： 芝星丝皇 日期：细2 年占月引日 日期：) d 巧净上月芗j 日 l ， 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题选题依据及研究意义 煤层气又称煤层甲烷( c o a l b e dm e t i l a i l e ) 或瓦斯( c o a ls e a mg a s ) ，是在成煤过程 中生成，并主要以吸附和游离状态赋存于煤层及围岩的自储性的非常规天然气。其主要 成分是甲烷( c h 4 ) ( 约为9 0 以上) ，并有少量的c 0 2 、n 2 等。据估计，全球埋深小于 2 0 0 0 米的煤层气资源约为2 4 0 万亿立方米，是常规天然气探明储量的两倍多。我国是世 界上煤层气资源最丰富的国家之一，全国陆上埋深小于2 0 0 0 米的资源量为3 5 万亿立方 米，与我国常规天然气资源差不多，在世界上仅次于俄罗斯、加拿大，位居第三位【1 1 。 煤层气在成藏、赋存、渗流方面都不同于常规油气，开采方式与常规油气也有明显 不同。由于技术所限，煤层气开发在我国还处于起步阶段，国内对这方面的研究还很少， 对煤层气开采的许多关键技术还需要进一步进行研究。特别是对煤层中煤层气的赋存、 渗流机理等方面的认识仍然不足，产能评价更是鲜有报道，这些都制约了对煤层气经济、 有效地开采。所以，探讨煤层气开采过程中复杂渗流问题的规律和机理，并在此基础上 对煤层气进行产能评价，对煤层气开采技术的发展有着重大的理论和现实意义。 煤层气储层数值模拟是煤层气资源勘探和开发的关键技术之一，是研究煤层气储 集、运移和产出规律，确定煤储层特征、煤层气井作业制度与煤层气产量之间关系的有 效手段，其研究结果可为煤层气资源开发潜力的评价和开发工程方案的优化提供科学的 决策依据。由于煤层气是一种非常规天然气，其储层与常规石油天然气储层不同，具有 一些独有的特点：一是煤、气、水三相共存；二是由微孔隙和天然裂隙组成的双重孔隙 系统，并且微孔隙系统非常发育，具有极大内表面，吸附能力大；三是煤层性软易碎， 渗透率对应力很敏感，易被污染。所以，煤层气的生成、储集和运移有其自己内在的规 律。因此，煤层气储层数值模拟不能照搬常规油气藏数值模拟技术。在借鉴油气藏数值 模拟技术的基础上，研究煤层气的生成、储集和运移规律，建立煤层气储层数值模拟模 型，编制开发煤层气开采模拟软件，具有重要的理论意义和实用价值。 煤层气作为一种非常规天然气具有双重性质：首先其主要成分是甲烷，每立方米的 发热量在8 0 0 0 卡以上，而且不含硫化氢，是一种高效清洁的新能源；其次由于它经常 在煤矿开采过程中造成瓦斯事故，因此煤层气又是一种有害气体，故通常被集中排放到 大气中而产生温室效应，造成严重的大气污染。针对煤层气的这些特点，若对其加以利 第一章绪论 用，既可以接替和补充常规天然气，有着很高的经济价值，又具有社会效益和环境效应， 从而达到趋利避害的目的。 首先，随着我国国民经济的快速增长，对能源的需求量日益增大，国内能源短缺的 形势也越来越紧迫。作为能源主要支柱的石油的供给已难以满足国民经济的飞速发展。 我国目前原油年增长率只有1 7 ，与适应国民经济增长速度所需的4 5 能源增长率相 差甚远。我国目前进口石油超过了总消费量的5 0 ，这种局面直接威胁到了我国的能源 安全。改变这一局面的重要途径就是根据我国实际地质条件和资源环境，充分开发和利 用国内其它资源，来减轻原油供给的压力。煤层气是除常规天然气以外，资源量最大、 最为现实的洁净能源，勘探、开发煤层气是国家能源可持续发展战略最为现实的选择。 其次，加快煤层气开发将有效改善煤矿生产安全条件，保护大气环境。赋存于地下 的煤层气对煤矿安全生产构成重大危害，起源于瓦斯的煤矿事故占全国煤矿事故的5 8 以上。随着煤矿开采向深部的延伸，煤矿瓦斯事故日趋严重，人们生命财产蒙受巨大损 失。如果在采煤前将煤层气开采出来，就会从根本上消除矿井瓦斯灾害的隐患，提高煤 矿安全生产的保障程度。 另外，煤层气体也是一种温室气体，甲烷的温室效应大约是二氧化碳的2 0 倍以上， 对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7 倍。大量甲烷气体排放到大气当中，严重污染大气， 破坏人类生存环境。积极开发利用煤层气，可大大减少采煤过程中的甲烷排放量，减少 甲烷和燃煤所产生的危害，有效地改善我们赖于生存的环境。 我国是煤炭资源大国，拥有相当丰富的煤层气资源，其开发和利用具有远大的前景。 开发利用煤层气，对缓解常规油气供应紧张状况、改善煤矿安全生产条件、保护大气环 境等方面均具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 煤层气是2 0 世纪7 0 年代兴起的新兴能源工业【2 卅。煤层气是一种洁净的高热值非 常规天然气，既能增加新能源供应，又可改善煤矿安全，保护全球环境，所以，现在许 多国家正着手于煤层气的开发和利用。美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、英国和德国 等国家在这方面进行了比较深入的研究和探索，特别是美国在这方面具有绝对的人员和 技术优势。 美国是世界上煤层气资源开发研究较早的国家，现已进入了商业性开发阶段。1 9 1 0 年为促进安全生产减少甲烷灾害，美国成立了矿业局这一专门的政府机构。1 9 2 8 年， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 融c e 提出了在采煤之前采用垂直钻孔从煤层中除去甲烷的设想。在随后的4 0 年里，为 了控制甲烷的产出量，主要方法仍然是降低煤炭产量以及建立复杂的通风系统。1 9 6 9 年，美国矿业局钻出了第一个采空区瓦斯抽放井；1 9 7 0 年，将煤层气作为一种潜在的有 效替代能源进行开采的概念在美国已经形成，并且美国矿业局着手全面宣传在大多数主 要含煤盆地采用垂直脱气井抽放煤层气的鼓励方案。1 9 7 3 年的能源危机强化了对煤层气 资源的需求，由此，美国对煤层气开始了大规模的开发试验研究。 1 9 7 5 年，美国钢铁公司与美国矿业局在阿拉巴马州的橡树林煤矿实施了2 3 口煤层 气井的大规模开发试验项目。1 9 7 7 年阿莫科公司在圣胡安建立了c e d a rh i l l 气田，1 9 8 1 年，橡树林煤矿实现煤层气商业化生产，黑勇士煤层气开发公司与j hw a l t e r 资源公司 联合开发b r o o kw o o d 煤层气田【5 1 。8 0 年代后期至9 0 年代的十几年间，美国在圣胡安、 沃里尔等盆地开展了大规模的煤层气勘探开发，形成了相当可观的生产能力。 在煤层气大规模开采的过程中，煤层气的赋存、吸附、扩散、渗流机理的研究对煤 层气的经济、有效地勘探和开发的影响越来越明显。早在1 9 0 7 年，美国学者c h 锄b e r l i n 和d a n o n 研究概括出了甲烷聚集和运移的机理。1 9 6 4 年，l i n d i n e 等根据所观察到的气 含量和残余气含量与深度之间存在的非线性函数关系，提出了第一个预测生产矿井瓦斯 涌出量的经验模型。同年由美国矿业局组织主持对煤层甲烷抽放进行了广泛深入的研 究。1 9 6 8 年a i r e y 从理论上推导出第一个预测矿井静止工作面瓦斯释放量的偏微分方程， 并采用了解析法求解，从而建立了一维单孔隙气相的产量预测解析模型【6 】。1 9 7 2 年，p r i c e 提出了二维单孔隙气一水两相综合性产量预测的数学模型和有限差分的数值模型r7 1 。该 模型能求解具不规则边界条件和模拟工作面推进的移动内边界问题，并且开发了相应的 计算机软件i n t e r c o m p 1 。1 9 8 1 年，美国开始了煤层气产量模拟器与数学模型开发项 目的研究工作【8 l 。p a v o n e 和s c h w e r e r 基于双孔隙拟稳态非平衡吸附模型，建立了描述煤 储层中气、水两相流动的偏微分方程组，采用全隐式进行求解，并开发了相应的计算机 软件a r r a y s ，该软件能够模拟未压裂、压裂的单个煤层气井和多个煤层气井。 2 0 0 1 年，s c o tr e e v e s 提出了三孔隙、双渗透率模型【9 】，该模型比双孔隙单渗透率模 型更符合实际情况。同时a 公司推出了最新的产品c o m e t 3 ，c o m e t 3 是所有 c o m e t 系列模拟软件中最先进的软件，该软件是三孔隙、双渗透率和多种气体共同吸 附的模型。c o m e t 3 能精确模拟储层在低煤阶煤基质孔隙里面的自由气和水，也能模拟 注入多组分气体强化开采煤层气的情况。 综合起来，煤层气运移理论研究主要有四种理论【1 0 。1 4 】：其一是煤层气渗流理论，从 第一章绪论 渗流力学角度出发，认为煤层气的流动基本符合d a r c y 定律；其二是煤层气扩散理论， 认为煤层气运动基本符合f i c k 扩散定律，以此为基础研究煤层气扩散规律；其三是煤层 气渗流一扩散理论，认为煤层气运动是包含了渗流和扩散的混合流动过程，认为煤层是 双重介质，煤块内部的煤层气解吸、向裂隙扩散。基于这一认识，从扩散力学的角度出 发，依据f i c k 定律提出煤层气扩散方程，又从渗流力学出发，依据d a r c y 定律提出了割 理系统煤层气渗流方程，耦合成煤层气渗流一扩散流动模型；其四是地球物理场效应的 煤层气流动理论，该观点以流体一岩石相互作用的新观点来认识煤层气运移机理，提出 了将煤层气流动看作可变形固体骨架中可压缩流体的流动，得到了煤层气流动的耦合数 学模型。 煤层气赋存、运移机理及其动力学模型研究方面，最早的动力学模型为平衡吸附模 型，以1 9 8 6 年和1 9 8 7 年的m c k e e 模型及b u m b 模型为代表，这类模型基于三个假设条 件：( 1 ) 煤层为单一孔隙介质；( 2 ) 煤层微孔隙壁上吸附的气体与孔隙中游离气体的压 力处于连续平衡状态；( 3 ) 孔隙壁上被吸附的气体随孔隙中气体压力的降低瞬时释放进 入孔隙之中。研究表明这类模型忽略了煤层气的解吸过程，不能反映客观存在的解吸时 间，没有真实反映煤层气赋存、运移的特征，造成预测的煤层气产量高于实际产量。 2 0 世纪9 0 年代，随着对煤层气赋存、运移机理研究的不断深入，又提出了一种非 平衡吸附动力学模型。这类模型认为煤层为孔隙一裂隙双重介质，煤基质中发育有丰富 的微孔隙，煤层气主要以物理吸附的形式吸附在煤基质的内表面上。煤化作用过程中， 煤层形成的端割理与面割理构成了煤层气在煤层中进行达西渗流的裂隙介质，考虑了煤 层气的吸附作用以及由微孔隙到裂隙的扩散过程，较好地反映了煤层气在煤层中的赋存 及运移机理，比平衡吸附模型有了很大进步，因而得到了普遍关注。这类模型以目前的 c o m e t 模型、c o a l g a s 模型为代表。 煤层气赋存、运移机理极为复杂，描述煤层气赋存、运移的数学方程均为非线性方 程。随着动力学模型研究的不断深入，数学模型越来越复杂，非线性程度越来越高，因 此模型的求解也一直是人们研究的课题。目前的求解一般采用i m p e s 方法，该方法虽 然计算工作量少、方法简单、节省内存，但它只适用于一般的弱非线性渗流，对于如煤 层气运移如此复杂非线性渗流问题，该解法收敛速度慢、稳定性差，无法保证求解的稳 定性及收敛速度，尤其是对一些大煤田、大步长的计算问题尤为突出。 我国的煤层气资源开发刚刚起步，尚属试验勘探阶段。之前我国学者围绕煤矿安全 生产、减少瓦斯灾害问题进行了大量瓦斯数值模拟研究工作【1 5 1 引。章梦涛等对瓦斯突出 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 机理进行了研究，周世宁系统地研究了煤层气的运移机理，秦勇傅、雪海等研究了煤储 层深度与渗透性和含气性的关系以及煤储层渗透率的预测理论。到目前为止，有关成果 均是从国外尤其是从美国引进的。引进的计算机模型均为一可执行文件，如c o m e t 模 型、c o a l g a s 模型，这些成果引进后事实上还没有得到真正的使用，因此这些成果的 可靠性如何，对国内煤层气资源评价的适应性如何，目前还无法考虑。但从理论上讲， 美国的地质条件较为简单，因此其动力学模型考虑的因素也就显得相对单一。研究适合 我国国情的煤层气赋存、运移的动力学模型就显得极为重要。我国复杂多变的地质因素 也决定了研究适合我国国情的煤层气赋存运移的动力学模型是非常必要的。 综上所述，煤层气运移机理和产能评价研究正处于一个蓬勃发展的时期。随着对煤 层气的生成、储集和运移规律更深入的理解，煤层气开采数值模拟技术和产能评价方法 的研究也达到了一个新阶段。国内迫切需要对煤层气的渗流机理及产能评价方面进行深 入研究，获取更为客观的煤层气储层参数，预测井的长期生产动态和产量，为井网布置、 完井方案、井的生产工作制度和气藏动态管理的优化，以及为最经济、最有效的煤层气 项目开发方案的决策提供科学依据。 1 3 主要研究内容及拟解决的关键问题 本文的主要研究目标是通过对煤层气渗流机理的研究，认识煤层气在双孔介质中的 解析一扩散一渗流规律，确定直井、水平井开采煤层气的产能评价方法。具体研究内容 如下。 ( 1 ) 煤层气渗流机理研究 1 ) 研究水饱和煤层中饱和区( 单相水流) 、非饱和区( 单相水流、气水两相流) 流 体的渗流机理； 2 ) 建立煤层气吸附一渗流数学模型，利用解析法进行求解，进一步认识煤层气渗 流机理； 3 ) 研究吸附量、含气量、压力等参数对煤层气渗流的影响。 ( 2 ) 直井开采煤层气产能评价研究 1 ) 根据煤层气渗流机理，建立直井开采情况下煤层气渗流模型； 2 ) 对煤层气渗流模型进行数值求解，研究煤层压力、煤层气产能的变化规律； 3 ) 研究煤层气吸附量、含气量、压力、煤层地质参数等对煤层气产能的影响，进 一步认识煤层气渗流机理。 第一章绪论 ( 3 ) 水平井开采煤层气产能评价研究 1 ) 根据煤层气渗流机理，建立水平井开采情况下煤层气渗流模型； 2 ) 对煤层气渗流模型进行数值求解，研究煤层压力、煤层气产能的变化规律； 3 ) 研究煤层气吸附量、含气量、压力、煤层地质参数、水平井段长度、位置等参 数对水平井开采煤层气产能的影响，进一步认识煤层气渗流机理。 在认识煤层气渗流机理的基础上，建立直井和水平井开采煤层气渗流模型，利用数 值法对模型进行求解，讨论各个参数对煤层气渗流的影响，达到对煤层气渗流机理的进 一步认识，并完成单井煤层气产能评价。主要解决以下关键问题：( 1 ) 煤层气在煤层双 重孔隙介质中吸附一扩散一渗流耦合机理；( 2 ) 水平井开采煤层气产能评价方法。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第二章煤层气的储层特征及储集、运移和产出机理 煤层气是一种非常规天然气，它是在煤化作用过程中生成并保存在煤层中的碳氢化 合物，因此煤层既是煤层气的源岩又是煤层气的储集层。作为煤层气的储集层，煤层是 一种典型的双重孔隙度和双重渗透率的储层【l 蛆0 1 ，内部具有发育良好的裂隙系统和微孔 隙系统，具有极大的内表面积。煤层气以游离态、溶解态、吸附态存储于煤储层的割理、 基质系统以及水中。由于煤层气储层不同于常规油气储层，只有全面了解煤层气的赋存、 聚集以及产出过程，才能更进一步研究其渗流机理及评价其产能。 2 1 煤层气储层特征 2 1 1 煤层气储层的基质孔隙 基质孔隙又称为微孔隙，直径一般5 0 1 0 0 啦，煤的微孔隙极其发育，煤层气的绝 大部分是吸附在微孔隙表面。由于微孔隙直径很小，一般认为水不能到达微孑l 隙系统中。 煤的孔隙相差很大，大到数微米级的裂缝，小到氮分子( 直径0 1 7 8 眦) 都无法通过， 最新的孔隙大小分级标准【2 1 1 见表2 1 。 表2 1 煤孔隙固一气作用分类系统 t a b l e 2 一l c l a s s 姆o fp o ms y s t e mo fc o a l 孔隙类型 特征 气储集方式气运移方式 渗流孔隙孔径大于1 0 0 啪，原生孔和变质气孔 游离气 渗流 孔径1 0 1 0 0n m ，分子间孔和部分经受变形改 凝聚一吸附孔隙 吸附气、凝聚气 扩散 造的原生孔和变质气孔 吸附孔隙孔径2 1 0 啪，分子间孔吸附气扩散 孔径小于2f l r i l ，有机大分子结构单元缺陷， 吸收孔隙充填气 扩散 部分为分子间孔 煤基质微孔隙与一般砂岩孔隙结构是不同的，煤层的孔隙大都是煤层本身整体结构 的一部分。在煤层的微孔中常填充了不同组成的物质，这些物质的组成和体积常随着煤 阶的改变而变化。一般煤储层中的孔隙大小约1 1 0 0 0 “m ，而与一般的砂岩的孔隙相比 小一个数量级。这种超微孔隙结构随着煤化作用的进展而发生变化，因而会对煤层的储 层特性产生很大的影响。 7 第二章煤层气的储层特征及储集、运移和产出机理 2 1 2 煤层气储层的裂隙孔隙系统 煤层中一般有两种裂缝系统瞄1 ，一是由地质构造作用造成的，称为外生裂隙：二是 在煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度和压力等因素影响，体积均匀收缩产生内张 力而形成的，力学性质是张性的，称为割理。割理是广泛存在于煤层中对煤层气的产出 具有重要意义的内生裂隙系统，具体是煤层经过干缩作用、煤化作用、岩化作用和构造 压力等各种过程形成的天然裂隙。 一般来讲，割理分为相互垂直的两组，一组比较发育，规模较大，称为面割理，并 且可以延伸很远。另一组受限于面割理，只发育在两条面割理之间，称为端割理。割理 的渗透率较高，是气、水渗流的主要通道刚，如图2 1 所示。 端割理 剐 = 撇 值 笛微孔隙的煤岩基质 图2 一i 煤体割理系统示意图 f i g 2 1 as c h e m eo fac o a ls e a mc l e a ts y s t e m 2 1 3 煤层的渗透性 煤层渗透率是煤层甲烷开采技术条件评价最重要的参数之一。煤的渗透率通常较 小，在一般情况下，煤层渗透率随压力的增加而减小。当煤层压力递减时，有效应力增 大，煤中割理宽度变小，孔隙体积压缩负效应使煤储层的渗透率降低；而气体脱附和基 质收缩的正效应所导致的煤基质块收缩，割理宽度变大，使渗透率增大程度超过减小程 度，这说明煤的渗透性随着开采时间延长有逐渐变好的趋势瞄】。距气井越远，渗透率的 变化越小，煤的割理越发育，则束缚水饱和度越低，气体相对渗透率就越高。 煤层的渗透率与煤的变质程度、煤岩组分和煤的灰分有密切关系【2 5 1 。低变质的褐煤、 长焰煤和气煤孔隙度大、孔隙喉道粗，具有较低的排驱压力，其渗透率最高；中等变质 的肥煤和焦煤的渗透率次之；中、高变质的瘦煤至无烟煤渗透率较低。煤中惰质组( 特 别是胞腔末被充填的结构丝质体) 含量越高、灰分越低，则煤层渗透率越高，反之越低 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 图2 2 ) 。煤的渗透率各向异性十分明显，因为煤层中渗透率在很大程度上受裂隙控制。 在裂隙发育且延伸较长的方向，煤往往具有较高的渗透率，这一方向的渗透率比垂直方 向高出几倍甚至一个数量级。 山 = 山 司 j 1 3 幽 漳 ! 刨 o o1234 56 7 8 9 1 0 系统压力p m p a 图2 2 无烟煤和褐煤的运聚压差一压力曲线 f i g 2 2 c u n ，eo fm i g r a t i o np r 部s u r ed r o pw i t hs y s t e mp r e s s u r e b e t w e e nh a r dc 0 a ia n dw o o dc o a i 2 2 煤层气储集特征 煤层对煤层气的容纳能力远远超过自身基质孔隙和裂隙体积，所以煤层气必定以不 同于天然气的状态赋存，目前关于煤层气赋存状态比较一致的认识是：它以吸附态、游 离态和溶解态储集在煤储层中，吸附气可占煤层气总量的7 0 9 5 ，其中游离气约占总 量的1 0 2 0 溶解气所占比例极小。 2 2 1 煤层气游离态 煤的微孔和割理系统中存在一部分自由运移的、以游离态存在的煤层气，可用常规 气田方法进行研究。游离态的气体符合气体状态方程，属于容易被压缩的流体，等温条 件下，对于理想气体其密度与压力成正比，即 口：丝 ( 2 1 ) p = = 一 z 。l ， 。 尺2 。 式中，r 为气体常数，m 为分子量。对于真实气体可以引进一个修正因子z 对理想气体 状态方程( 2 1 ) 式进行修正，得到其状态方程 d ：坐 ( 2 2 ) p = 二一 l 么。z ， 根z 式中，r 为温度；z 为偏差因子，通常是气体压力和温度的函数，对于等温过程，理想 气体乒l 。 9 第二章煤层气的储层特征及储集、运移和产出机理 2 2 2 煤层气溶解态 煤层气储层多是饱含水的，在一定压力下必定有一部分煤层气溶解于煤层的地下水 中，称为溶解气，其溶解度可用亨利定律描述，即 岛= 疋g ( 2 - 3 ) 式中，肋为溶质在液体上方的蒸气平衡分压，p a ；c 6 为气体在水中的溶解度，m o l i i l 3 ； 疋为亨利常数。亨利定律表明，在一定温度下气体在液体中的溶解度与压力成正比。亨 利常数取决于气体的成分与温度，同一气体在不同温度下和不同气体在同一温度下，其 数值都是不相同的。不同温度、压力和含盐度条件下c h 4 在水中的溶解系数并不相同， 温度越高溶解度越小，水的矿化度越低，煤层气的溶解度越小。 2 2 3 煤层气吸附态 吸附是煤层气最主要的储集方式。由于煤是一种孔隙度低，但较小孔隙极其发育的 储集体，使煤层气的含量远远超过其自身孔隙的容积。煤的吸附作用实际上是固体与气 体的一种表面作用，其吸附能力与温度、压力有关。吸附能力随着压力的增大而增强， 随温度的升高而减小。煤层吸附能力，一般用吸附量来度量，即单位体积煤体吸附的标 准状况下的气体体积。当温度一定时，吸附量与压力的关系曲线称为等温吸附曲线。煤 层的等温吸附曲线可以用来确定初始状态下甲烷的最大含量和临界解吸压力。 在煤层气的勘探开发中，吸附等温线对评价煤层的最大储气能力、预测煤层气含量、 确定临界解吸压力等方面具有重要作用。实际上实验测得的吸附等温线形状很多，目前 识别出的各种物质的吸附等温线大体归为5 类【2 6 1 ，如图2 3 所示。为了描述这些吸附等 温线，人们提出了不同的数学模型。目前的吸附理论主要有单分子层吸附理论、多分子 层吸附理论、吸附势理论等。国内外的大量研究表明：煤对甲烷等气体的吸附为单分子 层物理吸附，吸附等温线为i 类，用朗格缪尔方程能较好地描述煤的吸附等温线。 妻 棚 莲 留 故 f pp p p p 等温条件下的压力孙腰a 图2 - 3 物理吸附的五种等温吸附曲线 f i g 2 - 3 f i v e1 y p e so fi s o t h e m a ia d s o r p t i o nc u r ，e so np h y s i c a ia d s o r p t i o n l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 9 1 6 年，法国化学家朗格缪尔从动力学的观点出发，在研究固体表面吸附特性时， 得出了单分子层吸附的状态方程，即朗格缪尔方程【2 7 】。其基本假设条件是，吸附平衡 是动态平衡；固体表面是均匀的；被吸附分子间无相互作用力；吸附平衡仅形成 单分子层。实验和理论分析表明，煤层体表面对煤层气的吸附特性适用于朗格缪尔方程。 因此，可以采用该方程来计算煤层气的吸附量。在朗格缪尔等温方程中，煤层气吸附量 和煤层气压力间的关系通常可以表示为 矿= 圪羔 ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中，y 为吸附量，c m 3 g ，为朗格缪尔吸附常数，c m 3 g ；6 为朗格缪尔压 力常数，l m p a ；p 为气体压力，m p a 。 在应用过程中，朗格缪尔等温方程通常写为如下形式 肚圪南 q 。5 ) p 式( 2 5 ) 中，凡= 帕，是吸附量达到极限吸附量的5 0 时的压力，即当m 时，班o 5 圪。 ol2j4567葛 煤层气压力p m p a 图2 - 4 煤层气压力等温吸附曲线 f i g 2 - 4 i s o t h e r m a ia d s o r p t i o no fc o a l b e dm e t h a n e 吸附等温线如图2 4 所示。若压力非常低，式( 2 4 ) 演化为亨利公式 y = 圪卯 ( 2 6 ) 由此可见，低压下吸附量与气体压力成简单的正比关系。 根据朗格缪尔吸附常数的物理意义，吸附数据必须包括从低压( 亨利定律适用范围) 到高压( 达到极限吸附量值) 的吸附资料。从以往的研究成果看，煤对甲烷的吸附，在 低压时符合亨利定律，在高压时可以达到吸附饱和的极限值，因此，朗格缪尔方程能够 o o ” o 寸 o n o n o o i-?go)咖莲督扩噬毯 第二章煤层气的储层特征及储集、运移和产出机理 很好地表示煤对气体的吸附。等温吸附常数通常通过曲线拟合等温吸附实验数据来确 定。 2 3 煤层气运移和产出机理 2 3 1 煤层气的解吸过程 解吸一吸附是一个动态平衡过程，在自然界的原始状态下，煤层中的气体以承压状 态存在，气体处于平衡状态。当开采煤层气时，储层压力降低，气体从煤中自然解吸， 引起了煤层中的气体的流动。煤中气体穿过煤层孔隙介质的流动可描述为如图2 5 所示 的三个互相制约的过程。 ( a ) 解吸过程( b ) 扩散过程( c ) 渗流过程 ( a ) d e s o r p t i o n( b ) d i 仃u s i 仰i n( c ) f i o wi nt h e f r o mac o a lg r a 蛔t h es o l 试c o a lm a t r i xf r a c t u r en e t w o r k 图2 5 煤层气解吸一扩散一渗流过程示意图 f i g 2 - 5 s c h e m a t i cr e p i 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 ls e a m 以吸附状态存储的煤层气约占总量的9 0 以上，基质块微孔的表面积又占煤层总表 面积的9 7 以上【2 8 1 。由于煤对气体的吸附属于物理吸附，具有可逆性【2 9 1 ，即吸附与解 吸作用的平衡，所以当压力降低时，原来的平衡被打破，吸附在煤基质微孔隙内表面上 的气体就会解吸下来，重新回到微孔隙空间成为气态的自由气体，以达到新的平衡。煤 的等温解吸曲线与其等温吸附曲线基本相同，符合朗格缪尔等温吸附模型。因此，可以 根据煤的朗格缪尔等温吸附曲线来描述煤层气