煤层气井产量变化规律及产能预测.doc

国内图分类号：TE256.9国际图书分书类号.：622 工学硕士学位论文 煤层气井产量变化规律及产能预测 硕 士 研 究 生： 康园园 导 师： 邵先杰 教授 申 请 学 位 级 别： 工学硕士 学 科 、 专 业： 油气田开发工程 所 在 单 位： 车辆与能源学院 授 予 学 位 单 位： 燕山大学Classified Index: TE256.9U.D.C.: 622 Dissertation for the Master Degree in Engineering VARIATION LAW OF PRODUCTIVITY RATE AND PRODUCTIVITY PREDICTION OF CBM WELL Candidate: Kang Yuanyuan Supervisor: Prof. Shao Xianjie Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Oil-Gas Field Development Engineering University: Yanshan University 燕山大学硕士学位论文原创性声明 由本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文煤层气井产量变化规律及产能预测，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 日期： 年 月 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 煤层气井产量变化规律及产能预测系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 请在以上相应方框内打“” 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 本文在调研大量相关文献基础上，分析了煤层气的赋存规律、解吸规律和渗流特征。通过对韩城和晋城两个矿区的实际资料分析认为，由于两个矿区的地质条件不同，所以呈现出不同的生产特征。韩城矿区煤层气井的生产特征表现为：产水量大，排水期长；单井产量差别大；提液产气；稳产时间长；产量波动大；低产期持续时间长；峰值期不明显。晋城矿区煤层气井的生产特征表现为：排水量达到峰值后，就开始产气；不同井稳产期持续时间差异大；递减期持续时间长，递减平缓，大部分产量是在递减期获得；二次措施后增产效果明显，并延长了油井生产寿命。根据煤层气井产量递减规律分析结果，研究区大部分井表现为指数递减，个别井表现为调和递减和双曲线递减，而且不同井的递减率差异比较大。结合实际数据分析了影响煤层气井的各个因素，包括煤储层厚度、煤储层物性、水文地质条件、多层合采、层间干扰和排采技术等。 根据实际生产井资料，建立了中国煤层气井生产模式。从解吸、渗流平衡的机理出发，建立了合理地层压力水平的模型，优化出了合理的地层压力，分析了峰值产量形成的条件。 依据线性回归方法、翁氏模型、灰色系统以及月产累产之比递减分析法对实际生产井进行了产量预测。结果表明线性回归方法、翁氏模型预测法、灰色系统预测法和月产累产之比递减分析法的预测数据与实际生产数据相关性较好，各种方法所得的平均误差率分别为 3.65、10.8、1.39、和 9.108，不同方法适合于不同生产阶段的井。关键词 煤层气；生产特征；产量预测；线性回归方法；生产模式；灰色系 统 Abstract By analysising the actual data of Hancheng and Jinchengbecause ofdifferent geological conditions of the two minesthere are different productioncharacteristics in the two mines.The characteristics of CBM wells in Hanchengare producing a large amount of water and long drainage.Per well production isdifferent.The stable time is longalso is low yield time.The peak time is not clear.The characteristics of CBM wells in Hancheng are gas producting after drainagepeak. The duration of stable time of different wells are different. The declinetime is longand decreasing is flat. Most of the output is in the reducedperiod.Yield increased after secondary measuresand productive life of CBMwells are extend. Production decline law of CBM wells are stresslyanalysed.Most wells are exponential declinea few wells are harmonic declineand hyperbolic decline. Decline rate of different wells are very different Thereare different production characteristics in different wellswhich are controlled bygeologic factor and drainage techniques. With dynamic analysis of CBM wellthree production models are classified.Based on the equilibrium mechanism of desorption and flow a reasonable levelof formation pressure model is establishedwhich optimizes reasonableformation pressure and analysics of the formation conditions of peak production. Linear regression、Wengs model 、gray system GM11 model andmonthly production/cumulative production are respectively used to calculate theproductivity rate of CBM wells. It turns out that forecast data by Linearregression、Wengs model prediction、gray system GM11 Model and monthlyproduction/cumulative production is well interrelated to actual production data.The average error rate of every model are 3.65、10.8、1.39 and 9.108.Different methods are fit different stages of production wells.Keywords Coalbed methane Production characteristics yield forecasting Linear regression Production model gray system II 目 录摘 要 IAbstract II第 1 章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 国内外研究现状 1 1.2.1 体积计算法2 1.2.2 产量递减分析法3 1.2.3 物质平衡法3 1.2.4 数值模拟法4 1.3 问题的提出及研究意义5 1.4 课题来源及本文的研究内容6第 2 章 煤层气的储层特征和储集、运移以及产出机理 7 2.1 煤层气的储层特征 7 2.1.1 煤的孔隙类型7 2.1.2 煤的孔隙系统7 2.1.3 煤层的渗透性8 2.1.4 煤的内表面积9 2.2 煤层气的赋存机理 9 2.3 煤层气的运移及产出机理10 2.3.1 煤层气的解吸机理10 2.3.2 煤层气的扩散机理12 2.4 煤层气的渗流特征 13 2.5 本章小结 15第 3 章 煤层气井动态特征分析及产量变化规律 17 3.1 储层地质特征 17 3.2 煤层气井动态特征分析17 3.2.1 韩城煤层气井的生产特征 17 3.2.2 晋城煤层气井的生产特征 23 3.3 煤层气井的生产模式25 III 3.3.1 模式一 26 3.3.2 模式二 27 3.3.3 模式三 29 3.4 煤层气井产量递减规律分析31 3.5 本章小结 33第 4 章 煤层气井产能敏感性因素分析 35 4.1 地质因素分析 35 4.1.1 煤储层厚度35 4.1.2 煤储层物性36 4.1.3 水文地质条件36 4.1.4 多层合采、层间干扰38 4.1.5 地层压力39 4.1.6 煤储层原始压力与临界解吸压力 43 4.2 排采技术分析 44 4.3 本章小结 45第 5 章 煤层气井产能预测方法研究 47 5.1 线性回归方法 47 5.1.1 方法介绍47 5.1.2 应用实例48 5.2 翁氏模型 50 5.2.1 方法介绍50 5.2.2 应用实例51 5.3 灰色系统理论 53 5.3.1 方法介绍53 5.3.2 应用实例54 5.4 月产累产之比递减分析法57 5.5 本章小结 59结 论 61参考文献 62攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 66致 谢 68作者简介 69 第 1 章 绪论1.1 引言 煤层气是近二十年来在世界越来越被重视的新型能源，其成分与常规天然气基本相同，完全可以作为与常规天然气同等质量的优质能源和化工原料。对于煤层气的开发，走过了比较漫长曲折的道路。20 世纪 80 年代之前，人们认为煤层气只是一种对煤矿安全生产具有严重威胁的气体，而美国却将它作为新能源进行开发利用，并形成了煤层气工业，开创了煤层气开发的先河。仅在 1983 年到 1993 年期间，美国煤层气产量就达到了国内天然气年产量的 5。美国煤层气的成功开发强烈地激发了全世界对煤层气开发的兴趣，煤炭资源丰富的中国也不例外。我国煤层气远景资源量为 36.8万亿 m3，位居世界第三。受国外成功实例的启发，且为了满足安全、环保、能源接替的需要，我国于 90 年代向煤层气开发领域进军，目前国内已纷纷投入了大量资金到煤层气的开发中1。 准确预测煤层气的开发潜力是煤层气资源开发的关键，煤层气作为一种非常规天然气资源，其赋存、运移规律均有别于常规的石油天然气，煤层既是生气层又是储气层，因此在研究了煤层甲烷赋存、运移机理的基础上，必须了解煤层气井产量变化规律以及影响因素，建立更加符合煤储层地质特征的煤层气井产能预测模型，为煤层气井开发方案编制、增产措施的实施提供依据，这将关系到煤层气资源开发的成败。1.2 国内外研究现状 通过近三十年的探索，在煤层气开发技术和煤层气井产能预测方面提出了很多理论方法。目前国内外对煤层气井的产量估算方法有体积计算法，产量递减分析法、物质平衡法以及数值模拟计算法等。每一种分析方法对某一具体矿区是否有用，取决于所需的可用于分析的数据是否能够取到以及产量预测精度是否能够达到要求。体积计算方法通常用于几乎没有历史产量数据的新井。递减曲线法和物质平衡计算法一般来说非常适合用于所 1规定井网内的、开采曲线一直呈递减趋势的生产井。数值模拟法在井的所有生产阶段均可用，然而，它需要大量煤芯、化验数据、钻井编录和试井数据。1.2.1 体积计算法 体积计算法是估算储量的最简单的方法。在开发初期往往要用体积计算来估算出与开发投资和财务决定相关的储量。体积计算法最大的优点是使用简单，它只需几个参数和几个假设。缺点是在引入不完全知道的关键参数或必须的主观评价时，可能产生较大的错误。因此，重要的是应对体积计算的应用及限制条件有所了解。 就煤储层而言，体积储量计算仅是简单地用原地气体体积计算结果乘以在经济范围内估计的采收率。可采储量计算方程如下： N P Gi R f 1-1式中 N P 可采储量，m3； Gi 初始储层状态下原地气体体积，m3； R f 经济范围内的气体采收率，。 尽管这种方法形式上很简单?既啡范匠讨械拿扛霾问屠蚜恕话憷此担梢愿葑昃嗦嫉木簧愫穸群椭苯硬饬康拿盒竞抗浪阍仄逄寤欢捎诿褐兴曳趾退忠约按悴问木植变化，使得在计算原地气体体积时又出现一些困难。一般来说，根据钻井编录可以准确估算净煤厚度，关键的是如何准确确定用来估算含气量的煤样中的灰分和水分含量2。 采收率 R f 是储层中最难以准确估算的参数。在计算井的远景产量和确定经济范围时也可能产生错误。可用以下几种方法来估算煤层气井的采收率： 1根据实测的等温解吸曲线计算采收率； 2根据与附近生产井的类比确定采收率； 3根据储层模拟估算采收率3。 21.2.2 产量递减分析法 产量递减法是通过研究煤层气井的产气规律、分析其生产特征和历史资料预测井的未来产量，一般是在煤层气井经历了产气高峰、稳产并出现递减后，利用产量递减曲线和斜率对未来产量进行计算。产量递减法实际上是煤层气井生产特征外推法，运用产量递减法必须满足以下几个条件：所选用的生产曲线具有气藏产气潜能的典型代表意义；可以明确界定气井的产气面积；产量时间曲线上在产气高峰后至少有半年以上稳定的气产量递减曲线斜率值；必须有效排除由于市场缩减、修井或地表水处理等非地质原因造成的产量变化对递减曲线斜率值判定的影响4-5。 产量递减法可以配合体积法和储层模拟法一起提高未来产量的计算精度。1.2.3 物质平衡法 在常规天然气产量计算时，物质平衡法已被广泛采用。为了使该方法在煤层气未来产量计算时也能适用，美国煤层气气藏工程专家 King 通过多年研究，在原物质平衡方程的基础上，引进煤层气的解吸扩散机制。公式1-2至公式1-4即为改进后的物质平衡方程。 We BwW p S wi 1 c w pi p iVb 2 Sw 1-2 1 c p f i p z z 1-3 1 c f pi p 1 S w z T pCvl p zT psc sc sc i L mp x T Vb 2 1-4 i z scTsc式中 S w 平均含水饱和度，； S wi 原始含水饱和度，； cw 水的压缩系数； pi 原始煤层气藏压力，MPa； 3 Wc 累积水侵量，m3； Bw 水的体积系数； W p 累积产水量，m3； i 原始孔隙度，； Vb 2 次生孔隙系统的总体积，m3； c f 裂隙系统体积压缩系数； z 非常规气藏气体偏差系数； z 真是的气体偏差系数； T 煤层气藏温度，K； p sc 地面标准压力，MPa； Cvl 兰氏等温体积常数，m3/ m3； z sc 标准条件下气体压缩系数； Tsc 地面标准温度，K； p L 兰氏压力，MPa； m p z 与 G p 关系图直线的斜率。 公式1-2至公式1-4弥补了体积法的不足，它计算的是动态过程中的煤层气产量。使用该方法，要求储层动态参数齐备。生产时间越长，动态数据越多，计算结果的精度越高。概括起来，使用物质平衡法必须具备以下数据：气藏的静态地质参数；储层含气量和等温吸附数据；气藏的地层流体的 PVT 分析数据和地面流体物性数据；气藏投入开发后的气水产量数据和压力变化数据6-7。1.2.4 数值模拟法 数值模拟法是煤层气井未来产量计算的一个重要方法，这种方法是在计算机中利用专用软件对已获得的储层参数和早期的生产数据或试采数据进行拟合匹配，最后获取气井的预计生产曲线。 1数值模拟软件选择 选用的数值模拟软件必须能够模拟煤储层的独特双孔隙特征和气、水两相流体的 3 种流动方式解吸、扩散和渗流及其相互作用过程，以及煤体 4岩石力学性质和力学表现。 2储层描述 储层描述是对储层参数的空间分布和平面展布特征的研究，是对煤层气藏进行定量评价的基础，描述应该包括基础地质、储层物性、储层流体及生产动态等 4 个方面的参数，通过这些参数的描述建立地质模型用于产能预测。 3历史拟合 压力值、气井产量与气井实际产量值和实测压力值进行历史拟合。当模拟气水产量动态与气井实际生产动态相匹配时，即可建立气藏模型获得产气量曲线，预测未来的气体产量8-9。1.3 问题的提出及研究意义 煤层气资源的开发是一门新兴的学科，已引起了国际社会的高度重视。世界上一些发达国家，如美国、加拿大、英国、法国等国家已先后开展了一系列煤层气的勘探试验工作，美国现已进入了开发阶段，如圣胡安盆地、黑勇士盆地等。我国也不例外，近年来在全国各地陆续开展了煤层气的勘探试验工作，但尚处于探索阶段。我国煤田分布广泛，尤其是北方蕴藏着丰富的煤炭资源，为我国煤层气资源的开发奠定了基础。煤层气赋存于煤层之中，因此在煤矿采煤过程中，为了保证井下的安全，将其作为一种有害气体提前向大气排放。煤层甲烷的开发利用不仅变废气为资源，为国民经济的发展提供一种洁净、优质的能源，而且能进一步提高煤矿安全生产的程度，可谓一举多得10。 煤层中天然气以游离、吸附和溶解三种状态赋存于煤层中，其中游离状态的天然气占10-20，吸附态的天然气占70-90，而溶解于煤层中地下水的天然气数量极少11。煤储层的孔隙系统是由基质孔隙、割理和后生裂隙组成，为双重孔隙系统。煤基质孔隙是煤层气的主要储集空间，气体以吸附状态附存在基质孔隙中。煤层气的