中国石油大学-李相方-宜宾会议

1、煤层气与页岩气开发面临的理论及实践问题煤层气与页岩气开发面临的理论及实践问题李相方李相方 石军太石军太 李骞李骞 杜希瑶杜希瑶 张磊等张磊等 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）20112011年年6 6月月 于四川于四川- -宜宾宜宾中国石油学会天然气专业委员会非常规天然气学组中国石油学会天然气专业委员会非常规天然气学组2011年全国非常规天然气会议年全国非常规天然气会议前言前言前言前言目录目录1.1 多相流体流动与传质多相流体流动与传质传质传质扩散传质扩散传质对流传质对流传质热扩热扩散散压力压力扩散扩散强迫强迫扩散扩散分子分子（浓度）（浓度）扩散扩散相际相际传质传质( (溶解溶解/ /

2、蒸发蒸发) )强迫强迫对流对流传质传质自然自然对流对流传质传质湍流湍流传质传质扩散条件：单相气扩散条件：单相气/ /液液扩散动力：浓度差扩散动力：浓度差扩散基本模型：扩散基本模型：FickFick定律定律传质条件：气液两相传质条件：气液两相传质动力：化学势（溶解度）传质动力：化学势（溶解度）传质基本模型：双膜理论传质基本模型：双膜理论传质本质：相变传质本质：相变( (溶解溶解) )多相流体传质与流动多相流体传质与流动流动流动（两相微溶（两相微溶/ /不溶）不溶）流动条件：温度一流动条件：温度一定下气液两相流动定下气液两相流动由压差驱动由压差驱动（1）多相流体流动与传质关系图）多相流体流动与传质

3、关系图（2）单相扩散机理）单相扩散机理分子分子扩散扩散：在静止流体或层流流体中，由于存在浓度梯度，流体中各组元分子自发地由浓度大的地方向浓度小的地方迁移，从而形成分子扩散，分子扩散是分子传质最基本的机理。a. a. t=tt=t0 0初始状态，甲室装有甲烷，乙室装有二氧化碳，想象中间一毛细管相连。初始状初始状态，甲室装有甲烷，乙室装有二氧化碳，想象中间一毛细管相连。初始状态毛细管相连的阀门关闭；态毛细管相连的阀门关闭；b. b.t=tt=t1 1时，阀门打开，在浓度梯度的作用下，两种组分开始通过毛细管发生扩散，扩散方时，阀门打开，在浓度梯度的作用下，两种组分开始通过毛细管发生扩散，扩散方向相反

4、。毛细管发生的扩散看做向相反。毛细管发生的扩散看做准稳态扩散准稳态扩散，符合，符合FickFick第一定律；第一定律；c. c.t=tt=t2 2时，两侧气体组分浓度相等，达到时，两侧气体组分浓度相等，达到动态平衡。动态平衡。图图1 1 二元气体双容积法扩散示意图二元气体双容积法扩散示意图1.1 多相流体流动与传质多相流体流动与传质非稳态非稳态第一组分，CH4第二组分，CO2abc（3）单相扩散模型）单相扩散模型扩散模型扩散模型公式公式扩散过程示意图扩散过程示意图Fick扩散扩散Knudsen扩扩散散过渡扩散过渡扩散表1 单相扩散模型对比表1.1 多相流体流动与传质多相流体流动与传质（4）两相

5、传质（溶解扩散）机理）两相传质（溶解扩散）机理气液相际传质即相变，当某一组元在气液两相中的化学势化学势不相等时，气相组分在薄膜与界面浓度差的作用下克服扩散阻力，在膜内扩散，并通过界面进入液相主体，这个过程是相态变化的过程，也是溶解的过程。a. t=t0初始状态，容器下部为水，上部盛有氨气和甲烷混合气体，压力为P0，两相动态平衡；b. t=t1时刻，施加P1的压力，上部氨气分子和甲烷分子将在溶解度（化学势）溶解度（化学势）的驱动下，向下部水中溶解（传质），且由于溶解度的差异，甲烷比氨气扩散至水中的分子少，当甲烷和氨气在水中溶解达到压力为P1时的溶解度（化学势）时，气体不再溶解，传质停止；c. t

6、=t2时刻，压力增加到P2，甲烷和氨气在水中溶解度增大，相际传质进一步进行，当甲烷和氨气在水中溶解达到压力为P2时的溶解度（化学势）溶解度（化学势）时，传质停止，系统达到平衡1.1 多相流体流动与传质多相流体流动与传质氨气分子甲烷气分子甲烷液分子氨水分子相界面相界面均相水均相水均相气均相气相界面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体相界面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体P0P1P2abc图图2 2 气液相际传质示意图气液相际传质示意图气相主体气相主体距相界面的距离浓度浓度液相主体液相主体图图4 A4 A组元（氨）由一相向另一相扩散时的浓度分布组元（氨）由一相向另一相扩散时的浓度分布图图3

7、 3 双膜理论示意图双膜理论示意图气膜相界面液膜氨气分子氨水分子1.1 多相流体流动与传质多相流体流动与传质（5）两相流动）两相流动气气相微溶于或不溶于相微溶于或不溶于液相液相，气相在液相中流动为气液两相，气相在液相中流动为气液两相流，是在压差驱动下运用，且存在明显气液界面。流，是在压差驱动下运用，且存在明显气液界面。压力降低Po图图5 5 垂直管中气液两相流示意图垂直管中气液两相流示意图气泡凝聚甲烷游离气溶解甲烷分子1.1 多相流体流动与传质多相流体流动与传质水水面割理端割理溶解气溶解气游离气游离气吸附气1.2煤储层原始气水分布示意图煤储层原始气水分布示意图基质孔隙与割理系统大量充填水，少量

8、游离气及溶解气，大量吸附气。1.2煤储层生产过程气水分布示意图煤储层生产过程气水分布示意图排水降压基质孔隙解吸形成的游离气通过孔隙水与割理液膜属于压差驱动，而形成的溶解气满足浓度差驱动的扩散理论。溶解气气泡面割理端割理流动方向压差方向压差方向解吸气溶解在水中，在浓度差作用下扩散或随水渗流到割理。解吸气形成气泡，在压差作用下渗流进入割理。浓度差方向浓度差方向1.3Adsorbed Adsorbed MethaneMethaneCoalPressure is Pressure is above above desorption desorption pressure pressure theref

9、ore therefore only water only water flows.flows.Regime 1: Saturated FlowRegime 1: Saturated Flow1.3Regime 2: Un-Saturated FlowRegime 2: Un-Saturated FlowCoalBubbles of gas starts to evolve out but does not form continuous flow streams.1.3CoalA continuous gas A continuous gas stream is stream is achi

10、eved and gas achieved and gas flow increases flow increases full 2-phase full 2-phase flow.flow.Regime 3: Full 2-Phase FlowRegime 3: Full 2-Phase Flow1.3基质孔隙解吸气扩散进入割理示意图解吸气扩散进解吸气扩散进入割理入割理1.3基质孔隙解吸形成的游离气在浓度差下进入割理，满足Fick扩散定律。)(82pCCsDVqmfmgmFick扩散定律：其中：qgm煤基质中气体流量；D扩散系数；Vm基质体积；sf割理间距；Cm基质内气浓度；C(p) 基质割

11、理边界平衡气浓度。常用煤岩基质孔隙气体到割理扩散示意图1.3 考虑范德华力、毛管考虑范德华力、毛管力、浮力、分子力、粘力、浮力、分子力、粘滞力、界面张力、压差滞力、界面张力、压差等非线性渗流模型（求等非线性渗流模型（求解方法尚未建立）。解方法尚未建立）。煤岩基质孔隙气体到割理非线性渗流示意图煤岩基质孔隙气体到割理非线性渗流示意图fmggwfmgmgPPCCDfV,1,.),(2df该种情况不满足浓度扩散理论该种情况不满足浓度扩散理论：（：（1 1）属于气液两相系统；（）属于气液两相系统；（2 2）游离气微溶于水。游离气微溶于水。1.3溶解相煤层气从基质孔隙扩散进入割理示意图溶解相煤层气从基质孔

12、隙扩散进入割理示意图该种情况产气机理需要确认该种情况产气机理需要确认：（：（1 1）基质孔隙与割理系统水）基质孔隙与割理系统水始终为连续相；（始终为连续相；（2 2）解吸形成的溶解气在浓度差驱动及压）解吸形成的溶解气在浓度差驱动及压差驱动下可能产生大量气甚至产气的重要组成部分。差驱动下可能产生大量气甚至产气的重要组成部分。水水吸附甲烷气的基质岩块吸附甲烷气的基质岩块甲烷解析后的基质岩块甲烷解析后的基质岩块甲烷气甲烷气2.1压力波传播与生产动态特征压力波传播与生产动态特征 过饱和煤层气井开采阶段划分示意图过饱和煤层气井开采阶段划分示意图过饱和煤层气藏过饱和煤层气藏2.2单井压力波传播数学模型单井

13、压力波传播数学模型21,345.614.4wiiqrP r tPEC ht定产水降压阶段压力传递数学模型 222111222*211211,345.614.4345.614.414.414.4wiiwiiwiwiqrPr ttPEC htqrPEPC htrEttrEtt定井底流压产气阶段压力传递数学模型 过饱和煤层气藏过饱和煤层气藏2121214.4111222*1114.4212345.614.4345.614.4172.814.4wwrtwwwiiwwgiiwrt twiqrqPEeC htCqrqPEPC htherEtt定井底流压产气阶段产量解析式 a a值随着开发时间而增大，因此值

14、随着开发时间而增大，因此会产生定压会产生定压增产增产- -稳产稳产- -再降产再降产的现象。的现象。wwggfdtSCSCCCCttCgwtgwKK 由于由于CdCd的影响的影响，比常规气藏比常规气藏小，因此压力下降慢，压力传小，因此压力下降慢，压力传播慢。播慢。2.2单井压力波传播数学模型单井压力波传播数学模型欠饱和煤层气井开采阶段划分示意图欠饱和煤层气井开采阶段划分示意图欠饱和煤层气藏欠饱和煤层气藏2.2单井压力波传播数学模型单井压力波传播数学模型单相水流定产水降压阶段单相水流定产水降压阶段欠饱和煤层气藏欠饱和煤层气藏 20345.614.4wwwiiqrP tPEC ht22000011

15、4.414.4,345.6wwiiwwwirrEEtttqP rttPPhCC200022001012010,345.614.4345.614.4,14.414.4wiiwiiciiqrP r ttPEC htqrPEPC htrErr tttttrEtt气水两相流定产水降压阶段气水两相区压力解析解气水两相区压力解析解单相水区压力解析解单相水区压力解析解2.2单井压力波传播数学模型单井压力波传播数学模型气水两相流定井底流压产气阶段气水两相流定井底流压产气阶段欠饱和煤层气藏欠饱和煤层气藏气水两相区的产量解析解气水两相区的产量解析解212122*2121114.414.422*2211211,14

16、.414.4wywryttrttwiwiP r tPePr ttP r tdyeydyyP r tPrP r tEttrEtt22100222114.414.4101020101114.414.414.41345.614.4wwwrwriiitttwwiwigrrrEEEtttttqeeqPhCCCCrEttq212222100*0114.42114.414.4345.6172.814.4wwwiiwiwrt twirrEEtttqPPhCCherEtt气水两相区的压力解析解气水两相区的压力解析解a a值随着开发时间值随着开发时间而增大，因此会产而增大，因此会产生定压生定压增产增产- -稳产稳

17、产- -再降产再降产的现象。的现象。2.2单井压力波传播数学模型单井压力波传播数学模型气水两相流定井底流压产气阶段气水两相流定井底流压产气阶段欠饱和煤层气藏欠饱和煤层气藏单相水区的压力解析解单相水区的压力解析解222001200101102000345.614.4,345.614.414.414.4345.6345.614.4wiicwiiiiwiwiiqrPEPC htqrrP r ttPEEC htttrEttqPC hqrPEC ht21220210110214.41111214.414.414.4,14.4,iciciyrttirEPtrEPttrEttedyyrEttrr ttt2.

18、2单井压力波传播数学模型单井压力波传播数学模型计算流程图计算流程图2.2单井压力波传播数学模型单井压力波传播数学模型图图3.5垂直裂缝方向井间压力剖面（垂直裂缝方向井间压力剖面（1#与与3#之间）之间）图图 裂缝方向井间压力剖面（裂缝方向井间压力剖面（1#与与2#之间）之间）2.3井间压力波传播数学模型井间压力波传播数学模型3.1 注气置换理论注气置换理论CO2CH4CO2比比CH4更容易吸附在固相物质。更容易吸附在固相物质。3.1 注气置换理论注气置换理论CO2MethaneCO2比比CH4更容易吸附在固相物质。更容易吸附在固相物质。3.1 注气置换理论注气置换理论Adsorbed Adso

19、rbed CO2CO2CoalDisplaced Displaced MethaneMethaneCO2吸附在煤岩颗粒表面将吸附在煤岩颗粒表面将CH4置换出。置换出。CO2吸附在煤岩颗粒表面将吸附在煤岩颗粒表面将CH4置换示意图。置换示意图。3.2 注气驱替理论注气驱替理论由于煤储层基质孔隙与割理拥有束缚水，注入的由于煤储层基质孔隙与割理拥有束缚水，注入的CO2不能穿过水膜将不能穿过水膜将CH4置换出来。置换出来。煤储层基质孔隙与割理流体相态示意图。煤储层基质孔隙与割理流体相态示意图。3.2 注气驱替理论注气驱替理论注入的注入的CO2应该是在压差作用下将应该是在压差作用下将CH4驱替出来。驱替出来。水水基质割理煤层气生产井流体相态示意图。煤层气生产井流体相态示意图。4.1 解吸扩散理论解吸扩散理论页岩气的扩散渗流模型（页岩气的扩散渗流模型（ZuberZuber，20022002）页岩气的扩散渗流模型完全沿用煤层气的。页岩气的扩散渗流模型完全沿用煤层气的。 考