煤层气数值模拟

1、1. 煤层气藏开发生产特点 煤层气藏开发一个最显著的特点是需要进行前期脱水降低煤层压力。煤层气吸附在煤基质孔隙表面，只有当煤层压力低于临界解析压力，煤层气才会从煤层基质孔隙解析出来扩散到煤层裂缝。脱水时间长短取决于煤层气饱和度。煤层气饱和度定义为某压力下煤层气含量与该压力下煤层气吸附能力的比值。饱和度为1的煤层气藏称为饱和气藏，饱和气藏煤层气随着煤层脱水而产出。饱和度小于1的煤层气藏称为欠饱和气藏，欠饱和气藏需要经过长期脱水后才开始产气。在我现在工作的煤层气藏，有些井脱水十几天后就开始产气，单井高峰日产气量能达到三万方以上。有些井则需要一年甚至几年的脱水后才产气。 不同煤层气田以及同一煤层气田

2、不同生产井的生产动态可能差别很大，煤层气田典型生产井产量可以分为三个阶段，第一阶段井只产水，不产气。第二阶段井开始产气，一直到气量达到最高值，产水量逐渐下降。第三阶段产气量和产水量一起下降。 由于煤层地质属性的不同，井的生产动态会变化很大。比如有些低渗井产气量从开始就递减，而且递减缓慢。有些井只生产干气，不产水。煤层气井的生产动态主要受煤层含气量，煤层含气饱和度，煤层渗透率，相对渗透率，孔隙度等的影响。 煤层气是以吸附状态吸附在煤基质孔隙中，吸附量与煤的类型，煤灰含量，煤湿度以及煤层压力有关，在相同温度，煤灰含量和湿度条件下，压力越大，煤吸附的气量越多。常规砂岩气藏中的气体储藏在砂岩孔隙中，在

3、相同压力条件下，煤层储气量要大于砂岩储气量。煤层气吸附能力与压力的关系曲线称为解析等温线。每个压力点对应该压力下煤的最大吸附量，也称为饱和吸附量。许多煤层吸附气处于未饱和状态，也就是说在初始压力条件煤的实际吸附气量小于该压力下的饱和吸附气量，煤层在生产时只产水，不产气。只有当压力降到临界解析压力，气才会从煤基质中解析出来，煤层才开始产气。（临界解析压力为煤的气吸附量与煤吸附能力相同时对应的压力）。开发煤层气田需要将井的井底压力快速降低到最低值，这样才能快速降低地层压力，缩短脱水时间，提高产气量。多数煤层气生产井都采用下泵开采的方式，尽量把水位降低到最低程度。我工作的煤层气田井多数井采用螺杆泵生

4、产,在一到两年内要将井底压力降到5,6个大气压，美国有的煤层气田把井底压力降到接近大气压。2 煤层气流动机理煤层气主要存在以下三种流动机理：解析：吸附在煤基质表面上的煤层气解析出来扩散：解析出来的煤层气从高浓度煤基质扩散到低浓度煤裂缝渗流：煤层气在煤裂缝中进行达西渗流下面我们详细介绍这三种流动机理。2.1 解析 煤基质中存在微孔隙，煤层气分子吸附在煤基质微孔隙表面。煤层气在地层压力的束缚下吸附在煤基质表面。当煤层压力下降到低于临界解析压力，煤层气分子从煤基质微孔隙表面脱离出来进入煤裂缝，在裂缝中煤层气以自由气存在。 煤的解析受解析等温线控制，解析等温线是煤层气吸附能力与压力的关系曲线

5、，解析等温线常用朗缪尔方程来描述。2.2 扩散 煤层气从高浓度煤层基质扩散到低浓度煤层裂缝。扩散过程通常用菲克扩散定律来描述。 煤基质裂缝扩散率可以由实验室测定煤层气的解析时间来得到。2.3 渗流 煤层裂缝内分布的地层水以及从煤基质解析的煤层气在裂缝内进行达西渗流。裂缝内的流体流动可以直接用达西渗流方程。3. 煤层气藏几个重要参数影响煤层气产能的最主要参数是煤层气渗透率和煤层气含量。国内有很多煤层气含量很高，但渗透性差，没有经济开采价值。我现在工作的煤层气田浅煤层有很好的渗透性，但气含量低，也没有经济开采价值。煤层裂缝孔隙度影响产水和地层压力，未饱和煤层气只有在压力下降到一定程度才会产出，煤层

6、孔隙度较高的化需要更长的脱水时间。煤层气有效厚度和煤层气层连通性也是重要参数，在进行煤层气开发布井和完井时，要考虑煤层气层的有效厚度和连通性，在连通性差的煤层显然不适合打水平井。当煤层压力低于临界解析压力，煤层气从煤层基质孔隙解析出来扩散到煤层裂缝，这时煤层气裂缝内存在气水两相流动，气水两相相对渗透率直接影响井的生产动态特征。下面我们详细介绍各个参数的获取方法以及在数值模拟模型中的应用。3.1 孔隙度 煤的孔隙可以划分为大孔隙，中孔隙和微孔隙。裂缝属于大孔隙，其中充满地层水，也可能存在游离气。煤层气以吸附状态存在于中孔隙和微孔隙中。在煤层气模拟模型中，我们需要的是裂缝孔隙度，裂缝孔隙度决定地层

7、水的储量大小。常规油气藏有成熟的孔隙度确定方法，通过岩芯测定和测井曲线可以得到可靠的地层孔隙度。但目前并没有非常可靠的确定煤层孔隙度的方法，虽然可以采用同样的岩芯测定方法，但实际上很难取得有代表性的岩芯，而且煤的压缩系数较大，实验室压力条件下测定的孔隙度与地层压力下的孔隙度会有不小差别。虽然有研究认为可以用双侧向测井曲线来计算裂缝孔隙度，但实际上很少用测井曲线得到煤层裂缝孔隙度。有报道认为干扰试井是获取煤层裂缝孔隙度的比较可靠方法。另外可以采用数值模拟历史拟合的方法，但由于历史拟合的多解性以及其他参数的不确定性，用数值模拟方法得到的孔隙度同样存在很大的不确定性，比如在我工作的煤层气田，采用计算

8、机辅助历史拟合的方法可以得到上百个满足历史拟合的模型，这些模型的裂缝孔隙度变化范围可以从0.1到2。不借用其他途径，用历史拟合得到的孔隙度是很不确定的。 有人建立了裂缝孔隙度与地层应力和煤成熟度的经验关系，地层应力越大，裂缝孔隙度越小。相反煤成熟度越高，裂缝孔隙度越大。不过在实际工作中这些参数的确定都不容易。 目前的共识是煤层裂缝孔隙度一般小于1，最大不会大于3。在没有可靠的孔隙度情况下，模型一般可以采用1孔隙度。3.2 煤层渗透率 渗透率是影响产能的最重要因数。煤层渗透率主要是通过实验室岩芯测定，试井，井生产动态分析得到。同孔隙度测定一样，实验室测定渗透率存在很大误差，这主要是由于一般很难获

9、得有代表性的岩样，对渗透率贡献大的裂缝很难在岩样中得以保存，实验室得到的渗透率往往可以认为是低限值。煤层渗透率受应力影响很大，实验室很难重现地层应力条件，这样实验室得到的渗透率不能代表地层条件下的渗透率。虽然采用典型曲线分析方法也可以得到煤层渗透率，但最可靠的方法还是试井。煤层气有独特的试井解释方法，在此我们不详细介绍。常用的煤层气测试方法包括：钻杆测试、段塞测试、注入测试、电缆地层测试（MDT） 由于电缆地层测试的低成本和高效率，现在成为较常采用的测试方法。不过电缆地层测试的探测半径通常小于钻杆测试。利用井点各层位的试井解释渗透率，采用储层随机建模技术得到煤层气田渗透率的分布。3.3 变煤层

10、渗透率 煤的压缩系数比常规砂岩高出两个数量级。在煤层气开采过程中，随着地层压裂的下降，煤层有效应力增加，导致煤裂缝宽度缩小，煤裂缝渗透率降低。地层压力下降也使原来吸附在煤基质表面的煤层气解析出来，导致煤基质收缩，煤裂缝宽度扩大，这样增加了煤裂缝渗透率。在煤层气开采过程中这两个对渗透率作用相反的机理同时存在，在煤层气数值模拟模型中有时需要模拟这两种机理对渗透率的影响。 描述应力和解析对煤层渗透率影响的模型有很多，用的比较普及的模型是帕尔马曼索里模型。该模型适用于单轴向应变条件。 在模拟模型中直接应用应力和解析对煤层渗透率影响模型可能会影响模型的计算时间，因为模型在每一个时间步都需要计算新的孔隙度

11、和渗透率，一个有效的方法是先手工应用变渗透率模型计算孔隙体积和传导率随压力的变化，然后将计算结果提供给模型。下面的表为一个计算实例。从表中可以看出，随着地层压力下降，一开始应力起主要作用，孔隙体积和传导率都在下降，当压力低于543psia后，煤基质收缩起主要作用，孔隙体积和传导率反弹，开始升高，而且可能会高于初始地层渗透率。渗透率的反弹尺度取决于煤层初始孔隙度和杨式模量。低孔隙度和高杨式模量会有明显反弹。压力 孔隙体积乘积 传导率乘积5 1.03 1.0969 0.97 0.90136 0.92 0.77223 0.87 0.66281 0.85 0.62322 0.84 0.59359 0.

12、83 0.58396 0.83 0.56430 0.82 0.55467 0.82 0.55502 0.82 0.55543 0.82 0.54587 0.82 0.55644 0.82 0.55732 0.83 0.57821 0.84 0.60920 0.86 0.641047 0.89 0.711173 0.92 0.791289 0.96 0.881422 1.00 1.003.4 相对渗透率曲线 相对渗透率曲线存在更大不确定性。在常规油气田可以精确测量的气水相对渗透率曲线在煤层气田很难获得。煤的非均质性很强，在取样时很难取得有代表性的样品，而且煤裂缝孔隙度很小，渗透率会随应力和煤层气

13、解析而发生变化，这些都给测量相渗曲线带来难度。虽然煤层气已经开发了20多年，但煤层气气水相对渗透率测量数据很少，在模拟时通常把相对渗透率作为不确定参数, 然后通过历史拟合来修正气水相对渗透率。需要注意的是由于历史拟合的多解性以及其他不确定参数的影响，通过历史拟合得到的相对渗透率并不十分可靠。 在没有实测相对渗透率的情况下，模型可以应用克里（corey）相渗曲线：K_rg=KRG*(1-Sw)n其中： Krg: 气相相对渗透率KRG: 气相最大相对渗透率Sw: 含水饱和度n: 指数K_rw=(Sw)n其中： Krw: 水相相对渗透率Sw: 含水饱和度n: 指数 气相相渗气相克里指数一般介于1到2

14、之间，气相最大相对渗透率介于0.6到1之间，水相相对渗透率克里指数通常在2到3之间3.5 煤层厚度 工业界把煤定义为含碳量大于50重量百分比或70体积百分比的矿物。煤的密度通常介于1.69克/立方厘米到1.83克/立方厘米之间。煤层气开发普遍采用1.75克/立方厘米的截止值，密度小于1.75克/立方厘米的地层定义为为有效煤层。密度测井曲线和伽玛测井曲线是最常用的识别煤层气和计算煤层厚度的工具。 在进行油藏数值模拟时，有时候把煤层连通关系也作为有效厚度的截止值，只把与生产井连通的煤层计入有效厚度，而不把未连通煤层计入有效厚度，这些煤层虽然含有气，但由于不与现有井网井连通，无法将这些煤层中的煤层气

15、开采出来，因此不计入有效厚度。以后随着井网调整或加密，这些煤层可以计入有效厚度。 虽然煤层气有效厚度截止值通常采用1.75克/立方厘米，但有些密度介于1.8到2.2克/立方厘米的碳质页岩或碳质泥岩也含有气。这些碳质页岩或碳质泥岩非常致密，渗透率低于0.1毫达西，这些气无法被直接采出，但这些气可以扩散到所连接煤层，然后从煤层中生产出来。在油藏数值模拟中可以采用多孔隙度模型模拟高密度碳质页岩或碳质泥岩对最终采收率的贡献。在我工作的煤层气田，数值模拟计算高密度碳质页岩或碳质泥岩大约贡献5的最终采收率。3.6 煤层连通性 不同煤层气田煤层连通性差别很大。有的煤层气田空间连续性很好，几个主力煤层厚度可以

16、达到几米,主力煤层连通几十公里以上，用测井曲线可以很好的进行小层对比。有的煤层气田煤层在空间连续性很差，井与井之间根本无法进行小层对比。有的煤田煤层都很薄，不足一米，无法在测井曲线上识别每个小层，只能进行大的煤组对比。油藏数值模拟模型主要通过净毛比来描述煤层的空间分布，将与生产井不连通的煤层厚度不计入净厚度。也可以通过调整传导率的方法来描述煤层的空间连续性。3.7 煤层气含量 煤层气含量是指地下煤层实际吸附气量，通常定义为单位重量煤所吸附的气体在标准温度和压力下的体积，重量单位一般用吨。煤层气含量是煤层气开发最重要的参数之一，煤层气含量直接控制煤层气藏储量。煤矿出于安全的需要很早就测量煤层瓦斯

17、气含量，现在煤层气开发可以直接应用煤矿测量瓦斯气含量的方法，即将取芯密封到解析器，在常温，常压条件下测量煤层气解析量随时间的变化，得到最大解析量，然后测量残余气量，计算取芯和运输过程中损失气量，最大解析气量，残余气量和损失气量之和即为该样品煤层气含量。 实验室提供的煤层气含量一般是干燥有机条件下的含量，在模拟模型中我们需要地下条件的煤层气含量，可以应用下面的公式将实验室测量煤层气含量折算到地下条件：G_c=G_CO 1-(W_a+W_we )其中： Gc: 地下煤层气含量Gco: 实验室测量干燥有机条件下煤层气含量Wa: 煤层灰分Wwe: 煤层湿分 德士古开发的一个中国淮北煤层气天煤层气含量在

18、10到14立方米/吨，我现在工作的煤层气田煤层气平均含量在1到12立方米/吨左右。 在油藏模拟模型中我们需要提供煤层气含量的分布，地质学家应用实验室测量岩芯煤层气含量然后通过随机建模技术建立煤层气分布模型，我们可以通过粗化技术建立数值模拟模型煤层气含量分布。3.8 煤吸附能力煤吸附能力指煤在地下温度和压力条件下最大吸附气量，煤吸附能力影响煤层气开发过程中的脱水时间，对于饱和煤层，煤层气含量等于煤吸附能力，井一开始就产气，而对于欠饱和煤层，需要较长的脱水后井才产气。煤吸附能力取决于煤层温度，压力，煤层孔隙结构，有机质含量，湿分和煤级。煤吸附能力随压力增加而增加，煤吸附能力与压力的关系常用朗缪尔解

19、析等温线来描述。实验室可以测量油藏温度下干燥有机朗缪尔体积常数和朗缪尔压力常数，可以应用方程将实验室条件下的朗缪尔解析等温线折算到地下条件：G_S=G_SL 1-(W_a+W_we )×P/(P+P_L )其中： Gs: 地下煤层气吸附能力GSL: 实验室测量干燥有机条件下朗缪尔体积常数PL: 朗缪尔压力常数P: 压力Wa: 煤层灰分Wwe: 煤层湿分 在油藏模拟模型中我们需要提供煤吸附能力的分布以及朗缪尔解析等温线。模拟器将应用每个网格的煤吸附能力值来标定每个网格的朗缪尔解析等温线，在黑油模型部分我们将详细介绍模型如何标定朗缪尔解析等温线。4. 模拟煤层气藏4.1 变黑油模型 煤层

20、气数值模拟模型与常规数值模拟模型最大的区别在于煤层气模型需要模拟煤层气从煤基质的解析以及煤层气在煤基质的扩散。如果假定煤层气瞬间解析，那么可以用黑油模型近似模拟煤层气模型。模拟方法是把黑油模型中的油相设为不流动相，用朗缪尔解析等温线计算油相的气油比随压力的变化，即用黑油模型中气在压力下降过程中从油相的析出近似模拟煤层气在压力下降过程中从煤基质的解析。另外需要对黑油模型孔隙度，油水，气水相渗曲线进行单独处理。下面是应用变黑油模型模拟煤层气的具体步骤：A. 建立油，气，水三维三相单孔黑油模型B. 用下面关系式计算变黑油模型孔隙度：_coal/(1-So )其中： 变黑油模型孔隙度_coal： 煤裂

21、缝孔隙度 So： 变黑油模型含油饱和度变黑油模型含油饱和度可以自由设定，比如将所有网格含油饱和度都设为1。C: 用下面关系式将煤层气气水相渗曲线转换为变黑油模型气水相渗曲线S_g=(1-S_o )*S_gcoalS_w=(1-S_o )*S_wcoal其中：S_g 变黑油模型气水相渗曲线气相饱和度S_gcoal： 煤裂缝气水相渗曲线气相饱和度 S_w 变黑油模型气水相渗曲线水相饱和度S_wcoal： 煤裂缝气水相渗曲线水相饱和度 S_o： 变黑油模型含油饱和度D: 将变黑油模型油相相对渗透率设为0E: 应用下面关系式将朗缪尔解析等温线折算为气油比随压力的变化：R_

22、s=(1-_coal )*G_s*B_O)/(S_o*0.178)其中：R_s 变黑油模型油气比： 变黑油模型孔隙度_coal： 煤裂缝孔隙度 G_s： 朗缪尔解析等温线B_O 油相体积系数S_o： 变黑油模型含油饱和度F: 计算变黑油模型初始油气比分布R_s=(1-_coal )*G_c*B_O)/(S_o*0.178)其中：G_c： 煤层初始含气量模型煤层气初始可以处于饱和状态或未饱和状态。4.2 单孔介质模型 如果煤层气从煤基质解析非常快，解析气与自由气能够瞬间达到平衡，那么可以采用单孔介质煤层气模型进行模拟。在单孔介质煤层气模型中每个网格都包括孔隙和骨架两部分，孔隙部分用来描

23、述煤裂缝，骨架部分用来描述煤基质。单孔介质煤层气模型应用很少，大多数煤层气模型都用双孔介质模型。4.3 双孔介质模型 煤层气双孔介质模型用两个网格描述煤的基质和裂缝部分。其中一个网格描述煤的基质部分，煤层气吸附在这个基质网格，随着压力的下降，煤层气从基质网格解析出来，流到煤裂缝网格。每个煤基质网格对应一个煤裂缝网格，一般情况下煤裂缝网格初始充满地层水，随着生产井脱水，裂缝网格压力下降，当压力低于临界解析压力后，煤层气从基质网格解析流入对应的裂缝网格，裂缝网格含水饱和度下降，含气饱和度上升，裂缝网格开始气水两相流动。井只与裂缝网格连通，流体在裂缝网格之间发生流到，流体可以从裂缝网格流入到生产井，

24、流体在基质网格之间不发生流到。 煤层气吸附在基质网格，通常情况下煤裂缝网格充满地层水，不含气，煤层气藏初始储量可以由煤基质网格总体积和煤层气含量来计算：OGIP=(DX*DY*DZ*NTG*Gc)  其中： DX,DY,DZ: 网格X,Y,Z三方向尺寸NTG: 净毛比Gc： 煤层气含量 水的储量由煤裂缝总孔隙体积计算：OWIP=(DX*DY*DZ*NTG*PORO)  其中： OWIP: 地层水储量DX,DY,DZ: 网格X,Y,Z三方向尺寸NTG: 净毛比PORO: 裂缝孔隙度 煤层气从煤层基质网格扩散到对应的煤层裂缝网格。扩散过程通常用菲克扩散定律来描述。F_g=DIF

25、FMF*D_C*(GC_b-GC_s) 其中： Fg： 煤层气扩散流速DIFFMF: 煤基质裂缝扩散率D_C：扩散系数GC_b：基质煤层气浓度GC_(s： )裂缝表面煤层气浓度 煤基质裂缝扩散率取决于网格体积和裂缝与基质接触形状因子：DIFFMF=VOL* 其中：: 裂缝与基质接触形状因子VOL：网格体积  形状因子描述单位体积煤基质与煤裂缝的接触面积，煤层裂缝越发育，单位体积内裂缝越多，煤基质与煤裂缝接触面积越大。煤基质裂缝扩散率大小代表煤基质与煤裂缝的连通程度，煤基质裂缝扩散率越大，煤基质与煤裂缝的连通程度越好，煤层气越容易从煤基质扩散到煤裂缝。 扩散系数表示煤层气在煤层基质孔隙

26、内的扩散能力。实验室可以测量煤层气解析时间，煤层气解析时间定义为解析63煤层气所需要的时间。如果将煤层气模型裂缝形状因子设为1，那么扩散系数就等于解析时间的倒数。4.4 多孔介质模型 前面讲过，煤的最大密度一般在1.69到1.83克/立方厘米之间，煤层气开发常用的煤密度截止值为1.75克/立方厘米，也就是说密度大于1.75克/立方厘米岩层不计入有效厚度。但有些密度介于1.8到2.2克/立方厘米的碳质页岩或碳质泥岩也含有气，虽然碳质页岩或碳质泥岩非常致密，渗透率低于0.1毫达西，不能被直接产出，但这些气可以扩散到所连接煤层，然后从煤层中生产出来。在数值模拟模型中，可以设置三孔介质模型，模拟高密度

27、碳质页岩或碳质泥岩对气产量的贡献。 建立三孔介质模型需要建立高密度碳质页岩或碳质泥岩网格，煤基质网格和煤裂缝网格。生产井只与煤裂缝网格相连通，不与碳质页岩或碳质泥岩网格和煤基质网格连通。气体可以从碳质页岩或碳质泥岩网格扩散到煤基质网格然后从煤裂缝网格采出。4.5 黑油模型 大多数煤层气田数值模拟模型都选用黑油模型。应用黑油模型模拟煤层气田，我们除了需要为模型提供常规黑油模型的参数以外，还需要提供以下煤层气模型参数： 煤层裂缝孔隙度分布 煤层裂缝渗透率分布 煤层净厚度或净毛比 煤层扩散系数 (煤层气解析时间) 朗缪尔解析等温线 煤层气与地层水相渗曲线 煤压缩系数 煤层气初始含量分布 煤层吸附能力

28、分布 在进行煤层气模拟饱和度初始化时，如果煤层初始充满水，不含自由气，那么可以将气水界面设在模型顶面，将气水相渗曲线最小含气饱和度设为0。如果煤层初始含有自由气，需要将气水相渗曲线最小含气饱和度设为自由气饱和度或采用饱和度端点标定方法。 初始充满水，不含自由气的煤层在压力初始化时主要用地层水地面密度计算地层压力梯度。如果煤层初始含有自由气，那么需要用水和气的地面密度计算地层压力梯度。 如果不给模型提供煤层初始气含量，模型将把煤层作为饱和煤层，即煤层气含量等于该压力下煤层最大吸附量，每个网格的煤层气含量从朗缪尔解析等温线反查出网格压力对应的煤层气含量。 如果模型每个网格都提供煤层气初始含量，一般情况下也应该给模型每个网格提供煤层气最大吸附量。这样模型将依据每个网格的煤层气最大吸附量标定每个网格朗缪尔解析等温线，标定方法与标定相渗曲线方法一样，都是采用线性转换的方法。 历史拟合一般是定水量拟合气量，见气时间，井底压力，静压，产液剖面等。历史拟合时一般调整以下参数： 煤的连通程度（调整传导率或净毛比） 煤层裂缝孔隙度 煤层裂缝渗透率 煤层基质含气饱和程度 煤层气水相对渗透率 井的生产指数 产气量主要对煤的连通程度，煤层裂缝渗透率，煤层气水