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煤层气储层数值模拟研究的应用41121720

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煤层气 数值 模拟 研究 应用 41121720
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非 常 规 气 : 煤 层 气收 稿 日 期 : 2004209215; 修 回 日 期 : 20042102111基 金 项 目 : 国 家 “ 九 五 ” 重 点 科 技 攻 关 项 目 “ 新 集 浅 层 煤 层 气 示 范 开 发 成 套 工 艺 技 术 及 专 用 装 备 研 究 ” (编 号 : 972224201202)资 助 简 介 : 王 晓 梅 (19752) , 女 , 陕 西 绥 德 人 , 在 读 硕 士 , 主 要 从 事 油 气 运 移 、 煤 层 气 数 值 模 拟 的 研 究 工 作 气 储 层 数 值 模 拟 研 究 的 应 用王 晓 梅 1, 张   群 2, 张 培 河 2, 赵 俊 峰 1, 陈 鸿 春 3(1. 西 北 大 学 , 陕 西 西 安 710069;   2. 煤 炭 科 学 研 究 总 院 西 安 分 院 , 陕 西 西 安 710054;3. 国 投 新 集 能 源 股 份 有 限 公 司 , 安 徽 新 集 232024)摘 要 : 储 层 数 值 模 拟 是 确 定 煤 层 气 开 发 方 案 和 评 价 采 收 率 的 有 效 方 法 , 其 遵 循 常 规 油 气 藏 数 值 模拟 步 骤 , 通 常 包 括 选 择 模 型 、 资 料 输 入 、 灵 敏 度 试 验 、 历 史 拟 合 和 动 态 预 测 5 个 环 节 。 煤 层 气 属 于 非常 规 天 然 气 , 其 储 层 数 值 模 拟 基 于 解 吸 — 扩 散 — 渗 流 的 地 质 模 型 , 在 具 体 模 拟 过 程 中 具 有 自 身 的 特点 。 结 合 在 新 集 煤 层 气 试 验 区 开 展 的 储 层 数 值 模 拟 研 究 工 作 , 重 点 阐 述 了 模 拟 研 究 中 的 两 个 重 要 环节 : 模 拟 模 型 的 建 立 (资 料 输 入 )和 历 史 拟 合 。 模 拟 模 型 的 建 立 是 进 行 储 层 数 值 模 拟 工 作 的 基 础 , 试验 区 模 拟 模 型 的 具 体 内 容 包 括 : 确 定 模 拟 区 域 及 边 界 条 件 , 剖 分 网 格 、 确 定 流 体 的 性 质 参 数 、处 理 储 层 描 述 数 据 和 处 理 动 态 数 据 等 。 历 史 拟 合 是 运 用 已 有 生 产 井 的 动 态 资 料 校 正 模 拟 模 型 的 逆过 程 。 通 过 历 史 拟 合 , 获 得 了 更 能 够 真 实 反 映 试 验 区 储 层 特 征 的 参 数 , 分 析 了 5 煤 层 和 6 煤 层 附 近的 大 段 砂 岩 层 对 煤 层 气 产 量 的 贡 献 , 提 出 了 排 采 作 业 建 议 , 并 采 用 历 史 拟 合 的 储 层 参 数 进 行 了 动 态预 测 。关 键 词 : 煤 层 气 ; 数 值 模 拟 ; 储 层 ; 新 集中 图 分 类 号 : T 2+ 5        文 献 标 识 码 : A         文 章 编 号 : 167221926 (2004) 06206642050  引 言煤 层 气 ( 开 采 过 程 是 气 、 水两 相 流 体 在 地 层 中 运 移 、 产 出 的 过 程 。 煤 层 气 储 层 数值 模 拟 综 合 了 地 质 学 、 岩 石 物 理 学 和 储 层 工 程 方 面的 资 料 (图 1) , 用 数 学 模 型 来 研 究 储 层 的 各 种 物 理性 质 和 流 体 在 其 中 的 流 动 规 律 , 是 确 定 合 理 的 开 发方 案 和 评 价 井 田 采 收 率 的 有 效 方 法 [1 ]。 煤 层 气 储 层数 值 模 拟 遵 循 常 规 油 气 藏 数 值 模 拟 步 骤 , 通 常 包 括选 择 模 型 、 资 料 输 入 、 灵 敏 度 试 验 、 历 史 拟 合 和 动 态预 测 5 个 环 节 (图 2) [2 ]。煤 层 气 属 于 非 常 规 天 然 气 , 与 常 规 天 然 气 存 在一 定 区 别 : 煤 层 气 的 赋 存 机 理 与 常 规 天 然 气 不 同 , 主要 以 物 理 形 式 吸 附 在 煤 基 质 的 内 表 面 上 , 一 般 认 为服 从 兰 氏 方 程 ; 在 扩 散 机 理 方 面 , 煤 层 气 服 从 F ; 煤 层 气 的 渗 流 机 理 和 常 规 天 然 气 一 致 , 服 从 达西 定 律 。 煤 层 气 储 层 数 值 模 拟 基 于 解 吸 — 扩 散 — 渗流 的 地 质 模 型 , 在 具 体 模 拟 过 程 中 具 有 自 身 的 特 点 。图 1 储 层 模 拟 的 要 素动 态 数 据 运 行 控 制 参 数产 量 、 压 力 和 气 含 量 等 随 时 间 的 变 化模 拟 器 运 行储 层 描 述工 程 资 料地 质 学 , 岩 石 物 理 学新 集 矿 区 位 于 安 徽 省 淮 南 煤 田 南 部 中 段 。 新 集 煤 层气 试 验 区 包 括 3 口 煤 层 气 开 发 试 验 井 , 即 。 采 用 T 23D 商 业 软 件 进行 数 值 模 拟 研 究 工 作 。 本 文 重 点 讲 述 数 值 模 拟 中 的2 个 重 要 环 节 , 即 模 拟 模 型 的 建 立 和 历 史 拟 合 。1  模 拟 模 型 的 建 立储 层 模 拟 模 型 就 是 把 实 际 储 层 数 值 化 , 即 把 全第 15 卷 第 6 期2004 年 12 月          天 然 气 地 球 科 学U   C          V o l. 15 N o. 6D   2004图 2 模 拟 步 骤动 态 预 测历 史 拟 合灵 敏 度 试 验资 料 输 入选 择 模 型部 影 响 煤 层 气 开 发 过 程 的 储 层 特 征 在 时 间 和 空 间 上的 分 布 用 数 据 描 述 出 来 。 储 层 模 拟 模 型 要 求 既 能 真实 地 反 映 储 层 的 地 质 特 征 和 流 体 的 性 质 特 点 , 又 能以 最 简 化 的 方 式 解 决 实 际 工 程 问 题 [3 ]。模 拟 模 型 的 建 立 包 括 确 定 模 拟 区 域 及 边 界 条件 、 剖 分 网 格 、 确 定 流 体 的 性 质 参 数 、 处 理 储层 描 述 数 据 和 处 理 动 态 数 据 等 方 面 的 内 容 。 模 拟 模型 是 进 行 历 史 拟 合 和 动 态 预 测 的 基 础 , 所 涉 及 的 每一 个 数 据 力 求 真 实 可 靠 。1. 1  模 拟 区 域 及 边 界 条 件模 拟 区 域 位 于 新 集 示 范 区 内 , 北 部 为 F 1断 层 ,南 部 为 F 10、 F 11断 层 ① 。 由 于 断 层 使 煤 层 错 开 , 对 煤 层起 到 封 闭 作 用 , 因 而 模 拟 区 域 南 北 两 侧 均 视 为 封 闭边 界 。 为 避 免 边 界 不 确 定 性 对 计 算 结 果 的 影 响 , 东 西边 界 远 离 源 汇 项 , 视 为 定 压 边 界 。1. 2  网 格 剖 分根 据 新 集 试 验 区 井 的 压 裂 缝 监 测 , 主 裂 缝 方 向近 东 西 向 。 因 此 , 模 拟 网 格 坐 标 主 轴 取 为 东 西 向 , 与储 层 边 界 的 走 向 一 致 。 新 集 试 验 区 数 值 模 拟 网 格 划分 见 图 3。 密 封 边 界 以 外 的 网 格 为 无 效 网 格 , 其 渗 透率 和 孔 隙 度 设 为 零 。 所 设 计 的 网 格 在 主 渗 透 方 向 有16 个 网 格 块 , 次 渗 透 方 向 有 9 个 网 格 块 , 网 格 块 均为 160 m × 160 m。图 3  新 集 试 验 区 数 值 模 拟 网 格 划 分新 集 试 验 区 储 层 模 拟 在 垂 直 方 向 有 3 个 目 标 层位 , 煤 层 的 顶 板 和 底 板 均 为 泥 岩 。 在 模 拟 中 , 3 层 煤的 顶 板 和 底 板 可 视 作 封 闭 边 界 , 煤 层 之 间 无 水 动 力联 系 , 分 别 将 其 按 独 立 的 层 位 进 行 计 算 。 和 开 采 的 目 标 煤 层 为 8 煤 层 、 6 煤 层 和 1 煤层 , 为 目 标 煤 层 1321 煤 层 和 1 煤 层 (图 4)。图 4  新 集 试 验 区 生 产 井 剖 面 示 意1. 3  流 体 的 参 数储 层 模 拟 所 涉 及 气 体 的 参 数 包 括 气 体 的组 分 (表 1)、 密 度 、 粘 滞 系 数 、 体 积 系 数 和 气 体 在 水中 的 溶 解 度 。 气 体 的 密 度 、 粘 滞 系 数 与 体 积 系 数 根 据气 体 的 组 分 由 软 件 包 自 动 计 算 。 储 层 模 拟 所 涉 及 水的 参 数 包 括 水 的 体 积 系 数 、 粘 滞 系 数 和 水 在地 面 的 密 度 。表 1  储 层 模 拟 初 始 输 入 数 据煤 层 参 数 8 煤 层 6 煤 层 1 煤 层裂 隙 渗 透 率 (10- 3) 0. 383 0. 085 1 0. 133 8裂 隙 孔 隙 度 (% ) 1. 00 2. 00 1. 00气 含 量 (m 3 t) 5. 42 4. 31 7. 10兰 米 尔 体 积 (m 3 t) 17. 11 16. 60 19. 55兰 米 尔 压 力 (M 5. 25 6. 37 5. 08吸 附 时 间 (d) 3. 46 3. 40 4. 14孔 隙 压 缩 系 数 (1 M 4. 35× 10- 2 4. 35× 10- 2 4. 35× 10- 2基 质 压 缩 系 数 (1 M 4. 35× 10- 4 4. 35× 10- 4 4. 35× 10- 4煤 的 视 相 对 密 度 (t m 3) 1. 4 1. 475 1. 395储 层 温 度 (℃ ) 35 40裂 缝 间 距 ( 10 10 10初 始 水 饱 和 度 (% ) 100 100 100气 体组 分 (% ) 76. 41 81. 87 86. 31 (% ) 1. 21 1. 13 1. 94N 2 (% ) 22. 38 17. 00 11. 751. 4  储 层 描 述 数 据储 层 描 述 数 据 是 把 实 际 储 层 量 化 , 即 用 具 体 的数 值 来 描 述 储 层 。 新 集 试 验 区 储 层 描 述 数 据 整 理 见表 1。 煤 层 厚 度 和 顶 板 标 高 依 据 其 等 值 线 图 取 值 ; 储566N o. 6                        王 晓 梅 等 : 煤 层 气 储 层 数 值 模 拟 研 究 的 应 用                        ① 煤 炭 科 学 研 究 总 院 西 安 分 院 . 新 集 浅 层 煤 层 气 示 范 开 发 地 质 及基 础 资 料 汇 编 , 力 基 本 处 于 正 常 压 力 分 布 状 态 , 模 拟 区 域 网 格块 的 储 层 压 力 按 照 压 力 梯 度 918 m 换 算 得 出 ;裂 隙 的 渗 透 率 和 孔 隙 度 主 要 依 据 试 井 测 试 数 据 分 层赋 值 ; 气 含 量 是 煤 岩 层 分 析 测 试 结 果 ; 兰米 尔 体 积 、 兰 米 尔 压 力 是 煤 样 的 等 温 吸 附实 验 数 据 ; 吸 附 时 间 根 据 煤 芯 解 吸 数 据 分析 给 出 ; 孔 隙 压 缩 系 数 (Po o e 和 基 质 压 缩 系 数 (M h p 考 国 外 资 料 给 出 [1 ]。 气 — 水 相 对 渗 透率 初 始 数 据 采 用 8 煤 层 样 品 实 测 的 相 对 渗 透 率 值(图 5)。 模 拟 过 程 中 不 考 虑 毛 管 压 力 的 影 响 , 取 值 为零 。图 5  8 煤 层 实 测 的 相 对 渗 透 率 曲 线1. 5  动 态 数 据动 态 数 据 指 一 切 与 时 间 有 关 的 数 据 , 包 括 完 井和 修 井 数 据 、 生 产 数 据 和 压 力 数 据 [3 ]。生 产 数 据 主 要 是 指 煤 层 气 井 井 史 数 据 , 包 括 日水 产 量 、 日 气 产 量 、 累 计 水 产 量 、 累 计 气 产 量 和 关 井日 期 等 。 历 史 拟 合 时 , 需 要 把 每 口 井 的 生 产 历 史 , 统一 划 分 成 若 干 时 间 段 。 每 口 井 在 一 个 时 间 段 内 只 采用 一 个 生 产 制 度 。 新 集 储 层 模 拟 中 采 用 10 d 为 一 个工 作 制 度 。模 拟 模 型 除 确 定 上 述 参 数 外 , 还 包 括 运 行 控 制和 输 入 输 出 控 制 等 有 关 的 参 数 。 建 立 符 合 实 际 地 质条 件 的 储 层 模 拟 模 型 是 整 个 模 拟 的 基 础 , 在 参 数 输入 、 边 界 条 件 的 确 定 以 及 初 始 条 件 的 设 置 方 面 都 应力 求 准 确 。2  历 史 拟 合 结 果 及 分 析应 用 数 值 模 拟 方 法 计 算 煤 层 气 产 出 动 态 时 , 由于 勘 探 程 度 不 高 和 煤 储 层 的 复 杂 性 等 原 因 , 在 模 拟计 算 中 所 使 用 的 参 数 不 能 准 确 地 反 映 实 际 情 况 , 因而 需 要 采 用 历 史 拟 合 方 法 调 整 参 数 。 历 史 拟 合 是 运用 已 有 生 产 井 的 动 态 资 料 校 正 模 拟 模 型 的 逆 过 程 ,具 体 方 法 在 参 考 文 献 [ 4 ]中 有 较 详 细 的 论 述 。在 敏 感 性 分 析 的 基 础 上 , 对 新 集 试 验 区 999 年 6 月 11 日 至 2000 年 5 月 25 日 的 排 采 资料 和 2000 年 10 月 31 日 至 2001 年 4 月15 日 的 排 采 资 料 进 行 了 拟 合 计 算 , 获 得 了 各 井 历 史拟 合 气 、 水 产 量 曲 线 (图 6 和 图 7)。 由 于 气 、 水 产 量 都 很 小 , 生 产 情 况 不 正 常 , 没 有 代 表 性 , 故在 本 次 历 史 拟 合 中 未 予 考 虑 。图 6  气 、 水 产 量 历 史 拟 合 曲 线图 7  气 、 水 产 量 历 史 拟 合 曲 线2. 1  储 层 参 数 校 正通 过 气 、 水 产 量 的 历 史 拟 合 ,666                              天   然   气   地   球   科   学                             V o l. 15对 初 始 输 入 的 储 层 参 数 进 行 校 正 , 得 到 了 更 能 够 真实 反 映 煤 储 层 特 征 的 一 组 储 层 参 数 和 工 程 参 数(表 2)。 由 表 2 可 看 出 , 拟 合 气 含 量 比 实 测 气 含 量 增加 10%~ 20% , 拟 合 渗 透 率 是 注 入 压 降 测 试 渗 透率 的 4~ 7 倍 , 兰 米 尔 体 积 比 实 验 室 测 定 结 果 低10%~ 16% , 兰 米 尔 压 力 比 实 验 室 测 定 结 果 高 10%表 2  煤 储 层 模 拟 初 始 参 数 取 值 及 历 史 拟 合 结 果 对 比模 拟 数 值 参 数 8 煤 层初 取 值 拟 合 值 6 煤 层初 取 值 拟 合 值 1 煤 层初 取 值 拟 合 值气 含 量 (m 3 t) 5. 42 6. 23 4. 31 5. 17 7. 10 7. 81渗 透 率 (m d) 0. 213 0. 85 0. 086 0. 602 0. 134 0. 760兰 米 尔 体 积 (m 3 t) 17. 11 14. 37 16. 60 14. 94 19. 55 17. 59兰 米 尔 压 力 (M 5. 25 6. 56 6. 37 7. 64 5. 08 5. 59吸 附 时 间 (d) 3. 46 3. 40 4. 14裂 隙 孔 隙 度 (% ) 1. 30 1. 30 1. 20压 缩 系 数 (1 M 4. 35× 10- 2收 缩 系 数 (1 M 4. 35× 10- 4表 皮       5. 42 (100 d 前 )、 - 4. 16 (100 d 后 )系 数       6. 09 (78 d 前 )、 - 5. 96 (78 d 后 ) )有 效 裂     8 m (100 d 前 )、 8 m (100 d 后 )缝 半 长     5 m (78 d 前 )、 48 m (78 d 后 )~ 25%。拟 合 出 的 相 对 渗 透 率 值 见 表 3, 显 示 煤 的 束 缚水 饱 和 度 较 高 , 可 能 会 对 排 水 采 气 产 生 不 利 影 响 。表 3  新 集 煤 的 相 对 渗 透 率水 饱 和 度 (% ) 气 相 对 渗 透 率 (% ) 水 相 对 渗 透 率 (% )100 0 10097 2 2093 3 1589 5 1285 6 979 9 572 13 369 15 266 19 02. 2  对 砂 岩 层 的 认 识新 集 矿 区 从 泥 浆 气 测 录 井 得 知 , 5、 6 煤 层 及 其附 近 的 大 段 砂 岩 有 非 常 强 烈 的 气 显 示 , 甚 至 比 所 有目 标 煤 层 的 气 显 示 还 强 烈 。 该 区 砂 岩 致 密 、 坚 硬 , 渗透 率 为 (0. 01~ 0. 38) × 10- 3 , 除 局 部 发 育 弱 含水 层 的 裂 隙 外 , 基 本 上 属 微 渗 透 至 非 渗 透 层 。 模 拟 结果 显 示 , 该 区 砂 岩 对 煤 层 气 产 量 贡 献 不 大 , 强 烈 的 气显 示 可 能 是 由 于 砂 岩 中 存 在 少 量 的 游 离 气 。2. 3 排 采 效 果 分 析煤 层 气 井 的 生 产 是 一 个 排 水 降 压 的 连 续 过 程 。往 往 由 于 修 井 或 停 电 等 因 素 , 使 排 采 作 业 中 途 停 止 ,液 面 上 升 , 影 响 正 常 产 气 。 和 的 排采 曲 线 显 示 (图 8) , 当 停 抽 时 间 较 长 时 , 气 井 恢 复 生产 后 气 产 量 降 低 , 气 产 量 曲 线 呈 台 阶 状 下 降 趋 势 。 生 产 至 92 d, 停 机 约 8 d, 恢 复 生 产 后 气 产量 比 停 机 前 低 近 120 m 3 d; 生 产 至 53 d, 停机 约 14 d, 气 产 量 比 停 机 前 低 近 1 000 m 3 d。 历 史 拟合 结 果 表 明 , 停 机 后 有 效 裂 缝 半 长 减 小20 m , 减 小 约 7 m。 初 步 分 析 认 为 , 这 种 现象 可 能 与 再 次 排 采 时 液 面 下 降 速 度 过 快 引 起 井 筒 和储 层 污 染 等 因 素 的 影 响 有 关 。 因 此 , 在 排 采 过 程 中 应该 连 续 作 业 , 同 时 要 严 格 控 制 液 面 下 降 速 度 和 幅 度 。图 8  和 气 产 量 曲 线3  动 态 预 测采 用 历 史 拟 合 校 正 后 的 储 层 参 数 , 对 采 用 定 井 底 流 压 、 两 口 井 同 时 排 采 的 方 式进 行 了 模 拟 动 态 预 测 (图 9)。 排 采 到 第1 080 d, 气 产 量 达 到 高 峰 , 为 458 m 3 d; 随 后 气 产 量有 所 下 降 , 20 a 的 平 均 气 产 量 为 337 m 3 d。 766N o. 6                        王 晓 梅 等 : 煤 层 气 储 层 数 值 模 拟 研 究 的 应 用                        续 排 采 到 第 330 d 气 产 量 达 到 高 峰 , 为2 928179m 3 d; 随 后 产 量 急 剧 下 降 , 20 a 的 平 均 气 产量 为 423 m 3 d。图 9  和 预 测 气 产 量 曲 线4  结 论通 过 新 集 煤 层 气 试 验 区 的 储 层 数 值 模 拟 研 究 工作 , 主 要 得 到 以 下 几 点 结 论 :(1) 模 拟 模 型 的 建 立 是 进 行 煤 储 层 数 值 模 拟 工作 的 基 础 , 新 集 试 验 区 模 拟 模 型 的 建 立 主 要 包 括 5个 方 面 的 内 容 : 确 定 模 拟 区 域 及 边 界 条 件 、 剖 分 网格 、 确 定 流 体 的 性 质 参 数 、 处 理 储 层 描 述 数 据和 处 理 动 态 数 据 等 。 在 参 数 输 入 、 边 界 条 件 的 确 定 以及 初 始 条 件 的 设 置 方 面 都 应 力 求 准 确 。(2) 通 过 历 史 拟 合 , 对 煤 储 层 的 认 识 更 加 客 观 ,得 到 了 更 能 够 真 实 反 映 煤 储 层 特 征 的 储 层 参 数 和 工程 参 数 。 5 煤 层 和 6 煤 层 附 近 的 大 段 砂 岩 层 对 煤 层气 产 量 贡 献 不 大 。 在 排 采 过 程 中 生 产 井 应 该 连 续 作业 , 同 时 要 严 格 控 制 液 面 下 降 速 度 和 幅 度 。(3) 对 采 用 定 井 底 流 压 、 两口 井 同 时 排 采 的 方 式 进 行 了 模 拟 动 态 预 测 : 0 a 的 平 均 气 产 量 为 337 m 3 d, 20 a 的平 均 气 产 量 为 423 m 3 d。致 谢 : 在 该 文 的 撰 写 过 程 中 得 到 了 王 震 亮 教 授 的 悉心 指 导 , 在 此 表 示 诚 挚 的 谢 意 !参 考 文 献 :[ 1 ]  A ]. o. - 94 0397.[ 2 ]  陈 月 明 . 油 藏 数 值 模 拟 基 础 [M ]. 山 东 : 石 油 大 学 出 版 社 , 1989.[ 3 ]  袁 奕 群 , 袁 庆 峰 . 黑 油 模 型 在 油 田 开 发 中 的 应 用 [M ]. 北 京 : 石油 工 业 出 版 社 , 1995.[ 4 ]  王 晓 梅 , 张 群 , 张 培 河 , 等 . 煤 层 气 井 历 史 拟 合 方 法 探 讨 [J ]. 煤田 地 质 与 勘 探 , 2003, 31 (1) : F R N G X Q N . ep X i’10069, Ch 2. X i’ Ch X i’10054, Ch 3. C X i E im om p X i 232024, Ch m ir u is m cu le to u R ir u fo s s in rm a ir u T s u r, u rm h ry m fo p m is an on of rp m ir u ow n ic ir u rm ed in ji of m T he en t of u h in u m is on en t of u in ji w h of in of u s, u V T ir t so H ry m is p of a u to of w By h ry m a ir ir in ji W th t o. 5 to p is T ed to r of p w pu t fo rw A h ry m u to p p of w m N um u R X in                             天   然   气   地   球   科   学                             V o l. 15
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