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煤层气单井产量影响因素分析

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煤层气 产量 影响 因素 分析
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    3 本 成 果 受 “ 973” 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 项 目 “ 中 国 煤 层 气 成 藏 机 制 及 经 济 开 采 基 础 研 究 ” (2002 助 。作 者 简 介 :万 玉 金 ,在 读 博 士 研 究 生 ; 1990毕 业 于 大 庆 石 油 学 院 ;主 要 从 事 天 然 气 开 发 、 气 藏 工 程 研 究 等 方 面 的 工 作 。 地址 : (065007)河 北 省 廊 坊 市 万 庄 44信 箱 。 电 话 : (010) 69213278。 气 单 井 产 量 影 响 因 素 分 析 3万 玉 金 1, 2   曹 雯 1(1. 中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 廊 坊 分 院   2. 中 国 地 质 大 学 · 北 京 )万 玉 金 等 . 煤 层 气 单 井 产 量 影 响 因 素 分 析 气 工 业 , 2005; 25 (1) : 124~ 126摘   要   煤 层 气 主 要 以 吸 附 状 态 赋 存 在 煤 岩 基 质 中 ,只 有 当 储 层 压 力 降 低 后 才 可 以 从 基 质 中 解 吸 出 来 ,煤 岩裂 隙 或 割 理 中 多 被 水 充 满 ,而 裂 隙 与 割 理 是 煤 层 中 的 主 要 运 移 通 道 ,煤 层 气 需 要 通 过 排 水 (裂 隙 或 割 理 )降 压 (煤 岩储 层 )方 式 才 得 以 采 出 ,故 煤 层 气 的 产 量 受 煤 岩 性 质 、 压 力 水 平 和 两 相 渗 流 特 征 等 多 种 因 素 的 影 响 。 文 章 分 析 认为 ,影 响 煤 层 气 井 单 井 产 量 的 主 要 因 素 包 括 煤 岩 渗 透 率 、 孔 隙 度 、 吸 附 能 力 、 含 气 量 、 临 界 解 吸 压 力 、 相 对 渗 透 率 等 ;为 提 高 煤 层 气 井 单 井 产 量 ,必 须 通 过 洞 穴 完 井 、 压 裂 改 造 或 水 平 井 等 方 式 ,改 善 井 底 渗 流 条 件 ,有 效 地 降 低 井 底 流压 ,扩 大 压 力 波 及 范 围 ,增 加 有 效 解 吸 区 ,扩 展 两 相 渗 流 区 范 围 。 为 实 现 煤 层 气 的 规 模 开 发 ,必 须 深 化 认 识 储 层 特征 ,结 合 地 质 实 际 ,选 择 合 适 的 开 发 技 术 。主 题 词   煤 成 气   产 量   渗 透 率   吸 附   开 采   技 术煤 层 气 研 究 在 美 国 取 得 了 最 为 显 著 的 成 功 ,2002年 美 国 煤 层 气 产 量 达 到 450 × 108 比 我 国 常规 天 然 气 产 量 还 高 〔 1〕 。 我 国 煤 炭 资 源 非 常 丰 富 ,储量 位 居 世 界 第 二 ,煤 层 气 总 资 源 量 可 达 27 × 10122, 3〕 ,几 乎 与 我 国 的 天 然 气 资 源 量 相 当 。 煤 层 气 的开 发 是 制 约 中 国 煤 层 气 发 展 的 瓶 颈 技 术 ,笔 者 主 要通 过 煤 层 气 赋 存 机 理 与 开 采 机 理 研 究 ,分 析 影 响 煤层 气 井 单 井 产 量 的 影 响 因 素 ,阐 明 提 高 单 井 产 量 的措 施 途 径 ,为 煤 层 气 开 发 服 务 。一 、 煤 层 气 赋 存 方 式与 常 规 天 然 气 储 层 不 同 ,煤 是 具 有 巨 大 比 表 面(10~ 40 g)的 多 孔 介 质 ,象 其 它 吸 附 剂 一 样 ,具有 吸 附 气 体 的 能 力 ,煤 层 气 主 要 以 物 理 吸 附 方 式 储存 在 煤 的 基 质 中 。 煤 对 气 体 的 吸 附 能 力 一 般 用 郎 格缪 尔 方 程 表 示 ,吸 附 量 为 游 离 气 压 力 的 函 数 。郎 格 缪 尔 方 程 表 示 为 :V = Vm : V 为 煤 岩 吸 附 量 , t; 郎 格 缪 尔 吸 附 常数 , t; 吸 附 量 达 到 极 限 吸 附 量 50%时 的 压力 ,即 当 p = , 0. 5V〔 4, 5〕 。图 1为 煤 岩 含 气 量 与 吸 附 等 温 线 关 系 图 ,其 中 吸 附 等 温 线 ,表 示 煤 岩 对 煤 层 气 的 吸 附 能 力 ;A、 B 和 为 煤 层 实 测 含 气 量 。 吸 附 等 温线 上 方 ,表 示 煤 层 气 为 过 饱 和 吸 附 ,煤 中 除 吸 附 气外 ,还 存 在 一 定 量 的 游 离 气 ; B 点 正 在 吸 附 等 温 线上 ,表 示 为 吸 附 饱 和 ,全 部 为 吸 附 气 ; 吸 附 等温 线 下 方 ,表 示 吸 附 未 饱 和 。图 1  煤 岩 含 气 量 与 吸 附 等 温 线 关 系 图大 量 的 实 验 表 明 : 煤 对 气 体 的 吸 附 是 可 逆的 〔 5, 6〕 ,只 要 能 够 降 低 压 力 ,吸 附 气 就 能 够 从 煤 基 质中 解 吸 出 来 ,这 对 于 煤 层 气 的 开 发 是 十 分 有 利 的 。在 图 1中 ,如 果 实 测 含 气 量 为 ,则 地 层 压 力 稍有 下 降 ,气 体 就 可 以 解 吸 ,临 界 解 吸 压 力 ( 即 等于 地 层 压 力 ( ;如 含 气 量 为 C,则 地 层 压 力 下 降 到·421·开 发 及 开 采                             天   然   气   工   业                                   2005年 1月 < 之 后 ,气 体 才 可 解 吸 。 如 果 废 弃 压力 ,则 从 实 测 含 气 量 (A、 B 或 C)到 废 弃 压 力 对 应 的 气 量 之 差 为 可 采 气 量 ,由 此 ,煤 层 气 采 收 率 取 决与 煤 层 初 始 含 气 量 与 废 弃 压 力 条 件 的 吸 附 量 。二 、 煤 层 气 开 采 机 理煤 储 层 为 双 重 介 质 ,由 基 质 和 割 理 组 成 ,但 与 常规 天 然 气 藏 不 同 ,煤 层 气 主 要 以 吸 附 状 态 储 集 的 基质 微 孔 隙 中 ,裂 隙 中 一 般 不 含 (B、 C )或 含 少 量 气 体(A ) ,而 水 主 要 富 集 在 裂 隙 或 割 理 中 ,基 质 孔 隙 中 不含 水 。煤 层 甲 烷 的 产 出 情 况 可 分 为 3个 阶 段 〔 7〕 :第 一阶 段 井 筒 附 近 地 层 压 力 的 下 降 ,只 有 水 产 出 ,这 一 阶 段 地 层 压 力 下 降 不 多 ,井 筒 附 近 只 有 单 相 流动 。 当 储 层 压 力 进 一 步 下 降 ,井 筒 附 近 开 始 进 入 第二 阶 段 ,这 时 有 一 定 数 量 的 甲 烷 从 煤 的 表 面 解 吸 ,开始 形 成 气 泡 ,阻 碍 水 的 流 动 ,水 的 相 对 渗 透 率 下 降 ,但 气 也 不 能 流 动 ,为 非 饱 和 水 单 相 流 动 阶 段 。 当 储层 压 力 进 一 步 下 降 ,有 更 多 的 气 解 吸 出 来 时 ,井 筒 附近 则 进 入 了 第 三 阶 段 ,含 气 饱 和 度 超 过 临 界 流 动 饱和 度 ,气 泡 互 相 连 通 形 成 连 续 的 流 线 ,形 成 气 水 两 相流 。 随 着 压 力 下 降 和 水 饱 和 度 的 降 低 ,气 的 相 对 渗透 率 逐 渐 上 升 ,气 产 量 也 逐 渐 增 加 。这 3个 阶 段 是 连 续 的 过 程 ,随 着 时 间 的 延 长 ,由井 筒 沿 径 向 逐 渐 向 周 围 的 煤 层 中 推 进 ,在 井 筒 周 围形 成 3个 区 域 (图 2) :最 外 层 区 域 为 单 项 水 渗 流 区 ,图 2  煤 层 气 井 压 力 波 及 范 围 与 供 气 区 示 意 图其 波 及 范 围 主 要 受 煤 层 对 水 单 相 渗 透 率 ( 影 响 ,在 一 定 时 间 内 , 大 ,波 及 范 围 越 大 ;中 间 区 为 有效 解 吸 区 ,地 层 压 力 降 到 临 界 解 吸 压 力 之 下 ,气 体 开始 解 吸 ,但 含 气 饱 和 度 小 于 临 界 流 动 饱 和 度 ,流 动 相仍 为 水 相 ,此 时 水 相 渗 透 率 已 有 所 下 降 ,区 域 范 围 受 ;内 层 区 域 为 两 相 渗 流 区 ,为 有 效 供 气区 ,气 、 水 产 量 大 小 主 要 受 相 对 渗 透 率 影 响 ,稳 产 能力 主 要 受 该 区 范 围 大 小 的 影 响 。 为 提 高 产 量 和 稳 产能 力 ,必 须 有 效 扩 大 两 相 渗 流 区 面 积 。如 果 实 测 含 气 量 为 C,则 同 时 存 在 3个 区 ;如 含气 量 为 B ,则 不 存 在 单 项 渗 流 区 ;如 含 气 量 为 A ,当 游离 气 量 超 过 临 界 流 动 饱 和 度 时 ,压 力 波 及 范 围 全 为两 相 渗 流 区 ,对 开 采 十 分 有 利 。 单 井 控 制 可 采 气 量主 要 为 两 相 渗 流 区 内 可 采 气 量 ,要 提 高 单 井 控 制 可采 气 量 ,必 须 扩 大 两 相 渗 流 区 波 及 面 积 。三 、 影 响 单 井 产 能 的 主 要 因 素1. 煤 层 厚 度煤 层 厚 度 是 煤 层 气 储 量 与 产 量 的 基 础 ,煤 层 越 厚 ,供 气 能 力 越 强 ,产 量 越 大 ;美 国 主 要 开 采 煤 层 气 盆 地 单井 累 积 厚 度 6~ 91 m, 2~ 40层 ,单 层 厚 1. 8~ 60 m〔 1〕 。2. 含 气 量含 气 量 决 定 煤 层 吸 附 饱 和 程 度 ,含 气 量 越 高 ,临界 解 吸 压 力 越 高 ,有 效 泄 气 面 积 越 大 ,单 井 产 量 越 高 。美 国 主 要 开 采 煤 层 气 盆 地 含 气 量 2~ 20 t,煤 层 厚 度 较 大 时 含 气 量 可 以 较 低 ,如 粉 河 盆 地 ,煤 储层 厚 达 91 m,含 气 量 仅 为 2~ 4 t,也 可 商 业 规 模开 采 〔 1〕 。3. 吸 附 常 数吸 附 常 数 决 定 了 煤 层 气 解 吸 的 路 径 ,当 定时 , 大 ,解 吸 越 困 难 ,产 量 越 低 ;当 定 时 , ,则 低 压 区 吸 附 曲 线 越 接 近 线 性 ,压 力 下 降 早 期解 吸 量 大 ,产 量 高 。4. 煤 层 压 力在 含 气 量 和 吸 附 等 温 线 确 定 的 条 件 下 ,煤 层 压力 越 接 近 临 界 解 吸 压 力 (图 1中 的 B 点 ) ,解 吸 越 容易 ,产 量 越 高 。5. 渗 透 率渗 透 率 是 决 定 煤 层 气 单 井 产 量 的 关 键 因 素 之一 ,渗 透 率 越 大 ,压 降 漏 斗 波 及 范 围 越 大 ,则 有 效 渗流 区 越 大 ,同 时 渗 流 越 容 易 ,产 量 也 越 高 。 圣 湖 安 和黑 勇 士 盆 地 渗 透 率 一 般 大 于 1 × 10 - 3μ 特 别 是 圣湖 安 盆 地 渗 透 率 高 达 (10~ 50) × 10 - 3μ 采 用 洞 穴完 井 ,单 井 产 量 达 5 × 104 〔 8〕 。6. 孔 隙 度煤 层 孔 隙 度 决 定 水 体 积 大 小 ,孔 隙 度 大 ,则 水 体积 大 ,产 水 量 则 大 ,排 水 降 压 周 期 将 较 长 。 煤 层 孔 隙度 一 般 2% ~ 15% ,如 吐 哈 沙 尔 湖 侏 罗 系 煤 层 属 于 气·521·第 25卷 第 1期                                 天   然   气   工   业                             开 发 及 开 采肥 煤 ,孔 隙 度 8% ~ 15% ,平 均 孔 隙 度 12. 5%。7. 相 对 渗 透 率在 有 效 解 吸 区 和 两 相 渗 流 区 ,流 体 渗 流 受 相 对渗 透 率 制 约 ,气 相 相 对 渗 透 率 高 则 气 产 量 高 ,水 相 相对 渗 透 率 高 则 水 产 量 高 。8. 临 界 解 吸 压 力在 含 气 量 和 吸 附 等 温 线 确 定 的 条 件 下 ,临 界 解吸 压 力 与 煤 层 压 力 越 接 近 ,解 吸 时 间 越 早 ,有 效 解 吸区 域 越 大 ,则 产 量 越 高 。上 述 8个 参 数 为 煤 层 的 固 有 属 性 ,是 煤 层 气 开发 选 区 时 需 要 重 点 评 价 的 参 数 ,特 别 是 渗 透 率 和 含气 量 2个 参 数 ,需 要 在 选 区 时 重 点 评 价 ,优 选 高 渗 、高 含 气 量 区 进 行 开 发 。四 、 提 高 单 井 产 能 措 施 途 径对 于 特 定 的 地 质 选 区 ,必 须 有 效 地 降 低 井 底 流压 ,扩 大 压 力 波 及 范 围 ,增 加 有 效 解 吸 区 ,两 相 渗 流区 范 围 越 大 ,产 量 越 高 。 扩 大 压 降 漏 斗 、 提 高 单 井 产量 的 有 效 方 式 主 要 有 裸 眼 洞 穴 完 井 技 术 、 压 裂 改 造技 术 及 羽 状 水 平 井 技 术 。高 渗 区 裸 眼 洞 穴 完 井 技 术 可 大 幅 度 提 高 单 井 产能 ,对 于 渗 透 率 大 于 5 × 10 - 3μ 煤 层 ,裸 眼 洞 穴完 井 煤 层 气 产 量 为 常 规 水 力 压 裂 井 的 3~ 20倍 。 其增 产 机 理 是 通 过 造 洞 穴 扩 大 了 有 效 井 径 ,通 过 多 次水 力 激 动 ,造 成 近 井 地 带 煤 层 松 动 ,诱 发 微 裂 缝 张开 ,有 效 提 高 煤 层 渗 透 率 ,从 而 扩 大 有 效 泄 气 面 积 ,提 高 单 井 产 量 。 在 圣 湖 安 盆 地 4000多 口 煤 层 气 井中 ,三 分 之 一 为 裸 眼 洞 穴 完 井 ,至 2003年 ,洞 穴 完 井累 积 产 气 量 占 全 盆 地 产 量 的 76%。水 力 压 裂 改 造 是 煤 层 气 井 增 产 的 主 要 手 段 之一 ,利 用 水 力 压 裂 技 术 ,在 煤 储 层 中 建 立 一 条 有 效 支撑 裂 缝 ,可 有 效 地 扩 大 泄 气 面 积 ,增 加 两 相 渗 流 区 ,提 高 煤 层 气 井 单 井 产 量 (图 3)。 产 量 提 高 水 平 取 决于 水 力 压 裂 规 模 ,以 及 支 撑 裂 缝 的 有 效 性 ,有 效 支 撑缝 长 越 长 ,则 两 相 渗 流 区 越 大 ,产 量 越 高 。 统 计 表 明美 国 14000口 煤 层 气 井 中 有 90%以 上 通 过 水 力 压 裂图 3  压 裂 井 渗 流 范 围 与 供 气 区 示 意 图改 造 获 得 商 业 化 产 量 。定 向 羽 状 水 平 井 在 一 个 主 水 平 井 眼 中 再 钻 多 个分 支 ,大 面 积 降 低 地 层 压 力 ,进 一 步 扩 大 有 效 渗 流 区域 ,从 而 提 高 单 井 产 量 。 美 国 自 1999年将 该 技 术 应 用 与 煤 层 气 开 发 中 后 ,取 得 卓 有 成 效 的成 果 。 西 弗 吉 尼 亚 煤 层 厚 1. 8~ 5 m ,渗 透 率 为 ( 1~5) × 10 - 3μ 羽 状 水 平 井 主 分 支 长 1000~ 1500 m,分 支 长 450~ 610 m。 单 井 产 煤 层 气 ( 3. 4~ 5. 6) ×104 d,排 采 3 年 可 采 出 控 制 区 内 70%的 煤 层气 〔 9〕 ,具 有 良 好 的 应 用 前 景 。五 、 结 论 与 认 识(1)依 据 煤 层 气 赋 存 机 理 与 开 采 机 理 ,将 煤 层 气开 采 区 划 分 为 3个 区 域 ,指 出 不 同 区 域 主 控 因 素 。(2)分 析 了 影 响 煤 层 气 产 能 的 8个 因 素 ,主 要 影响 因 素 为 渗 透 率 与 含 气 量 。(3)分 析 了 煤 层 气 井 增 产 机 理 ,提 出 煤 层 气 井 提高 单 井 产 能 的 措 施 途 径 。参   考   文   献1  张 建 波 ,王 红 岩 ,刘 红 林 . 国 外 煤 层 气 勘 探 、 开 发 进 展 . 见 :中 国 煤 层 气 勘 探 与 开 发 . 江 苏 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版社 , 20032  赵 庆 波 . 中 国 煤 层 气 地 质 认 识 与 未 来 勘 探 新 领 域 . 见 :中国 煤 层 气 勘 探 与 开 发 . 江 苏 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ,20033  李 五 忠 ,王 一 兵 ,鲜 保 安 等 . 中 国 煤 层 气 资 源 潜 力 分 析 中 国 煤 层 气 勘 探 与 开 发 . 江 苏 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出版 社 , 20034  A, C. of 1986; (10)5  , B, J. 19906  . of on as p by a 19687  E, A, A. O 1989; (30) : 63— 728  R, C, A. of 1988; (3) : 81— 919  L, J. of 稿 日 期   2004210212  编 辑   韩 晓 渝 )·621·开 发 及 开 采                             天   然   气   工   业                                   2005年 1月of , on 5 p to of ① It is by of ② It is by of p p ③ It is by It is by ⑤ It is by to ( F by a l Ba 2002 968.  10054) , ( 029) 87862530 N O S O F S W O R W 2 , 1. 2. 2 v. 25, 1, 126, 1 /25 /2005. ( 000 - 0976; h in as It t by p s. of by m of t p of is by p of p p of a p To p of a it is of p p of of p of of or To of it is to of p to ( F by l Ba is   P. 4, W 065007 ) , (010) 69213278  )N v. 25,1, 127— 129, 1 /25 /2005. ( 000 h in m of It is of to to m it is on in of t by of is of is p of W p in or on or of of m W p of or p of to p It is to of m ( F a l Ba , 2005
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