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煤层气井采气机理分析

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煤层 气井 机理 分析
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第 23 卷   第 2 期 西 安 科 技 学 院 学 报 23   22003 年 6 月   F N Y J 2003文 章 编 号 : 1671 - 1912 (2003) 02 - 0156 - 04煤 层 气 井 采 气 机 理 分 析 民(西 安 科 技 学 院 地 质 与 环 境 工 程 系 ,陕 西 西 安   710054)摘   要 : 从 水 文 地 质 的 角 度 分 析 了 稳 定 状 态 和 非 稳 定 状 态 下 煤 层 气 井 的 生 产 过 程 ,揭 示 了 煤 层气 井 生 产 的 实 质 就 是 通 过 排 水 达 到 降 压 、 采 气 ,以 地 下 水 运 移 规 律 为 指 导 进 行 排 采 是 煤 层 气 井 持续 、 稳 定 、 高 产 的 关 键 。 同 时 结 合 不 同 地 质 情 况 分 析 了 煤 层 气 井 的 产 气 规 律 及 趋 势 ,为 煤 层 气 井的 预 测 生 产 提 供 了 理 论 依 据 。关 键 词 : 煤 层 气 井 ; 采 气 ; 机 理 分 析中 图 分 类 号 : P 968       文 献 标 识 码 : 引   言煤 层 气 井 的 采 气 方 式 由 石 油 天 然 气 井 的 生 产 工 艺 演 变 而 来 ,但 因 储 层 类 型 不 同 ,煤 层 气 井 的 采 气 机 理完 全 不 同 于 石 油 天 然 气 井 ,在 时 间 和 空 间 上 煤 层 气 井 的 产 气 都 是 一 个 相 当 复 杂 的 过 程 。 空 间 上 涉 及 煤 储层 、 上 覆 顶 板 与 下 伏 底 板 组 成 的 三 维 地 层 ,时 间 上 涵 盖 了 煤 层 气 井 压 裂 后 排 水 采 气 的 整 个 过 程 。 因 此 ,煤层 气 井 的 采 气 过 程 和 机 理 研 究 必 须 采 用 系 统 的 、 动 态 的 观 点 ,分 析 整 个 系 统 在 不 同 时 间 和 不 同 情 况 的 排 水过 程 和 甲 烷 生 产 过 程 。煤 层 气 井 的 生 产 是 通 过 抽 排 煤 储 层 的 承 压 水 ,降 低 煤 储 层 压 力 ,促 使 煤 储 层 中 吸 附 的 甲 烷 解 吸 的 全 过程 。 即 通 过 排 水 降 压 ,使 得 吸 附 态 甲 烷 解 吸 为 大 量 游 离 态 甲 烷 并 运 移 至 井 口 。 这 是 目 前 惟 一 可 以 采 用 的方 法 ,因 此 ,通 过 抽 排 地 层 中 的 承 压 水 ,暂 时 、 相 对 地 降 低 煤 储 层 压 力 是 煤 层 气 井 采 气 的 关 键 。1   煤 层 气 井 采 气 过 程 简 析煤 层 气 井 采 气 前 ,井 中 液 面 高 度 为 地 下 水 头 高 度 ,此 时 井 筒 与 储 层 之 间 不 存 在 压 力 差 ,地 下 水 系 统 基本 平 衡 ,属 于 稳 定 流 态 ;当 煤 层 气 井 开 始 排 采 后 ,井 筒 中 液 面 下 降 ,井 筒 与 煤 储 层 之 间 形 成 压 力 差 ,地 下 水从 压 力 高 的 地 方 流 向 压 力 低 的 地 方 ,地 下 水 就 源 源 不 断 地 流 向 井 筒 中 ,使 得 煤 储 层 中 的 压 力 不 断 下 降 ,并逐 渐 向 远 方 扩 展 ,最 终 在 以 井 筒 为 中 心 的 煤 储 层 段 形 成 一 个 地 下 水 头 压 降 漏 斗 ,随 着 抽 水 的 延 续 该 压 降 漏斗 不 断 扩 大 和 加 深 ;当 煤 储 层 的 出 水 量 和 煤 层 气 井 井 口 产 水 量 相 平 衡 时 ,形 成 稳 定 的 压 力 降 落 漏 斗 ,降 落漏 斗 不 再 继 续 延 伸 和 扩 大 ,煤 储 层 各 点 压 力 也 就 不 能 进 一 步 降 低 ,解 吸 停 止 ,煤 层 气 井 采 气 也 就 终 止 。 根据 所 形 成 的 降 落 漏 斗 体 积 ,结 合 朗 格 缪 尔 方 程 ,即 可 求 出 该 井 所 能 产 出 的 甲 烷 气 总 量 。在 地 层 稳 定 、 地 质 条 件 简 单 的 地 区 ,煤 层 气 井 的 采 气 可 以 看 作 是 对 承 压 含 水 层 的 抽 水 过 程 。 根 据 地 下水 的 流 态 和 压 力 降 落 漏 斗 随 时 间 延 续 的 发 展 趋 势 ,将 煤 层 气 生 产 分 为 单 井 排 采 和 井 群 排 采 。 其 中 单 井 采气 可 以 分 为 形 成 稳 定 压 降 漏 斗 、 压 降 漏 斗 不 断 扩 展 、 压 降 漏 斗 先 扩 展 后 稳 定 3 种 情 况 ,其 理 论 意 义 最 为 重要 。X 收 稿 日 期 : 2003 - 03 - 02基 金 项 目 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 项 目 (2002 者 简 介 : 马 东 民 (1967 - ) ,男 ,陕 西 合 阳 人 ,硕 士 ,讲 师 ,主 要 从 事 煤 层 气 地 质 、 遥 感 地 质 与 计 算 机 地 质 的 教 学 与 科 研 工 作 稳 定 压 力 降 落 漏 斗 的 形 成 与 扩 展当 煤 储 层 存 在 补 给 边 界 或 越 流 补 给 时 ,随 着 抽 水 时 间 的 延 续 ,最 终 形 成 稳 定 的 压 力 降 落 漏 斗 。2. 1   煤 储 层 存 在 补 给 边 界压 力 降 落 漏 斗 随 着 排 采 的 继 续 在 上 覆 地 层 中 不 断 扩 展 ,当 其 遇 到 张 性 断 层 时 ,若 该 断 层 与 地 表 水 或 其他 地 下 水 层 相 沟 通 ,这 些 水 系 的 水 就 会 通 过 断 层 补 给 煤 储 层 。 当 补 给 量 与 抽 出 量 相 当 时 ,压 力 降 落 漏 斗 达到 稳 定 ,不 再 扩 展 ,煤 储 层 甲 烷 解 吸 停 止 (图 1) ,煤 层 气 井 不 再 产 气 。2. 2   煤 储 层 存 在 越 流 补 给煤 储 层 的 顶 板 或 底 板 为 弱 透 水 层 ,且 其 相 邻 的 地 层 为 含 水 层 ,此 时 煤 储 层 存 在 越 流 补 给 。 煤 储 层 中 压力 的 降 低 使 得 邻 近 含 水 层 中 的 地 下 水 通 过 顶 板 或 底 板 补 给 煤 储 层 。 压 力 降 落 漏 斗 的 扩 大 使 得 补 给 量 不 断增 加 ,当 补 给 量 与 抽 出 量 相 当 时 ,降 落 漏 斗 达 到 稳 定 ,不 再 扩 展 ,煤 储 层 甲 烷 解 吸 停 止 (图 2) ,煤 层 气 井 产气 终 止 。图 1   煤 储 层 存 在 补 给 边 界1   in   煤 储 层 存 在 越 流 补 给 边 界2   in 3   降 落 漏 斗 的 扩 展当 煤 储 层 中 存 在 隔 水 边界 (如 逆 断 层 、 推 覆 断 层 等 )时 ,随 着 抽 水 时 间 的 延 续 ,降落 漏 斗 不 断 扩 展 。 当 降 落 漏斗 扩 展 至 隔 水 边 界 时 ,由 于 隔水 边 界 无 法 补 给 或 补 给 量 小于 抽 出 量 ,降 落 漏 斗 不 再 向 远处 发 展 ,而 迅 速 加 深 ,煤 储 层压 力 快 速 下 降 ,甲 烷 大 量 释放 ,井 口 表 现 为 气 产 量 大 增(图 3) 。图 3   降 落 漏 斗 不 断 扩 展3   of 定 流 量 排 水 与 定 降 深 排 水目 前 ,在 煤 层 气 勘 探 开 发 的 初 期 阶 段 ,随 着 抽 水 时 间 的 延 续 ,降落 漏 斗 不 断 扩 展 ,并 逐 渐 稳 定 ,煤 储 层 无 越 流 补 给 且 水 平 无 限 延 伸(附 近 无 补 给 边 界 或 给 水 边 界 ) 。排 水 降 压 过 程 可 分 为 初 期 定 流 量 排 水 与 定 降 深 排 水 两 个 阶 段 。3. 1   初 期 定 流 量 排 水 阶 段煤 层 气 井 抽 排 初 期 ,抽 出 的 水 量 依 泵 的 排 量 而 定 ,当 抽 出 的 水量 一 定 时 ,井 筒 中 的 动 液 面 不 断 下 降 。 根 据 无 补 给 承 压 水 完 整 井 定流 量 非 稳 定 流 计 算 公 式 \[3 \]( 式 ) ,抽 水 井 影 响 范 围 内 任 一 点任 一 时 刻 的 水 位 降 为   S = t w ( u)式 中   u = ; w ( u) = - E ( - u) =∫∞yy d 式 改 写 成 无 量 纲 降 深 形 式 ,即 w ( u) = 4π Q , 1u = 4 w ( u) 与 1u 关 系 曲 线 如 图   T 为 导 水 系 数 , T = 表 示 水 力 坡 度 等 于 1 时 ,通 过 整 个 含 水 层 厚 度 上 的 单 宽 流 量 ;μ 为 贮 水 系数 ,是 衡 量 承 压 含 水 层 弹 性 释 水 能 力 的 参 数 ; S 为 煤 层 气 井 影 响 范 围 内 ,任 一 点 任 一 时 刻 的 液 面 降 深 ; Q 为煤 层 气 井 的 产 水 量 ; r 为 计 算 点 到 煤 层 气 井 的 距 离 。可 见 :在 定 流 量 排 水 阶 段 ,在 煤 层 气 井 影 响 范 围 内 的 任 一 点 ,参 数 Q , T ,μ , r 是 一 定 的 ,随 着 抽 水 时 间751第 2 期                               马 东 民   煤 层 气 井 采 气 机 理 分 析t 的 延 续 ,该 点 (包 括 煤 层 气 井 井 中 的 液 面 ) 降 深 S 不 断 加 大 ,但 加 大 的 速 度 逐 渐 降 低 。 其 物 理 意 义 是 由 于压 力 降 落 漏 斗 的 扩 大 ,使 得 汇 水 面 积 增 加 。 因 此 在 煤 层 气 井 生 产 初 期 的 定 流 量 排 水 阶 段 ,煤 储 层 压 力 降 落漏 斗 的 变 化 逐 渐 增 大 ,但 增 大 的 速 度 逐 渐 变 缓 。 煤 层 气 井 井 口 表 现 为 产 水 量 稳 定 ,产 气 量 逐 渐 增 加 。图 4   w ( u) 与 1u 关 系 曲 线 图4   of w ( u) 2   定 降 深 排 水 阶 段煤 层 气 井 采 气 时 井 中 的 液 面 是 不 能 无 限 下 降 的 ,当 液 面降 低 到 接 近 抽 排 煤 储 层 时 ,降 深 就 无 法 继 续 ,煤 层 气 井 进 入 定降 深 采 气 阶 段 。 由 定 流 量 阶 段 转 入 定 降 深 阶 段 的 时 间 主 要 取决 于 煤 储 层 的 渗 透 系 数 和 井 壁 的 污 染 程 度 。 渗 透 性 差 、 井 壁 污染 严 重 的 煤 层 气 井 采 气 开 始 后 很 快 进 入 定 降 深 排 水 阶 段 。根 据 无 越 流 补 给 侧 向 无 限 延 伸 承 压 含 水 层 定 降 深 井 流 的流 量 函 数 G (λ ) ,并 作 出 G (λ ) 与 λ 关 系 曲 线 [1 ] (图 5) 。Q = 2π TS w G (λ ) , 其 中 λ = 看 出 :导 水 系 数 T ,贮 水 系 数 μ ,煤 层 气 井 液 面 降 深S w ,煤 层 气 井 半 径 值 一 定 ,随 着 抽 排 的 延 续 ,抽 水 时 间 增 加 ,λ 增 大 , G (λ ) 减 小 ,流 量 Q 也 随 着 减 少 ,从 而 使 降 落 漏 斗 扩 展 速 度 减 缓 。 此 阶 段 井 口 产 水 量 逐 渐 降 低 ,产 气 量 由 于 降 落 漏 斗 的 缓 慢 发 展 仍 在 继 续 ,但 煤 储 层 甲 烷 释 放 速 度 缓 慢 ,气 产 量 小 ,且 逐 渐 降 低 。图 5   G(λ ) 与 λ 关 系 曲 线5   (λ )                    图 6   朗 格 缪 尔 曲 线6        此 阶 段 ,由 于 降 落 漏 斗 扩 展 ,汇 水 面 积 不 断 增 大 ,使 得 漏 斗 远 处 平 缓 ,即 只 有 井 口 附 近 的 煤 储 层 压 力 降幅 较 大 ,而 远 离 井 口 的 大 部 分 煤 储 层 的 压 力 降 幅 较 小 。 结 合 朗 格 缪 尔 曲 线 [2 ] (图 6) 可 以 知 道 ,煤 储 层 降 压初 期 的 压 降 引 起 的 甲 烷 解 吸 量 远 小 于 后 期 相 同 压 降 所 引 起 的 甲 烷 解 吸 量 。 因 此 该 阶 段 虽 然 井 口 仍 然 产 气 ,但 大 部 分 煤 储 层 的 甲 烷 并 没 有 被 解 吸 出 来 ,且 存 在 解 吸 逐 渐 减 缓 的 趋 势 。图 7   井 群 开 采 造 成 井 间 干 扰 时 的 液 面 情 况7   of in a BM 井 群 开 发 形 成 井 间 干 扰煤 层 气 井 的 商 业 生 产 是 利 用 井 群 抽 水 降 压 ,而不 是 单 独 的 一 口 或 相 距 甚 远 的 几 口 井 来 降 压 的 。 一定 范 围 内 的 两 口 或 两 口 以 上 抽 水 生 产 井 称 为 井 群 。当 井 群 中 的 井 与 井 之 间 的 距 离 小 于 各 井 的 影 响 半 径时 ,彼 此 之 间 的 流 量 和 降 深 都 要 发 生 干 扰 。 在 承 压 含水 层 中 ,地 下 水 的 流 动 方 程 是 线 性 的 ,可 以 直 接 运 用叠 加 原 理 ,即 当 两 口 井 的 降 落 漏 斗 随 抽 水 的 延 续 不断 扩 展 至 两 个 压 力 降 落 漏 斗 相 互 交 接 、 重 叠 时 ,重 叠处 的 压 力 降 等 于 两 个 降 落 漏 斗 所 形 成 的 压 力 降 之 和(图 7) [5 ]。 如 果 流 场 内 有 多 口 井 同 时 抽 水 ,则 影 响 范 围 内 任 一 点 的 压 力 降 为 S i = ∑这 种 情 况 下 ,井 间 干 扰 对 煤 层 气 井 的 采 气 具 有 促 进 作 用 。851 西 安 科 技 学 院 学 报                           2003 年  产 气 速 度 上 :煤 层 气 井 两 井 间 的 煤 储 层 压 力 降 幅 由 于 压 降 的 叠 加 而 成 倍 提 高 ,因 此 相 对 于 单 井 来 说 ,单 位 时 间 内 的 压 力 下 降 幅 度 大 ,煤 储 层 甲 烷 的 解 吸 速 度 快 ,井 口 表 现 为 一 定 时 间 内 产 出 的 甲 烷 气 量 多 ,即气 产 量 高 。总 产 气 量 上 :当 两 个 降 落 漏 斗 相 接 时 ,双 方 就 相 当 于 分 别 遇 到 了 前 述 的 隔 水 边 界 ,此 时 随 着 抽 水 的 延续 ,压 力 降 落 漏 斗 不 再 在 水 平 方 向 上 扩 大 ,而 是 在 垂 直 方 向 上 加 深 ,最 终 使 得 两 井 间 的 煤 储 层 压 力 可 以 降低 到 很 低 的 程 度 ,根 据 前 述 ,这 将 使 得 两 井 间 范 围 内 的 煤 储 层 中 的 大 部 分 甲 烷 气 都 解 吸 出 来 ,使 煤 层 气 井的 总 产 气 量 增 加 很 多 。煤 层 气 井 单 井 采 气 过 程 可 分 为 形 成 稳 定 压 降 漏 斗 、 压 降 漏 斗 不 断 扩 展 、 压 降 漏 斗 先 扩 展 后 稳 定 几 种 理论 模 型 。 在 实 际 生 产 中 ,各 单 井 的 情 况 可 能 相 对 复 杂 ,空 间 上 ,地 层 形 式 可 能 是 上 述 几 种 情 形 的 组 合 。 如 :一 侧 为 补 给 边 界 ,另 一 侧 为 无 补 给 水 平 无 限 延 伸 的 煤 储 层 ;或 一 侧 为 补 给 边 界 ,另 一 侧 为 隔 水 边 界 等 形 式 。在 时 间 上 ,随 着 抽 水 的 延 续 ,煤 储 层 压 力 逐 渐 降 低 ,其 与 邻 近 含 水 层 的 压 力 差 逐 渐 增 大 ,原 本 隔 水 的 断 层 可能 发 展 成 为 弱 透 水 断 层 或 透 水 断 层 ,原 本 无 补 给 的 邻 近 含 水 层 也 可 能 形 成 越 流 补 给 (隔 水 和 透 水 ,有 或 无越 流 补 给 都 是 相 对 而 言 的 ) 。 煤 储 层 的 压 力 降 低 是 一 个 动 态 的 过 程 ,系 统 中 的 各 项 条 件 和 因 素 都 可 能 随 时间 的 推 移 而 发 生 变 化 ;井 群 排 采 时 ,一 口 煤 层 气 井 的 四 周 都 存 在 抽 水 井 时 ,各 个 方 向 上 的 煤 储 层 压 力 都 能得 到 充 分 的 降 低 ,该 井 控 制 范 围 内 的 煤 储 层 甲 烷 也 就 能 最 大 限 度 地 解 吸 出 来 。 井 群 的 采 气 机 理 虽 然 以 单井 采 气 机 理 为 基 础 ,但 要 比 单 井 采 气 复 杂 得 多 ,有 待 在 今 后 在 实 践 中 进 一 步 研 究 。参 考 文 献 :\[1 \]  薛 禹 群 . 地 下 水 动 力 学 原 理 \[ M \] :地 质 出 版 社 ,1989.\[2 \]  孙 茂 远 . 煤 层 气 开 发 利 用 手 册 \[ M \] :煤 炭 工 业 出 版 社 ,1998.\[3 \]  张   力 . 煤 层 气 渗 流 方 程 数 值 分 析 \[J \] 科 学 技 术 ,2001 , (10) :36.\[4 \]  王 生 全 . 韩 城 北 部 矿 区 3 号 煤 煤 层 气 赋 存 规 律 研 究 \[J \] 科 技 学 院 学 报 ,1999 ,19 (2) :111.\[5 \]  马 东 民 . 影 响 韩 城 地 区 煤 层 气 产 出 的 主 要 因 素 \[J \] 科 技 学 院 学 报 ,2002 ,22 (2) :of BM 10054 , of of BM on of of BM It is to in of of at BM on 接 第 138 页 )on of L I . 10054 , 2. t d. 00007 , on of of of to of of in 期                               马 东 民   煤 层 气 井 采 气 机 理 分 析
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