傅雪海 秦 勇 韋重韜 汪吉林 周榮福

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

QNDN1井煤層氣排采的流體效應(yīng)分析

傅雪海1,2秦 勇1,2韋重韜1,2汪吉林1,2周榮福1,2

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

為了研究煤層氣排采時(shí)原位煤儲(chǔ)層流體的動(dòng)態(tài)效應(yīng),基于煤儲(chǔ)層動(dòng)水孔隙度、含氣飽和度等儲(chǔ)層物性實(shí)測(cè)成果,結(jié)合中國(guó)第一口地面多分支煤層氣水平井——QNDN1井的排采數(shù)據(jù),通過(guò)氣、水產(chǎn)能及儲(chǔ)層壓力曲線的耦合分析,探討了煤層氣井排采時(shí)儲(chǔ)層壓力的傳播特征;估算了煤層氣單井排采范圍內(nèi)的重力水量,水溶氣、游離氣量;劃分了煤層氣井排采的游離氣運(yùn)移階段和煤層氣的解吸階段;指出煤層氣排采流體效應(yīng)的主要影響因素是儲(chǔ)層壓力和受煤孔徑結(jié)構(gòu)控制的煤層氣解吸特征。該研究成果對(duì)煤層氣井排采制度的確定具有指導(dǎo)意義。

煤層氣 排采效應(yīng) 重力水 游離氣 采收率 QNDN1多分支水平井 解吸特征 儲(chǔ)層壓力

通常將煤層氣井的氣產(chǎn)量劃分為衰減型、上升型、低產(chǎn)穩(wěn)定型、高產(chǎn)穩(wěn)定型4種曲線類(lèi)型[1],或?qū)⒚簩託饩譃锳類(lèi)井(日平均產(chǎn)氣量大于1 000 m3)、B類(lèi)井(日平均產(chǎn)氣量為700～1 000 m3)和C類(lèi)井(日平均產(chǎn)氣量小于700 m3)3種類(lèi)型[2]。而對(duì)于氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量、儲(chǔ)層壓力降的耦合分析及單井排采范圍內(nèi)重力水量、水溶氣、游離氣量的研究尚未見(jiàn)諸報(bào)道。

QNDN 1井是由亞美大寧能源有限公司組織、奧瑞安公司設(shè)計(jì)的中國(guó)第1口地面多分支煤層氣水平井,位于沁水煤田晉城礦區(qū)內(nèi),由1個(gè)主井眼、12個(gè)分支組成,在煤層中進(jìn)尺7 685 m,入煤率達(dá)90%[3]。由于該井未進(jìn)行試井、壓裂等人工改造,煤層頂?shù)装逦幢粔毫哑茐?煤層氣排采流體響應(yīng)來(lái)自于煤儲(chǔ)層本身。該井完井后一直連續(xù)排采,氣、水產(chǎn)能記錄較全,有利于研究排采的動(dòng)態(tài)流體效應(yīng)。

1 排采的流體效應(yīng)

1.1 地質(zhì)背景

QNDN1井所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,煤層呈向北傾的單斜,主要煤層為山西組的3#煤層,太原組的15#煤層。該井是在3#煤層中鉆進(jìn)的多分支水平井,結(jié)合鄰近直井及樣品室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,確定3#煤層的物性參數(shù)為:埋深184 m,厚度5.15 m,儲(chǔ)層溫度為17℃,地下水礦化度約為800 mg/L,朗格繆爾體積(VL)為45.0 m3/ t,朗格繆爾壓力(pL)為2.7 MPa,平衡水含量為8.74%,含氣量為15.00 m3/t,滲透率為18.5 mD。孔隙度為4.29%、動(dòng)水孔隙度為為0.9%(動(dòng)水孔隙度占總孔隙度的20.98%)。鏡質(zhì)組反射率為4.5%,煤類(lèi)為無(wú)煙煤3#。

1.2 流體效應(yīng)

煤層氣排采的流體源于3#煤層本身,既有煤層中的重力水,也有煤層中的水溶氣、游離氣和吸附氣。

QNDN1井自排采以來(lái)至2008年1月27日,累計(jì)產(chǎn)水1 877.5 m3,最大日產(chǎn)水量為22.3 m3,平均日產(chǎn)水量為1.63 m3。排采96 d后產(chǎn)水量低于5 m3/d,排采670 d后產(chǎn)水量低于2 m3/d,排采720 d后產(chǎn)水量低于1 m3/d(圖1)。

QNDN1井自排采以來(lái)至2008年1月27日,累計(jì)產(chǎn)氣21.3×106m3,最大日產(chǎn)氣量為40 830 m3,平均日產(chǎn)氣量為18 465 m3。排采77 d后產(chǎn)氣量突破5 000 m3/d,隨后一直徘徊在20 000 m3/d左右,排采926 d后產(chǎn)氣量大于30 000 m3/d,排采1 144 d后產(chǎn)氣量又逐漸下降至20 000 m3/d左右,如圖2所示。

圖1 產(chǎn)水量排采曲線圖

圖2 產(chǎn)氣量排采曲線圖

2 分析與討論

2.1 排采流體相態(tài)分析

2.1.1 排采水

估算QNDN 1井的排采面積S為0.5 km2,則3#煤層重力水由式(1)計(jì)算為23 175 m3(煤層傾角低于15°,未計(jì)算斜面積)。

式中:W為重力水量,m3;S為排采面積,km2;h為煤層厚度,m;φP為動(dòng)水孔隙度,%;α為煤層傾角,(°)。

2.1.2 排采氣

2.1.2.1 水溶氣

水溶氣量由式(2)計(jì)算,甲烷溶解度據(jù)3#煤層特征與傅雪海相應(yīng)儲(chǔ)層水礦化度、溫度和壓力模擬成果估算為0.52 m3甲烷/m3水[4-5],則QNDN1井排采面積S在0.5 km2內(nèi),水溶氣量計(jì)算為12 051 m3。

式中:Gw為水溶氣量,m3;λ為甲烷溶解度,m3甲烷/ m3水。

2.1.2.2 游離氣

水是不可壓縮流體,則游離氣量由式(3)、(4)進(jìn)行計(jì)算。

式中:Vg′為壓力 pg(氣壓)、溫度 T狀態(tài)下的游離氣量,m3;φH為埋深 H下煤的孔隙度,%;Sg為游離氣飽和度,%;Vg為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(p0=0.101 325 M Pa、T0=0℃)下的游離氣量,m3;T為儲(chǔ)層溫度,℃。

1)埋深 H下的孔隙度

樣品實(shí)測(cè)視密度為1.56 g/cm3,真密度為1.63 g/ cm3(比重瓶法),計(jì)算無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的孔隙度為4.29%,埋深 H下的孔隙度通過(guò)物理模擬得出(圖3),即

式中:σv為體積應(yīng)力,M Pa。

圖3 大寧煤樣不同體積應(yīng)力下的孔隙度圖

QNDN1井3#煤層埋深184 m,由式(6)、(7)計(jì)算體積應(yīng)力(三向主應(yīng)力的平均值)為2.82 M Pa,由式(5)得φH=3.67%。

式中:σg為垂向應(yīng)力,M Pa;r為地層平均密度,g/cm3,取值2.3 g/cm3;H為煤層埋深,m;σhg為垂直應(yīng)力在水平方向產(chǎn)生的分應(yīng)力,M Pa;λ為側(cè)壓系數(shù);α為畢奧特系數(shù);p為孔隙壓力,M Pa;v為泊松比,取值0.3。

2)游離氣飽和度

儲(chǔ)層氣壓為0.5 MPa(大寧礦同埋深實(shí)測(cè)瓦斯壓力),則單體體積(1 m3)煤的飽和游離氣量由式(3)、(4)計(jì)算為1.30 m3/m3煤,即為0.84 m3/t;由朗格繆爾公式(8)計(jì)算單位體積煤的飽和吸附氣量為17.00 m3/t。

式中:Va為飽和吸附氣量,m3/t;p為儲(chǔ)層壓力,M Pa。

實(shí)測(cè)3#煤層氣含量(包括游離氣與吸附氣)為15.00 m3/t,儲(chǔ)層狀態(tài)下游離氣與吸附氣處于動(dòng)平衡,則儲(chǔ)層含氣飽和度為84.1%。QNDN 1井排采面積S在0.5 km2內(nèi),游離氣量計(jì)算為2.823 91×106m3,吸附氣為36.8×106m3。

2.2 采收率分析

基于實(shí)測(cè)含氣量和朗格繆爾參數(shù),由式(9)計(jì)算出煤層氣臨界解吸壓力為1.35 M Pa。

式中:pcd為臨界解吸壓力,M Pa;V實(shí)為實(shí)測(cè)含氣量, m3/t。

枯竭壓力(pad)為0.7 M Pa、0.5 M Pa、0.3 M Pa下,由式(10)計(jì)算出的理論采收率分別為38.2%、53.1%、70.0%。

至2008年1月27日,實(shí)際采收率為53.8%,此時(shí)井底壓力約為0.5 M Pa,與計(jì)算的理論采收率相當(dāng)?，F(xiàn)今該井已采氣枯竭,估計(jì)采收率達(dá)到70%,也就是說(shuō)水平井的枯竭壓力約為0.3 M Pa。

2.3 排采階段劃分

QNDN 1井排采過(guò)程中(包括停排階段)最大的井底壓力為1.64 M Pa(圖4,筆者認(rèn)為其為實(shí)際的儲(chǔ)層壓力),排采第二天就開(kāi)始連續(xù)產(chǎn)氣,產(chǎn)氣壓力為1.40 M Pa,排采至第77 d,井底壓力開(kāi)始低于0.95 M Pa(后期因故未排水的情況除外),正是從這天開(kāi)始產(chǎn)氣量突破了5 000 m3/d。此時(shí),煤層氣井累計(jì)產(chǎn)水558.72 m3,累計(jì)產(chǎn)氣69 857.2 m3,排采水量占排采面積內(nèi)總重力水量的2.41%,則排采水面積內(nèi)的水溶氣量為290.4 m3,游離氣量為68 056.2 m3,水溶氣量加游離氣量與此時(shí)累計(jì)產(chǎn)氣量正好相當(dāng)。因此,認(rèn)為此時(shí)煤儲(chǔ)層處于臨界解吸階段,0.95 M Pa就是實(shí)際的臨界解吸壓力(計(jì)算的臨界解吸壓力為1.35 M Pa,煤層氣解吸產(chǎn)出后,要克服井筒摩阻、水的摩阻等阻力,一般導(dǎo)致實(shí)際臨界解吸壓力小于計(jì)算的臨界解吸壓力)。據(jù)此,筆者把煤層氣井排采分為排水階段(第1天);水溶氣量與游離氣量排采階段(第2～77天);解吸氣排采階段(第78天開(kāi)始)。

圖4 儲(chǔ)層壓力變化曲線圖

2.4 排采流體效應(yīng)的影響因素

QNDN 1井排采呈現(xiàn)的流體效應(yīng)主控因素是儲(chǔ)層壓力,耦合分析圖1、圖2、圖4可以發(fā)現(xiàn),在排采140 d、270 d、525 d、585 d、820 d前后,煤層氣井因故未排水,儲(chǔ)層壓力升高,氣產(chǎn)量明顯下降。儲(chǔ)層流體連續(xù)、穩(wěn)定供給依靠?jī)?chǔ)層壓力的傳播,而后者又受控于煤儲(chǔ)層滲透率,本井范圍內(nèi)滲透率達(dá)18.5 mD。因此, QNDN1井排采呈現(xiàn)出高氣產(chǎn)能的流體效應(yīng)。

在煤層氣排采過(guò)程中,當(dāng)儲(chǔ)層壓力、水產(chǎn)量處于連續(xù)穩(wěn)定下降階段時(shí),氣產(chǎn)量仍然呈現(xiàn)出較大的波動(dòng),其影響因素是煤層氣的解吸特征,最終受控于煤的孔徑結(jié)構(gòu)。煤中顯微裂隙(壓汞孔徑D>10 000 nm)和各孔徑(大孔:1 000 nm

3 結(jié)論

QNDN 1多分支水平井連續(xù)4年多的排采實(shí)踐表明:該井煤儲(chǔ)層含氣飽和度高,滲透率高,動(dòng)水飽和度低,煤層氣產(chǎn)量高,且持續(xù)、穩(wěn)定;排采流體來(lái)源于煤儲(chǔ)層本身,前兩個(gè)半月為重力水、水溶氣、游離氣排采階段,兩個(gè)半月后進(jìn)入大規(guī)模吸附氣解吸階段;煤層氣、水產(chǎn)能受控于儲(chǔ)層壓力降,煤層氣產(chǎn)能波動(dòng)受控于不同煤孔徑段內(nèi)的煤層氣解吸;水平井的排采率約為70%,枯竭壓力約為0.3 M Pa。

圖5 大寧煤樣比容積與顯微裂隙和各孔徑結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖

圖6 大寧煤樣比表面積與顯微裂隙和各孔徑結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖

表1 大寧煤樣比容積特征表1)

表2 大寧煤樣比表面積特征表1)

[1]葉建平.水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣產(chǎn)能的控制機(jī)理與預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)研究[D].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2002.

[2]馮三利,胡愛(ài)梅,葉建平.中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007:258-259.

[3]楊陸武.中國(guó)煤層氣水平井開(kāi)發(fā)的理論與實(shí)踐[M]∥葉建平,范志強(qiáng).中國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展.北京:地質(zhì)出版社,2006:100-113.

[4]傅雪海,秦勇,韋重韜.煤層氣地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2007:24.

[5]傅雪海,秦勇,楊永國(guó),等.甲烷在煤層水中溶解度的實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣地球科學(xué),2004,15(4):345-348.

An analysis of fluid effect during coalbed methane drainage in the well QNDN1

Fu Xuehai1,2,Qin Yong1,2,Wei Chongtao1,2,Wang Jilin1,2,Zhou Rongfu1,2
(1.School of Resource and Earth Science,China University of M ining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.Key Laboratory of Coalbed M ethane Resources and Reservoir Form ation Process,M inistry of Education,China University of M ining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.48-51,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In o rder to study the dynamic effects of in-situ fluids in coal beds during coalbed methane(CBM)drainage,the physical p roperties of coal reservoirs such as flow ing-water po rosity and gas saturation are measured.In addition,the drainage data of the well QNDN1,the firstmulti-lateral horizontal CBM well in China,are collected.Based on these data,p ropagation of reservoir p ressure during CBM drainage is studied through co rrelative analysisof gas and water p roductivity and reservoir p ressure.Gravity water volumes,water-soluble gas and free gas volumesw ithin single well drainage area are calculated.Free gasmigration stages and CBM desorp tion stages are defined.It ispointed out that coalbed p ressure and CBM deso rp tion features controlled by coal’saperture structure are themajor facto rs influencing fluid effectsof CBM drainage.The resultsof this study can be used to guide the design-making of CBM drainage scheme.

coalbed methane,drainage effect,gravity water,free gas,recovery ratio,multi-lateral horizontal well of QNDN 1,de-so rp tion feature,coalbed p ressure

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)煤層氣項(xiàng)目(編號(hào):2009CB219605)、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”(編號(hào):2008ZX05034-04)和2008年度江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)科帶頭人項(xiàng)目。

傅雪海,1965年生,教授,博士生導(dǎo)師;1987年畢業(yè)于原中國(guó)礦業(yè)學(xué)院;現(xiàn)從事能源地質(zhì)教學(xué)與科研工作。地址: (221116)江蘇省徐州市中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院。E-mail:fuxuehai@163.com

傅雪海等.QNDN1井煤層氣排采的流體效應(yīng)分析.天然氣工業(yè),2010,30(6):48-51.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.013

2010-04-05 編輯 羅冬梅)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.013

Fu Xuehai,p rofesso r,was born in 1965.He is engaged in teaching and research of energy geology.

Add:Xuzhou,Jiangsu 221116,P.R.China

E-mail:fuxuehai@163.com