周尚忠 張文忠

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100011)

煤層氣是煤在煤化作用過(guò)程中生成, 主要以吸附狀態(tài)賦存于煤層內(nèi)的以CH4為主要成分的非常規(guī)天然氣。煤層氣是優(yōu)質(zhì)的能源和基礎(chǔ)化工原料,是石油和天然氣等常規(guī)地質(zhì)能源的重要補(bǔ)充; 煤層氣同時(shí)又是一種有害的危險(xiǎn)氣體, 煤層氣中CH4的溫室效應(yīng)約是CO2的21 倍, 對(duì)大氣臭氧層造成的破壞是CO2的7 倍,對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng);煤層氣的易燃易爆性也嚴(yán)重危及著煤礦的安全生產(chǎn)。因此, 對(duì)煤層氣有效利用, 對(duì)于緩解我國(guó)能源供應(yīng)的緊張局面、減少溫室氣體排放、提高煤礦的安全生產(chǎn)及拉動(dòng)其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

據(jù)2006 年“新一輪全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)”結(jié)果, 我國(guó)埋深2000m 以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為36．81 萬(wàn)億m3, 如果采收率取50%, 其技術(shù)可采資源量相當(dāng)于184 億t 原油, 按目前我國(guó)原油開(kāi)采速度可供開(kāi)采近100 年, 這無(wú)疑是一巨大的戰(zhàn)略性“接替能源”。

煤層氣可采資源量是指在特定的時(shí)間估算的已經(jīng)探明 (包括已經(jīng)采出) 和尚未探明的、在未來(lái)可預(yù)見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下可以采出的煤層氣資源總量。煤層氣可采資源量既是判斷煤層氣田是否具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要物質(zhì)基礎(chǔ), 也是下一步編制開(kāi)發(fā)方案和確定投資規(guī)模的重要依據(jù)。因此, 對(duì)煤層氣可采資源量進(jìn)行合理估算是煤層氣勘探工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

煤層氣可采資源量由煤層氣地質(zhì)資源量乘以采收率計(jì)算所得, 當(dāng)前我國(guó)煤層氣的采收率基本上是通過(guò)估算得到的。估算采收率的主要方法有等溫吸附曲線法、解吸法、類比法、動(dòng)態(tài)法, 當(dāng)前最常用的是等溫吸附曲線法和動(dòng)態(tài)法中的數(shù)值模擬法。每一種方法都存在著局限性, 求取采收率時(shí), 需要考慮相關(guān)影響因素, 綜合估算采收率, 使估算結(jié)果更加合理、科學(xué)和準(zhǔn)確。

1 采收率估算方法簡(jiǎn)介

1．1 等溫吸附曲線法

在缺乏煤層氣井生產(chǎn)資料的情況下, 利用等溫吸附曲線與煤層氣臨界解吸壓力的關(guān)系, 估算出煤層氣臨界解吸壓力, 然后結(jié)合煤層氣井的廢棄壓力, 估算出煤層氣采收率。該方法具有較強(qiáng)的理論性, 其難點(diǎn)在于如何確定廢棄壓力, 目前我國(guó)還沒(méi)有已經(jīng)枯竭或?yàn)l臨枯竭的煤層氣藏資料, 在利用等溫吸附曲線估算煤層氣采收率過(guò)程中, 廢棄壓力一般根據(jù)美國(guó)的經(jīng)驗(yàn), 取0．70MPa 進(jìn)行計(jì)算。單獨(dú)應(yīng)用該法估算煤層氣采收率的可靠性比較低, 最好是配合其他方法綜合求取采收率。

1．2 解吸法

直接法測(cè)定的煤層氣含量包括： 解吸氣、損失氣和殘余氣三部分。理論上, 解吸氣和損失氣在自然條件下可以解吸出來(lái), 認(rèn)為可以從氣藏中開(kāi)采出來(lái)。因此, 煤層氣的采收率可以認(rèn)為是解吸氣與損失氣之和占總氣含量的百分比, 間接地估算采收率。實(shí)際上, 解吸氣和損失氣能否采出來(lái)受制于煤的變質(zhì)程度、煤巖組成、煤質(zhì)特征、煤體結(jié)構(gòu)、煤層滲透性等諸多地質(zhì)因素和鉆井、完井、儲(chǔ)層改造及排采等工藝技術(shù)的影響。這些因素的存在直接影響了采收率估算結(jié)果的實(shí)用性。

1．3 類比法

類比法是一種比較簡(jiǎn)單的采收率估算方法, 通過(guò)與地質(zhì)條件相似的地區(qū)進(jìn)行類比, 從而獲得煤層氣采收率。適用于研究程度比較高的地區(qū)。一般限于同一盆地的含氣區(qū)帶或地質(zhì)條件類似、地理位置相鄰的含氣區(qū)帶。這種方法不僅要求類比區(qū)與被類比區(qū)的地質(zhì)條件相近, 而且要求二者的開(kāi)發(fā)技術(shù)、開(kāi)采工藝、井網(wǎng)形態(tài)等方面基本一致。其結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于地質(zhì)資料的可靠性、對(duì)類比區(qū)與被類比區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)程度及研究者的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)等。

1．4 動(dòng)態(tài)法

動(dòng)態(tài)法是證實(shí)已開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量評(píng)估的最為常用的方法, 主要包括數(shù)值模擬法、產(chǎn)量遞減曲線分析法和物質(zhì)平衡法等。

1．4．1 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法是將計(jì)算機(jī)模擬用于煤層氣藏中流體流動(dòng)的描述。應(yīng)用煤層氣地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、巖石物理學(xué)、煤層氣藏工程學(xué)和滲流力學(xué)等學(xué)科的理論和方法, 運(yùn)用數(shù)值方法研究煤儲(chǔ)層中煤層氣的生成、儲(chǔ)集、運(yùn)移和產(chǎn)出機(jī)理, 估算煤層氣采收率的重要方法。通過(guò)建立地質(zhì)模型、進(jìn)行儲(chǔ)層敏感性分析和歷史擬合等工作對(duì)已獲得的儲(chǔ)層參數(shù)和早期的試采數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配擬合, 最終獲得煤層氣井的產(chǎn)能和采收率。該方法估算結(jié)果實(shí)用性比較好, 但是需要實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和儲(chǔ)層參數(shù), 這些參數(shù)在煤層氣井生產(chǎn)初期往往比較缺乏, 因此在運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行采收率估算時(shí), 對(duì)參數(shù)的選擇應(yīng)特別慎重。

1．4．2 產(chǎn)量遞減曲線分析法

產(chǎn)量遞減曲線分析法是利用煤層氣井實(shí)際生產(chǎn)歷史資料的生產(chǎn)規(guī)律和開(kāi)發(fā)趨勢(shì), 對(duì)過(guò)去生產(chǎn)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)進(jìn)行外推來(lái)估算地質(zhì)儲(chǔ)量、剩余生產(chǎn)期限和產(chǎn)量預(yù)測(cè)。常用的產(chǎn)量遞減曲線分析法包括產(chǎn)量與時(shí)間關(guān)系法、月產(chǎn)量與累積產(chǎn)量關(guān)系法和平均單井產(chǎn)量關(guān)系法。煤層氣井投入開(kāi)發(fā)生產(chǎn)階段, 至少連續(xù)生產(chǎn)5 年后才能使用這種方法估算采收率。一般是煤層氣井經(jīng)歷了產(chǎn)氣高峰開(kāi)始穩(wěn)產(chǎn)并出現(xiàn)遞減后,利用遞減曲線對(duì)未來(lái)產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算, 進(jìn)而獲得估算采收率。

1．4．3 物質(zhì)平衡法

物質(zhì)平衡法是物質(zhì)守恒定律在可采儲(chǔ)量計(jì)算中的具體運(yùn)用。其實(shí)質(zhì)是假定某個(gè)煤層氣藏的原始儲(chǔ)量等于采出量與地下剩余儲(chǔ)量之和。物質(zhì)平衡法適用于煤層氣開(kāi)發(fā)階段已完成排采過(guò)程的氣井, 不適用于邊緣井。其缺點(diǎn)是需要的參數(shù)多, 包括煤儲(chǔ)層的靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)、煤層含氣量、等溫吸附數(shù)據(jù)、煤層中各種流體的PTV 分析數(shù)據(jù)、各種流體在地面條件下的物性分析數(shù)據(jù)及儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)參數(shù) (包括投入開(kāi)發(fā)時(shí)的氣水產(chǎn)量數(shù)據(jù)和壓力變化數(shù)據(jù)) 。物質(zhì)平衡法估算結(jié)果的可靠性比較高。

2 煤層氣采收率估算實(shí)例

2．1 數(shù)值模擬法

運(yùn)用數(shù)值模擬法對(duì)沁水盆地南部A 區(qū)塊3#煤進(jìn)行了煤層氣采收率估算, 通過(guò)建立模型 (包括地質(zhì)模型、確定邊界條件、煤層氣的流動(dòng)狀態(tài)、源匯項(xiàng)及井的工作狀態(tài)、數(shù)學(xué)模型) 、敏感性分析 (包括產(chǎn)氣量與含氣量、表皮系數(shù)、孔隙度、滲透率、蘭氏體積、吸附時(shí)間、井底壓力等參數(shù)的敏感性分析) 和歷史擬合 (獲得產(chǎn)氣量、水、壓力等擬合曲線) 等工作, 最終獲得了井網(wǎng)中心井的單井累積產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)曲線, 根據(jù)預(yù)測(cè)曲線求取井網(wǎng)中心井的累計(jì)產(chǎn)氣量。然后再用模擬預(yù)測(cè)的井網(wǎng)中心井的累計(jì)產(chǎn)氣量與其控制的泄氣面積內(nèi)的煤層氣儲(chǔ)量相比,求出了預(yù)測(cè)的煤層氣采收率。其計(jì)算公式：

據(jù)此估算的A 區(qū)塊3#煤煤層氣采收率為54．30%。

圖1 沁水盆地南部A 區(qū)塊直井預(yù)測(cè)產(chǎn)量曲線

2．1．1 直井采收率數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)模型中采用5 點(diǎn)法300m×300m 的井網(wǎng),預(yù)測(cè)煤層氣直井服務(wù)年限為15 年, 平均日產(chǎn)氣量可達(dá)到2139．9m3, 單井平均年產(chǎn)量可達(dá)70．61 萬(wàn)m3, 單井累計(jì)產(chǎn)量可達(dá)1059．25 萬(wàn)m3, 累計(jì)采收率可達(dá)53．87% (圖1, 表1) 。

表1 沁水盆地南部A 區(qū)塊直井預(yù)測(cè)產(chǎn)量和采收率數(shù)據(jù)表

2．1．2 水平井采收率數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)模型中水平井水平段為3000m, 預(yù)測(cè)煤層氣水平井服務(wù)年限為8 年, 平均日產(chǎn)氣量可達(dá)到14553．75m3, 單井平均年產(chǎn)量可達(dá)480．27 萬(wàn)m3,單井累計(jì)產(chǎn)量可達(dá)3842．19 萬(wàn)m3, 累計(jì)采收率可達(dá)64．03% (圖2, 表2) 。

2．2 等溫吸附曲線法

圖2 沁水盆地南部A 區(qū)塊水平井預(yù)測(cè)產(chǎn)量曲線

表2 沁水盆地南部A 區(qū)塊水平井預(yù)測(cè)產(chǎn)量和采收率數(shù)據(jù)表

利用等溫吸附曲線估算煤層氣采收率有兩種方法： 等溫吸附曲線圖解法和等溫吸附曲線公式法。筆者采用等溫吸附曲線公式法對(duì)沁水盆地南部A區(qū)塊3#煤煤層氣采收率進(jìn)行了估算。

等溫吸附曲線公式法主要是通過(guò)等溫吸附數(shù)據(jù)根據(jù)公式計(jì)算出理論最大采收率, 計(jì)算公式如下：

式中 PL——蘭氏壓力, MPa;

Pcd——臨界解吸壓力, MPa;

Pad——煤層氣井的廢棄壓力, MPa;

η——煤層氣理論最大采收率,%。

以A 區(qū)塊的主要可采煤層3#煤層為計(jì)算對(duì)象,仔細(xì)分析煤儲(chǔ)層的吸附- 解吸特征, 并對(duì)00X 井采集的樣品進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn), 00X 井3#煤的蘭氏壓力為1．92MPa, 臨界解吸壓力為2．40MPa, 煤層氣井的廢棄壓力取0．70MPa ,據(jù)公式 (1) 估算的A 區(qū)塊3#煤煤層氣采收率為51．91%。

3 煤層氣開(kāi)采實(shí)踐

00Y井為A 區(qū)塊的一口煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井。該井3#煤埋深495．6m, 厚度6．3m, 3#煤煤層氣資源豐度為1．69 億m3/km2, 00Y 井與周圍生產(chǎn)試驗(yàn)井平均井距約374m (圖3) , 控制地質(zhì)儲(chǔ)量約2363．64萬(wàn)m3。按照54．30%的采收率 (數(shù)值模擬法估算結(jié)果) 計(jì)算, 該井技術(shù)可采儲(chǔ)量約為1283．46 萬(wàn)m3;按照51．91%的采收率 (等溫吸附實(shí)驗(yàn)法估算結(jié)果) 計(jì)算, 該井技術(shù)可采儲(chǔ)量約為1226．97 萬(wàn)m3。

該井自2000 年12 月6 日產(chǎn)氣以來(lái), 最高日產(chǎn)氣量13638m3, 截至2011 年4 月9 日已累計(jì)產(chǎn)氣9214542m3, 平均日產(chǎn)氣2440m3, 實(shí)際采收率已達(dá)到38．98%。該井目前生產(chǎn)穩(wěn)定, 日產(chǎn)氣量在5000m3以上, 處于較高水平, 隨著生產(chǎn)的繼續(xù)進(jìn)行, 采收率將在2～3 年達(dá)到估算的采收率, 根據(jù)煤層氣井生產(chǎn)規(guī)律, 預(yù)計(jì)最終采收率將遠(yuǎn)大于估算的采收率。

圖3 沁水盆地南部A 區(qū)塊00Y井相對(duì)位置示意圖

4 當(dāng)前煤層氣采收率估算存在的問(wèn)題探討

通過(guò)對(duì)00Y 井估算的采收率和開(kāi)采中的實(shí)際采收率進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)合煤層氣井常規(guī)生產(chǎn)特征分析可以得出, 該井在實(shí)際生產(chǎn)中的采收率將遠(yuǎn)大于估算的采收率, 筆者經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為, 當(dāng)前煤層氣采收率估算主要存在以下兩個(gè)方面的問(wèn)題。

(1) 廢棄壓力值的選擇值得商榷

廢棄壓力是指煤層氣開(kāi)采過(guò)程中所能降到的最低儲(chǔ)層壓力, 根據(jù)等溫吸附法煤層氣采收率計(jì)算公式, 廢棄壓力越低, 煤層氣采收率越高, 美國(guó)目前常用的廢棄壓力是0．70MPa, 我國(guó)目前排采的煤層氣井普遍時(shí)間較短, 還沒(méi)有煤層氣井因生產(chǎn)結(jié)束而棄井, 我國(guó)目前在預(yù)測(cè)煤層氣采收率過(guò)程中對(duì)廢棄壓力賦值時(shí)多參考美國(guó)的數(shù)值, 此數(shù)值值得商榷。

(2) 預(yù)期的生產(chǎn)年限和穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間需進(jìn)一步探討和修正

煤層氣初期產(chǎn)量低, 但生產(chǎn)周期長(zhǎng), 可達(dá)20～30 年, 也有人認(rèn)為煤層氣的生產(chǎn)周期為15～20年, 當(dāng)前我國(guó)在估算煤層氣采收率時(shí)多以15 年為直井的生產(chǎn)年限進(jìn)行數(shù)值模擬, 這與實(shí)際生產(chǎn)情況存在較大差距。00Y 井到目前生產(chǎn)時(shí)間已超過(guò)10年, 產(chǎn)氣量仍保持在較高的穩(wěn)定水平, 排采曲線(圖4) 與A 區(qū)塊直井預(yù)測(cè)產(chǎn)量曲線 (圖1) 存在較大差異, 因此預(yù)期的生產(chǎn)年限和穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間需進(jìn)一步探討和修正。

5 結(jié)論

(1) 我國(guó)有關(guān)專業(yè)技術(shù)人員在進(jìn)行煤層氣采收率估算時(shí)普遍比較謹(jǐn)慎, 估算值偏低, 為煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的整體規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)帶來(lái)一定的影響。

(2) 當(dāng)前我國(guó)煤層氣采收率估算主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題： 一是廢棄壓力值的選擇值得商榷, 二是預(yù)期的生產(chǎn)年限和穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間需進(jìn)一步探討和修正。

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