接敬濤 邵先杰 喬雨朋 陳小哲 謝啟紅 張 珉

(燕山大學(xué)石油工程系， 河北 秦皇島 066004)

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煤層氣采收率預(yù)測方法研究及應(yīng)用
——以韓城礦區(qū)為例

接敬濤 邵先杰 喬雨朋 陳小哲 謝啟紅 張 珉

(燕山大學(xué)石油工程系， 河北 秦皇島 066004)

準(zhǔn)確預(yù)測采收率是開發(fā)方案調(diào)整和礦場措施實(shí)施的重要依據(jù)，但煤層氣采收率計(jì)算尚無成熟的方法。在調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對(duì)解吸實(shí)驗(yàn)法、等溫吸附曲線法和物質(zhì)平衡法進(jìn)行改善，在解吸實(shí)驗(yàn)法中考慮井網(wǎng)密度和煤巖非均質(zhì)性，在等溫吸附曲線和物質(zhì)平衡法中通過理論推導(dǎo)提出廢棄壓力的確定方法。

煤層氣； 采收率； 預(yù)測方法； 廢棄壓力； 井網(wǎng)密度校正系數(shù)

煤層氣采收率是指在一定經(jīng)濟(jì)極限內(nèi)，在現(xiàn)代工藝技術(shù)條件下，能從氣藏中采出的天然氣量占總地質(zhì)儲(chǔ)量的比率，是衡量煤層氣藏開發(fā)水平高低的一個(gè)重要指標(biāo)。我國于上世紀(jì)末開始煤層氣地面勘探、開發(fā)實(shí)踐，隨后在韓城和晉城開辟了先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，使煤層氣開發(fā)逐漸走向規(guī)?；蜕虡I(yè)化，并針對(duì)中國復(fù)雜構(gòu)造條件下的中高煤階煤層氣藏形成了自己的開發(fā)技術(shù)方法。隨著煤層氣開發(fā)的不斷深入，迫切需要對(duì)采收率有一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測，為開發(fā)措施實(shí)施和方案調(diào)整提供依據(jù)。目前煤層氣采收率的預(yù)測主要借用常規(guī)天然氣的計(jì)算方法，原理上依據(jù)不充分，計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。本次研究在大量調(diào)研國內(nèi)外資料基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和礦場生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)了解吸實(shí)驗(yàn)法、等溫吸附曲線法、物質(zhì)平衡法等3種方法，利用韓城礦區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 解吸實(shí)驗(yàn)修正法

1.1 基本原理

在解吸實(shí)驗(yàn)法計(jì)算采收率方面，前人做了大量的研究工作，張培河等人利用解吸法對(duì)國內(nèi)幾十口煤層氣井做了定量計(jì)算，求得國內(nèi)煤層氣采收率多在70%以上[1-3]。

在地層條件下，煤層氣含量主要包括解吸氣含量、損失氣含量以及殘余氣含量。解吸氣、損失氣在地層條件下便可解吸，而殘余氣無法實(shí)現(xiàn)解吸不能被開采出來[1]。解吸氣測定采用直接法，直接法是根據(jù)解吸初期解吸氣量與時(shí)間平方根呈正比關(guān)系進(jìn)行確定，以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下累計(jì)解吸氣量為縱坐標(biāo)，損失氣時(shí)間與解吸時(shí)間和的平方根為橫坐標(biāo)作圖，將最初呈直線關(guān)系的各點(diǎn)連線，延長直線與縱坐標(biāo)軸相交，則直線在縱坐標(biāo)軸上的截距為損失氣含量。

采收率計(jì)算公式為：

(1)

式中：ER— 煤層氣采收率；

QS— 煤層氣解吸實(shí)驗(yàn)中的損失氣含量，m3t；

QJ— 煤層氣解吸實(shí)驗(yàn)中的解吸氣含量，m3t；

QC— 煤層氣解吸實(shí)驗(yàn)中的殘余氣含量，m3t。

對(duì)韓城HC03井3#、5#和11#煤層各取3個(gè)不同深度上的煤芯進(jìn)行快速解吸實(shí)驗(yàn)，由式(1)求得：3#煤層煤層氣平均采收率為89.01%，5#煤層煤層氣平均采收率為88.95%，11#煤層煤層氣平均采收率為86.66%。

該方法直接把室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場，沒有考慮井網(wǎng)的控制程度和煤層非均質(zhì)性對(duì)壓降漏斗和解吸量的影響，誤差大，因此引入井網(wǎng)密度校正參數(shù)和非均質(zhì)校正參數(shù)。

1.2 井網(wǎng)密度校正系數(shù)

在一定條件下，井網(wǎng)密度越大，采收率越高，引入井網(wǎng)密度系數(shù)M，M越大，采收率越大。井網(wǎng)密度系數(shù)公式如下：

(2)

由于煤層固有的低孔、低滲特性，大部分煤層氣井都需要進(jìn)行壓裂改造。根據(jù)礦場實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓裂裂縫延伸長度加上影響長度一般在170m左右，裂縫徑向影響范圍在110m左右，故極限井網(wǎng)密度為13.369口km2。目前韓城地區(qū)主要采用正方形井網(wǎng)，井距為350m，井網(wǎng)密度為8.163口km2，故井網(wǎng)密度系數(shù)為0.611。

1.3 煤巖非均質(zhì)校正系數(shù)

煤層的均質(zhì)程度越高，壓降擴(kuò)展規(guī)律越符合理論預(yù)測結(jié)果，產(chǎn)氣性能越好，采收率越高。煤層的滲透率主要受割理密度和基質(zhì)滲透率的影響，而割理和基質(zhì)滲透率主要是受煤巖類型的控制，即在縱橫向上，煤巖類型越均勻，儲(chǔ)層就越均質(zhì)，因此，把煤巖類型的均質(zhì)程度引入到采收率校正中，提高采收率預(yù)測的準(zhǔn)確度。

根據(jù)礦場實(shí)際統(tǒng)計(jì)，如果投產(chǎn)射孔井煤層段只有一個(gè)煤巖類型，其非均質(zhì)校正系數(shù)N為1，煤層段有2個(gè)煤巖類型其非均質(zhì)校正系數(shù)N為0.917，煤層段有3個(gè)煤巖類型其非均質(zhì)校正系數(shù)N為0.846，依次類推，非均質(zhì)校正系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(3)

式中：N— 為非均質(zhì)校正系數(shù)；

a— 煤巖類型非均質(zhì)段個(gè)數(shù)。

HC03井3#、5#、11#煤層的煤巖均質(zhì)段個(gè)數(shù)分別為2，3，5，因此校正系數(shù)分別為0.917，0.846，0.733。

經(jīng)修正后的快速解吸實(shí)驗(yàn)法采收率計(jì)算公式為：

(4)

由式(4)求得：3#煤層采收率為49.87 %，5#煤層采收率為45.98%，11#煤層采收率為39.71%。

2 等溫吸附曲線法

2.1 基本原理

煤層氣的吸附和解吸是一個(gè)可逆過程。假設(shè)地層處于等溫狀態(tài)，煤對(duì)CH4的吸附服從Langmuir等溫吸附方程，隨著壓力的增加，煤對(duì)CH4的吸附能力增強(qiáng)；當(dāng)煤吸附一定量的CH4后，隨著壓力的降低，吸附在煤層上的CH4會(huì)解吸，吸附量減少[1]。用等溫吸附曲線方法求取采收率值，不僅要確定評(píng)價(jià)區(qū)的原始煤層氣含量Vgi、Langmuir體積VL以及Langmuir壓力PL，還需要煤層氣井的廢棄壓力。

根據(jù)Langmuir方程知，煤層氣藏在廢棄壓力Pa下的煤層氣吸附量Vga為：

(5)

式中：Vga— 廢棄壓力下的煤層氣吸附量，m3t；

VL— 一定溫度下單位質(zhì)量多孔介質(zhì)的飽和吸附量，亦稱Langmuir體積，cm3g；

PL— 吸附量等于飽和吸附量一半時(shí)的氣體壓力，亦稱Langmuir壓力，MPa；

Pa— 廢棄壓力，MPa。

煤層氣的采收率為：

(6)

式中：Vgi— 原始煤層氣含量，m3t。

2.2 廢棄壓力的確定

等溫吸附法求采收率的關(guān)鍵在于確定廢棄壓力下的煤層氣吸附量，即確定廢棄壓力Pa，廢棄壓力的準(zhǔn)確性決定了采收率的準(zhǔn)確性。

拜文華等人[11]利用等溫吸附曲線法預(yù)測煤層氣田采收率時(shí)，其廢棄壓力的確定都是借鑒常規(guī)天然氣廢棄壓力的確定方法，誤差較大。本次研究根據(jù)煤層氣在地層條件下擬穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的氣井產(chǎn)能公式計(jì)算平均地層壓力，當(dāng)煤層氣產(chǎn)量達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量時(shí)，平均地層壓力即為煤層的廢棄壓力。

(7)

Pwf— 井底流壓，MPa；

Qsc— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下井的產(chǎn)量，m3d；

μ— 煤層氣體黏度，mPa·s；

Z— 氣體偏差系數(shù)；

T— 煤層溫度，K；

K— 地層滲透率，10-3μm2；

h— 煤層厚度，m；

Re— 供給半徑，m；

Rw— 井底半徑，m；

S— 表皮系數(shù)；

D— 紊流系數(shù)，(m3d)2，D=2.191×10-18×；

β— 速度系數(shù)，m-1，β=7.644×1010K1.5；

γg— 相對(duì)密度。

根據(jù)HC03井5#煤層試井資料，由式(7)可求得當(dāng)井產(chǎn)量達(dá)到經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量時(shí)的平均儲(chǔ)層壓力，見表1。儲(chǔ)層廢棄壓力取0.7 MPa，則經(jīng)濟(jì)極限產(chǎn)量為300 m3d。

表1 HC03井5#煤層試井參數(shù)及平均儲(chǔ)層壓力

通過使用TerraTek-100等溫吸附儀對(duì)韓城HC03井3個(gè)層位采集的煤芯樣品進(jìn)行測試、擬合，獲得該井3個(gè)主力煤層的等溫吸附曲線，如圖1所示。

圖1 HC03井煤層各煤樣的等溫吸附曲線

根據(jù)等溫吸附參數(shù)及廢棄壓力，由式(5)、(6)計(jì)算采收率，結(jié)果見表2。

表2 等溫吸附參數(shù)及采收率計(jì)算結(jié)果

由表2可知，韓城區(qū)塊的3#煤層的采收率為66.38%，5#煤層的采收率為59.65%，11#煤層的采收率為54.29%。

煤層氣的采收率隨廢棄壓力的降低而增加，因此，在實(shí)際開采過程中應(yīng)盡量降低廢棄壓力，在開采后期廢棄壓力即使只降低0.10 MPa，對(duì)煤層氣采收率的貢獻(xiàn)也相當(dāng)可觀[4]。

等溫吸附曲線法求采收率操作簡便，適用在煤層氣勘探的最初階段，并在充分研究煤層氣地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3 物質(zhì)平衡法

物質(zhì)平衡法的實(shí)質(zhì)是煤層氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量等于煤層氣采出量與煤層氣剩余地質(zhì)儲(chǔ)量之和[5]。

(1)飽和型煤層氣藏。陳元千等人[7]基于King和Ahmed的研究方法和氣藏工程原理提出了確定飽和型煤層氣藏可采儲(chǔ)量和采收率的方法。

煤層氣氣體的物質(zhì)平衡法有如下前提條件：①甲烷主要以吸附態(tài)賦存于煤基質(zhì)的微孔中，少量游離氣賦存于割理中，忽略溶解氣；②開發(fā)過程中吸附氣解吸后立即進(jìn)入割理，任一時(shí)刻基質(zhì)中剩余的吸附氣以及割理中的游離氣，可按儲(chǔ)層平均壓力近似計(jì)算；③開發(fā)過程中，煤層溫度保持不變，吸附解吸過程符合 Langmuir 方程；④原始地層壓力Pi不大于吸附氣臨界解析壓力Pr。

地面累計(jì)產(chǎn)氣量Gp，地層壓力從Pi下降到P的過程中，必將引起煤層氣的膨脹作用，煤層基質(zhì)巖石顆粒的彈性膨脹作用和裂縫內(nèi)地層水的彈性膨脹作用，以及煤層氣的解吸作用。在地面標(biāo)準(zhǔn)條件下物質(zhì)平衡方程表示如下[7-10]：

Gai+Gfi=Gp+Gar+Gfr

(8)

式中：Gai— 基質(zhì)吸附氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量，108m3；

Gfi— 裂縫游離氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量，108m3；

Gp— 地面累積產(chǎn)氣量，108m3；

Gar— 基質(zhì)吸附氣剩余地質(zhì)儲(chǔ)量，108m3；

Gfr— 裂縫游離氣剩余地質(zhì)儲(chǔ)量，108m3。

在壓力Pi下基質(zhì)吸附氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量：

Gai=0.01AhρcVgi

(9)

在壓力Pi下裂縫中游離氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量：

Gfi=0.01Ahφf(1-Swi)Bgi

(10)

在壓力P下基質(zhì)中吸附氣剩余地質(zhì)儲(chǔ)量：

Gar=0.01AhρcVg

(11)

在壓力P下裂縫中游離氣剩余地質(zhì)儲(chǔ)量：

(12)

將式(9) — (12)代入式(8)中，得：

GP=0.01Ahρc(Vgi-Vg)+

(13)

式中：A— 煤層氣藏含氣面積，km2；

ρc— 煤的空氣干燥基密度，tm3；

Vgi— 在臨界解析壓力Pr下的等溫吸附氣含量，m3t；

Vg— 在地層壓力P下的等溫吸附氣含量，m3t；

φf— 煤層孔隙度；

Swi— 初始含水飽和度；

Bgi— 煤層氣初始體積系數(shù)；

Bg— 煤層氣某壓力、溫度條件下的體積系數(shù)。

由Langmuir 等溫吸附曲線方程知：

(14)

(15)

(16)

將式(14) — (16)代入式(13)整理得：

(17)

天然氣的體積系數(shù)可表示為：

(18)

(19)

(20)

式中：Zi— 原始地層壓力、溫度下的偏差系數(shù)；

Z— 當(dāng)前地層壓力、溫度下的偏差系數(shù)；

Zsc— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的偏差系數(shù)；

T— 平均地層溫度, K；

Tsc— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度，為293.15 K；

Pi— 原始地層壓力，MPa；

Psc— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，為0.101 3 MPa。

將式(18) — (20)代入式(17)整理得：

(21)

當(dāng)壓力降至廢棄壓力Pa時(shí)，廢棄壓力下的煤層氣體積系數(shù)為Bga，則煤層氣可采儲(chǔ)量GR為：

(22)

即：

(23)

式中：GR— 煤層氣的可采儲(chǔ)量，108m3；

Pa— 煤層廢棄壓力，MPa。

煤層氣藏的開采儲(chǔ)量由吸附氣可采儲(chǔ)量和游離氣可采儲(chǔ)量組成，故吸附氣的可采儲(chǔ)量GRa為：

(24)

游離氣的可采儲(chǔ)量GRf為：

(25)

根據(jù)煤層氣采收率定義，吸附氣的采收率ERa為：

(26)

游離氣的采收率ERf為：

(27)

(2)欠飽和煤層氣藏。煤層氣藏為欠飽和氣藏，即原始地層壓力Pi大于臨界解析壓力Pd，原始裂隙中可認(rèn)為無游離氣，此時(shí)儲(chǔ)層的原始吸附氣含量Vgi應(yīng)為臨界解吸壓力Pd下的吸附氣含量，而不是原始地層壓力Pi下的吸附氣含量[6]：

(28)

煤層氣的可采儲(chǔ)量：

(29)

煤層氣的采收率：

(30)

韓城礦區(qū)煤層氣藏為欠飽和氣藏，即Pi>Pd，儲(chǔ)層廢棄壓力取0.7MPa，以HC03井為例，各煤層采收率計(jì)算結(jié)果見表3。

物質(zhì)平衡法估算的采收率可靠程度較高，適用于煤層氣開發(fā)階段已完成排采過程的氣井，不適用于邊緣井[3]。

表3 HC03井各煤層參數(shù)及采收率

將以上3種方法求得的各煤層的采收率值平均后得到：3#煤層預(yù)測采收率為59.83%，5#煤層預(yù)測采收率為55.09%，11#煤層預(yù)測采收率為49.41%。中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在2007年對(duì)韓城WL1井區(qū)、韓試1井區(qū)利用數(shù)值模擬法和等溫吸附法預(yù)測采收率為49.10%[2]。說明將改進(jìn)后的3種方法計(jì)算的采收率值進(jìn)行平均得到的結(jié)果比較可靠。

4 結(jié) 語

(1)依據(jù)解吸理論，把影響煤層氣采收率的煤巖非均質(zhì)參數(shù)、礦場井網(wǎng)密度添加到采收率預(yù)測公式中，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確率。其理論依據(jù)可靠，實(shí)際應(yīng)用中可操作性強(qiáng)。

(2)等溫吸附曲線法和物質(zhì)平衡法中廢棄壓力是關(guān)鍵參數(shù)，本次研究提出的廢棄壓力確定方法，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較吻合。

(3)在求取某區(qū)塊煤層氣藏采收率時(shí)，應(yīng)把幾種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合平均，減小誤差，增加采收率預(yù)測的準(zhǔn)確性。

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Research on the Predictive Method of CBM Recovery Efficiency:A Case Study of Hancheng Mining Area

JIEJingtaoSHAOXianjieQIAOYupengCHENXiaozheXIEQihongZHANGMin

(Petroleum Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

Predicting recovery efficiency accurately is an important basis for the adjustment of development program and the implement of mine measures. However, coalbed methane recovery calculation has not yet formed a complete or mature method. Based on the research of a lot of articles both home and abroad, this thesis aims to improve, the desorption experiment method, the adsorption isothermal curve method and the material balance method. In the desorption experiments method, well spacing density and heterogeneity of coal rock were considered. While based on the adsorption isothermal curve method and the material balance method, method for determining abandonment pressure was proposed by theoretical derivation.

coalbed methane; recovery efficiency; prediction method; abandonment pressure; well spacing density correction coefficient

2015-01-16

國家科技重大專項(xiàng)“煤層氣藏開發(fā)機(jī)理與產(chǎn)能主控因素研究”(2011ZX05038-001)

接敬濤(1989 — )，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槊簩託夤こ獭⒂筒毓こ獭?/p>

TE327

A

1673-1980(2015)05-0059-05