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        單一煤儲層煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量的確定

        2016-12-20 03:32:37倪小明葉建平李哲遠(yuǎn)
        特種油氣藏 2016年3期

        倪小明,苗 杰,葉建平,李哲遠(yuǎn)

        (1.河南理工大學(xué),河南 焦作 454000;2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

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        單一煤儲層煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量的確定

        倪小明1,2,苗 杰1,葉建平3,李哲遠(yuǎn)1

        (1.河南理工大學(xué),河南 焦作 454000;2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

        確定單一煤儲層煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量可為煤層氣井布井及經(jīng)濟(jì)評價提供依據(jù)。根據(jù)等溫吸附、水氣啟動壓力梯度流動等理論,建立了單一煤儲層條件下煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量的數(shù)理模型,研究了平均日產(chǎn)氣量與主控影響因素間的關(guān)系。研究表明:滲透率、臨儲壓力比與平均日產(chǎn)氣量呈指數(shù)形式變化;含氣飽和度與平均日產(chǎn)氣量呈線性關(guān)系。沁水盆地中南部煤層氣實際排水采氣資料與預(yù)測結(jié)果的對比驗證了模型的準(zhǔn)確性。該研究結(jié)果為現(xiàn)場煤層氣直井選址及經(jīng)濟(jì)評價提供了理論依據(jù)。

        煤層氣;日產(chǎn)氣量;滲透率;臨儲壓力比;沁水盆地

        0 引 言

        確定煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量,對制訂煤層氣開發(fā)決策,降低投資風(fēng)險等具有重要意義。天然氣與煤層氣的主要成分均為甲烷,但其產(chǎn)氣機(jī)理有明顯差別。目前,天然氣直井合理日產(chǎn)氣量的確定方法主要有采氣指示曲線法、數(shù)值模擬法、產(chǎn)量不穩(wěn)定分析法和礦場生產(chǎn)統(tǒng)計分析方法等[1-7],但煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量的確定方法卻鮮有報道。兩者產(chǎn)氣機(jī)理的明顯差異決定了借鑒天然氣井合理日產(chǎn)氣量的方法進(jìn)行煤層氣直井日產(chǎn)氣量確定的局限性。從煤層氣井生產(chǎn)特點出發(fā),建立了單一煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量的數(shù)理模型,并對不同儲層屬性參數(shù)下合理產(chǎn)氣量進(jìn)行了探討,以期為煤層氣經(jīng)濟(jì)評價、區(qū)塊選擇、開發(fā)決策等提供依據(jù)。

        1 煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量數(shù)理模型

        1.1 產(chǎn)氣范圍內(nèi)某點含氣量的數(shù)理模型

        根據(jù)等溫吸附理論和氣體試井理論[8]可知,氣體解吸產(chǎn)出后排采t時間氣體的傳播影響距離為:

        (1)

        進(jìn)入氣水兩相流后,根據(jù)氣體流動理論[9],得出解吸范圍內(nèi)距井筒rg處氣壓變化為:

        (2)

        式中:pgr為煤層氣解吸影響半徑范圍內(nèi)任意一點處的儲層壓力,MPa;pw為井底流壓,MPa;rw為井筒半徑,m;rg為氣壓傳播影響半徑范圍內(nèi)任意一點距井筒中心的距離,m。

        對式(2)進(jìn)行求導(dǎo)并結(jié)合滲透率與啟動壓力梯度之間的關(guān)系[10-12]可知,流體能夠發(fā)生流動的臨界條件為dp/dr-λ=0,聯(lián)立式(1)得:

        (3)

        (4)

        (5)

        式中:λ為啟動壓力梯度,MPa/m;a,b為常數(shù),可由實驗測試擬合得到。

        根據(jù)等溫吸附理論可知,距井筒某點r處不同時刻內(nèi)含氣量的變化量可表示為:

        (6)

        式中:ΔV為某點r處不同時刻內(nèi)含氣量的變化量,m3/t;pi為ti時刻對應(yīng)的儲層壓力,MPa;pj為tj時刻對應(yīng)的儲層壓力,MPa;VL為蘭氏體積,m3/t;pL為蘭氏壓力,MPa。

        不同的排采時間對應(yīng)不同的影響半徑re,但是不同影響半徑對應(yīng)的解吸壓力為一定值,均為pl,則聯(lián)立式(3)、(6)可得:在t1—t2排采時間范圍內(nèi)某一點r(rw≤r≤re1,re1為排采t1時間時對應(yīng)的解吸半徑,m)處的含氣量變化量可表示為:

        (7)

        C=pL(B+lnt1)

        (8)

        D=pL(B+lnt2)

        (9)

        式中:ΔV1為t1—t2排采時間范圍內(nèi)某一點r(rw≤r≤re1)處的含氣量變化量,m3/t;V1為t1時刻在點r處的含氣量,m3/t;V2為t2時刻在點r處的含氣量m3/t。

        不同排采時間段對應(yīng)不同的解吸影響范圍。不同排采時間對應(yīng)的不同影響距離內(nèi)的產(chǎn)氣示意圖如圖1所示。在解吸影響范圍內(nèi),同一位置處隨著排采時間的不同,儲層壓力處于動態(tài)變化中,對應(yīng)的含氣量也處于動態(tài)變化中,從而導(dǎo)致同一位置處Δt時間內(nèi)氣體產(chǎn)出量不同。排采t1時間時,對應(yīng)解吸半徑re1,排采t2時間時,對應(yīng)解吸半徑re2。解吸范圍內(nèi)的壓降曲線呈漏斗狀分布。因此,在t1—t2時間內(nèi),2條壓降曲線的中間部分S1和S2即為Δt時間內(nèi)的解吸氣量。即當(dāng)re1≤r≤re2時,r點處的含氣量變化量可表示為:

        (10)

        式中:ΔV2為t1—t2排采時間范圍內(nèi)某一點r(re1≤r≤re2)處的含氣量變化量,m3/t;V0為實測含氣量,m3/t。

        圖1 排采過程解吸范圍內(nèi)含氣量變化示意圖

        1.2 煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量的數(shù)理模型

        根據(jù)水壓傳播公式,結(jié)合水的啟動壓力梯度與滲透率的關(guān)系,則水壓傳播的極限半徑可表示為:

        (11)

        式中:rwl2為水壓在改造最短方向上傳播的極限距離,m;rdz為儲層改造較弱方向上的影響距離,m;pe為儲層壓力,MPa;pwl為排采時極限井底壓力,MPa;λ1w為改造后水的動力壓力梯度,MPa/m;λ2w為改造前水的動力壓力梯度,MPa/m。

        見氣后排采一段時間,當(dāng)氣壓傳播至儲層改造短軸邊界時,氣壓傳播由以井筒為圓心的同心圓向橢圓轉(zhuǎn)變。此時供氣面積發(fā)生變化,為簡化計算,將氣壓傳播等壓線近似看成圓,滲透率取改造后的滲透率,在Δt時間范圍內(nèi)的供氣面積為兩同心圓之間面積的1/2。

        聯(lián)立式(7)、(10)、(11),通過積分求解Δt時間范圍內(nèi)產(chǎn)氣量為:

        (12)

        式中:H為煤層厚度,m;ρ為煤層密度,t/m3。

        根據(jù)式(1)和式(12),平均日產(chǎn)氣量可表示為:

        (13)

        (14)

        (15)

        式中:QJ為直井平均日產(chǎn)氣量,m3/d。

        2 實例驗算

        為驗證模型的準(zhǔn)確性,以山西沁水盆地東南部的潘莊、樊莊和柿莊區(qū)塊[13-14]為例,各取5口典型的煤層氣直井共15口井的實際儲層參數(shù)進(jìn)行計算。所選的井均為活性水壓裂的井,且壓裂工藝參數(shù)相差不大,這些井的排采工作制度較合理。根據(jù)排采資料,將計算結(jié)果與實際穩(wěn)定產(chǎn)氣時的平均日產(chǎn)氣量進(jìn)行對比。因這些井不是每口井都進(jìn)行了等溫吸附測試,為便于計算,根據(jù)各個區(qū)塊參數(shù)井的等溫吸附測試資料,得出3個區(qū)塊各口井計算的蘭氏體積和蘭氏壓力。潘莊區(qū)塊VL為42.9 m3/t,pL為2.3 MPa;樊莊區(qū)塊VL為40 m3/t,pL為3.14 MPa;柿莊區(qū)塊VL為38 m3/t,pL為2.6 MPa?;緟?shù)及計算結(jié)果見表1。

        表1 沁東南15口煤層氣直井合理日產(chǎn)氣量計算與實際結(jié)果對比

        由表1可知:除SZ-12和SZ-15井外,大多數(shù)的井預(yù)測結(jié)果與實際之間誤差率在10%以內(nèi),說明預(yù)測模型具有一定的準(zhǔn)確性。這2口井誤差較大的原因主要是這2口井煤體較破碎,鉆井過程井徑擴(kuò)大較大,煤儲層有一定污染,后期排采時排采強度稍大,出煤粉較多,從而導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果誤差較大。

        3 關(guān)鍵參數(shù)對日產(chǎn)氣量的影響

        為了研究合理日產(chǎn)氣量的主控影響因素,基于構(gòu)建的合理日產(chǎn)氣量數(shù)學(xué)模型,在其他條件不變的前提下,改變某一特定影響因素(滲透率、含氣飽和度、臨儲壓力比),進(jìn)行合理日產(chǎn)氣量計算分析。

        以合理產(chǎn)氣量計算誤差最小的潘莊PH-02井為例,根據(jù)該井煤儲層基本參數(shù)及排采資料,對僅改變滲透率、臨儲壓力比、含氣飽和度參數(shù)條件下的合理日產(chǎn)氣量進(jìn)行計算,分別得到滲透率、臨儲壓力比、含氣飽和度與合理日產(chǎn)氣量關(guān)系(圖2~4)。

        圖2 滲透率與平均日產(chǎn)氣量關(guān)系

        圖3 臨儲壓力比與平均日產(chǎn)氣量關(guān)系

        圖4 含氣飽和度與平均日產(chǎn)氣量關(guān)系

        由圖2~4可知:滲透率、臨儲壓力比均與平均日產(chǎn)氣量呈指數(shù)關(guān)系遞增變化,且擬合度較高,均在0.95以上;含氣飽和度與平均日產(chǎn)氣量呈線性關(guān)系遞增變化,擬合度為1.00。說明滲透率、臨儲壓力比對平均日產(chǎn)氣量的影響均較為明顯,且敏感性較高;含氣飽和度對平均日產(chǎn)氣量的影響較小,即影響平均日產(chǎn)氣量的主控因素為滲透率和臨儲壓力比。

        4 結(jié) 論

        (1) 在人為操作無重大工程失誤情況下,構(gòu)建的單一煤儲層煤層氣直井合理產(chǎn)氣量模型能夠較為準(zhǔn)確、客觀地對煤層氣井的平均日產(chǎn)氣量進(jìn)行預(yù)測,計算誤差一般在10%以內(nèi),預(yù)測效果較好。

        (2) 滲透率、臨儲壓力比與平均日產(chǎn)氣量之間呈指數(shù)關(guān)系,對日產(chǎn)氣量影響大;含氣飽和度與平均日產(chǎn)氣量呈線性關(guān)系,對日產(chǎn)氣量影響相對較小。

        (3) 由于假設(shè)條件的理想化,加之煤儲層物性參數(shù)獲取不準(zhǔn)確性和人為操作影響,導(dǎo)致預(yù)測模型與實際之間存在一定偏差,需在今后進(jìn)一步完善理論模型,更好地指導(dǎo)于生產(chǎn)。

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        編輯 孟凡勤

        20151227;改回日期:20160318

        河南省高??萍紕?chuàng)新人才項目“低滲煤層水平井分段氮氣伴注壓裂關(guān)鍵技術(shù)研究”(15HASTIT050);河南省科技廳攻關(guān)項目“井下長鉆孔分段水力壓裂增透關(guān)鍵技術(shù)”(142102210050)

        倪小明(1979-),男,副教授,2002年畢業(yè)于焦作工學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè),2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球探測與信息技術(shù)專業(yè),獲博士學(xué)位,現(xiàn)從事煤層氣地質(zhì)與勘探開發(fā)方面的研究。

        10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.033

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        1006-6535(2016)03-0136-04

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