穆福元

(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 065007)

煤層氣氣水運(yùn)動(dòng)理論與應(yīng)用

穆福元

(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 065007)

為了引導(dǎo)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)，本文采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，探討了煤層氣氣水運(yùn)動(dòng)的理論與應(yīng)用。提出煤層氣雖然是吸附氣，但其開(kāi)發(fā)后，氣和水是運(yùn)動(dòng)的，氣往上部運(yùn)移，水往下部運(yùn)移。受其影響頂部的井往往高產(chǎn)、腰部低產(chǎn)、翼部不產(chǎn)，生產(chǎn)中也出現(xiàn)了自給性(平緩部位)、外輸性(構(gòu)造翼部)和輸入性(構(gòu)造頂部)等三種產(chǎn)氣曲線類型。建議開(kāi)發(fā)布井優(yōu)化時(shí)考慮煤層局部構(gòu)造的影響，在其頂部少布井、翼部多布井、鞍部不布井，實(shí)現(xiàn)少井高產(chǎn)，達(dá)到合理開(kāi)發(fā)的目的。

煤層氣 氣水運(yùn)動(dòng) 高效開(kāi)發(fā)

1 煤層氣開(kāi)發(fā)理論現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

1.1 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的煤層氣開(kāi)發(fā)理論將煤層甲烷氣的產(chǎn)出機(jī)理分為解吸→擴(kuò)散→滲流等三個(gè)階段。煤層氣井生產(chǎn)后隨著井筒附近地層壓力的下降，起初只有水產(chǎn)出；當(dāng)井筒附近的儲(chǔ)層壓力小于吸附壓力之后，就有一定數(shù)量的甲烷從煤的表面“解吸”，形成氣泡，阻礙水的流動(dòng)，但此時(shí)氣沒(méi)有互相連接，尚不能流動(dòng)；隨著儲(chǔ)層壓力的進(jìn)一步下降，就有更多的氣解吸出來(lái)，“擴(kuò)散”到煤儲(chǔ)層的其它區(qū)域，氣泡互相連通形成連續(xù)的流線，氣開(kāi)始在地層“滲流”和產(chǎn)出；隨著壓力的進(jìn)一步降低，煤層氣產(chǎn)量逐漸增加。這就是煤層氣解吸→擴(kuò)散→滲流理論的精髓，是指導(dǎo)煤層氣開(kāi)發(fā)的理論經(jīng)典。

1.2 存在問(wèn)題

在我國(guó)常規(guī)天然氣藏的開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，采取了一套采用集中高滲透區(qū)布開(kāi)發(fā)井原則，取得了少井高產(chǎn)的開(kāi)發(fā)效果；如四川平落壩香二氣藏應(yīng)用該布井原則，減少鉆井6口，同時(shí)延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)期2年以上。而縱觀我國(guó)煤層氣的開(kāi)發(fā)方案，大多采用均勻布井的開(kāi)發(fā)方式，即使采用數(shù)值模擬進(jìn)行模擬分析，也沒(méi)有相關(guān)的理論進(jìn)行指導(dǎo)。這種均勻布井的布井方式，不但不能增加氣田的采收率，反而浪費(fèi)了煤層氣權(quán)益人的開(kāi)發(fā)投資，使得其收益下降，因此需要一套煤層氣“少井高產(chǎn)”的理論，指導(dǎo)我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)方案的編制，這正是本文所探討氣水運(yùn)動(dòng)理論的目的之所在。

2 氣水運(yùn)動(dòng)理論的探討與應(yīng)用

2.1 理論探討

煤層里的煤層氣未開(kāi)發(fā)前，絕大部分吸附在煤巖里，煤層的的流體(吸附氣、煤層里的游離氣和煤層里的水)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)煤層的開(kāi)發(fā)井網(wǎng)形成且氣井投產(chǎn)后，其壓力漏斗逐漸形成，使得煤層中的流體受重力分異作用的影響進(jìn)行二次運(yùn)移；煤層里的水逐漸由高勢(shì)能區(qū)向低勢(shì)能區(qū)運(yùn)移，而氣則從低勢(shì)能區(qū)向高勢(shì)能區(qū)運(yùn)移，構(gòu)造高部位形成了高產(chǎn)區(qū)，低洼區(qū)形成了低產(chǎn)區(qū)(圖1)。該理論的公式推導(dǎo)如下：

圖1 “氣水運(yùn)動(dòng)理論”示意圖

假設(shè)圖1中的A、B、C三點(diǎn)分別代表頂部、翼部、鞍部的三口井，假設(shè)煤層中沒(méi)有游離氣，則A、B、C三點(diǎn)的地層壓力的關(guān)系是：

PB=PA+0.01h1

(1)

PC=PA+0.1(h1+h2)=PB+0.01h2

(2)

A井的氣水產(chǎn)量分別為：

(3)

(4)

同理B井與C井的氣水產(chǎn)量分別是：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：qg——?dú)猱a(chǎn)量；

k——有效滲透率，mD；

Krw——水相相對(duì)滲透率，f；

Krg——水相相對(duì)滲透率，f；

Pwf——井底流壓；

μg——?dú)怏w粘度，mPa.s；

μw——地層水粘度，mPa.s；

re——井距之半，m；

rw——井底半徑，m；

S——表皮系數(shù)，f；

m——系數(shù)，國(guó)際單位下為0.02728；

腳標(biāo)A、B、C分別代表A、B、C三井。

假設(shè)A、B、C三井的k、Pwf、μg、μw、re、rw、S等參數(shù)一致，則影響A、B、C三井氣水產(chǎn)量的因素主要有兩個(gè)：

一個(gè)是地層壓力，從(1)和(2)可知，受重力的影響，C點(diǎn)的地層壓力大于B點(diǎn)，B點(diǎn)大于A點(diǎn)，換句話說(shuō)，當(dāng)頂部A點(diǎn)附近的煤層氣解析時(shí)，B點(diǎn)和C點(diǎn)附近的煤層氣尚未解析，A、B、C三井附近煤層氣的解析順序是A→B→C。據(jù)此可知，A、B、C三井的出氣順序是A→B→C。

另一個(gè)是相對(duì)滲透率krw和krg，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)著將煤層劃歸為雙重或者是多重介質(zhì)，其典型的相對(duì)滲透率曲線見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，決定相對(duì)滲透率krw和krg的關(guān)鍵因素是煤層中的地層水飽和度Sw或者是氣體的飽和度Sg，在煤層降壓初期，假設(shè)煤層中沒(méi)有游離氣，則A、B、C三井的氣產(chǎn)量為0。

圖2 煤層氣相對(duì)滲透率曲線(單位：f)

隨著排水工作的開(kāi)展，A、B、C三井的地層壓力均要有所下降，但受地層水重力作用的影響，A井的壓力降得最快，C井的壓力降得最慢，當(dāng)A井出現(xiàn)兩相流時(shí)，B井和C井仍處于單相水流階段，A井、B井和C井出現(xiàn)兩相流、且氣體飽和度增大的順序依次為A→B→C。由此可知，A、B、C三井氣產(chǎn)量由高到低的順序是A→B→C，水產(chǎn)量高到低的順序是C→B→A。

2.2 應(yīng)用

(1)生產(chǎn)曲線的分類

根據(jù)煤層氣的氣水運(yùn)動(dòng)理論，可以將目前的煤層氣生產(chǎn)曲線歸為以下三類：

① 自給型

這類井往往處于構(gòu)造相對(duì)平緩的區(qū)域，其特點(diǎn)是只有一個(gè)穩(wěn)產(chǎn)期，單井產(chǎn)量較高，穩(wěn)產(chǎn)期較長(zhǎng)，井的開(kāi)發(fā)壽命中等。典型井的例子是鐵法地區(qū)的DT-4井， 2006年底達(dá)到產(chǎn)量高峰，最高日產(chǎn)氣12442m3/d，10年后的產(chǎn)量尚有3200m3/d。

② 外輸型

這類井位于構(gòu)造腰部，井水大氣小，穩(wěn)產(chǎn)期短，遞減也快。典型井的例子是沁水盆地位于局部構(gòu)造腰部的蒲南2-5井，該井2012年10月前不產(chǎn)氣，產(chǎn)氣后產(chǎn)氣量也很少，僅47m3/d，遠(yuǎn)低于該區(qū)的平均產(chǎn)氣水平，日產(chǎn)水7.2m3/d，卻高于該區(qū)的平均水平。

③ 輸入性

這類井位于構(gòu)造頂部，單井產(chǎn)量高，產(chǎn)量高峰可能不止一個(gè)，穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)，采出程度有可能超過(guò)100%，典型井的例子是沁水盆地的蒲1-2井，該井位于構(gòu)造的局部高點(diǎn)，有3個(gè)高峰期，分別是2007年7月21日、2009年3月9日和2011年11月5日，日產(chǎn)氣高峰分別為2368m3/d、3374m3/d和7596m3/d，第一個(gè)高峰是煤層里的游離氣產(chǎn)出的結(jié)果，第二個(gè)是該井“排水采氣”的結(jié)果，第三個(gè)是“氣水運(yùn)動(dòng)”的結(jié)果。

(2)開(kāi)發(fā)井距的優(yōu)化

① 構(gòu)造頂部：該部位的氣為“輸入型”，水為“輸出型”，氣產(chǎn)量高，單井控制面積大，建議在地質(zhì)條件如儲(chǔ)層厚度、含氣量等參數(shù)一致的條件下，該區(qū)的開(kāi)發(fā)井距應(yīng)該放大一些；

② 構(gòu)造翼部：該部位的井氣為“輸出型”，水為“輸入型”，產(chǎn)水量高，產(chǎn)氣量低，建議該區(qū)的開(kāi)發(fā)井距應(yīng)該放小一些；

③ 構(gòu)造鞍部：該部位的水為“輸入型”，氣的產(chǎn)量很低，建議該部位應(yīng)該盡可能不布井。

2.3 應(yīng)用前景預(yù)測(cè)

氣水運(yùn)動(dòng)理論開(kāi)創(chuàng)了煤層氣開(kāi)發(fā)后氣與水運(yùn)動(dòng)的先河，將在煤層氣開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)分析、可采儲(chǔ)量分析等方面注入活力；預(yù)計(jì)與早期精細(xì)構(gòu)造解釋結(jié)合后，將在開(kāi)發(fā)井距優(yōu)化部署發(fā)揮積極的作用，引領(lǐng)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)論

煤層氣雖然是吸附氣，但其開(kāi)發(fā)后，氣和水運(yùn)動(dòng)的的方向是相反的，氣往上部運(yùn)移，水往下部運(yùn)移，受其影響出現(xiàn)了三種產(chǎn)氣曲線類型。建議開(kāi)發(fā)布井優(yōu)化時(shí)考慮煤層局部構(gòu)造的影響，在其頂部少布井、腰部多布井、翼部不布井，實(shí)現(xiàn)少井高產(chǎn)。

[1] 蘇現(xiàn)波,陳江紅,孫俊民,程昭斌.煤層氣地質(zhì)學(xué)與勘探開(kāi)發(fā)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2] 穆福元,仲偉志,趙先良,車長(zhǎng)波,陳艷鵬,朱杰,等.中國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略思考.天然氣工業(yè)[J]. 2015,35(6):110-116.

(責(zé)任編輯 丁 聰)

Theories and Practice of CBM Gas-water Moving

MU Fuyuan

(Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Hebei 065007)

For leading CBM effective development, the theories of gas-water moving have been discussed in this paper with the method of integrating theory with practice. Results show that:Although CBM is the adsorbed gas, it will be moving after development, and gas will be moving to the upper position and water to the lower. The well production rate is often higher in the top of structure, middle in waist, and low in saddle, and three production curer types, that is self (gentle), transportation (waist) and input (top), were appeared in CBM development practice.In order to develop CBM reasonably, it is suggested to consider the influence of the structure of local coal seam when placing of wells, which is less on the top, more on the waist, and no wells on the saddle.

CBM; gas-water moving; effective development

國(guó)家科技重大專項(xiàng) “我國(guó)煤層氣發(fā)展戰(zhàn)略和政策研究”(2011ZX05043-006)

穆福元，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事煤層氣開(kāi)發(fā)與政策研究工作。