茹 婷

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077)

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基于數(shù)值模擬方法的煤儲層參數(shù)敏感性分析

茹 婷

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077)

為了提高彬長礦區(qū)大佛寺井田地面直井開發(fā)煤層氣的產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益，利用煤儲層數(shù)值模擬方法對孔隙度、煤層厚度、滲透率以及氣含量等煤儲層參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)能敏感性分析。研究表明：對于大佛寺井田煤層特征來講，直井累計產(chǎn)氣量和穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量對氣含量的敏感性最大，其次是孔隙度和滲透率，對煤層厚度的敏感性最小。煤儲層參數(shù)敏感性的認(rèn)識對該區(qū)煤層氣開發(fā)布井、選層具有一定的指導(dǎo)意義。

數(shù)值模擬；煤儲層參數(shù)；敏感性；直井

0 引言

影響煤層氣地面直井產(chǎn)能的主要煤儲層參數(shù)包括孔隙度、煤層厚度、滲透率以及氣含量等，不同參數(shù)對產(chǎn)能的影響各異。對煤儲層參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，并對不同參數(shù)的敏感性進(jìn)行對比分析，確定不同參數(shù)敏感性的大小，對煤層氣開發(fā)布井、選層具有指導(dǎo)意義。

敏感性分析就是假設(shè)模型表示為y=f(x1，x2，……，xn) (xi為模型的第i個屬性值)，令每個屬性在可能的取值范圍內(nèi)變動，研究和預(yù)測這些屬性的變動對模型輸出值的影響程度。我們將影響程度的大小稱為該屬性的敏感性系數(shù)。敏感性系數(shù)越大，說明該屬性對模型輸出的影響越大。敏感性分析的核心目的就是通過對模型屬性進(jìn)行分析，得到各屬性敏感性系數(shù)的大小，在實際應(yīng)用中根據(jù)經(jīng)驗去掉敏感性系數(shù)很小的屬性，重點考慮敏感性系數(shù)較大的屬性。這樣就可以大大降低模型的復(fù)雜度，減少數(shù)據(jù)分析處理的工作量，在很大程度上提高了模型的精度，同時研究人員可利用各屬性敏感性系數(shù)的排序結(jié)果，解決相應(yīng)的問題[1]。

1 敏感性參數(shù)取值

煤層氣單井產(chǎn)能差異受區(qū)域地質(zhì)條件與工程參數(shù)的影響，不同的煤儲層參數(shù)組合造就了不同產(chǎn)能級別的煤層氣井[ 2]。根據(jù)彬長礦區(qū)大佛寺井田的地質(zhì)條件和儲層特征，對敏感性參數(shù)：孔隙度、煤層厚度、滲透率以及氣含量等進(jìn)行取值，如表1，考慮了參數(shù)值數(shù)值能夠代表大佛寺井田煤層特征， 最大最小值也在合理范圍內(nèi)，盡量接近大佛寺井田煤層氣生產(chǎn)的地質(zhì)條件。

表1 儲層敏感性參數(shù)數(shù)據(jù)表

2 敏感性分析

利用煤儲層數(shù)值模擬軟件(CBM-SIM)模擬彬長礦區(qū)大佛寺井田煤層氣垂直井10a的產(chǎn)氣情況，分析各儲層參數(shù)的敏感性，并對不同參數(shù)的敏感性進(jìn)行對比分析，確定不同參數(shù)敏感性的大小。

2.1 孔隙度

在其他參數(shù)不變的情況下，煤層裂縫孔隙度設(shè)計了1%，2%，3%，4%的4套方案，分別模擬煤層氣直井的產(chǎn)能變化情況，如圖1、圖2所示，裂縫孔隙度對直井產(chǎn)能的影響非常明顯。由于裂縫孔隙度的大小決定了煤層中水的儲量，孔隙度越小，煤層中裂縫含水量越少，因此相同的工作制度和地質(zhì)條件下，裂縫孔隙度越小，相同的排水量，會導(dǎo)致地層壓力下降速度快，使得煤層具有更大的解吸量，日產(chǎn)氣量相對較高，累計產(chǎn)氣量較高。

圖1 不同孔隙度直井日產(chǎn)氣量的變化情況Figure 1 Vertical well daily output variation under different porosities

圖2 不同孔隙度直井10a累計產(chǎn)氣量情況Figure 2 Vertical well 10 years cumulative output under different porosities

2.2 煤層厚度

考慮到煤層的實際厚度，設(shè)計了5m、10m、15m、20m的4套對比方案，對比結(jié)果如圖3、圖4所示。隨著煤層厚度的增加，垂直生產(chǎn)井的日產(chǎn)氣量、最大產(chǎn)氣量、穩(wěn)產(chǎn)時間都在增加，這是因為在其他地質(zhì)條件一致的情況下，煤層厚度越大，煤層氣的地質(zhì)儲量越大，單井控制儲量越大，開發(fā)潛力越大。

圖3 不同煤厚直井日產(chǎn)氣量的變化情況Figure 3 Vertical well daily output variation underdifferent coal thicknesses

圖4 不同煤厚直井10a累計產(chǎn)氣量情況Figure 4 Vertical well 10 years cumulative output under different coal thicknesses

2.3 滲透率

本次模擬設(shè)計了煤層絕對滲透率1mD、3mD、5mD、7mD4套方案，分別模擬煤層氣直井的產(chǎn)能變化情況。煤層中發(fā)育的2組垂直裂隙交錯形成網(wǎng)格，是煤儲層滲透率的主要貢獻(xiàn)者。儲層裂隙中面割理連續(xù)性較強(qiáng)、延伸較遠(yuǎn)，滲透性最優(yōu)；端割理高角度穿插于相鄰兩條面割理之間、斷續(xù)分布，滲透性較差[ 3-4]。2組垂直割理形成的方向性滲透率共同控制著儲層滲透性的優(yōu)劣[ 5]?？刂破渌鼉訁?shù)不變，僅調(diào)整儲層面割理方向滲透率進(jìn)行煤層氣井產(chǎn)能數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖5、6所示，當(dāng)滲透率過低，煤儲層泄壓速率和煤層氣解吸速率較低，壓降漏斗擴(kuò)展范圍有限， 導(dǎo)致產(chǎn)氣量較低。隨著絕對滲透率的增加，氣體流動阻力減小，日產(chǎn)氣量、最高日產(chǎn)氣量、累計產(chǎn)氣量都會增加。

圖5 不同滲透率直井日產(chǎn)氣量的變化情況Figure 5 Vertical well daily output variation under different permeabilities

圖6 不同滲透率直井10a累計產(chǎn)氣量情況Figure 6 Vertical well 10 years cumulative output under different coal permeabilities

2.4 氣含量

由于大佛寺井田氣含量相對較低，因此煤層氣垂直井的初始?xì)夂吭O(shè)計了1m3/t、2 m3/t、3m3/t、4m3/t的4套對比方案，模擬結(jié)果如圖7、圖8所示，隨著氣含量的增加，日產(chǎn)量、日產(chǎn)氣量峰值是逐漸增加。由于蘭氏體積和蘭式壓力是確定的，初始?xì)夂繘Q定了臨界解吸壓力的大小，初始?xì)夂吭礁?，臨界解析壓力越高，降低相同的壓力，解吸量越多，氣產(chǎn)量越大，累計氣產(chǎn)量越高。煤層厚度一定條件下，氣含量越大，可抽采的資源量越大，產(chǎn)氣量越高。

圖7 不同含氣量的直井日產(chǎn)氣量變化情況Figure 7 Vertical well daily output variation under different gas contents

圖8 不同含氣量的直井累計產(chǎn)氣量變化情況Figure 8 Vertical well 10 years cumulative output under different gas contents

2.5 不同參數(shù)敏感性對比分析

(1)直井累計產(chǎn)氣量與不同參數(shù)敏感性對比

根據(jù)前面直井對不同參數(shù)敏感性的分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2，畫出直井10a累計產(chǎn)氣量與孔隙度、煤層厚度、滲透率和氣含量的曲線圖(圖9)，利用線性回歸分析累計產(chǎn)氣量(y)與各參數(shù)(x)之間的關(guān)系，建立了數(shù)學(xué)模型，如表3。

圖9 直井10a累計產(chǎn)氣量與煤儲層各參數(shù)的關(guān)系曲線Figure 9 Vertical well 10 years cumulative output-coal reservoir parameters relation curves

孔隙度/%10a累計產(chǎn)氣量/104m3厚度/m10a累計產(chǎn)氣量/104m3滲透率/mD10a累計產(chǎn)氣量/104m3氣含量/m3t-110a累計產(chǎn)氣量/104m313053857507110000117907223095101501431823923426431971715225205257333399374177462030027733025454513

表3 累計產(chǎn)氣量與各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型統(tǒng)計表Table 3 Mathematical model statistics of cumulative output and parameters

以上公式的相關(guān)系數(shù)都大于0.96，曲線擬合的很好，說明累計產(chǎn)氣量與孔隙度、煤層厚度、滲透率和氣含量滿足線性關(guān)系。各直線的斜率分別為-41.76、15.01、38.28、115.49，斜率表示一條直線相對于橫坐標(biāo)軸的傾斜程度，斜率的絕對值越大說明x的變化引起的y值變化就越大，所以說直井累計產(chǎn)氣量對于氣含量的敏感性最大，其次是孔隙度、滲透率，對煤層厚度的敏感性最小。

(2)直井穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量與不同參數(shù)敏感性對比

根據(jù)前面直井對不同參數(shù)敏感性的分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4，畫出直井穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量與孔隙度、煤層厚度、滲透率和氣含量的曲線圖(圖10)，利用線性回歸分析穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量(y)與各參數(shù)(x)之間的關(guān)系，建立了數(shù)學(xué)模型，如表5。

表4 直井10a累計產(chǎn)氣量與各參數(shù)統(tǒng)計表

圖10 直井穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量與煤儲層各參數(shù)的關(guān)系曲線Figure 10 Vertical well stabilized production period average daily output-coal reservoir parameters relation curves

參數(shù)穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量與各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型相關(guān)系數(shù)孔隙度y=-39422x+27729098煤層厚度y=12632x+062099滲透率y=39236x+20069099氣含量y=66188x+85787098

以上公式的相關(guān)系數(shù)都大于0.98，曲線擬合的很好，說明穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量與孔隙度、煤層厚度、滲透率和氣含量滿足線性關(guān)系。各直線的斜率分別為-394.22、126.32、392.36、661.88，斜率表示一條直線相對于橫坐標(biāo)軸的傾斜程度，斜率的絕對值越大說明x的變化引起的y值變化就越大，所以說直井穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量對于氣含量的敏感性最大，其次是孔隙度、滲透率，對煤層厚度的敏感性最小。

3 結(jié)論

根據(jù)前面對彬長礦區(qū)大佛寺井田煤儲層參數(shù)敏感性分析可知：

(1)對大佛寺井田煤層特征來說，直井累計產(chǎn)氣量和穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量對氣含量的敏感性最大，其次是孔隙度和滲透率，對煤層厚度的敏感性最小。

(2)在煤層氣井排采的過程中，氣含量、滲透率和孔隙度都會隨著煤層氣和煤層水的產(chǎn)出而發(fā)生變化的，鑒于累計產(chǎn)氣量和穩(wěn)產(chǎn)期平均日產(chǎn)氣量對氣含量、孔隙度和滲透率的敏感性較強(qiáng)，所以在制定排采制度時要穩(wěn)定降壓使各參數(shù)變化緩慢，這樣才會提高煤層氣井的產(chǎn)量。

[1]蔡毅，邢巖，胡丹.敏感性分析綜述[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) ， 2008，44( 1)：9-15.

[2]馬東民.煤層氣井采氣機(jī)理分析[J].西安科技學(xué)院學(xué)報，2003，23(2):156-159.

[3]蔡東梅，孫立東，趙永軍.基于煤演化程度的煤儲層滲透率發(fā)育機(jī)理初探[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，28(2)：22-27.

[4]孫立東，趙永軍，蔡東梅.應(yīng)力場、地溫場、壓力場對煤層氣儲層滲透率影響研究：以山西沁水盆地為例[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，26(3)：12-14.

[5]桑浩田，桑樹勛，周效志，等.沁水盆地南部煤層氣井生產(chǎn)歷史擬合與井網(wǎng)優(yōu)化研究[J].自然科學(xué)學(xué)報，2011，30(4)：58-65.

doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.07

文章編號：1674-1803(2017)04-0035-05

Coal Reservoir Parameters Sensitivity Analysis Based on Numerical Simulation

Ru Ting

(Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an, Shaanxi 710077)

To improve surface vertical well CBM exploitation capacity and economic effect in the Dafosi minefield, Binchang mining area, through coal reservoir numerical simulation carried out coal reservoir parameters including porosity, coal seam thickness, permeability and gas content carried out exploitation capacity sensitivity analysis. The study has shown that to the coal seam features in Dafosi minefield, the vertical well cumulative gas output and stabilized production period average daily output have largest sensitivity to gas content, followed by porosity and permeability, while the least is coal seam thickness. The knowledge from coal reservoir parameters has certain guiding significance on CBM exploitation well layout and horizon selection.

numerical simulation; coal reservoir parameters; sensitivity; vertical well

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.06

1674-1803(2017)04-0031-04

國家油氣重大專項(2016ZX05045-002)、國家自然科學(xué)基金項目(41302132)，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2016XAYQN10)

茹婷(1981—)，陜西咸陽人，工程師，主要從事煤層氣地質(zhì)與開發(fā)相關(guān)研究工作。

2017-01-17

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

責(zé)任編輯：宋博輦