楊 博

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤層氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)是煤層氣井采收率預(yù)測(cè)和煤層氣開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容[1-3]，通過(guò)數(shù)十年的勘探開(kāi)發(fā)，迄今已形成了諸如煤層氣典型曲線產(chǎn)能預(yù)測(cè)法[4]、煤層氣井壓裂產(chǎn)量預(yù)測(cè)法[5]、排采參數(shù)多元回歸法[6]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]、數(shù)值模擬法[8-10]等多種煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法，極大地豐富了煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)理論。在上述煤層氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)技術(shù)方法中，數(shù)值模擬考慮了煤儲(chǔ)層各參數(shù)及參數(shù)間耦合作用對(duì)產(chǎn)能的影響，簡(jiǎn)單易用且技術(shù)先進(jìn)，模擬結(jié)果具有較高的可信度[10-12]。為此，本文采用COMET3專業(yè)化煤層氣藏工程模擬軟件對(duì)潘莊井田煤層氣產(chǎn)能進(jìn)行研究，以期為研究區(qū)開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)，煤層氣開(kāi)發(fā)方案的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和可行性提供參考和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

潘莊井田位于沁水盆地南部晉城礦區(qū)境內(nèi)，隸屬晉城市沁水縣，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°30′～112°38′，北緯35°35′～35°39′[13]。二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組為井田內(nèi)主要含煤地層，煤層總厚度14.56 m，含煤系數(shù)11.63%。山西組和太原組含煤地層共含煤14層，自上而下依次編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、14、15、16號(hào)煤層，其中，山西組3號(hào)煤層(5.23～7.19 m，平均6.16 m)和太原組15號(hào)煤層(0.81～6.32 m，平均3.28 m)為全井田穩(wěn)定分布可采煤層，其他為不穩(wěn)定局部可采或不可采煤層。良好的煤層氣“生、儲(chǔ)、蓋”條件，使得井田內(nèi)煤層氣富集程度高，原煤含氣量23.72～29.02 m3/t，平均為26.04 m3/t。煤層氣資源豐富(754.4×108m3)且地質(zhì)儲(chǔ)量豐度(2.18×108m3/km2)相對(duì)較高；煤層滲透性較好，滲透率一般為0.014～41.10 mD；地層平緩，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，主要以波幅不大寬緩次級(jí)褶曲和小斷層為主，陷落柱稀少，未見(jiàn)巖漿侵入現(xiàn)象[14]。

為解決井田3號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中礦井瓦斯涌出量大的難題，晉煤集團(tuán)90年代初率先在井田范圍內(nèi)開(kāi)展了地面煤層氣井組抽采煤層氣，開(kāi)創(chuàng)了“采煤采氣一體化”瓦斯治理模式，實(shí)現(xiàn)了井田內(nèi)煤與煤層氣兩種資源的高效、協(xié)同、綠色開(kāi)發(fā)和利用[15]。

2 煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究

美國(guó)國(guó)際先進(jìn)能源公司開(kāi)發(fā)的COMET3作為一款專業(yè)化煤層氣藏工程數(shù)值模擬軟件，在煤層氣井排采擬合和產(chǎn)能預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)等方面應(yīng)用較為廣泛，其成果有力地指導(dǎo)了煤層氣勘探開(kāi)發(fā)[16-18]。本文運(yùn)用COMET3對(duì)沁水盆地南部潘莊井田煤層氣井的產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

2.1 模擬邊界

由于潘莊井田構(gòu)造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)試驗(yàn)區(qū)及其附近無(wú)大的斷裂，煤層穩(wěn)定，缺乏天然的模擬邊界。為避免邊界的不確定性給模擬結(jié)果帶來(lái)影響，在模擬時(shí)，使模擬邊界盡可能地遠(yuǎn)離匯源項(xiàng)，四周均視為定壓邊界，這樣可以知道邊界上每一點(diǎn)每個(gè)時(shí)刻在煤層氣井排水降壓期間的井底流壓分布及其變化情況[19]。

2.2 參數(shù)錄入

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的精準(zhǔn)性和完整性決定著煤儲(chǔ)層模擬結(jié)果的真實(shí)性和可考性(或可信度)[10]，在模擬之前，首先打開(kāi)COMET3軟件，在其中運(yùn)行CometEditor進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的錄入。CometEditor具有可視化、界面友好、功能強(qiáng)大、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，是連接用戶和COMET3的接口，可實(shí)現(xiàn)COMET3模擬程序運(yùn)行、查看模擬結(jié)果、管理輸入和輸出的文件或數(shù)據(jù)，支持SIM、CME兩種格式數(shù)據(jù)的錄入。同時(shí)，CometEditor具有高達(dá)17個(gè)數(shù)據(jù)錄入窗口。

2.3 靈敏度分析

靈敏度分析的目的是確定產(chǎn)能模擬時(shí)所需的煤儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)，以及各種參數(shù)的誤差容限，進(jìn)而為后續(xù)的煤層氣井排采歷史擬合及參數(shù)反演提供參考[10]。通過(guò)對(duì)錄入的不同基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的調(diào)整，分析每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整對(duì)模擬結(jié)果的影響程度，進(jìn)而確定產(chǎn)能模擬隨各個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)整變化的靈敏度和相關(guān)性大小。如果對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)就可引起產(chǎn)能模擬結(jié)果的顯著變化，則表明該實(shí)驗(yàn)參數(shù)具有較高的靈敏度且與產(chǎn)能模擬結(jié)果的相關(guān)性強(qiáng)，反之亦然。

2.4 歷史擬合

基于煤層氣儲(chǔ)層模擬的基本原理，通過(guò)充分利用已獲得的有關(guān)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)與理論數(shù)值模型進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層的重新描述和建立更加符合煤層氣地質(zhì)條件、煤儲(chǔ)層物性及特征參數(shù)的煤層氣理論數(shù)值模擬模型，為煤層氣井產(chǎn)能、采收率預(yù)測(cè)等提供科學(xué)依據(jù)。

2.4.1 生產(chǎn)試驗(yàn)井基本概況

潘莊井田地面煤層氣井組位于沁水縣嘉峰鎮(zhèn)李莊村的東面，是晉煤集團(tuán)基于煤礦瓦斯治理施工的地面煤層氣試驗(yàn)井組，突破了煤層氣地面抽采的無(wú)煙煤“禁區(qū)”，率先創(chuàng)立了“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理新模式。潘莊井田地面煤層氣井組初期由七口煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井組成，氣井采用定井底流壓排采工藝對(duì)煤礦主力開(kāi)采的3號(hào)煤層中煤層氣進(jìn)行抽采。潘莊地面煤層氣井組中PZMQ-001井排采連續(xù)、穩(wěn)定，排采數(shù)據(jù)相對(duì)齊全，本文產(chǎn)能模擬時(shí)采用該井作為歷史擬合對(duì)象。PZMQ-001井于1994年9月底投產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)氣量最高達(dá)4 230 m3/d，產(chǎn)氣高峰期后氣井的產(chǎn)氣量維持在約1 600 m3/d；氣井的產(chǎn)水量相對(duì)較小，一般為3～5 m3/d。

2.4.2 歷史擬合基本參數(shù)

歷史擬合是煤層氣產(chǎn)能模擬的必要步驟，旨在為產(chǎn)能模擬提供可信度模型。歷史擬合時(shí)，首先需要在模擬器中輸入實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，這些參數(shù)包括煤層滲透率、煤層氣含量、煤的密度、蘭氏體積、蘭氏壓力、吸附時(shí)間、煤儲(chǔ)層溫度、煤儲(chǔ)層壓力等。歷史擬合基礎(chǔ)參數(shù)不全時(shí)，可以參考鄰近區(qū)塊實(shí)測(cè)參數(shù)。研究區(qū)在煤礦瓦斯治理地面煤層氣抽采過(guò)程中均對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定(表1)，為煤層氣井歷史擬合結(jié)果的可信度提供了保障。

2.4.3 歷史擬合結(jié)果

產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量是煤層氣井排采的兩個(gè)重要參數(shù)[20]，本次歷史擬合主要是通過(guò)煤層氣井排水使井底流壓變化來(lái)擬合氣井的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量。煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程可劃分為“排水階段、憋壓階段、控壓產(chǎn)氣階段、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段及衰竭階段”等排采階段[21]，根據(jù)煤層氣井的排采特點(diǎn)和產(chǎn)氣規(guī)律，本次歷史擬合模擬時(shí)間為790 d(約2.16 a)。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)：擬合的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量和PZMQ-001井實(shí)際產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量具有較好的一致性(圖1～圖4)，體現(xiàn)了歷史擬合模型的精準(zhǔn)性和模擬結(jié)果的高度可信度。煤層氣井產(chǎn)氣量具有以下特征(圖1、圖3)：煤層氣井投運(yùn)初期，歷時(shí)近38 d排水降壓和憋壓后才開(kāi)始控壓產(chǎn)氣，之后產(chǎn)氣量逐步上升，直至排采約300 d氣井產(chǎn)氣量達(dá)到高峰；高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，大約80 d；高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期過(guò)后煤層氣井進(jìn)入衰竭階段，氣井的產(chǎn)氣量逐漸降低。隨著排采的持續(xù)進(jìn)行，煤層氣井累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增加；煤層氣井產(chǎn)水量表現(xiàn)為排采前期產(chǎn)水量較大，隨著煤層氣井排水降壓的持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)水量日趨減少，但累計(jì)產(chǎn)水量逐漸增加(圖2、圖4)。

表1 COMET3歷史擬合基本參數(shù)

圖1 PZMQ-001井產(chǎn)氣量歷史擬合

圖2 PZMQ-001井產(chǎn)水量歷史擬合

圖3 PZMQ-001井累計(jì)產(chǎn)氣量歷史擬合

圖4 PZMQ-001井累計(jì)產(chǎn)水量歷史擬合

2.5 煤層氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)

由上述煤層氣井歷史擬合結(jié)果可知，所建立的煤層氣井歷史擬合模型具有較高的可信度。因此，基于上述擬合模型，采用COMET3煤層氣藏工程模擬軟件對(duì)潘莊井田的地面煤層氣開(kāi)發(fā)井的產(chǎn)能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。煤層滲透率和煤層氣井服務(wù)年限對(duì)煤層氣井的產(chǎn)能和采收率具有重要影響。因此，本次煤層氣產(chǎn)能模擬滲透率取值為研究區(qū)實(shí)測(cè)滲透率的平均值(3.72 mD)，煤層氣井服務(wù)年限為20 a。由產(chǎn)能預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出(表2、圖5)，沁南潘莊井田煤層氣井具有較好的產(chǎn)氣效果，產(chǎn)氣量較高(最高可達(dá)3 700 m3/d)，在生產(chǎn)周期(或服務(wù)年限)內(nèi)，煤層氣井累計(jì)產(chǎn)氣量38×106m3，平均日產(chǎn)氣量2 400 m3。顯示了潘莊井田具有較好的煤層氣開(kāi)發(fā)前景和價(jià)值。

表2 沁南潘莊井田煤層氣井產(chǎn)能模擬預(yù)測(cè)

圖5 沁南潘莊井田煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 潘莊井田地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層氣高度富集，煤層滲透性好，具有良好的煤層氣開(kāi)發(fā)煤儲(chǔ)層物性條件。

2) COMET3是一款專業(yè)化的煤層氣藏工程軟件，可用數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬煤儲(chǔ)層物性和流體(水、煤層氣)在其中的擴(kuò)散、運(yùn)移及滲流等運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)模擬，反演煤儲(chǔ)層參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤層氣井產(chǎn)能的預(yù)測(cè)，為煤層氣開(kāi)發(fā)方案的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和可行性提供了決策依據(jù)。

3) 實(shí)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)夯實(shí)、完整性是保障歷史擬合結(jié)果精準(zhǔn)性和煤層氣井產(chǎn)能模擬預(yù)測(cè)結(jié)果可信度之關(guān)鍵。

4) 由產(chǎn)能模擬結(jié)果可知，沁南潘莊井田煤層氣井的產(chǎn)氣量較高，顯示了該井田具有良好的商業(yè)開(kāi)發(fā)潛力和價(jià)值。在后期的大規(guī)模地面煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐中亦證實(shí)了研究區(qū)煤層氣井具有很好的產(chǎn)氣效果，具備商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值。