李相方-煤層氣生產(chǎn)中的幾個問題、原因與建議

1、2015年年09月月01日日-于克拉瑪依于克拉瑪依2015中國非常規(guī)油氣論壇中國非常規(guī)油氣論壇甲烷吸附甲烷吸附在孔隙內(nèi)在孔隙內(nèi)壁上。壁上?？紫吨锌煽紫吨锌梢猿涮罴滓猿涮罴淄榛蛩Ｍ榛蛩?。國外學(xué)者國外學(xué)者“2004 Canadian International Petroleum Conference” Tony Ma甲烷吸附甲烷吸附在孔隙內(nèi)在孔隙內(nèi)壁上。壁上?？紫吨锌煽紫吨锌梢猿涮罴滓猿涮罴淄榛蛩?。烷或水。孔隙中可孔隙中可以充填甲以充填甲烷或水。烷或水。甲烷吸附甲烷吸附在孔隙內(nèi)在孔隙內(nèi)壁上。壁上。孔隙中可孔隙中可以充填甲以充填甲烷或水。烷或水。甲烷吸附甲烷吸附在孔隙內(nèi)在孔隙內(nèi)壁上。壁上?？紫吨?/p>

2、可孔隙中可以充填甲以充填甲烷或水。烷或水。 類型類型成因成因位置位置尺度尺度原生孔原生孔隙隙組織孔組織孔成煤植物本身所具有的細胞組織結(jié)構(gòu)成煤植物本身所具有的細胞組織結(jié)構(gòu)有機有機質(zhì)質(zhì)0.120m屑間孔屑間孔鏡質(zhì)體、惰質(zhì)體和殼質(zhì)體等有機質(zhì)碎屑間顆粒間孔鏡質(zhì)體、惰質(zhì)體和殼質(zhì)體等有機質(zhì)碎屑間顆粒間孔隙隙230m變質(zhì)孔變質(zhì)孔隙隙(熱成因熱成因孔孔)氣孔氣孔氣煤變質(zhì)過程中由生氣和聚氣作用而形成的孔隙氣煤變質(zhì)過程中由生氣和聚氣作用而形成的孔隙0.15m(分子分子)鏈間孔鏈間孔凝膠化物質(zhì)變質(zhì)作用縮聚形成的孔隙，或煤分子間距凝膠化物質(zhì)變質(zhì)作用縮聚形成的孔隙，或煤分子間距10nm100nm210m外生孔外生孔隙隙

3、角礫孔角礫孔煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的角礫之間的孔隙煤受構(gòu)造應(yīng)力破壞而形成的角礫之間的孔隙碎粒孔碎?？酌菏茌^嚴重的構(gòu)造破壞而形成的煤受較嚴重的構(gòu)造破壞而形成的(有機質(zhì)有機質(zhì))碎粒之間的碎粒之間的孔孔110m摩擦孔摩擦孔壓應(yīng)力或剪應(yīng)力下面與面間相互摩擦或滑動而形成的壓應(yīng)力或剪應(yīng)力下面與面間相互摩擦或滑動而形成的孔孔12m礦物質(zhì)礦物質(zhì)孔隙孔隙鑄模孔鑄?？酌褐胁煌M分因硬度差異而鑄成的印痕煤中不同組分因硬度差異而鑄成的印痕無機無機質(zhì)質(zhì)m級級溶蝕孔溶蝕孔可溶性礦物質(zhì)在水溶液的長期作用下受溶蝕而形成的可溶性礦物質(zhì)在水溶液的長期作用下受溶蝕而形成的孔孔m級級晶間孔晶間孔方解石、黃鐵礦、石英等礦物晶粒之間的孔

4、方解石、黃鐵礦、石英等礦物晶粒之間的孔m級級4類儲層：孔隙連類儲層：孔隙連續(xù)氣少，氣孔不發(fā)續(xù)氣少，氣孔不發(fā)育。育。3類儲層：孔隙連類儲層：孔隙連續(xù)氣較續(xù)氣較 少，氣孔少，氣孔不太發(fā)育。不太發(fā)育。2類儲層：孔隙連類儲層：孔隙連續(xù)氣較續(xù)氣較 多，氣孔多，氣孔較發(fā)育。較發(fā)育。1類儲層：孔隙連類儲層：孔隙連續(xù)氣續(xù)氣 多，氣孔發(fā)多，氣孔發(fā)育。育。 固氣界面的Langmuir等溫吸附理論假設(shè)：該系統(tǒng)為固體與氣體兩種介質(zhì)；氣體分子單層吸附在固態(tài)表面，吸附表面是均勻的，吸附平衡時氣體分子吸附速度與脫附相等。氣體處于超零界狀態(tài)（不發(fā)生凝聚）()LLV PV PPPC-甲烷在水中的濃度甲烷在水中的濃度V吸附量吸附

5、量()1abCV CaC 通常認為:甲烷在干燥煤樣或者平衡水煤樣的解吸過程與吸附過程存在一定可逆性，同樣滿足固固- -氣界面氣界面吸附的Langmuir理論。固-氣界面解吸示意圖降壓解吸吸附空位 整個解吸過程中呈現(xiàn)（過）飽和狀態(tài)整個解吸過程中呈現(xiàn)（過）飽和狀態(tài)，存在C/C0=1；解吸的甲烷分子存在聚集力與吸聚集力與吸附力附力的相互作用，僅有能量較大的甲烷分子可以成核、成泡，大部分甲烷分子難以解吸固-液界面解吸示意圖降壓成核成泡氣泡雙孔單滲模型：雙孔單滲模型：圖圖 煤層氣解吸煤層氣解吸-擴散擴散-滲流模式圖滲流模式圖雙孔：基質(zhì)孔隙；割理（裂隙）雙孔：基質(zhì)孔隙；割理（裂隙）單滲：氣體自基質(zhì)表面解吸

6、氣從基質(zhì)孔隙擴散到裂隙（割理），滿足單滲：氣體自基質(zhì)表面解吸氣從基質(zhì)孔隙擴散到裂隙（割理），滿足FickFick等擴散定律，氣體在裂隙（割理）中滲流到井眼，滿足達西滲流定律。等擴散定律，氣體在裂隙（割理）中滲流到井眼，滿足達西滲流定律。（Joseph Cervik，1967；F.S.Karn，1970；J.E.Kolesar，1986；A.Saghfi & R.J.William，1987；孫培德，1987; 周世寧，1992;吳世躍，1994；傅雪海，2003）Fick定律：定律：達西公式：達西公式：ffkdpvdx mmmgqD VCC p 普遍采用的普遍采用的Fick擴散定律假設(shè)

7、多組份、存在濃度差。擴散定律假設(shè)多組份、存在濃度差。濃度概念的三個基本要點：濃度概念的三個基本要點：濃度是對溶液屬性的一種表達濃度是對溶液屬性的一種表達溶液應(yīng)具有溶液應(yīng)具有兩種或兩種以上不同物質(zhì)組成兩種或兩種以上不同物質(zhì)組成溶液應(yīng)該是單相（單相液、或單相氣、或單相固溶液應(yīng)該是單相（單相液、或單相氣、或單相固）Fick擴散傳質(zhì)的要點：擴散傳質(zhì)的要點：兩元：兩元： 擴散發(fā)生在由兩種以上的組元構(gòu)成的混合物系中擴散發(fā)生在由兩種以上的組元構(gòu)成的混合物系中單相：單相： 擴散發(fā)生在單相混合體系擴散發(fā)生在單相混合體系濃度差：濃度差： 在單相二元及其以上的混合擴散體系中，任意組元在單相二元及其以上的混合擴散體系

8、中，任意組元分子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)自發(fā)運動的過程稱為濃度擴散分子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)自發(fā)運動的過程稱為濃度擴散方法方法描述描述局限性局限性類比法 利用與已開發(fā)煤層氣田（或相似儲層）的相關(guān)關(guān)系來計算儲量。屬于經(jīng)驗公式或者統(tǒng)計規(guī)律體積法體積法( (早期最常用方法早期最常用方法) ) 由吸附氣、游離氣和溶解氣3部分組成，分別計算部分含氣，并進行加合。 取決于游離氣游離氣及及吸附氣吸附氣計算的準確性。物質(zhì)平衡法 基于物質(zhì)守恒原理，煤層氣藏的原始儲量等于采出量與地下剩余儲量之和。 生產(chǎn)時間越長，動態(tài)參數(shù)越多，精度越高。數(shù)值模擬法 對已獲得的儲層參數(shù)和早期的試采生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行匹配擬合，預(yù)測可采儲量。 取決

9、于理論的準確性及生產(chǎn)的穩(wěn)定性，過于理想化。理想化。產(chǎn)量遞減法 煤層氣井經(jīng)歷了產(chǎn)氣高峰開始穩(wěn)產(chǎn)并出現(xiàn)遞減后，利用遞減曲線對未來產(chǎn)量進行計算。 需要氣井進入遞減期進入遞減期，且需要與其他方法配合。1、2類儲層可采儲量高；類儲層可采儲量高；3、4類儲層降壓解吸非常困難，可采儲量很低。類儲層降壓解吸非常困難，可采儲量很低。方法描述評價評價數(shù)值模擬法數(shù)值模擬法 利用ECLIPSE、CMG、COMET等軟件，對氣井進行歷史擬合，進而預(yù)測產(chǎn)能和采收率。 較可靠，取決于地較可靠，取決于地質(zhì)模型可靠性。質(zhì)模型可靠性。等溫吸附曲線法等溫吸附曲線法 依據(jù)室內(nèi)實驗的Langmuir曲線來確定煤層氣井廢棄時的殘余含氣量

10、。 對對1 1、2 2類儲層較可靠。類儲層較可靠。解吸法解吸法 采用美國礦業(yè)局的方法，測量巖心的解吸氣量。包含損失氣、解吸氣及殘余氣。對對1 1、2 2類儲層較可靠。類儲層較可靠。產(chǎn)量遞減法產(chǎn)量遞減法 煤層氣井經(jīng)歷了產(chǎn)氣高峰開始穩(wěn)產(chǎn)并出現(xiàn)遞減后，利用遞減曲線對未來產(chǎn)量進行計算。 較可靠。計算值相對較可靠。計算值相對其他方法低，但較可信。其他方法低，但較可信。類比法類比法 利用與已開發(fā)煤層氣田（或相似儲層）的相關(guān)關(guān)系來計算采收率。 適合于研究認知較高適合于研究認知較高的煤層氣田。的煤層氣田。 歷史擬合：歷史擬合：模擬曲線需要與實際曲線擬合，該過程往往需要修改一些地質(zhì)及實驗測得的數(shù)據(jù)，或者擬定一些

11、未知的參數(shù)。 應(yīng)用前提：應(yīng)用前提：有詳細合理的地質(zhì)模型、儲層物性參數(shù)、生產(chǎn)井參數(shù)和儲層 流體PVT參數(shù)等齊全。 需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較多，對數(shù)據(jù)參數(shù)的誤差比較敏感。模擬曲線與實際生產(chǎn)較好的擬合模擬曲線與實際生產(chǎn)較好的擬合/auaLLPPVVP100/uREGGV以忽略游離氣為前提，以忽略游離氣為前提，評價吸附氣采收率評價吸附氣采收率主要基于主要基于Langmuir吸附曲線，吸附曲線，與儲層環(huán)境差異大與儲層環(huán)境差異大采收率：采收率：吸附氣：吸附氣：廢棄壓力(Mpa)預(yù)測采收率綜合平均采收率3#5#11#0.735.44%38.15%33.11%35.57%0.642.67%42.03%43.03%4

12、2.58%0.550.43%50.03%50.98%50.48%0.458.81%61.10%57.77%59.22%0.367.85%69.81%67.18%68.28%0.277.66%79.15%77.30%78.04%同時，該方法需要確定儲層廢棄壓力同時，該方法需要確定儲層廢棄壓力擬合階段數(shù)據(jù)預(yù)測階段數(shù)據(jù)全階段遞減擬合曲線對于有明顯遞減規(guī)律的氣井，利用該方法能夠較為準確預(yù)測采收率；對于有明顯遞減規(guī)律的氣井，利用該方法能夠較為準確預(yù)測采收率；但是對于部分生產(chǎn)井，產(chǎn)氣規(guī)律復(fù)雜，存在波動，遞減現(xiàn)象不明顯。但是對于部分生產(chǎn)井，產(chǎn)氣規(guī)律復(fù)雜，存在波動，遞減現(xiàn)象不明顯。產(chǎn)氣波動，遞減現(xiàn)象不明顯產(chǎn)氣

13、波動，遞減現(xiàn)象不明顯參數(shù)名稱(單位）數(shù)值儲層壓力（MPa）4煤層厚度(m)10朗繆爾體積(stm3/resm3)33朗繆爾壓力(Mpa)2.5臨界解吸壓力(Mpa)2解吸時間(day)10孔隙度(fra)0.01滲透率(md)Kx=1md，Ky=1md壓裂長度（m）70裂縫導(dǎo)流能力（d.cm）40表 數(shù)值模擬參數(shù)表（韓城礦區(qū)）圖圖 數(shù)值模擬單井生產(chǎn)模型數(shù)值模擬單井生產(chǎn)模型采用韓城煤層氣藏儲層參數(shù)，建立壓裂直井單井理想模型不同程度解吸滯后曲線等溫吸附曲線數(shù)模結(jié)果 選取選取Sw=0%Sw=0%的等溫吸附曲線，日產(chǎn)氣的等溫吸附曲線，日產(chǎn)氣2000m3/d2000m3/d，產(chǎn)氣規(guī)律與韓城高產(chǎn)井（如，產(chǎn)

14、氣規(guī)律與韓城高產(chǎn)井（如WL1WL1井）井）一致。最終一致。最終1515年末預(yù)測采收率為年末預(yù)測采收率為41.2%41.2%。 WL1井排采曲線WL1-004井排采曲線等溫吸附曲線數(shù)模結(jié)果 選取選取Sw=100%Sw=100%的等溫吸附曲線，日產(chǎn)氣的等溫吸附曲線，日產(chǎn)氣450m3/d450m3/d，產(chǎn)氣規(guī)律與韓城低產(chǎn)井（如，產(chǎn)氣規(guī)律與韓城低產(chǎn)井（如WL1-WL1-004004井）一致。最終井）一致。最終1515年末預(yù)測采收率為年末預(yù)測采收率為9.15%9.15%。 模擬井日產(chǎn)氣實際日產(chǎn)氣（韓城礦區(qū)）15年末采收率Sw=0%41.20%Sw=25%33.10%Sw=50%24.72%Sw=75%1

15、6.50%Sw=100%9.15%rirjrkrirjrkrirjrkrirjrkpppppppppppp邊邊水水平衡排水階段限制排水階段控制井底流壓穩(wěn)定產(chǎn)氣階段WL2-018井生產(chǎn)動態(tài)曲線兩層合采和分別單采日產(chǎn)氣量對比兩層合采和分別單采日產(chǎn)氣量對比產(chǎn)能方程為：21()()niieiwigscgscik hppAqBq2()ln()0.75iiriwiwiewwwK h ppqrBSr1()niiriwiwiK h ppAq 排水降壓早期： 排水降壓中后期：WL1-006井3+5+11#合采無層系調(diào)整，產(chǎn)量逐年升高，目前產(chǎn)氣量為2500m3/d左右，產(chǎn)水量5m3/d左右；動液面后期下降到5#煤

16、層上部，產(chǎn)氣有明顯上升，無煤粉產(chǎn)出，生產(chǎn)效果很好。無層系調(diào)整的無層系調(diào)整的3 3口三層合采井口三層合采井(WL1-006 WL1-(WL1-006 WL1-007,WL1-008)007,WL1-008)目前產(chǎn)能都較好目前產(chǎn)能都較好WL1-006 井排采曲線井排采曲線WL2-010 井排采曲線井排采曲線3+5+11#3+5#2011.3.23產(chǎn)氣量下降WL2-001 井排采曲線2011.4.7產(chǎn)水量上升產(chǎn)氣量下降擠水解堵11#3+5+11#WL2-002 井排采曲線井排采曲線2011.4.6擠水解堵11#產(chǎn)氣量下降3+5+11#WL2-005 井排采曲線2011.4.6 擠水解堵3、11#3+

17、11#產(chǎn)氣量下降p 3、5、11#主力煤層水體系統(tǒng)、臨界解吸壓力、膠結(jié)程度差異不大特點適合合采p 開采順序，開采時機：煤層氣藏開發(fā)初期進行合采，比后期補開某一層位效果好p 對于物性差異大的各層應(yīng)合理控制生產(chǎn)壓差，或慎重選擇合采經(jīng)過對韓城經(jīng)過對韓城WL1、WL2、韓、韓3井組的實例分析，得出：井組的實例分析，得出：合采層：合采層： 3+5+11#，3+11#。問題原因：各層滲透率差異大、層間膠結(jié)強度差異大時，合采會加劇煤粉產(chǎn)出。問題原因：各層滲透率差異大、層間膠結(jié)強度差異大時，合采會加劇煤粉產(chǎn)出。合采層：3+5+11#，3+5#，3+11#。合采時機：大多數(shù)井無層系調(diào)整，一開始就合采開發(fā)。合采層

18、：3+5+11#，3+5#，3+11#。合采時機：大部分井是對11#做了補開或擠水解堵后產(chǎn)水量飆升，對產(chǎn)氣不利。問題原因：11#水體活躍，打開后水擠進其他低壓層位，不宜后期補開。單相水階段單相水階段氣水兩相階段氣水兩相階段單相氣階段單相氣階段p壓力高于臨界解吸壓力，單相水在割理中的滲流。p壓力降到臨界解吸壓力之下，儲層流體以兩相流區(qū)、非飽和流區(qū)、單相流區(qū)依次向地層遠處推進。p煤層內(nèi)含水飽和度接近束縛水飽和度；割理中為單相氣體流動；-1-1-2氣水兩相階段氣水兩相階段單相氣階段（水微量）單相氣階段（水微量）壓力傳播以壓力傳播以水水為介質(zhì)；為介質(zhì)；水的壓縮系水的壓縮系數(shù)小數(shù)小，壓力傳播，壓力傳播快

19、快；壓力傳播以壓力傳播以氣水兩相氣水兩相為介質(zhì)，氣水為介質(zhì)，氣水兩相兩相流動摩阻大流動摩阻大，壓力傳播，壓力傳播慢慢。壓力傳播以壓力傳播以氣相氣相為介質(zhì)；為介質(zhì)；氣體壓縮氣體壓縮系數(shù)大系數(shù)大，壓力傳播，壓力傳播慢慢。單相水階段單相水階段單相水階段氣水兩相階段單相氣階段水吸附甲烷氣的基質(zhì)巖塊吸附甲烷氣的基質(zhì)巖塊甲烷解析后的基質(zhì)巖塊甲烷解析后的基質(zhì)巖塊甲烷氣甲烷氣圖 煤層氣藏生產(chǎn)示意圖圖 儲層不同時間壓力分布曲線井筒2600天2000天單相水單相水氣水兩相氣水兩相單相氣單相氣隨著煤層氣不斷隨著煤層氣不斷開發(fā)，壓降漏斗開發(fā)，壓降漏斗曲線越來越密，曲線越來越密，說明壓降速度越說明壓降速度越來越慢。來越

20、慢。解吸壓力解吸壓力壓力傳播規(guī)律： 單相水階段，儲層壓力傳播速率很快，之后開始驟降； 氣水兩相階段，儲層壓力傳播速率較單相水階段慢，幾乎保持不變；-1491419242910 100 1000 壓降速率，壓降速率，Kpa/天天時間時間/天天邊界點壓降速度曲線（半對數(shù)坐標）邊界點壓降速度曲線（半對數(shù)坐標）單相水單相水氣水兩相氣水兩相l(xiāng)大壓差生產(chǎn)時，壓降陡，會大壓差生產(chǎn)時，壓降陡，會引起煤粉產(chǎn)出、壓裂失效；引起煤粉產(chǎn)出、壓裂失效；l氣液兩相以及基質(zhì)氣源作用，氣液兩相以及基質(zhì)氣源作用，使得壓力傳播距離近；使得壓力傳播距離近；l在累積排水量一定的情況下，在累積排水量一定的情況下，小壓差生產(chǎn)時，壓降更平

21、緩，小壓差生產(chǎn)時，壓降更平緩，壓力傳播距離更遠。壓力傳播距離更遠。初期小排采強度更易形成井初期小排采強度更易形成井間干擾，使地層均勻降壓。間干擾，使地層均勻降壓。大壓差生產(chǎn)小壓差生產(chǎn)PiPwfPc割理含割理含氣飽和氣飽和度度距離距離解吸氣較多，氣液兩解吸氣較多，氣液兩相滲流阻力較大，阻相滲流阻力較大，阻礙壓力的傳播礙壓力的傳播 排水量越大，生產(chǎn)壓排水量越大，生產(chǎn)壓差越大，解吸區(qū)內(nèi)解差越大，解吸區(qū)內(nèi)解吸氣越多，這使得壓吸氣越多，這使得壓力傳播越慢，降壓速力傳播越慢，降壓速度越慢。度越慢。 排水量越小，生產(chǎn)壓排水量越小，生產(chǎn)壓差越小，解吸氣越少，差越小，解吸氣越少，壓力傳播越快，壓力壓力傳播越快，

22、壓力剖面越平緩，降壓速剖面越平緩，降壓速度快。度快。圖圖 排水排水半年后的壓力剖面對比半年后的壓力剖面對比實例計算 鄭莊鄭鄭莊鄭4-030井組，鏡質(zhì)體反射率井組，鏡質(zhì)體反射率Rmax/%：3.50左右，左右，地層壓力都在地層壓力都在5Mpa左右，解吸壓力卻在左右，解吸壓力卻在0-4MPa變化較大變化較大。鄭鄭4-030、4-050井組解吸壓力分布圖井組解吸壓力分布圖井號井號解吸壓力解吸壓力(Mpa)(Mpa)煤頂深度煤頂深度 (m)(m)日產(chǎn)氣日產(chǎn)氣日產(chǎn)水日產(chǎn)水煤層層厚煤層層厚 地層壓力地層壓力解析前天解析前天數(shù)數(shù)解吸前累計解吸前累計產(chǎn)水產(chǎn)水鄭4-0213.473.4765

23、5.7445.74427215.4鄭4-0232.92.9629.41450.355.8945.8941632.4鄭4-0283.013.01619.43020.65.955.2145.2142358.5鄭4-0293.893.89561.515355.3352487.4鄭4-0304.024.02566.1100815.1811141.3鄭4-0312.942.94562.853216.255.44855.448519200.6鄭4-0323.593.59554.1569154.99151961鄭4-0333.83.8658.2

24、505.656.18256.182540161.8鄭4-0473.743.74551.976095.4091668.6鄭4-0483.443.44553.439345.2341461.1鄭4-0462.032.03563.21225.42225112.1鄭4-0493.133.1355.1975.19739154鄭4-0503.13.1566.36355.46352371.7鄭4-0612.572.575744475.573296.1鄭4-0620.860.8655.0475.04737154.5鄭4-0832 25655.26530222.4鄭4-0840.050.0555.1865.1