煤层气井型选择及参数优化

1、 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab CBM well-type selection and parameter optimization 1/29 时间：时间：20122012年年4 4月月 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 2/29 煤 层 气 资 源 概 述煤 层 气 资 源 概 述 煤 层 气 井 井 型 选 择煤 层 气 井 井 型 选 择 井 型 参 数 优 选井 型 参 数 优 选 经 济 效 益 评 价经 济 效 益 评 价 推 荐

2、文 献推 荐 文 献 问 题 讨 论问 题 讨 论 提纲提纲 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 煤层气资源概述煤层气资源概述 3/29 上世纪 上世纪7070年代，美国在年代，美国在圣胡安圣胡安（）和和黑勇黑勇士士（） 盆地的煤层气盆地的煤层气开采开采获得了成功获得了成功，90 90 年代以后，年代以后，又又开发开发犹因塔犹因塔（）和和粉河粉河 （）等盆地的煤层气等盆地的煤层气，也相继获得了成功也相继获得了成功。 我国从我国从8080年代中期开始进行煤层气地面开发的研究和试验，目前，煤层气开年代中期开始进行煤层气地面开发

3、的研究和试验，目前，煤层气开 发集中在发集中在沁水盆地和鄂尔多斯沁水盆地和鄂尔多斯盆地。截止盆地。截止20112011年，全国钻煤层气井年，全国钻煤层气井60006000余口，其余口，其 中生产井近中生产井近30003000口口。 国家国家 煤层气资源煤层气资源 （万亿（万亿m m3 3） 国家国家 煤层气资源煤层气资源 （万亿（万亿m m3 3） 俄罗斯俄罗斯113113德国德国3 3 加拿大加拿大7676波兰波兰3 3 中国中国36.836.8英国英国2 2 美国美国2121乌克兰乌克兰2 2 澳大利亚澳大利亚1414哈萨克斯坦哈萨克斯坦1 1 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore

4、Complex Flow and Completion Lab 4/29 煤层气资源概述煤层气资源概述 我国煤层气资源量丰富，居世界第三；我国煤层气资源量丰富，居世界第三；2000m2000m以浅资源总量约以浅资源总量约36.8136.81万亿万亿m m3 3，可，可 采资源量约采资源量约10.910.9万亿万亿m m3 3 。 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 煤层气井型煤层气井型 5/29 地面采动区井地面采动区井 地面垂直井地面垂直井 羽状水平井羽状水平井 多底井多底井 U U型井型井 井筒复杂流动与完井实验室 W

5、ellbore Complex Flow and Completion Lab 6/29 非常规井开采非常规井开采 广义：除常规钻井技术所钻的直井之外的井广义：除常规钻井技术所钻的直井之外的井 狭义：包括水平井、大位移井、多底狭义：包括水平井、大位移井、多底/ /多分支井和原井再钻井多分支井和原井再钻井 （老井侧钻、套管开窗及侧钻小井眼）在内的新型油井（老井侧钻、套管开窗及侧钻小井眼）在内的新型油井 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 7/29 非常规井开采非常规井开采 与常规直井技术相比，非常规水平井技术的优点主要有：与

6、常规直井技术相比，非常规水平井技术的优点主要有： 1）增加有效供给范围）增加有效供给范围 2）提高导流能力）提高导流能力 3）减少对煤层的伤害）减少对煤层的伤害 4）单井产量高、经济效益好）单井产量高、经济效益好 5）具有广阔的应用前景）具有广阔的应用前景 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 8/29 煤层气井型选择煤层气井型选择 截止截止20092009年底，全国累计钻井年底，全国累计钻井37133713口（含口（含102102口水平井），目前，大部分核心技口水平井），目前，大部分核心技 术，许多项关键技术国内并未掌握，

7、设备成本高，开发风险较大，从而导致使用水平术，许多项关键技术国内并未掌握，设备成本高，开发风险较大，从而导致使用水平 井开采煤层气难以获得较好的经济效益。井开采煤层气难以获得较好的经济效益。 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 9/29 煤层气井型选择煤层气井型选择 Ian PalmerIan Palmer： 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 煤层气井型选择煤层气井型选择 10/29 按照按照储层渗透率、煤储层渗透率、煤 层厚度、煤层原始地层压层厚度

8、、煤层原始地层压 力、含水量、储层产状等力、含水量、储层产状等， 将煤储层分为三类：将煤储层分为三类： 按煤层气储层类型选择按煤层气储层类型选择 类类储层特点是储层特点是高压、高高压、高 渗渗（大于（大于0.5md0.5md）、）、厚度厚度（5m5m 以上），含气量可高可低以上），含气量可高可低。 类类三个关键参数渗透率、三个关键参数渗透率、 压力及含气量有一项或两项不是压力及含气量有一项或两项不是 太高，但仍然算太高，但仍然算较好的储层较好的储层。 类储层渗透率、压力类储层渗透率、压力较低较低， 含气量含气量较低较低，煤储层可能，煤储层可能较薄较薄。 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbor

9、e Complex Flow and Completion Lab 11/29 煤层气井型选择煤层气井型选择 煤层总厚度煤层总厚度 （m） 含气量含气量 （m3 / t) 含气饱和度含气饱和度 （%） 地解比地解比 孔隙直径孔隙直径 （m） 巨厚50高20高80高0.7大孔1 厚1050较高1520 中等5080 中等0.40.7中孔0.11 中等310中等815低0.20.4小孔0.010.1 薄3低8低50特低0.2微孔100高5低15有利2 较发育 50100 较高0.55中等1525 较有利 1020 中等0.52 中等0.10.5较高2540 不发育50低40不利20低0.5 煤层气

10、评价参数分级煤层气评价参数分级（据赵庆波）（据赵庆波） 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 12/29 煤层气井型选择煤层气井型选择 按煤岩地质特征选择按煤岩地质特征选择 一、煤岩的机械强度弱一、煤岩的机械强度弱 煤层坍塌、破碎、扩径和卡钻 二、煤层压力系数变化大，规律性差二、煤层压力系数变化大，规律性差 难以准确预测煤层地层压力 三、煤层孔隙和割理发育三、煤层孔隙和割理发育 煤层均质性变差，力学稳定性变差， 在外力作用下极易破碎 在实际钻井作业中，受在实际钻井作业中，受场地、人员、时间场地、人员、时间等因素的影响，等因素

11、的影响， 所选取的井型也会发生变化。所选取的井型也会发生变化。 煤阶代码煤阶代码含碳量含碳量煤阶煤阶 LiCo=1大于80%无烟煤无烟煤 LiCo=235%-80%烟煤烟煤 LiCo=325-35%褐煤褐煤 LiCo=4小于25%炭质泥岩炭质泥岩 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 13/29 井型参数优选井型参数优选 目的目的：通过对目标井段井型参数的优化组合，获得最佳经济开发效果。：通过对目标井段井型参数的优化组合，获得最佳经济开发效果。 确定 产量 预测 模型 确定 优化 井型 参数 井型 参数 对产 量变 化的 影

12、响 参数 优选 参数 优化 后产 量 经济 开发 效果 评价 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 14/29 煤层气产能煤层气产能 煤层气产能计算煤层气产能计算数值模拟方法数值模拟方法 解吸机理：解吸机理：AireyAirey经验解吸模型、经验解吸模型、SeidleSeidle黑油模型、黑油模型、LangmuirLangmuir模型等模型等 扩散机理：扩散机理：FickFick第一定律、第一定律、FickFick第二定律等第二定律等 渗流机理：达西渗流、非达西渗流等渗流机理：达西渗流、非达西渗流等 选定模型后，煤层气在煤层

13、中流动都将遵循相同的规律。从数学的角度出选定模型后，煤层气在煤层中流动都将遵循相同的规律。从数学的角度出 发，其控制流动的发，其控制流动的偏微分方程组与初始条件及外边界条件相同偏微分方程组与初始条件及外边界条件相同，只是，只是内边界条内边界条 件即井处理方式不同件即井处理方式不同。 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 15/29 煤层气产能煤层气产能 煤层气单井开采的数学模型（张冬丽）：煤层气单井开采的数学模型（张冬丽）： 模型基本假设模型基本假设： 温度为常数，无溶解气，煤层为孔隙裂缝双重介质，微孔隙系统温度为常数，无溶

14、解气，煤层为孔隙裂缝双重介质，微孔隙系统 与裂缝系统中压力瞬间达到平衡，忽略毛管力的作用与裂缝系统中压力瞬间达到平衡，忽略毛管力的作用 双重介质中气、水两相流动方程双重介质中气、水两相流动方程： 将基质中气体解吸过程视为拟稳态扩散：将基质中气体解吸过程视为拟稳态扩散： ( ) ()( )1/ ()( ) m msEgmEgm dCt D F VpCtVpCt dt 裂缝中气体运动视为宏观渗流和裂缝中气体运动视为宏观渗流和FickFick定律扩散之和，则气相流动方程：定律扩散之和，则气相流动方程： ()() fggggfgg gm gg S pp KDS p RT pq tZZSZM ( ) m

15、 mG dCt qF dt 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 16/29 煤层气产能煤层气产能 裂缝中水相渗流方程：裂缝中水相渗流方程： ()() fw w g www S K p tBB ()(1)()() ()() dsc fiipgimiEgEd EdEsc pp cppcVpVp VpVp 煤层中孔隙度方程：煤层中孔隙度方程： 煤层中渗透率方程：煤层中渗透率方程： 1( ) Kig pp i KK e 对上述数学模型采用有限差分方法进行离散，同时考虑井底压力条件、对上述数学模型采用有限差分方法进行离散，同时考虑井

16、底压力条件、 封闭地层边界条件，对模型数值求解。封闭地层边界条件，对模型数值求解。 常见的煤层气数模软件：美国常见的煤层气数模软件：美国ARIARI公司的公司的COMET-2COMET-2、COMET-3COMET-3，美国，美国 Holditch and AssociatesHolditch and Associates公司的公司的COAL GASCOAL GAS，以及，以及CMGCMG与与ECLIPSEECLIPSE中的中的CBMCBM模块。模块。 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 17/29 煤层气产能煤层气产能

17、煤层气产能计算煤层气产能计算解析方法解析方法 由煤层气流动物质平衡方程，可得任意时刻累积产气量：由煤层气流动物质平衡方程，可得任意时刻累积产气量： G=G1+G2-G3-G4 煤岩裂隙中的原始游离气体量煤岩裂隙中的原始游离气体量 1 1 =18.9751 fwi gi GAhS B 煤岩基质中的原始吸附气体量煤岩基质中的原始吸附气体量 2=0.0152 1 i BL i bp GAhV bp langmuirlangmuir吸附等温式吸附等温式 L L p VV pp HawkinsHawkins修正式：修正式： cL L V V P V PP 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Co

18、mplex Flow and Completion Lab 18/29 煤层气产能煤层气产能 目前储层平均压力下，滞留在煤岩裂隙中的游离气体量目前储层平均压力下，滞留在煤岩裂隙中的游离气体量 7 3 6.018 101 1 =18.975 1 wpfwiifwwi f ifg B WAhSppcc S GAh pp cB 目前储层平均压力下，吸附在煤岩基质中的气体量目前储层平均压力下，吸附在煤岩基质中的气体量 4=0.0152 1 BL bp GAhV bp M0 000 C 1C1 Vp V ppp p BETBET多分子层吸附等温式：多分子层吸附等温式： 为累计产水量为累计产水量 p W

19、井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 19/29 煤层气产能煤层气产能 煤层气井产能计算公式：煤层气井产能计算公式： 668.714ln rgscscwf g sceweq KK hZ Tm pm p q Tprr 1 *(ln) e gcrgg w r QK K hp r tt g t q dtG 为储层平均压力下真实气体拟压力为储层平均压力下真实气体拟压力 m p wf m p 为井底流压下真实气体拟压力为井底流压下真实气体拟压力 水平井：水平井： 直井：直井： 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex

20、 Flow and Completion Lab 20/29 井型参数优选井型参数优选 直井：井径，洞穴形态，裂缝数目、形态、导流能力直井：井径，洞穴形态，裂缝数目、形态、导流能力 井型参数：井型参数： 水平井：水平段长度、直径、方位，分支个数、角度水平井：水平段长度、直径、方位，分支个数、角度 羽状水平井：分支角度、间距，分支数目、长度，储层厚度、管径羽状水平井：分支角度、间距，分支数目、长度，储层厚度、管径 压裂后压裂后 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 21/29 井型参数优选井型参数优选- -压裂直井压裂直井 裂

21、缝导流能力裂缝导流能力裂缝半长裂缝半长 （K K=0.5mD=0.5mD）裂缝半长）裂缝半长（K K=1mD=1mD）裂缝半长）裂缝半长 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 22/29 井型参数优选井型参数优选- -羽状井羽状井 张冬丽：张冬丽：将井的主支和分支都看作若干微段组成，在井筒内部，考将井的主支和分支都看作若干微段组成，在井筒内部，考 虑摩擦压降和加速压降，把井段分为分支上、有分支的主支及无分虑摩擦压降和加速压降，把井段分为分支上、有分支的主支及无分 支的主支。支的主支。 11 0.5() iiii wfwfwf

22、wf pppp sumgi qq 井段在分支上：井段在分支上： 2 2524 216 (2)(2) iiii wfiiiiii fq PQqxQq DD 井段在主支上（有分支）：井段在主支上（有分支）： 2 2524 216() (2)(2) iiiiRi wfiiiRiiiiRi fqQ PQqQxQqQ DD 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 23/29 井型参数优选井型参数优选- -羽状井羽状井 假设在各微元水平井段内流体无限导流且流量均匀分配，则根据均匀流假设在各微元水平井段内流体无限导流且流量均匀分配，则根据均

23、匀流 量水平井段拟稳态等效半径模型，将每一微元水平井段等效为一口直井，量水平井段拟稳态等效半径模型，将每一微元水平井段等效为一口直井， 各微元水平井段等效半径为，各微元水平井段等效半径为， 22 wvwwwhhh weq 22 vhvv 21 exp1.75ln1sin 3 rKzzzKKKhhh rLs LKhKhLKhhLK 22 0000 NB 0NB i NBr 111 M00Br00 2 , 0,ln,ln 0, sc eweqeweq scscsc scee MBr jij scsc zp T ppijPPij T z zp Trr qjqi j T zKhrjijri jij 由

24、供给边界到第由供给边界到第 支井筒，第支井筒，第 口等价直井井壁处的压降表示为口等价直井井壁处的压降表示为 0 i 0 j 考虑井筒变质量流动，同时考虑真实气体状态方程考虑井筒变质量流动，同时考虑真实气体状态方程 22 2 ,1,1 sc wfwfwfwf scscsc zp T pi jpi jPi jPi j T z 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 24/29 井型参数优选井型参数优选- -羽状井羽状井 主支条数、方位主支条数、方位 （a a）正韵律煤层）正韵律煤层 （b b）反韵律煤层）反韵律煤层 垂垂 向向 位

25、位 置置 对对 产产 能能 影影 响响 分支间距、条数分支间距、条数 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 25/29 井型参数优选井型参数优选- -羽状井羽状井 分支角度分支角度 分支数目、间距分支数目、间距 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 26/29 经济效益评价经济效益评价 经济评价：经济评价： 经济经济评价的主要指标包括评价的主要指标包括内部收益率、投资回收期和净现值内部收益率、投资回收期和净现值等。等。 其中，财务净现值是指按企业的目标收益

26、率或设定的折现率，将项其中，财务净现值是指按企业的目标收益率或设定的折现率，将项 目计算期内各年净现金流量折现到项目建设期初的现值之和。目计算期内各年净现金流量折现到项目建设期初的现值之和。净现净现 值大于零值大于零，这样这样的项目是可以接受的。计算式的项目是可以接受的。计算式 0 1 n t c t t FNPVCICOi 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 27/29 经济效益评价经济效益评价 课题发展趋势课题发展趋势 井型选择井型选择综合化综合化、参数优选、参数优选精细化精细化 吴晓东：吴晓东：多分支井在单井产量方面

27、具有巨多分支井在单井产量方面具有巨 大的优势，在经济效益方面，仅在大的优势，在经济效益方面，仅在渗透率渗透率 较低、厚度较薄较低、厚度较薄的储层中优于压裂直井。的储层中优于压裂直井。 压裂直井在今后一段时间内仍将是煤压裂直井在今后一段时间内仍将是煤 层气开发的主力井型，多分支井可以作为层气开发的主力井型，多分支井可以作为 压裂直井在特低渗透薄储层中的重要补充。压裂直井在特低渗透薄储层中的重要补充。 井筒复杂流动与完井实验室 Wellbore Complex Flow and Completion Lab 28/29 煤层气井型选择及参数优选煤层气井型选择及参数优选 推荐阅读文献推荐阅读文献 1、Iriving Langmuir. THE ADSORPTION OF GASES ON PLANE SU