煤层气开发井网部署与优化方法

1、煤层气开发井网部署与优化方法杨秀春1叶建平2(1.中国矿业大学,北京100083; 2.中联煤层气有限责任公司,北京100011摘要:煤层气井网优化是煤层气开发的重要环节,井网部署的合理与否,不仅关系到单井产量的大小,而且直接影响到煤层气开发项目的成败。本文对井网部署原则以及优化方法进行了探讨,给出了井距优选的多种方法,并把这些方法应用于山西煤层气某区块的开发井网优化,为该区的煤层气开发方案设计提供了合理依据。关键词:煤层气开发井型井网优化井距Well Pattern Optimization Design for C BM DevelopmentY ang X iuchun 1and Y e

2、 Jianping 2(1.China University of Mining and T echnology ,Beijing 100083;2.China United C oalbed Methane C orporation ,Beijing 100011Abstract :C BM well pattern optimization is the key issue for C BM development.Proper well pattern can have a g ood effect on well productivity.But bad well pattern ca

3、n make a C BM project ineffective.This article pro 2vides the principles and methods ,of well pattern optimization ,lists exam ples to calculate well spacing ,on the basis of Shanxi Block ,gives optimization design to guide C BM development.K eyw ords :C BM development ;well pattern ;well pattern op

4、timization ;well spacing煤层气井网优化与部署是煤层气开发方案的重要组成部分,也是开发工程中的关键环节,科学、合理的井网部署可以不仅保障煤层气开发的顺利实施,而且可以有效利用煤层气资源,提高煤层气采收率与经济效益。我国地面煤层气开发的主要井型仍以垂直井为主,垂直井开发在前期的勘探开发实践中取得了一定的成功,目前已成为沁南地区煤层气规模化商业开发的主体技术。潘河示范工程一期的生产试验证实,采用直井开发方式,平均单井产量可达3400m 3/d 以上。根据近几年实践和认识,本文主要探讨的是垂直井的井网优化技术。1国内外煤层气开发井网根据国内外煤层气开发过程中井网的特点,煤层气井

5、网系统主要采用矩形、菱形等,单井控制面积在01090164km 2之间,如表1所示。国内外主要煤层气田的开发井网情况如下。(1圣胡安盆地位于美国科罗拉多州西南部和新墨西哥州的西北部,煤层厚而广、中-高的气体含量、中-低的煤阶、适度的煤层渗透率、中-高的水产量、煤层超高压、煤层上下岩层的封闭性好。该盆地开发井距为0165km 2(160英亩,井距相对较大,这是由于该盆地煤储层渗透率较高,泄作者简介杨秀春,女,地质工程师,中国矿业大学(北京博士研究生,主要从事煤层气勘探开发领域的研究工作。第5卷第1期中国煤层气V ol 15N o 112008年1月CHI NA C OA LBE D METH A

6、NE Jan 12008气面积相应较大,因此,采用较大井距不会导致采收率降低,同时可以达到降低费用的目的。(2粉河盆地位于美国怀俄明州东北部和蒙大拿州东南部,早期的煤层气井的单井控制面积为0116km2(40英亩。随着开发程度提高,对井网做出相应的调整,0132km2(80英亩变成了标准控制面积。该盆地煤层渗透率很高,一般为10 500md,部分地区试井渗透率甚至高到1000md,因此,有学者认为0164km2(160英亩应该是最佳控制面积。(3黑勇士盆地位于美国阿拉巴马州,煤层的单层最大厚度为214m,单井最大总煤层厚度为716m,煤阶最高为低挥发分烟煤,煤层为常压或欠压状态,含气量约为62

7、0m3/t。其中的橡树林(Oak G rove煤层气田,以25英亩(011km2的井距生产,生产10多年后,中心井煤层气采收率为73%。在0116km2(40英亩井网的条件下,中心井生产10年以后可采出60%的地质储量,0132km2 (80英亩井网,则采收率为50%,0164km2(160英亩井网,则采收率为29%。(4加拿大阿尔伯塔煤层含气量约为2 14m3/t,渗透率2030md,实际生产采用井距为3 4口井/km2。(5国内煤层渗透率普遍相对较低,因此煤层气井距比国外要小。沁南枣园试验井组,采用400m×450m的井网;目前已经生产近十年,其中的T L2003井产气量仍然维持

8、在2000m3/d;沁南潘河先导性试验工程采用300m×300m的井网,生产效果良好,目前平均单井产气量为3400m3/d;潘庄项目煤层气开发井网采用300m×350m的井网。表1国内外煤层气盆地储层特征以及开发井网对比盆地开采深度(m渗透率(md含气量(m3/t井距(m采收率(%圣胡安1504503050121720800×80065粉河150500105000165400×400600×60070尤因塔4001370520413800×80050拉顿1501200110314800×80055黑勇士50012006206

9、20400×400600×6005060阿尔伯特2008002030214600×80055苏拉特200800102539600×80050沁水250100001013527300×300400×40054阜新55085001472131612500×450/2开发井网部署的原则煤层气井网的部署与常规天然气井网有许多共性,但由于两者赋存机制的差异,又有不少差别。科学、合理、经济、有效的井网部署应以提高煤层气动用储量、采收率、采气速度、稳产年限和经济效益为目标。煤层气开发的井网部署应考虑三个方面的因素:地质因素、经济效益、开发

10、要素1。211地质因素不同的煤层气地质条件下,井网部署特点不同,主要考虑的煤储层因素是:裂缝发育特征和方位、渗透率、煤层气含量、煤层气资源丰度等。构造走向和裂缝发育方位决定井网方位;资源丰度和渗透率条件决定不同的井网密度,应寻找煤层气含量高的地区,进行井网部署。212开发要素(1分步实施、均衡开采在平面上,井网部署应有计划地按阶段分步实施,滚动开发,实现气藏的均衡开采。与常规天然气开发中尽量避免井间干扰效应产生的原则不同,煤层气开发井网则要求尽快实现井间压力干扰效应,才能充分动用储量,提高采收率。先导性试验阶段,井网部署的原则,应该使试验井组的各井之间,在尽量短的生产试验期内,达到最大井间干扰

11、程度。一般理想的先导性试验阶段为412个月。因此先导性试验阶段井组的井距以41中国煤层气第1期小于规模生产井为宜,用储层模拟软件作为辅助依据,确定井距。较小的井距可以使各井间产生更强烈干扰效应,可以尽快观察到试验效果2。全面开发阶段,生产井网的井距应大于先导性试验阶段。这样,单井可以控制更大的面积,即控制更多的储量,使单井总产量增大,降低投资,从而获得更大的经济效益。(2开发层系有效组合各层系应做到整体规划、立体开发。层系划分和井网部署上既要考虑每套层系各自开发的要求,又要综合考虑层系接替和一井多层开采的方式。(3合理采气速度煤层气田开发设计一般要求在15年左右采出可采储量的50%60%,初期

12、采气速度应达到3 4%以上,井网密度必须满足这一基本要求。213经济效益要求单井控制储量不能低于单井经济极限控制储量。井网密度应小于经济极限井网密度,在最优井网密度与经济极限井网密度之间选择合理值。因此,合理的井网井距需要综合各项研究成果确定,既要满足采气速度的要求,经济上还要可行。在上述综合分析的基础上,借助现代化数值模拟手段,确定具体的井距。3开发井网优化的要素与方法煤层气开发井网优化要素通常包括:井网样式(井间平面几何形态、井网方位和井网密度等。井网密度大小是井网优化过程中需要反复论证的,其方法也有多种。根据国内煤层气开发的实际情况,并借鉴常规油气井网优化的一些算法,本文选取了适宜煤层气

13、井网优化的一些方法:合理控制储量法、经济极限井距法、模拟法、规定产能法等。311井网样式合理的井网布置样式,可以大幅度地提高煤层气井产量,降低开发成本。煤层气井井网布置样式通常有:矩形井网、五点式井网等。矩形井网:要求沿主渗透和垂直于主渗透两个方向垂直布井,且相邻的四口井呈一矩形。矩形井网规整性好,布置方便,多适用于煤层渗透性在不同方向差别不大的地区;矩形井网布井的主要缺陷表现在相邻4口井的中心位置,压力降低的速度慢、幅度小,导致排水采气的效率低,可能造成该区域的煤层气资源无法采出。正方形井网属于矩形井网的一种特殊形式。菱形井网:该井网类型要求沿主渗透方向和垂直于主渗透两个方向垂直布井,在四口

14、井中心的位置,加密一口煤层气开发井,使相邻的四口井呈一菱形,主要是针对矩形井网的一种补充或者完善形式。该布井形式的最大优点是在煤层气开发排水降压时,在井与井之间的压力降低比较均匀,可以达到开发区域同时降压的目的。312井网方位井网方位的确定通常根据压裂裂缝方位和主导天然裂隙方位,将矩形井网的长边方向与天然裂隙主导方向平行或与人工压裂裂缝方向平行。煤层中的天然裂隙是影响煤层渗透性的重要因素,因此煤中裂隙的主要延伸方向往往是渗透性较好的方向;人工压裂裂缝可以改善天然裂缝,使其更好的沟通,压裂裂缝主导方位多沿垂直于现今最小主应力方向延伸。313井网密度井网密度涉及到气田开发指标和经济效益的评价,是气

15、田开发的重要参数,其大小与井型和井间距大小有关。井网密度的大小取决于储层的性质和生产规模对经济性的影响以及对采收率的要求,当它与资源条件、裂缝长度等相匹配时,才能获得较高的效益。因此产生了极限井网密度、合理井网密度以及最优井网密度的概念:经济极限井网密度:总产出等于总投入,总利润为零时的井网密度。超过此密度界限,则发生亏损。最优井网密度:当总利润最大时的井网密度。合理井网密度:实际井网部署应在最优井网密度与经济极限井网密度之间选择一个合理值。比较实用的预测与计算煤层气井网密度的方法主要有以下几种:(1单井合理控制储量法3开发井距的确定应当考虑单井的合理控制储量,使高丰度区单井控制储量不会过大,

16、而低丰度区单井控制储量应大于经济极限储量。在此基础上,根据资源丰度,进一步求取井距或井网密度。Gg=dq×tN×Er(1式中:Gg单井控制地质储量,m3;q稳产期内单井平均产能,m3/d;d每年产气天数取330天;51第1期煤层气开发井网部署与优化方法t气藏稳年限,年;N稳产期末可采储量采出程度;Er气藏采收率。(2经济极限井距单井经济极限控制储量一口煤层气井从钻井到废弃时支出的总费用包括:钻井、储层改造、地面建设、采气成本等方面。要想取得经济效益,其总费用应该大于销售收入,这要求具备足够的储量,即单井控制经济极限储量,它是选择合理井距的一个重要经济指标。Gg=C+T

17、15;PAg×Er(2式中:Gg单井控制经济极限储量,m3;C单井钻井和气建合计成本(包括钻井、储层改造、地面建设系统工程投资分摊,元/井;P单井年平均采气操作费用,元/年井;T开采年限,年;Ag煤层气售价,元/m3。经济极限井距由于经济极限井距的大小同时受资源丰度的影响很大,在不考虑井网密度对于采收率的影响时,根据单井控制经济极限储量,可以算出经济极限井距。经济极限井距如下式:D=GgF(3式中:D经济极限井距,m;F资源丰度,亿m3/km3。(3规定单井产能法设一个气藏地质储量,规定了一定的产能,则可以求得单位面积上的井数:n A =G×V330×q×

18、;(4式中:G气藏地质储量,亿m3;A含气面积,km2;Vg平均年采气速度;q单井平均产能,m3/d;气井综合利用率;n气藏开发所需要的井数。(4经济极限-合理井网密度法当资金投入与产出效益相同时,即气田开发总利润为0时,对应的井网密度计为经济极限井网密度:S P AC min=a×G(1-Ta×(Er×Ag-PA×C×(1+RT/2(5式中:S P AC min经济极限单位含气面积上的井数;A含气面积,km2;G煤层气探明地质储量,亿m3;Ag煤层气售价,元/m3;C单井钻井和气建总投资,万元/井:(包括钻井、储层改造、地面建设系统工程等分摊

19、投资;Er煤层气采收率;T评价年限,年;P平均采气操作费用,元/m3;R贷款利率;A商品率;Ta税收率。如果选用合理利润LR=0115AgEr,考虑资金与效益产出因素,当经济效益最大时的井网密度为气田的最佳经济井网密度:S P ACa=a×G(1-Ta×(Er×Ag-P-LRA×C×(1+RT/2(6气田的实际井网密度应在最佳井网有与极限井网密度之间,并尽量靠近最佳井网密度,可采用加三差分法:S P AC=S P ACa+(S P AC min-S P ACa3(7(5数值模拟法油藏数值模拟的基本原理是根据煤层气赋存特征,以及生产排采过程中的渗

20、流特征,建立合理的地质模型以及数学模型,煤层气在煤储层中的赋存可以用兰氏等温吸附模型来描述,在煤层微孔隙系统中的扩散是气体迁移的主要方式,遵守Fick定律,煤层气扩散进入割理孔隙系统,产生气水两相流动,符合达西流动。在综合地质研究以及储层评价的基础上,利用先进的储层数值模拟软件,模拟多种不同井网的煤层气产能动态,研究井距对于长期产期的影响。并根据模拟结果,综合对比多个指标,如单井累积产量、单井服务年限、高峰期、采收率等,在此基础上,进行井距优选。4沁南煤层气田潘河区块井网优化设计411煤层气地质特征61中国煤层气第1期潘河区块煤层气目的层为3#煤层,厚度为6m 左右,埋深在300500m。区块

21、面积为30km2,气藏探明地质储量为45亿m3,煤层气资源丰度变化范围1118m3/km2,平均为115m3/km2。开发方案初步设计的气藏单井服务期15年,稳产期为8年,稳产期内单井平均日产量为2000m3/d,假设稳产期末可采储量采出程度为6215%,气藏采收率为54%。利用上述优化流程和方法手段,对沁南煤层气田潘河进行了井网优化。412井网样式该区具有构造简单、地层平缓、煤层埋藏浅、煤层厚度大、分布稳定、压裂裂缝总体方向北北东和山地丘陵地貌等特点,适当考虑地形的影响,沿主要裂隙走向和垂直于主要裂隙走向两个方向采用正方形井网布置。413井网方位从区块的天然裂隙主导方向和人工压裂裂缝延展方向

22、看,基本呈北东向。煤矿井下煤层裂隙测量资料表明,煤层裂隙走向发育方向以150°160°为主,其次为110°120°和60°70°。压裂人工裂缝优势方位为60°120°。结合地形地貌走势,本次实际井网方位确定为N60°E方向和N30°W,沿此方向进行布线、布井。414井间距优化分别利用五种方法进行计算:(1单井合理控制储量法对于资源丰度、产能规划不同的地区,井网部署存在三种变化:高产煤层气井位于煤层气资源丰度高(116亿m3/km2的地区,稳产期内单井产能为2500m3/ d,气藏稳产期为8年,稳

23、产期末可采储量采出程度为6215%,气藏采收率为54%,则单井控制地质储量为01195亿m3,可求得单井泄气面积0112km2,以正方形井网进行开发部署,则井距为350m×350m。对于低丰度高产井区,井距则应加大,资源丰度112m3/km2的地区,稳产期内单井产能为2500m3/d,则单井控制地质储量为01195亿m3,以正方形井网部署,井距为400m×400m。对于低丰度较低产井区,资源丰度为019m3/km2的地区,稳产期内单井产能为2000m3/ d,则单井控制地质储量为01157亿m3,因此可求得单井泄气面积01175km2,以正方形井网部署,则井距为420m&#

24、215;420m。(2经济极限井距单井钻井和气建合计成本采用170万元/井,单井年平均采气操作费用1617万元/年井,开采年限15年,煤层气售价111元/m3,煤层气采收率0154。则单井控制经济极限储量为0107亿m3,在资源丰度为115亿m3/km2,则单井经济极限控制储量面积010466km2,相应的经济极限井距为216m ×216m。(3规定单井产能法气藏地质储量45亿m3,含气面积为30km2,采气速度为318%,平均单井产能为2000m3/d,气井综合利用率95%,则气藏开发所需要的井数共为264口,单位含气面积上的井数为818口井/ km2,单井控制面积为011136k

25、m2,正方型井网井距为:337m×337m。(4经济极限-合理井网密度法单井钻井和气建总投资为170万元/井,平均采气操作费用为0134元/m3,税收率为0113,商品率为0195,贷款利率为7111%。计算得到经济极限井网密度SPACmin为11口井/km2。如果选用合理利润为01089,最佳经济井网密度SPACa为8158口井/km2。则气田合理井网密度为910口井/ km2。(5数值模拟法本文主要是应用加拿大C ME数值模拟软件对山西某区块模拟,分别对350m×400m、350m×350m、300m×300m、250m×300m四种井间距

26、进行模拟,井间距过小时,产能变化趋势表现为,产气高峰期到达时间较早,井间干扰效应产生时间短,排采早期产量上升较快,但后期产量下降也较快;井间距过大时,产气高峰期到达时间晚,井间的干扰效应迟迟无法产生,排采早期产量较低,但后期产量相对较高;只有在合适的井间距时,井的产能变化趋势比较理想,在排采23年达到井间干扰,产气量达到高峰值,并且稳定产气时间长,而且在生产井服务期内,累积产气量最高。对比单井服务年限、高峰期到达时间、高峰期产量、稳产时间、最终采收率等因素,以井距以300m×300m为最佳,如表2所示。(下转第4页71第1期煤层气开发井网部署与优化方法4 中 国 煤 层 气 1 期

27、第 记者 : 除了您提到的这些新举措 , 在政策落实 方面 , 那些工作还需加强 ? 吴吟 : 在政策措施方面 , 要进一步贯彻落实 国务院办公厅关于加快煤层气 ( 煤矿瓦斯 抽采 利用的若干意见 ( 国办发 2006 47 号 和国 家安全生产监管总局国家煤矿安监局关于加强煤矿 瓦斯先抽后采工作的指导意见 督促各地制定 , 2008 - 2010 年煤矿瓦斯治理和抽采利用规划 , 明确 目标任务和保障措施 , 全面加强先抽后采 , 努力提 高抽采率 , 逐步实现煤层气开发 、瓦斯抽采与煤炭 生产同步 。完善配套措施和具体操作办法 , 推进税 收优惠 、发电上网 、电价补贴 、财政补贴 、煤炭

28、与 煤层气综合勘探开采 、扩大煤层气对外合作等各项 政策落实到位等一系列工作 。 记者 : 近年来中国对国际能源市场依赖程度日 渐加大 , 已成为石油 、液化天然气的纯进口国 , 煤 层气开发利用有助于改善能源结构 。在促进煤层气 产业基地建设等方面 , 今年如何打算 ? 吴吟 : 按照煤层气 ( 煤矿瓦斯 开发利用十 一五规划 到 2010 年全国煤层气产量将达 100 亿 , 立方米 , 其中地面抽采煤层气 50 亿立方米 , 井下 抽采瓦斯 50 亿立方米 ; 利用 80 亿立方米 , 其中地 面抽采煤层气利用 50 亿立方米 , 井下抽采瓦斯利 用 30 亿立方米 。2008 年还将继

29、续组织实施煤层 气 ( 煤矿瓦斯 开发利用 “十一五”规划 完成 , 沁水盆地 、鄂尔多斯盆地东缘等煤层气整体开发规 ( 上接第 17 页 表2 煤层气数值模拟井网优选指标 井网方案 250 × 250m 300m × 300m 350m × 350m 350m × 400m 划发布工作 , 着力建设沁水盆地和鄂尔多斯盆地东 缘两大煤层气产业化基地 。加快潘庄 、柿庄南等区 块进入规模化开发 , 加快推动端氏 晋城 博爱和 端氏 沁水两个煤层气管道项目建设 , 力争 2008 年建成投入运营 。 记者 : 发展煤层气产业 , 技术是关键 , 政府在 推进关键技术 、建设示范工程方面是否有具体的规 划? 吴吟 : 是的 , 为了加快关键技术攻关 , 今年将 继续推进煤层气开发利用国家工程研究中心建设 , 举办主题为防治煤与瓦斯突出的第二届煤矿瓦斯治 理与利用技术国际研讨会 , 促进新技