李相方-煤层气生产中的几个问题、原因与建议

1、2015年年09月月01日日-于克拉玛依于克拉玛依2015中国非常规油气论坛中国非常规油气论坛甲烷吸附甲烷吸附在孔隙内在孔隙内壁上。壁上。孔隙中可孔隙中可以充填甲以充填甲烷或水。烷或水。国外学者国外学者“2004 Canadian International Petroleum Conference” Tony Ma甲烷吸附甲烷吸附在孔隙内在孔隙内壁上。壁上。孔隙中可孔隙中可以充填甲以充填甲烷或水。烷或水。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内在孔隙内壁上。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内在孔隙内壁上。壁上。孔隙中

2、可孔隙中可以充填甲以充填甲烷或水。烷或水。 类型类型成因成因位置位置尺度尺度原生孔原生孔隙隙组织孔组织孔成煤植物本身所具有的细胞组织结构成煤植物本身所具有的细胞组织结构有机有机质质0.120m屑间孔屑间孔镜质体、惰质体和壳质体等有机质碎屑间颗粒间孔镜质体、惰质体和壳质体等有机质碎屑间颗粒间孔隙隙230m变质孔变质孔隙隙(热成因热成因孔孔)气孔气孔气煤变质过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙气煤变质过程中由生气和聚气作用而形成的孔隙0.15m(分子分子)链间孔链间孔凝胶化物质变质作用缩聚形成的孔隙，或煤分子间距凝胶化物质变质作用缩聚形成的孔隙，或煤分子间距10nm100nm210m外生孔外生孔隙隙

3、角砾孔角砾孔煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔隙煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔隙碎粒孔碎粒孔煤受较严重的构造破坏而形成的煤受较严重的构造破坏而形成的(有机质有机质)碎粒之间的碎粒之间的孔孔110m摩擦孔摩擦孔压应力或剪应力下面与面间相互摩擦或滑动而形成的压应力或剪应力下面与面间相互摩擦或滑动而形成的孔孔12m矿物质矿物质孔隙孔隙铸模孔铸模孔煤中不同组分因硬度差异而铸成的印痕煤中不同组分因硬度差异而铸成的印痕无机无机质质m级级溶蚀孔溶蚀孔可溶性矿物质在水溶液的长期作用下受溶蚀而形成的可溶性矿物质在水溶液的长期作用下受溶蚀而形成的孔孔m级级晶间孔晶间孔方解石、黄铁矿、石英等矿物晶粒之间的孔

4、方解石、黄铁矿、石英等矿物晶粒之间的孔m级级4类储层：孔隙连类储层：孔隙连续气少，气孔不发续气少，气孔不发育。育。3类储层：孔隙连类储层：孔隙连续气较续气较 少，气孔少，气孔不太发育。不太发育。2类储层：孔隙连类储层：孔隙连续气较续气较 多，气孔多，气孔较发育。较发育。1类储层：孔隙连类储层：孔隙连续气续气 多，气孔发多，气孔发育。育。 固气界面的Langmuir等温吸附理论假设：该系统为固体与气体两种介质；气体分子单层吸附在固态表面，吸附表面是均匀的，吸附平衡时气体分子吸附速度与脱附相等。气体处于超零界状态（不发生凝聚）()LLV PV PPPC-甲烷在水中的浓度甲烷在水中的浓度V吸附量吸附

5、量()1abCV CaC 通常认为:甲烷在干燥煤样或者平衡水煤样的解吸过程与吸附过程存在一定可逆性，同样满足固固- -气界面气界面吸附的Langmuir理论。固-气界面解吸示意图降压解吸吸附空位 整个解吸过程中呈现（过）饱和状态整个解吸过程中呈现（过）饱和状态，存在C/C0=1；解吸的甲烷分子存在聚集力与吸聚集力与吸附力附力的相互作用，仅有能量较大的甲烷分子可以成核、成泡，大部分甲烷分子难以解吸固-液界面解吸示意图降压成核成泡气泡双孔单渗模型：双孔单渗模型：图图 煤层气解吸煤层气解吸-扩散扩散-渗流模式图渗流模式图双孔：基质孔隙；割理（裂隙）双孔：基质孔隙；割理（裂隙）单渗：气体自基质表面解吸

6、气从基质孔隙扩散到裂隙（割理），满足单渗：气体自基质表面解吸气从基质孔隙扩散到裂隙（割理），满足FickFick等扩散定律，气体在裂隙（割理）中渗流到井眼，满足达西渗流定律。等扩散定律，气体在裂隙（割理）中渗流到井眼，满足达西渗流定律。（Joseph Cervik，1967；F.S.Karn，1970；J.E.Kolesar，1986；A.Saghfi & R.J.William，1987；孙培德，1987; 周世宁，1992;吴世跃，1994；傅雪海，2003）Fick定律：定律：达西公式：达西公式：ffkdpvdx mmmgqD VCC p 普遍采用的普遍采用的Fick扩散定律假设

7、多组份、存在浓度差。扩散定律假设多组份、存在浓度差。浓度概念的三个基本要点：浓度概念的三个基本要点：浓度是对溶液属性的一种表达浓度是对溶液属性的一种表达溶液应具有溶液应具有两种或两种以上不同物质组成两种或两种以上不同物质组成溶液应该是单相（单相液、或单相气、或单相固溶液应该是单相（单相液、或单相气、或单相固）Fick扩散传质的要点：扩散传质的要点：两元：两元： 扩散发生在由两种以上的组元构成的混合物系中扩散发生在由两种以上的组元构成的混合物系中单相：单相： 扩散发生在单相混合体系扩散发生在单相混合体系浓度差：浓度差： 在单相二元及其以上的混合扩散体系中，任意组元在单相二元及其以上的混合扩散体系

8、中，任意组元分子由高浓度区向低浓度区自发运动的过程称为浓度扩散分子由高浓度区向低浓度区自发运动的过程称为浓度扩散方法方法描述描述局限性局限性类比法 利用与已开发煤层气田（或相似储层）的相关关系来计算储量。属于经验公式或者统计规律体积法体积法( (早期最常用方法早期最常用方法) ) 由吸附气、游离气和溶解气3部分组成，分别计算部分含气，并进行加合。 取决于游离气游离气及及吸附气吸附气计算的准确性。物质平衡法 基于物质守恒原理，煤层气藏的原始储量等于采出量与地下剩余储量之和。 生产时间越长，动态参数越多，精度越高。数值模拟法 对已获得的储层参数和早期的试采生产数据进行匹配拟合，预测可采储量。 取决

9、于理论的准确性及生产的稳定性，过于理想化。理想化。产量递减法 煤层气井经历了产气高峰开始稳产并出现递减后，利用递减曲线对未来产量进行计算。 需要气井进入递减期进入递减期，且需要与其他方法配合。1、2类储层可采储量高；类储层可采储量高；3、4类储层降压解吸非常困难，可采储量很低。类储层降压解吸非常困难，可采储量很低。方法描述评价评价数值模拟法数值模拟法 利用ECLIPSE、CMG、COMET等软件，对气井进行历史拟合，进而预测产能和采收率。 较可靠，取决于地较可靠，取决于地质模型可靠性。质模型可靠性。等温吸附曲线法等温吸附曲线法 依据室内实验的Langmuir曲线来确定煤层气井废弃时的残余含气量

10、。 对对1 1、2 2类储层较可靠。类储层较可靠。解吸法解吸法 采用美国矿业局的方法，测量岩心的解吸气量。包含损失气、解吸气及残余气。对对1 1、2 2类储层较可靠。类储层较可靠。产量递减法产量递减法 煤层气井经历了产气高峰开始稳产并出现递减后，利用递减曲线对未来产量进行计算。 较可靠。计算值相对较可靠。计算值相对其他方法低，但较可信。其他方法低，但较可信。类比法类比法 利用与已开发煤层气田（或相似储层）的相关关系来计算采收率。 适合于研究认知较高适合于研究认知较高的煤层气田。的煤层气田。 历史拟合：历史拟合：模拟曲线需要与实际曲线拟合，该过程往往需要修改一些地质及实验测得的数据，或者拟定一些

11、未知的参数。 应用前提：应用前提：有详细合理的地质模型、储层物性参数、生产井参数和储层 流体PVT参数等齐全。 需要的基础数据比较多，对数据参数的误差比较敏感。模拟曲线与实际生产较好的拟合模拟曲线与实际生产较好的拟合/auaLLPPVVP100/uREGGV以忽略游离气为前提，以忽略游离气为前提，评价吸附气采收率评价吸附气采收率主要基于主要基于Langmuir吸附曲线，吸附曲线，与储层环境差异大与储层环境差异大采收率：采收率：吸附气：吸附气：废弃压力(Mpa)预测采收率综合平均采收率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%同时，该方法需要确定储层废弃压力同时，该方法需要确定储层废弃压力拟合阶段数据预测阶段数据全阶段递减拟合曲线对于有明显递减规律的气井，利用该方法能够较为准确预测采收率；对于有明显递减规律的气井，利用该方法能够较为准确预测采收率；但是对于部分生产井，产气规律复杂，存在波动，递减现象不明显。但是对于部分生产井，产气规律复杂，存在波动，递减现象不明显。产气波动，递减现象不明显产气

13、波动，递减现象不明显参数名称(单位）数值储层压力（MPa）4煤层厚度(m)10朗缪尔体积(stm3/resm3)33朗缪尔压力(Mpa)2.5临界解吸压力(Mpa)2解吸时间(day)10孔隙度(fra)0.01渗透率(md)Kx=1md，Ky=1md压裂长度（m）70裂缝导流能力（d.cm）40表 数值模拟参数表（韩城矿区）图图 数值模拟单井生产模型数值模拟单井生产模型采用韩城煤层气藏储层参数，建立压裂直井单井理想模型不同程度解吸滞后曲线等温吸附曲线数模结果 选取选取Sw=0%Sw=0%的等温吸附曲线，日产气的等温吸附曲线，日产气2000m3/d2000m3/d，产气规律与韩城高产井（如，产

14、气规律与韩城高产井（如WL1WL1井）井）一致。最终一致。最终1515年末预测采收率为年末预测采收率为41.2%41.2%。 WL1井排采曲线WL1-004井排采曲线等温吸附曲线数模结果 选取选取Sw=100%Sw=100%的等温吸附曲线，日产气的等温吸附曲线，日产气450m3/d450m3/d，产气规律与韩城低产井（如，产气规律与韩城低产井（如WL1-WL1-004004井）一致。最终井）一致。最终1515年末预测采收率为年末预测采收率为9.15%9.15%。 模拟井日产气实际日产气（韩城矿区）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边边水水平衡排水阶段限制排水阶段控制井底流压稳定产气阶段WL2-018井生产动态曲线两层合采和分别单采日产气量对比两层合采和分别单采日产气量对比产能方程为：21()()niieiwigscgscik hppAqBq2()ln()0.75iiriwiwiewwwK h ppqrBSr1()niiriwiwiK h ppAq 排水降压早期： 排水降压中后期：WL1-006井3+5+11#合采无层系调整，产量逐年升高，目前产气量为2500m3/d左右，产水量5m3/d左右；动液面后期下降到5#煤

16、层上部，产气有明显上升，无煤粉产出，生产效果很好。无层系调整的无层系调整的3 3口三层合采井口三层合采井(WL1-006 WL1-(WL1-006 WL1-007,WL1-008)007,WL1-008)目前产能都较好目前产能都较好WL1-006 井排采曲线井排采曲线WL2-010 井排采曲线井排采曲线3+5+11#3+5#2011.3.23产气量下降WL2-001 井排采曲线2011.4.7产水量上升产气量下降挤水解堵11#3+5+11#WL2-002 井排采曲线井排采曲线2011.4.6挤水解堵11#产气量下降3+5+11#WL2-005 井排采曲线2011.4.6 挤水解堵3、11#3+

17、11#产气量下降p 3、5、11#主力煤层水体系统、临界解吸压力、胶结程度差异不大特点适合合采p 开采顺序，开采时机：煤层气藏开发初期进行合采，比后期补开某一层位效果好p 对于物性差异大的各层应合理控制生产压差，或慎重选择合采经过对韩城经过对韩城WL1、WL2、韩、韩3井组的实例分析，得出：井组的实例分析，得出：合采层：合采层： 3+5+11#，3+11#。问题原因：各层渗透率差异大、层间胶结强度差异大时，合采会加剧煤粉产出。问题原因：各层渗透率差异大、层间胶结强度差异大时，合采会加剧煤粉产出。合采层：3+5+11#，3+5#，3+11#。合采时机：大多数井无层系调整，一开始就合采开发。合采层

18、：3+5+11#，3+5#，3+11#。合采时机：大部分井是对11#做了补开或挤水解堵后产水量飙升，对产气不利。问题原因：11#水体活跃，打开后水挤进其他低压层位，不宜后期补开。单相水阶段单相水阶段气水两相阶段气水两相阶段单相气阶段单相气阶段p压力高于临界解吸压力，单相水在割理中的渗流。p压力降到临界解吸压力之下，储层流体以两相流区、非饱和流区、单相流区依次向地层远处推进。p煤层内含水饱和度接近束缚水饱和度；割理中为单相气体流动；-1-1-2气水两相阶段气水两相阶段单相气阶段（水微量）单相气阶段（水微量）压力传播以压力传播以水水为介质；为介质；水的压缩系水的压缩系数小数小，压力传播，压力传播快

19、快；压力传播以压力传播以气水两相气水两相为介质，气水为介质，气水两相两相流动摩阻大流动摩阻大，压力传播，压力传播慢慢。压力传播以压力传播以气相气相为介质；为介质；气体压缩气体压缩系数大系数大，压力传播，压力传播慢慢。单相水阶段单相水阶段单相水阶段气水两相阶段单相气阶段水吸附甲烷气的基质岩块吸附甲烷气的基质岩块甲烷解析后的基质岩块甲烷解析后的基质岩块甲烷气甲烷气图 煤层气藏生产示意图图 储层不同时间压力分布曲线井筒2600天2000天单相水单相水气水两相气水两相单相气单相气随着煤层气不断随着煤层气不断开发，压降漏斗开发，压降漏斗曲线越来越密，曲线越来越密，说明压降速度越说明压降速度越来越慢。来越

20、慢。解吸压力解吸压力压力传播规律： 单相水阶段，储层压力传播速率很快，之后开始骤降； 气水两相阶段，储层压力传播速率较单相水阶段慢，几乎保持不变；-1491419242910 100 1000 压降速率，压降速率，Kpa/天天时间时间/天天边界点压降速度曲线（半对数坐标）边界点压降速度曲线（半对数坐标）单相水单相水气水两相气水两相l大压差生产时，压降陡，会大压差生产时，压降陡，会引起煤粉产出、压裂失效；引起煤粉产出、压裂失效；l气液两相以及基质气源作用，气液两相以及基质气源作用，使得压力传播距离近；使得压力传播距离近；l在累积排水量一定的情况下，在累积排水量一定的情况下，小压差生产时，压降更平

21、缓，小压差生产时，压降更平缓，压力传播距离更远。压力传播距离更远。初期小排采强度更易形成井初期小排采强度更易形成井间干扰，使地层均匀降压。间干扰，使地层均匀降压。大压差生产小压差生产PiPwfPc割理含割理含气饱和气饱和度度距离距离解吸气较多，气液两解吸气较多，气液两相渗流阻力较大，阻相渗流阻力较大，阻碍压力的传播碍压力的传播 排水量越大，生产压排水量越大，生产压差越大，解吸区内解差越大，解吸区内解吸气越多，这使得压吸气越多，这使得压力传播越慢，降压速力传播越慢，降压速度越慢。度越慢。 排水量越小，生产压排水量越小，生产压差越小，解吸气越少，差越小，解吸气越少，压力传播越快，压力压力传播越快，

22、压力剖面越平缓，降压速剖面越平缓，降压速度快。度快。图图 排水排水半年后的压力剖面对比半年后的压力剖面对比实例计算 郑庄郑郑庄郑4-030井组，镜质体反射率井组，镜质体反射率Rmax/%：3.50左右，左右，地层压力都在地层压力都在5Mpa左右，解吸压力却在左右，解吸压力却在0-4MPa变化较大变化较大。郑郑4-030、4-050井组解吸压力分布图井组解吸压力分布图井号井号解吸压力解吸压力(Mpa)(Mpa)煤顶深度煤顶深度 (m)(m)日产气日产气日产水日产水煤层层厚煤层层厚 地层压力地层压力解析前天解析前天数数解吸前累计解吸前累计产水产水郑4-0213.473.4765

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

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