第2章煤层气压降动态模型8学时

第二章煤层气井压降动态模型煤层气井压降动态模型根本概念〔水是从哪里来的？〕达西定律及相关知识压力传送的主控要素压力传播变化规律压力变化动态模型小结内容提要根本概念层状和块状层状，简单讲就是在煤层顶底板间隔不远处有泥岩、砂质泥岩等作为盖层、夹层与底层。在普通压差下储集层中的流体难以穿越盖、底层而流动。两种边境假设层体为孤立体，周界为断层或岩性边境所圈闭且没有边水供应，就叫做封锁边境。假设层体较稳定，不断延伸到地表，并且有边水供应区，在边境上又坚持一个恒定的压头，就叫做定压边境。§2.1渗流根本概念地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(seepageflow/groundwaterflow)。发生渗流的区域称为渗流场。渗流场(flowfield)由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。渗流只发生在岩石空隙中。多孔介质概念与特性我们把孔隙岩层称为多孔介质(porousmedia).多孔介质特性:彼此连通的网络，几何形状及连通情况异常复杂，难以用准确的方法来描画。由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不延续的。因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是延续函数普通水流与渗流共同点：1.总体流向取决于水头差2.流量取决于水头差及沿程损耗区别：水在管道中运动取决于管道大小、外形及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、外形、连通性。渗流特点通道是曲折的，质点运动轨迹弯曲；流速是缓慢的，多数为层流；水流仅在空隙中运动，在整个多孔介质中不延续；通常是非稳定的；通常为缓变流。概化后的理想渗流水力梯(坡)度概念水力梯度I为沿浸透途径水头(单位质量的流体所具有的机械能〕损失与相应浸透途径长度的比值。水在空隙中运动时，必需抑制水与隙壁以及流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力从而耗费机械能，呵斥水头损失。因此，水力梯度可以了解为水流经过单位长度浸透途径为抑制摩擦阻力所耗失的机械能。从另一个角度，也可以将水力梯度了解为驱动力，即抑制摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。既然机械能耗费于浸透途径上，因此求算水力梯度时，水头差必需与相应的浸透途径相对应。根本渗流规律——达西定律达西定律是反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。地下水在土体孔隙中浸透时，由于浸透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。为了提示水在土体中的浸透规律，法国工程师达西(H.darcy)经过大量的实验研讨，1856年总结得出浸透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。其表达式为Q=KFh/L式中Q为单位时间渗流量，F为过水断面，h为总水头损失，L为渗流途径长度，I=h/L为水力坡度，K为浸透系数。关系式阐明，水在单位时间内经过多孔介质的渗流量与渗流途径长度成反比，与过水断面面积和总水头损失成正比。根本渗流规律——达西定律从水力学知，经过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积，即Q=Fv。或，据此，达西定律也可以用另一种方式表达：v=KIv为渗流速度。上式阐明，渗流速度与水力坡度一次方成正比。阐明水力坡度与渗流速度呈线性关系，故又称线性渗流定律。达西定律适用的上限有两种看法：一种以为达西定律适用于地下水的层流运动；另一种以为并非一切地下水层流运动都能用达西定律来表述，有些地下水层流运动的情况偏离达西定律，达西定律的顺应范围比层流范围小。这个定律阐明水经过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的浸透性能成正比。根本渗流规律——达西定律达西实验安装图流量大小与管子截面A、入口及出口压头差H1-H2成正比，与填充砂粒管子长度△L成反比。式中：Ki——渗滤系数，它表征多孔介质和液体的渗滤才干。根本渗流规律——达西定律达西实验的安装如图1所示。安装中的①是横截面积为A的直立圆筒，其上端开口，在圆筒侧壁装有两支相距为L的侧压管。筒底以上一定间隔处装一滤板②，滤板上填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持一个恒定值。浸透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量q。设△t时间内流入量杯的水体体积为△V,那么渗流量为q=△V/△t。同时读取断面1-1和段面2-2处的侧压管水头值h1，h2，Δh为两断面之间的水头损失。达西分析了大量实验资料，发现土中浸透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h成正比，与断面间距l成反比，即非线性渗流定律当渗流速度增大到一定程度，渗流速度与压力梯度之间不成线性关系。

式中：Re为雷诺数，λ为阻力系数，ρ为流体密度，δ为表征多孔介质的系数。

λ与R的相关曲线图K=-1过渡线程度线非线性渗流定律对于第一段，直线方程可写为：b为直线在纵轴上的截距。由于φ和δ只决议于孔隙介质，所以，令K=φδ2/b，并写成微分方式，得到：可得到渗流速度和压力梯度之间成线性关系，有人把这一段叫层流。非线性渗流定律当速度很大时，λ—Re相关曲线成程度线，其方程为：式中：D——常数，是程度直线在λ轴上的截距值。整理上式得：式中：从式中看出：当渗流速度大时，压力梯度完全耗费在与密度有关的惯性阻力上。此时，压力梯度与渗流速度的平方成正比。有人把这一段叫做完全紊流区。非线性渗流定律在过渡区的曲线方程为：在过渡区两种阻力〔惯性力和摩擦力〕同时存在。从过渡区开场称为“非线性渗流〞。雷诺数：惯性阻力与粘滞阻力的比值。1、什么是压裂？水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛运用于低浸透油气藏，而且在中高浸透油气藏的增产改造中也获得了很好的效果。它是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超越地层吸收才干的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，便在井底附近地层产生裂痕；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂痕向前伸展并填以支撑剂，关井后裂痕闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内构成具有一定几何尺寸和高导流才干的填砂裂痕，使井到达增产增注目的。压裂液携砂液支撑裂痕动态裂痕水力压裂工艺过程注入前置液起裂扩展注入携砂液〔石英、陶粒〕压裂液返排裂痕闭合高导流的人工裂痕煤层气垂直井排采过程可分为四个阶段：第二阶段：非饱和水单相流阶段煤层气垂直井排采阶段划分第一阶段：饱和水单相流阶段排采初期，即指从煤层气井开场排采至井底压力降低到煤层气临界解吸压力时为止。煤层裂隙中水开场流动,极少量游离气或溶解气在裂隙系统中将处于运移形状，此阶段以饱和水单相流为表征。在此过程中，随着排采的进展，煤的孔-裂隙系统中的水会排出，流体压力下降，使煤体所受的有效应力添加，煤的裂隙系统发生紧缩变形，裂隙度下降，导致裂隙间距减小，最终使煤体的浸透率下降。浸透率下降，压力传送速度将减慢。因此，饱和水单相流阶段，排水是压力降低的方式；压降是引起煤体内部构造发生一系列变化的根本；而煤体内部要素的改动反过来会影响排水速度。排水是煤体改动的外部要素；而有效应力的添加是煤体发生改动的内部要素。压力进一步下降，一定数量煤层气解吸出来,构成气泡,妨碍水的流动,水的相对浸透率下降，处于非饱和单相流阶段。第三阶段：两相流阶段——井筒周围压力几乎平稳传送指当井底压力降低至煤层气临界解吸压力之后开场至临界解吸半径传送到第一封锁边境时终了。压力进一步下降，气体构成流线，水相浸透率下降，气相渗透率添加，井筒周围储层改造几乎相等，处于两相流井筒周围压力几乎平稳传送阶段。在此过程中，流体压力的降低，煤体有效应力的添加，使煤的裂隙系统发生紧缩变形，裂隙孔隙度下降；同时，气体的解吸，使煤基质收缩，煤裂隙拉张导致裂隙孔隙度添加；有效应力的添加引起煤裂隙收缩的弹性负效应和气体排出引起的煤基质的弹性正效应共同影响煤储层浸透率的大小。浸透率的变化又影响压力传送速度，也影响了产气速度，最终影响了产气量。由此可见，压力变化、孔隙度变化和产气量变化构成了这一排采阶段的外循环；应力变化、含气量变化和浸透率变化构成了此排采阶段的内循环。外循环的变化，联动了内循环的进展。控制排采时的压力是控制整个系统循环进展的根底，产气量的变化、孔隙度的变化是压力变化控制造用的外部显现。煤层气垂直井排采阶段划分第四阶段：两相流阶段——压力仅在某些方向传送压裂储层改造的非均等性，排采继续进展，到达某些方向改造边境时，当原始浸透率与改造后浸透率相差较大时，进入两相流压力仅在某些方向传送阶段两相流-压力仅在某些方向上传送阶段，指从临界解吸半径传送到第一封锁边境时开场至临界解吸半径传送到第二封锁边境时终了。在此过程中，由于煤储层改造时，会在两个方向上改造很好，大致垂直的另外两个方向上改造相对较差。因此，随着煤层气井的排采，当压力传送到改造效果较差的边境时，将进入压力仅在某些方向传送阶段。在气水两相流压力平稳传送阶段，虽然四个方向上储层改造效果不同，但此时的排采过程中尽量控制排采速度，使在四个方向上压力传送速度尽量一致。进入压力仅在某些方向传送阶段时，在储层改造效果较好方向上压力传送速度很慢甚至不再传送，几乎不再有气体产出，压力、孔隙度、产气量也不再变化；储层改造效果较好方向上将会发生内循环的一系列变化。压力变化、孔隙度变化和产气量变化构成了煤层气排采的内循环。煤层气垂直井排采阶段划分煤层气井井底流压是进展排采影响半径、产水量、产气量预测的根底。1饱和水单向流态井底压力的计算煤层气井排采初期，压降幅度比较小，煤的微裂隙中吸附的煤层气不会发生解吸，煤层中仅存在饱和水的单项流动。此时，井口套压为零，忽略排水过程中套管磨阻，井底压力可根据井底至液面的液柱压力来计算。不同排采阶段井底流压计算模型气水两相流态井底压力的计算随着排采的进展，当井底压力降低到煤层气临界解吸压力以下时，气体开场解吸产出，井口套压开场有了读数。此时井底压力由井口套压、井筒液面至井口的气柱重力和气体自液面至井口的环形空间中的磨阻而构成的液面压力、井底至液面的液柱压力组成。井口套压可经过压力表直接读出Pt，液面压力〔Pm〕可用纯气井井底压力的计算方法求得，液柱压力可经过产气量相近、排水量相当，套压和液面深度有显著变化的两个稳定段井底压力相等的方法计算得到〔P液〕。不同排采阶段井底流压计算模型饱和水单相流态井底压力计算模型气水两相流态的井底压力计算模型煤层hHQg图井底压力组成表示图压降漏斗动态模型A饱和水单相流阶段整体设计思绪B两相流压力平稳传送阶段C两相流压力仅在某些方向传送阶段根据煤层气井储层中水的单相稳定渗流特点，得出压降动态模型：浸透率变化与饱和水单相流变化不同，但其流动还符合平面单向流的特点，即：a1≤r≤a2与最大程度主应力夹角不超越45度Pr=a1与最小程度主应力夹角不超越45度储层改造方向上，压力将进一步传送，未改造方向压力传送缓慢或不再传送；不同排采阶段产水量动态预测模型饱和水单相流阶段产水量动态预测模型两相流压力平稳传送阶段产水量动态预测模型两相流压力仅在某些方向传送阶段产水量动态预测模型排采控制实际图饱和水单相流排采阶段产水量变化表示图0饱和水排采阶段产水量变化排采控制实际图气水两相流压力平稳传送阶段产水量变化表示图气水两相流压力平稳传送阶段产水量、产气量变化图气水两相流压力平稳传送阶段产气量变化表示图图a气水两相流压力仅在某些方向传送阶段产气量变化表示图当K储<K改，且Kmin<Kmax当K储<K改，且Kmin≈Kmax或Kmax<Kmin图b气水两相流压力仅在某些方向传送阶段产气量变化表示图当K储≈K改图c气水两相流压力仅在某些方向传送阶段产气量变化表示图K储≥K改图d气水两相流压力仅在某些方向传送阶段产气量变化表示图典型排采曲线图PZX-01煤层气井实测产气量曲线典型排采曲线图PZX-02煤层气井实测产气量曲线图PZX-03煤层气井实测产气量曲线图PZX-04煤层气井实测产气量曲线倾斜煤层中不同倾向的多分支井产能预测模型模型总体建立思绪图多分支煤层气井产量预测模型流程图分支井段压降模型解吸半径分支段产气量模型分支末端产气量模型分支井末端压降模型微分几何达西定律等温

吸附重力压降数值分析产量预测模型煤储层根本参数+分支井参数根本假设：煤储层为上下封锁的、无限大、均质储层；全部裸眼井眼为无限导流；忽略水、气从煤基质孔隙、裂隙中流入井筒的能量损失；程度段一直在煤层顶部或底部钻进；各侧分支井段与主井段间的夹角都相等，各侧分支间的间距都相等。模型建立及主要计算步骤各分支井段压力分布计算模型图煤层气井平面径向流动表示图hReRW式中：pe——储层压力，MPa；P分i——第i个分支井内的压力，MPa；L——分支井段在某井底压力下的影响间隔，m；各分支井段压力分布公式为：各分支井末端压力分布计算模型假设排采过程中仅有单相水流出，根据消费井筒排采特点及压强计算方法，可得出各分支井段中压力计算模型为：图沿下倾煤层钻进多分支煤层气井表示图假设排采过程中有气、水产出，那么排采过程中的混合气体密度发生变化，混合气体密度的计算可根据产水量相近、排水量相当、套压和液面深度有显著变化的两个稳定段井底压力相等方法计算得到。当煤层气井沿与程度面下倾方向钻进，消费井井口套压为Pt时，对各分支而言，假设排采过程中仅有单相水流出，根据消费井筒排采特点及压强计算方法，可得出各分支井段中压力计算模型为：各分支井段中及末端解吸间隔计算模型各分支井段中解吸间隔计算公式：各分支井末端解吸半径公式为：解吸气量计算模型根据各分支井段的解吸间隔，结合其降压特点，得出各分支井段内的解吸气量计算公式：以各分支井末端煤储层顶板程度面为横坐标，末端垂直方向为纵坐标，建立直角坐标系。根据产气时的解吸半径公式及压降传送特点，可得出解吸时的高度计算公式为：解吸气量计算模型取一微小圆柱，其体积dV=πr2dh，因其在程度井段部分已解吸，所以，末端解吸量为：从而沿下倾方向钻进的多分支煤层气井的总解吸量为：实例运用及分析参数数据参数数据参数数据原始储层压力（MPa）2.4煤层埋深(m)450生产井筒半径（m）0.084煤层厚度(m)5.5钻进方向下倾