【文章內(nèi)容簡介】 54 第 3章 氣藏工程論證 從煤層巖石力學(xué)特征來看， 3煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖為主， 15煤層頂板以灰?guī)r為主，底板以泥巖為主，根據(jù)煤層及頂、底板巖石力學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果表，知道其厚度均為 ，滿足合采要求。 根據(jù)煤儲層壓力統(tǒng)計(jì)， 3煤儲層與 15煤儲層均為欠壓儲層，兩煤層的平均儲層壓力梯度分別為 、 ，兩煤層的平均儲層壓力梯度梯度差別不到 ，在其他條件相同情況下進(jìn)行排采時(shí)，壓力傳遞速度相差不大，適合合 層開采。 根據(jù)參數(shù)井資料，計(jì)算得出 3與 15煤層的臨界解吸壓力的平均值分別為 、 ，平均差值為 ；而平均間距為 85m，產(chǎn)生的水柱壓力為 ，遠(yuǎn)小于 3煤層的臨界解吸壓力的平均值分別為 ，說明兩煤層適合合層開采。 根據(jù)生產(chǎn)試驗(yàn)井的單井排采數(shù)據(jù) 3煤層的單井平均最大產(chǎn)水量為 ，單井平均平穩(wěn)產(chǎn)水量為 ； 15煤層單井單井平均最大產(chǎn)水量為 ，單井平均平穩(wěn)產(chǎn)水量為 m3/d，略高于 3煤 層，從供液能力上看，適合兩層煤合層開采。 根據(jù)生產(chǎn)試驗(yàn)井排采數(shù)據(jù)，合層開采條件下的單井高峰產(chǎn)氣量和單井平穩(wěn)產(chǎn)氣量均高于分層開采條件下。 綜上分析， 3和 15煤層采用一套層系進(jìn)行開發(fā)。 排水采氣 排水采氣是指煤層氣井生產(chǎn)時(shí)，通過抽排煤層中的承壓水，使得煤層壓力降至煤的解吸壓力以下，吸附態(tài)的甲烷解吸為大量游離態(tài)甲烷，并通過擴(kuò)散和流動兩種不同的機(jī)制運(yùn)移到井筒的一種開發(fā)方式。 煤層氣井采氣前，井中液 面高度為地下水頭高度，此時(shí)井筒與儲層之間不存在壓力差，地下水系統(tǒng)基本平衡，屬于穩(wěn)定流態(tài)。 當(dāng)煤層氣井開始排采后，井筒中液面下降，井筒與煤儲層之間形成壓力差，地下水從壓力高的地方流向壓力低的地方，地下水就源源不斷地流向井筒中，使得煤儲層中的壓力不斷下降，并逐漸向遠(yuǎn)方擴(kuò)展，最終在以井筒為中心的煤儲層段形成一個(gè)地下水頭壓降漏斗，隨著抽水的延續(xù)該壓降漏斗不斷擴(kuò)大和加深。 當(dāng)煤儲層的出水量和煤層氣井井口產(chǎn)水量相平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的壓力降落漏斗，降落漏斗不再繼續(xù)延伸和擴(kuò)大，煤儲層各點(diǎn)壓力也就不能進(jìn)一步 降低，解吸停止，煤層氣井采氣也就終止。 55 第 3章 氣藏工程論證 排水采氣是我國煤層氣生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、成本低的一種開發(fā)方式。注氣開發(fā)方式 煤層氣注氣開發(fā)是向煤層中注入 N2， CO2 及煙道氣等，實(shí)質(zhì)是向煤層注入能量，改變壓力傳導(dǎo)特性，增大或保持?jǐn)U散速率不變，達(dá)到提高單井產(chǎn)量和采收率的目的。 向煤層中注氣，在一定程度上能夠提高煤儲層能量，由于氣體壓縮膨脹做功，能夠提高煤層的壓力傳導(dǎo)系數(shù)，使得遠(yuǎn)處的煤層能量能快速彌補(bǔ)負(fù)壓區(qū)的虧空，提高氣井產(chǎn)能。 由于煤對 CO2的吸附能力比 CH4強(qiáng)，所以 CO2注入煤層后，會與煤基質(zhì)微孔中的 CH4 發(fā)生吸附競爭，最終將原來吸附在煤層中的 CH4 置換出來。而 N2 的吸附能力弱于 CH4，不能通過競爭吸附達(dá)到置換 CH4的目的，只能在等壓狀態(tài)下通過降低游離 CH4的分壓來影響其吸附等溫線，促使吸附 CH4被置換出來。 對煤層氣注氣驅(qū)替來講，驅(qū)替氣體的注入維持了比單純抽排有更高的壓力梯度，起到增加流體流速的作用。驅(qū)替過程中注入氣體與CH4 發(fā)生吸附置換，則可將煤基質(zhì)中吸附態(tài)的 CH4 轉(zhuǎn)化為游離態(tài)CH4，在注入氣體驅(qū)動作用下，這些游 離態(tài) CH4 流動至生產(chǎn)井，最后被采出。 注氣開發(fā)方式不僅能提高煤層氣采收率，延長煤層氣田的開采周期，同時(shí)也可以滿足大氣環(huán)境保護(hù)、煤炭安全開采等客觀需要。但是注入的 CO2 會改變原始地層中的 pH值，礦化度，地應(yīng)力場特性，影響其物理化學(xué)特性。同時(shí)，由于 CO2 的體積膨脹，可能使煤層的流體流速過快，導(dǎo)致機(jī)械顆粒的運(yùn)移，對煤層造成傷害 [4]。另外，目前在國內(nèi)該技術(shù)不成熟，依靠國外技術(shù)，生產(chǎn)成本高，而且 CO2氣源和運(yùn)輸、封存問題尚未得到好解決。 目前國內(nèi)排水采氣的技 術(shù)成熟，而注氣開發(fā)在國內(nèi)只處于試用階段，需要依靠國外技術(shù)，所以排水采氣開發(fā)方式成本遠(yuǎn)低于注氣開發(fā)方式成本。 注氣開發(fā)對地層的影響較大，容易對煤儲集層造成傷害。 排水采氣在排采過程中會造成地層能量虧空，氣井產(chǎn)能下降，采收率降低；注氣開發(fā)在一定程度上能補(bǔ)充地層能量，提高氣井產(chǎn)能和采收率。但是區(qū)塊內(nèi)煤層上部和底部都有含水層，補(bǔ)給區(qū)在地表露頭，表明煤層水源補(bǔ)給充足，不易導(dǎo)致地層能量虧空。 CO2氣源問題和運(yùn)輸、封存問題尚未得到好的解決。 綜上所述，在沁端區(qū)塊選擇排水采氣的開發(fā) 方式。 56 第 3章 氣藏工程論證 目前，煤層氣開采鉆井井型主要有直井、叢式井、水平井、 U型井、羽狀水平井和多分支水平井。 表 煤層氣不同井型的適應(yīng)條件 [3] 雙分支水平井水平段長度的優(yōu)選 雙分支水平井水平段的長度對井控儲量、水平井產(chǎn)能、開發(fā)效果以及經(jīng)濟(jì)效益等都有很大影響，是水平井設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵之一。水平段長度越大，越有利于提高氣井的泄氣面積，然而 由于井筒中流動內(nèi)阻的存在，流動阻力隨水平段長度增加而增大，指端的壓降較跟端小，出現(xiàn)水平段指端低產(chǎn)現(xiàn)象。因此使產(chǎn)氣量增加的同時(shí)，又要優(yōu)化單位成本效益，就存在合理的水平段長度。本文主要從氣藏工程角度，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對雙分支水平井十五年累產(chǎn)和百米累產(chǎn)氣量兩方面定量計(jì)算，分析不同水平段長對水平井生產(chǎn)的影響。 表 數(shù)值模擬結(jié)果 58 第 3章 氣藏工程論證 圖 水平段長度對產(chǎn)能的影響 從水平段長度對產(chǎn)能的影響來看，水平段長度對百米 15 年累產(chǎn)影 響較大。 [］當(dāng)水平段長度小于 m，百米 15 年累產(chǎn)隨著水平段長度的增大而較快減小，當(dāng)水平段長度大于 ，隨著水平段長度的增加，百米累產(chǎn)氣量趨于平穩(wěn)。因此雙分支水平井水平段最優(yōu)長度為 。 開發(fā)預(yù)測和經(jīng)濟(jì)評價(jià) 運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測單層水平段長 600m 雙 分支水平井和合層開采直井的生產(chǎn)動態(tài)，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)。 圖 雙分支水平井 59 第 3章 氣藏工程論證 圖 雙分支水平井和直井產(chǎn)能對比 從雙分支水平井和直井產(chǎn)能對比情況來看，雙分支水平井明顯優(yōu)于直井。［ )設(shè)定雙分支水平井穩(wěn)定產(chǎn)量為 ，直井穩(wěn)定產(chǎn)量為 ，分別預(yù)測 15 年和 20 年生產(chǎn)情況。 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，雙分支水平井生產(chǎn)末期累計(jì)產(chǎn)量108m3，最終采收率為 %；直井生產(chǎn)末期 累計(jì)產(chǎn)量108m3，最終采收率為 %，雙分支水平井的采收率高于直井。 經(jīng)濟(jì)方面，分別對鉆井成本和經(jīng)濟(jì)收益兩個(gè)角度對雙分支水平井和直井進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的經(jīng)濟(jì)評價(jià)，從不同井型的經(jīng)濟(jì)評價(jià)來看，雙分支水平井鉆井成本高，單位面積的收益都低于直井。 雖然多分支水平井采收率較高，但鉆井工藝復(fù)雜、技術(shù)條件不成熟、投資高、風(fēng)險(xiǎn)大。而直井鉆井工藝簡單、技術(shù)條件成熟、投資相對較低、風(fēng)險(xiǎn)小、且收益較多分支水平井高。因此最適合該區(qū)塊的井型為直井。 圖 雙分支水平井和直井單 井日產(chǎn)量對比圖 60 第 3章 氣藏工程論證 表 雙分支水平井和直井開發(fā)指標(biāo)預(yù)測 表 雙分支水平井和直井的經(jīng)濟(jì)比較 煤層氣 “低滲、低壓、低飽和度、高含氣量 ”的特點(diǎn)決定了其生產(chǎn)需要井組聯(lián)合排采。井網(wǎng)初選 排狀井網(wǎng)是指所有井都以直線井排的形式步署到油氣藏含油氣面積之上。適用于含油氣面積較大、連通性好、流動性較好的油氣藏。 環(huán)狀井網(wǎng)是指所有油井都以環(huán)狀井排的形式部署到油氣藏面積之上 。井排一般與含油邊界的形態(tài)保持基本一致。適用于中小型油氣藏、構(gòu)造比較完整、滲透性和油氣層連通性都好的油藏。 面積井網(wǎng)是指油氣井按照一定的幾何排列方式部署到整個(gè)油氣藏含氣油面積之上所形成的井網(wǎng)形式。適用于含油氣面積中等或較小、滲透性和油層連通性相對較差的油氣藏。 由于對氣藏的地質(zhì)特征認(rèn)識不是特別清楚，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研煤層氣開發(fā)多采用面積井網(wǎng)的情況，從提高采收率的角度考慮，對井網(wǎng)的部署應(yīng)盡量采用規(guī)則井網(wǎng)。又因?yàn)槊簩游镄圆?，滲透率低，排水采氣的開發(fā)方式需要煤層快速整體降壓，且開發(fā)處于初期階段， 所以選用規(guī)則的面積井網(wǎng)布井。 2）井網(wǎng)優(yōu)選 煤層氣可采用的面積井網(wǎng)類型一般有正方形井網(wǎng)和三角形井網(wǎng)。正方形井網(wǎng)要求沿主滲透和垂直于主滲透兩個(gè)方向垂直布井，且相鄰的 4口井呈一正方形。 61 第 3章 氣藏工程論證 三角形井網(wǎng)要求沿主滲透方向和垂直于主滲透兩個(gè)方向垂直布井，最小井網(wǎng)元素為三角形，相鄰的 4口井呈一菱形。面割理與水平最大主應(yīng)力方向一致，端割理與水平最小主應(yīng)力方向一致。但割理走向具有強(qiáng)烈的方向性，且具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。因此，煤層在最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方 向的滲透率具有較大的差異，計(jì)算出兩個(gè)方向滲透率的比值對井網(wǎng)的部署具有重要的意義。根據(jù)煤層巖石力學(xué)性質(zhì)，煤層最大主應(yīng)力表示為： ?H?3Pc?Pf?Pi?St 式中： σH——水平方向最大主應(yīng)力， MPa； Pc——煤層閉合壓力， MPa； Pf——煤層破裂壓力， MPa； Pi——原始煤層壓力， MPa； St——煤的抗拉強(qiáng)度， MPa。 式 式 2020年對沁南區(qū)塊 15的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算出該區(qū)塊水平最 大主應(yīng)力。 根據(jù)孟召平教授 2020 年對沁水南部地層應(yīng)力及其對煤儲層滲透率的影響研究，沁端區(qū)塊水平方向上，煤層主面割理及端割理方向滲透率與最大或最小主應(yīng)力之間存在以下統(tǒng)計(jì)關(guān)系。 kH???H 式 式 kh???h 式中 kH——水平面上面割理方向滲透率， mD； σH——水平面上最大主應(yīng)力， MPa。 kh——水平面上端割理方向滲透率， mD； σh——水平面上最小主應(yīng)力， MPa。 64 第 3章 氣藏工程論證 而由于各項(xiàng)異性，地層不同方向上的井距之比與相同方向上的滲透率之比需滿足公式 。［） dx/dy? 式中 dx ——x方向井距， m； dy ——y方向井距， m； kx/ky 式 kx——x方向滲透率， mD； ky——y方向滲透率， mD。 將沁端區(qū)塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入公式 、 和 ，計(jì)算出 dx/dy的值為 ，即在井網(wǎng)部署過程中，沿著主滲透率方向上的井距與排距之比需 要為 左右。而在面積井網(wǎng)中，正方形井網(wǎng)的井距和排距相等，三角形井網(wǎng)的井距和排距存在差異，比值為 ，與計(jì)算結(jié)果 很接近。因此從滲透率差異上看，三角形井網(wǎng)較適合該區(qū)塊煤層氣的開發(fā)。 表 沁端區(qū)塊水平最大主應(yīng)力計(jì)算一覽表 表 沁端區(qū)塊水平方向主次滲透率計(jì)算一覽表 綜合以上分析，與正方形井網(wǎng)比較，三角形井網(wǎng)壓降疊加面積大、井間干擾效果好，更加適合面割理和端割理方向的滲透率差異，使壓力均勻下降，所以在沁端區(qū)塊選擇三角形井網(wǎng)布井。 65 第 3章 氣藏工程論證 布井方向是根據(jù)主導(dǎo)天然裂隙方位和壓裂裂縫方位確定的。經(jīng)濟(jì)極限井網(wǎng)密度：總產(chǎn)出等于總投入，總利潤為零時(shí)的井網(wǎng)密度。超過此井網(wǎng)密度，則發(fā)生虧損。 最佳井網(wǎng)密度：當(dāng)總利潤最大時(shí)的井網(wǎng)密度。 合理井網(wǎng)度：實(shí)際井網(wǎng)密度應(yīng)在最佳井網(wǎng)密度與經(jīng)濟(jì)極限井網(wǎng)密度之間選擇一個(gè)合理值。 常用的計(jì)算煤層氣井網(wǎng)密度的方法主要有：單井控制儲量法、規(guī)定單井產(chǎn)能法、經(jīng)濟(jì)極限 合理井網(wǎng)密度法。 1）單井控制儲量法 開發(fā)井距的確定應(yīng)當(dāng)考慮單井的合理控制儲量，使高豐度區(qū)單井控制儲量