劉立磚，周勁輝，冷 炎，馮 雷，馬成明，陳 鑫

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國石油（中國）有限公司非常規(guī)油氣分公司，山西壽陽 045400）

中國煤層氣資源十分豐富，據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)IEA統(tǒng)計(jì)，我國煤層氣資源量位列俄羅斯、加拿大之后，居世界第三。而煤層氣是一種潔凈的能源，我國煤層氣資源的開發(fā)對煤礦生產(chǎn)安全、環(huán)境保護(hù)和緩解中國能源緊張局勢具有重要意義。我國煤層氣一般具有三低（低孔、低滲和低飽和度）特征，導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)量較小，采出程度低。提高煤層氣產(chǎn)能的主要途徑是利用水平井、多分支井等鉆井技術(shù)來擴(kuò)大煤層的解吸面積，通過水力壓裂、注氣等增產(chǎn)措施提高煤層滲透率。在一些特殊的區(qū)塊，盡管利用先進(jìn)的鉆完井技術(shù)和采用常規(guī)的增產(chǎn)改造措施，產(chǎn)氣效果仍然不理想，因此很有必要探索新的煤層氣增產(chǎn)措施。研究表明[1-5]，煤層溫度的變化對煤層氣的吸附和解吸有一定的影響，煤層氣的解吸量隨溫度的變化呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。因此研究煤層氣水平井筒加熱煤層溫度的變化規(guī)律對于了解煤層氣的解吸規(guī)律具有重要的意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對地層進(jìn)行加熱進(jìn)行稠油熱采是比較成熟的技術(shù)，高溫助排技術(shù)廣泛應(yīng)用到超稠油開發(fā)中[6]。對地層加熱的方法有高溫蒸汽以及電加熱等[7，8]。并建立了過熱蒸汽吞吐水平井加熱半徑計(jì)算模型、稠油熱采地層溫度控制模型和水平井蒸汽吞吐三維靜態(tài)溫度分布計(jì)算模型等對地層溫度進(jìn)行預(yù)測[8-10]。針對稠油熱采，建立了水平井蒸汽吞吐產(chǎn)能預(yù)測模型對產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測[11]。對水平井筒加熱煤層溫度的變化規(guī)律的研究未見報(bào)道。

2 煤層氣水平井筒加熱實(shí)驗(yàn)裝置研制

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

總體方案（見圖1），用厚度100 mm 的水泥砂漿將一整塊煤巖包裹體，水平井筒位于煤巖端部，在煤層中間，垂直于煤層鉆取6 個(gè)煤層溫度測量孔，將溫度傳感器插入測量孔，周圍用80 目煤粉搗實(shí)，溫度傳感器與多通道數(shù)據(jù)采集裝置連接，該裝置與電腦連接，電腦中安裝有數(shù)據(jù)采集軟件對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 井筒加熱與煤層溫度測量裝置

將銅管插入水平井筒，周圍用80 目煤粉搗實(shí)，加熱棒放置在銅管中，銅管中注入導(dǎo)熱油，通過對導(dǎo)熱油加熱，熱量傳遞到銅管，再由銅管傳遞煤巖。溫度傳感器與溫控器連接，油溫達(dá)到設(shè)計(jì)溫度則停止加熱（見圖2）。

圖2 水平井筒加熱和煤層溫度測量示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集與溫控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電腦主機(jī)1 臺、多通道數(shù)據(jù)采集儀1 臺、數(shù)據(jù)采集軟件1 套、溫控器1 臺、加熱棒1 根、交流接觸器1 個(gè)、溫度傳感器7 個(gè)、直流電源1 臺組成。

2.4 試件制作

將煤巖包裹在一定厚度的水泥砂漿中，養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間即可用于實(shí)驗(yàn)。用電鉆鉆出加熱水平井筒和溫度測量孔，對溫度傳感器編號1、2、3、1'、2'、3'，將傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。

3 煤層氣水平井筒加熱煤層溫度的變化規(guī)律

3.1 水平井筒加熱煤層溫度的變化規(guī)律

水平井筒加熱溫度分別為110 ℃，120 ℃，130 ℃，140 ℃，150 ℃，160 ℃，170 ℃時(shí)，煤層中各測點(diǎn)的溫度（見圖3～圖9）。

從圖3～圖9 可以看出：

（1）離水平井筒越遠(yuǎn)，煤層加熱效果越差。

圖3 水平井筒加熱溫度110 ℃溫度變化

圖4 水平井筒加熱溫度120 ℃溫度變化

圖6 水平井筒加熱溫度140 ℃溫度變化

圖7 水平井筒加熱溫度150 ℃溫度變化

圖8 水平井筒加熱溫度160 ℃溫度變化

圖9 水平井筒加熱溫度170 ℃溫度變化

表1 不同井筒溫度下升溫和降溫幅度對比

圖10 不同井筒溫度下升溫和降溫幅度對比

（2）煤層溫度的變化隨加熱時(shí)間的增加呈現(xiàn)不規(guī)律變化，加熱初始階段煤層溫度變化較慢；當(dāng)加熱一段時(shí)間后，煤層溫度上升速度加快；隨著加熱的進(jìn)行，煤層溫度上升速度趨緩。

（3）水平井筒溫度越高，加熱的效果越好。

3.2 水平井筒加熱溫度優(yōu)化分析

不同井筒溫度下升溫和降溫幅度對比（見表1、圖10）。圖10 表明：當(dāng)井筒溫度為110 ℃～130 ℃時(shí)，煤層升溫幅度平緩，當(dāng)井筒溫度為140 ℃以上時(shí)，煤層升溫幅度明顯增加。

4 結(jié)論

（1）研制的煤層氣水平井筒加熱實(shí)驗(yàn)裝置，可以實(shí)時(shí)測量距離水平井筒不同位置的煤層溫度。

（2）揭示了不同水平井筒溫度下煤層溫度變化規(guī)律，離水平井筒越近，水平井筒溫度越高，加熱的效果越好，反之煤層加熱效果越差；煤層溫度的變化隨加熱時(shí)間的增加呈現(xiàn)不規(guī)律變化，加熱初始階段煤層溫度變化較慢；當(dāng)加熱一段時(shí)間后，煤層溫度上升速度加快；隨著加熱的進(jìn)行，煤層溫度上升速度趨緩。

（3）優(yōu)化了水平井筒加熱溫度，當(dāng)井筒溫度140 ℃以上時(shí)，煤層加熱效率較高。

（4）提供了煤層氣高溫排采技術(shù)實(shí)驗(yàn)方法和參考依據(jù)。