趙璠璠

(山西西山藍焰煤層氣有限責任公司，山西 太原 030000)

1 煤層氣研究現(xiàn)狀

我國是煤層氣資源大國，擁有儲量客觀的煤層氣資源，其中煤層氣儲存物性好，開采難度低，經(jīng)濟價值高，都決定了開采煤層氣資源對于穩(wěn)定我國能源市場具有重要的意義[1]。

開采煤層氣資源通常用多層合采的開采方式，此方式主要用于采油過程中[2]，應(yīng)用于非常規(guī)油氣開采中缺少相應(yīng)的理論依據(jù)，尤其在煤層氣產(chǎn)能的預(yù)測中，目前主要靠數(shù)值模擬軟件，但其具有很大的局限性，壓力表征不準，嚴重影響煤層氣開采和預(yù)測，本文針對此問題建立了數(shù)學模型對煤層氣產(chǎn)能進行預(yù)測。

2 建模方法研究

煤層氣開采主要分3個階段[3]，分別為排水階段，產(chǎn)量上升階段，產(chǎn)量遞減階段，每個階段地層壓力不同其產(chǎn)出氣量也不一樣，因此對不同階段的模型建立也有一定的側(cè)重，Al-Hussaniy R曾在理想狀態(tài)下，利用氣體流動方程，通過擬定壓力、簡化方程的方法建立了從穩(wěn)態(tài)到非穩(wěn)態(tài)的氣井產(chǎn)量模型[4]。King認為煤層氣滲透和擴散是相互作用的，因此建立了煤層氣滲流模型，運用了非穩(wěn)態(tài)吸附狀態(tài)的產(chǎn)能公式。Manik考慮到氣井中多氣態(tài)共存的事實，建立了二維、三維多相氣分模型，并在氣井中注入N2和CO2提高了氣井的采收率。Cicek針對CO2的時裂縫性煤層氣藏滲流規(guī)律進行建模，建立了雙孔、雙滲、多組分、非等溫煤層氣滲流模型。Fathi 和 Akkutlu總結(jié)前人經(jīng)驗，利用大量地質(zhì)數(shù)據(jù)模型，在非均質(zhì)運動基礎(chǔ)上建立了氣體運動吸附模型，其實際效果更加符合地質(zhì)規(guī)律，為煤層氣產(chǎn)能預(yù)測提供了一個新方向[5]。

3 G煤層氣田情況概述

G煤層氣田總面積為104.4 km2，該井田主要開采煤層為2#、8#和9#煤層，2#煤層主要構(gòu)造為一層不穩(wěn)定的具疊錐構(gòu)造的紋層狀泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r，其中煤層厚度0 m～5.98 m，平均厚度2.30 m，全礦區(qū)煤層厚度穩(wěn)定，其中煤層氣儲量為15.75億m3，可采儲量為6.44億m3，8#煤層頂板常為廟溝灰?guī)r，煤層厚度穩(wěn)定，為0.4 m～8 m,平均厚度3.2 m。其中，煤層氣地址儲量為23.73億m3，可采儲量為7.95億m3。目前，2#、8#煤層已經(jīng)全部開采完畢，整體封井，2#南三盤區(qū)3口井，單層采空井瞬時流量較低，約30 m3/h，日均產(chǎn)量為1 000 m3/d左右。

4 煤層氣產(chǎn)能模型的建立

4.1 模型建立假設(shè)條件

本文針對煤層氣多層產(chǎn)能地形建立了單井產(chǎn)能模型。研究了產(chǎn)能規(guī)律，實現(xiàn)了對煤層氣的產(chǎn)能預(yù)測。煤層氣多層產(chǎn)能單井模型，即是在縱向上存在一個或者多個生產(chǎn)井位，如第95頁圖1所示。

本文模型在以下假設(shè)條件下建立：

1) 煤層不考慮基質(zhì)系統(tǒng)和裂隙系統(tǒng)差異性，兩種地質(zhì)條件空隙分布均勻。

2) 煤層儲存物性平面均勻，參數(shù)一致，各層物象性質(zhì)不同，流體在煤層中分布均勻。

3) 煤層厚度穩(wěn)定，開發(fā)過程中不會變化，且不考慮外來物質(zhì)的補充對煤層壓力的影響。

圖1 煤層氣多層模型示意圖

4) 煤層中水和氣飽和度一致，設(shè)置為1。

5) 煤層氣開采中設(shè)定為3個階段，即解吸、擴散、滲流。

6) 開采中不考慮溫度變化、井間干擾、流體耦合等過程。

4.2 模型建立

氣田開采過程中壓力逐漸衰減，多井氣田依靠本身壓力膨脹過程在正常范圍內(nèi)會表現(xiàn)出擬穩(wěn)態(tài)的特征。設(shè)采氣半徑為r，流量與r到邊界之間的距離成正比見式(1)。

(1)

式中，h為地層厚度，m；φ為孔隙度；qr為半徑r處的流量。

當r=rw時，在井底范圍內(nèi)得式(2)。

(2)

將式(1)分析形變得到式(3)。

(3)

式(2)與式(3)合并可以得到式(4)。

(4)

由于rw比re小得多故可忽略不計，且當r=re時，帶入方程，可以得到式(5)。

(5)

結(jié)合實際現(xiàn)場需求在擬態(tài)穩(wěn)流的過程中帶入表皮系數(shù)進行修正，得到式(6)。

(6)

在單井多層開采過程中，由于埋藏深度、液位壓力、井內(nèi)溫度、氣體膨脹等因素導(dǎo)致地層壓力增大，煤層氣因為不同的儲存性能，不同的吸附特性必須達到臨界壓力才能析出氣體，因此對壓力極為敏感，由于液位隨著壓力的變化而變化，因此在產(chǎn)能預(yù)測中會產(chǎn)生不必要的誤差，本模型結(jié)合生產(chǎn)過程中井口套壓，動液面變化，煤層深度壓力等推算出不同煤層壓力變化見圖2。

圖2 多煤層合采井井筒液面示意圖

4.3 計算過程

本文通過建立數(shù)學模型，結(jié)合實際氣井的生產(chǎn)情況對煤層氣產(chǎn)量進行預(yù)測，最終可以預(yù)測到產(chǎn)氣、產(chǎn)水、壓力值等相關(guān)指標，為研究人員對單井評價提供借鑒意義。本文通過PYTHON語言進行程序設(shè)計，主要計算流程為：首先確定儲存參數(shù)和流體物性，建立初始化模塊，對參數(shù)進行初始化，將初始化后的參數(shù)帶入主模塊進行迭代計算，通過輸出模塊將參數(shù)進行輸出。

其中輸入模塊包括：幾何形狀、初始壓力、孔隙度、滲透率、吸附屬性、巖石壓縮系數(shù)等。流體參數(shù)中，主要有組分含量、相對密度、壓縮因子等。管理制度有井筒半徑、井底壓力、生產(chǎn)方式等。

初始化模塊中，首先對數(shù)據(jù)進行診斷，篩選出有用數(shù)據(jù)，然后初始化相關(guān)參數(shù)：儲層參數(shù)、吸附量、相對滲透率、游離氣儲量、吸附量儲量、相對密度、黏度、壓縮因子等系數(shù)。

主模塊中首選輸入液面、套壓、排水時間步長控制等數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)預(yù)測液面高度，判斷是否存在降速限制，如果是的話計算井底流壓，通過流壓計算出水量，如果沒有超過最大出水量則計算井底氣壓，確定井筒壓力是否大于限制套壓，是的話計算地面產(chǎn)氣量，否的話計算產(chǎn)氣量，之后更新套壓，根據(jù)累計產(chǎn)氣量計算反向計算地層壓力，最后確定地層是否收斂。

輸出模塊中主要包括單井日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量、累計產(chǎn)氣量、累計產(chǎn)水量壓力系數(shù)等，通過這些數(shù)據(jù)可以對煤層氣井產(chǎn)氣量進行初步預(yù)測。

5 結(jié)論

本文選取了G煤層氣作為研究對象，利用氣田的地質(zhì)參數(shù)、流體參數(shù)、井間工作制度等數(shù)據(jù)，建立數(shù)學模型，結(jié)合實際工作情況，利用模型對單井日產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、壓力系數(shù)進行預(yù)測，最終預(yù)測結(jié)果對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義，可以作為相關(guān)生產(chǎn)單位產(chǎn)量計算，生產(chǎn)預(yù)測的有效工具。