Question

柳林地区煤层气开发数值模拟研究

Answer 1

史进¹ 吴晓东¹ 赵军² 孟尚志² 莫日和²

基金项目:“国家科技重大专项”项目62-鄂尔多斯盆地石炭二叠系煤层气勘探开发示范工程(2008ZX05062-03)

作者简介:史进,1983年生,男,汉族,山东淄博人,中国石油大学(北京)石油天然气工程学院博士生,主要从事煤层气开发方面的研究工作。E-mail:shijin886@163.com,电话:18901289094

(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室 北京昌平 1022492.中联煤层气有限责任公司 北京东城 100011)

摘要:国内外对于常规气田开发数值模拟的研究已经比较成熟,但对于煤层气田开发方案具体应该包括哪些方面的因素研究较少。本文主要从多层合采方案设计,合理排采速度的选择,井网设计这几个煤层气与常规气田有显著不同的方面进行阐述,最后以河东煤田柳林示范区为例,利用ECLIPSE软件对其进行开发方案的数值模拟研究,可以为中国煤层气田的开发提供一定的指导意义。

关键词:煤层气 开发方案 多层合采设计 排采速度 井网设计

Numerial Simulation Research on Coalbed Methane Development in Liulin Area

SHI Jin¹, WU Xiaodong¹, ZHAO Jun², MENG Shangzhi², MO Rihe²

(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum, Beijing 102249, China 2.China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011, China)

Abstract: The research on the numerial simulation of conventional gas field development is quite mature both in and abroad, but less effort has been put on which aspects should be included when designing coalgas field de- velopment method.This article elaborates the remarkable differences of development strategies between coalbed methane and conventional gas, including multi-layers development design, reasonable dewatering rate chosen and well pattern design.In the last part of the article, Liulin area in Hedong coalfield was taken as an example to de- sign the development strategies by ECLIPSE software.All the aspects metioned above can provide a guidance to the China's CBM development.

Keywords: coalbed methane; development strategies; production from multi-layers; dewatering rate; well pattern design

1 前言

煤层气在美国目前已经占到了9%的天然气产量以及10%的天然气探明储量。煤层气藏与常规的天然气藏不同。一般情况下,煤层是被水饱和的^[1],气体以吸附方式存在于煤中,只有通过排水作业将气藏的压力降到临界解吸压力以下时,气体才会解吸出来,这导致了煤层气藏开发方案的设计与常规气藏有很大不同,主要体现在以下几个方面^[2]:

(1)多层合采方案的设计。煤层气一般采用合采方式生产,通过地质分析以及产能预测,进行不同多层合采方案的优化设计是很重要的。

(2)合理排采速度的选择。煤层气一般要进行排水采气,才能获得工业气流。排采速度过快会伤害储层,导致煤层气不出气;排采速度过慢又会使投资回收期大大延长,没有经济效益。所以优选合理的排采速度是很必要的,这也是煤层气开发方案设计与常规气藏最大的不同。

(3)井网优化设计。煤层气生产时,多井间形成的干扰可以使该处的压力很快下降,从而最大幅度的降低地层压力,使煤层气更快、更多的解吸出来。如何部署井网才能使井间干扰达到最大化是煤层气井网设计的研究重点。

2 多层合采方案设计

煤层气井的产量一般较低,而且因为井一般较浅,相邻层相隔较近,加上单层开采产量少,利润低,所以煤层气井一般采用多层合采方式生产。煤层气的多层合采方案设计一般从以下几个方面进行考虑^[3]:

(1)煤层气的多层合采需要重点考虑不同层间渗透率、厚度、丰度、水文地质特性差异、等温吸附曲线的差异以及压力体系的差异等方面的影响。

(2)多层合采一般以相邻层为主,相邻层间有稳定的隔层,以保证层系间没有窜流的发生,相隔较远的层系合采需要慎重考虑。

(3)多层合采对产能的影响。

(4)合采时压裂以及排采作业的要求。

3 合理排采速度的选择

煤层中气体主要以吸附方式存在于煤层中,要使气体解吸,首先要进行排水作业,使地层压力降到临界解吸压力以下。煤层气的排水作业是贯穿煤层气开发始终的过程,决定了煤层气开发效果最重要的环节,也是煤层气开发有别于其他油气资源开发最独特的环节^[4~5]。

煤的应力敏感性比较强,排采强度过大,会导致煤层出煤粉,出砂,堵死近井地带渗流通道。因此煤层气在生产初期一般采用定液面降深方式生产,即每天动液面的下降高度保持一致。等到液面降到煤顶板以上,就可以采用定压的方式生产,以延长煤层气的开采年限。

山西宁武盆地一口煤层气井,因为初期排采速度过快,使本来渗透率就很低的煤层发生了压敏效应,使压降漏斗得不到充分的扩展,生产半年就因为产量过低而报废。

合理的液面降深速度值一般利用数值模拟软件进行计算,也有文献利用解析方法也进行了计算^[6]。

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

式中: 为排采速度,m³/d;p_e为储层压力,MPa;p_w为井底压力,MPa;V_实为实测含气量,m³/t;p_L为兰氏压力,MPa;V_L为兰氏体积,m³/t;K为煤储层渗透率,×10^-3μm²;C为综合压缩系数,MPa^-1;μ为水粘度,mPa·s;ρ为水的密度,kg/m³。

4 井网优化设计

对于常规天然气而言,井间干扰会使常规天然气产量大幅度减少。而煤层气恰恰相反,井间干扰产生的压力叠加可以两井间的压力快速降低(如图1),从而使煤层气更快的解吸出来。因此,煤层气藏一般采用小间距井网的方法来增加井间干扰,从而使两井之间的压力快速降低,使煤层气产气量峰值出现在更早,也更高^[7~8]。

图1 多井排采时形成的压力降落

煤层气没有稳产时间的概念,煤层气的井网布置主要从采收率和经济效益两个方面指标进行优化设计。基本要求是以最少的井数,达到区块干扰的最大化,从而达到采收率以及效益的最大化。煤层气布井一般考虑以下几个参数:井网密度、井网类型、井距以及布井方位^[9]。这其中井距是最重要的参数^[10],井距过大,无法形成有效的井间干扰,达不到整体降压的效果,井距过小,成本提高,效益变差。

本文采用各向异性计算法以及数值模拟法综合确定最佳井距,即先根据采收率与井数关系的拐点判断最优井网密度,再根据区块的各向异性程度计算理论最佳井距,再利用数值模拟法以及微地震参数来确定模拟最佳井距以及井网类型,并与计算出的理论最佳井距进行比较。

5 柳林示范区煤层气开发方案设计

5.1 柳林示范区简介

柳林示范区位于山西省西部,河东煤田中部,区块面积194.42km²(图2),煤层气资源开发潜力巨大。该区块构造简单,是一个向西倾斜的单斜构造^[11~13]。示范区内煤的镜煤反射率为1.24%~2.79%,属于中级变质程度焦、肥煤。含气量在1.83~23.22m³/t之间,煤层端割理发育,面割理相对不发育,属于典型的节理煤。面割理平均渗透率2.8mD,端割理平均渗透率为1.61mD,面割理与端割理的渗透率比近似为7:4。该区目的煤层主要是山西组中的3,4,5煤组,一般称上煤组;太原组8,9,10煤组,一般称为下煤组。

5.2 开发方案设计

5.2.1 多层合采方案优化设计

以下时柳林地区山西组的3+4,5号煤层和太原组的8,9+10号煤层的主要储层性质特征以及平均产水量情况。

上煤组和3+4和5号煤储层特征十分相似,地层压力相差不大,而且距离太近,平均距离只有5.5m,同时开采难度不大。两者临界解吸压力,出水量均不大,存在的层间干扰会较小。故一般将上煤组的3+4,5作为同一开发层系进行合采作业。在一些3+4,5号煤相隔很近的地区,可以将3,4,5层作为一层进行压裂作业。

下煤组的8号煤物性较好,但产水量过大,而且解吸压力低,气体需要长期排水才能解吸出来,可以进行一些试采工作,对出水情况有进一步的了解。9+10号煤物性好,水量小,但因为厚度太小,无法形成有效产能,而且含有有毒气体H₂S,开采时对安全以及管柱防腐要求都比较高,所以暂时不建议开采。

图2 柳林区块试验区示意图

表1 各煤层的储层性质

上煤组3,4,5号煤和下煤组的8号煤储层性质相差较大,无法简单判断的合采效果的好坏,本文利用ECILIPSE软件计算不同的分采以及合采方式下的产量以及最终采收率,来判断合采效果的优劣。

表2 分采及合采预测分析

×从上表计算的结果可以看出,如果合采3,4,5,8号煤会因为8号煤出水过大,使3,4,5号煤无法正常解吸,从而使累产量以及采收率大幅度降低,所以不建议进行上下煤组的合采作业。推荐的主要开发层系是上煤组的3,4,5号煤。

5.2.2 合理排采速度优化设计

利用ECLIPSE软件可以模拟出在不同的排采速度下进行柳林示范区煤层气多层合采的优化设计。从图3可以看出,以不同速度排采的,累产量和峰值产量都不一样,一般的趋势是随着排采速度的增加,峰值产量和累产量都增加,但是排采速度增加到一定限度时,会出现一个拐点,这是因为煤储层的压敏效应很强,如果排采速度过快,会使储层受到伤害,从而使产量减少。从图中可以看出,柳林示范区以每天6m的速度降液面开发效果比较好。

图3 不同的降液面速度与峰值产量及累产量的关系

5.2.3 井网优化设计

先选定区块中1600m×1600m的区域,进行不同井排距的布井,得出井数与采收率的关系,从图4中可以看出,当井数为35口时,出现拐点,井数再增加,采收率增加的幅度降低。所以该1600m×1600m区域内的最佳布井数为35口,故该区的理论最优井网密度为14口井/km²,单井控制面积为73052m²。根据各向异性1.32:1的要求可以算出,理论最佳井距为310m×235m。

图4 井数与采收率的关系

再对示范区内200m×200m,300m×200m,300m×250m,400m×300m,400m×400m五种井排距在不同井网类型下的采收率以及井网控制面积的比较。从图5中可以看出,菱形井网的采收率始终好于矩形井网,所以实际布井如果地形条件允许,应该尽量采用菱形井网。综合考虑采收率以及控制面积的因素,得出模拟最佳井距为300m×250m,与前面得到的理论最佳井距基本吻合。

图5 不同井距下与采收率以及井网控制面积的关系

根据图6和图7柳林示范区上下煤组的裂缝监测可以看出,上煤组的最大主应力方向为东西方向,下煤组的最大主应力方向约为北偏东45°,只开采上煤组菱形井网长轴方向为东西方向;如果只开采下煤组,菱形井网长轴方向为北偏东45°;如果上下煤组合采,菱形井网长轴方向为北偏东45°,可以使出水量大的下煤组排采效果更好。

结论

(1)煤层气开发方案的优化设计主要包括以下几个方面的内容:多层合采方案设计、合采排采速度的选择以及井网优化设计。

(2)进行多层合采方案设计时首先考虑各煤层的物性,然后考虑产水量,最后考虑不同层合采对压裂及排采施工的要求。

(3)根据排采速度与累产量及峰值产量的关系可以得到合理排采速度。

(4)井网优化设计中的最佳井距以及井网类型通过各向异性计算法以及数值模拟法综合确定,布井方位通过微地震测出的裂缝走向确定。

图6 上煤组裂缝监测

图7 下煤组裂缝监测

参考文献

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[2] 王鸣华.1997.气藏工程 [M] .北京: 石油工业出版社

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张俊虎, 刘君.2008.煤层气井网布置优化设计的探讨 [J] .科学情报开发与经济. (10)

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