數(shù)值模擬技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

劉 建 軍

(山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 030600)

數(shù)值模擬技術(shù)在煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

劉 建 軍

(山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 030600)

選取呂梁地區(qū)的A井組為研究對象，以數(shù)值模擬技術(shù)在該區(qū)域煤層氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用為研究目標(biāo)，對COMET3.0煤層氣藏工程模擬軟件進(jìn)行了簡單介紹，從煤層氣地質(zhì)條件、數(shù)值模擬、A井產(chǎn)能預(yù)測三個方面對數(shù)值模擬技術(shù)在A井的具體應(yīng)用進(jìn)行了分析和探究，通過對模擬結(jié)果的分析得出了該區(qū)域內(nèi)的煤層氣勘探潛力。

數(shù)值模擬，煤層氣，勘探開發(fā)，產(chǎn)量

0 引言

與石油天然氣常規(guī)儲層巖體物理特性不同，煤層氣儲層巖體具有很多獨(dú)有的物理特性。由于具有裂隙系統(tǒng)以及孔隙系統(tǒng)，且這些系統(tǒng)都發(fā)育十分成熟，煤層就形成了巨大的內(nèi)表面積。煤基質(zhì)表面分子具有很大吸引力，而煤層氣正是在這種作用下才能夠吸附在孔隙系統(tǒng)以及基質(zhì)塊的表面。在排水降壓過程中，煤層氣解吸作用，是在其儲層壓力降至臨界解吸壓力以下時開始發(fā)揮的。煤基質(zhì)隨著解吸量的增加而逐漸收縮，而其裂隙寬度也就逐漸變大，從而使得滲透率明顯提高；同時，裂隙寬度也會隨著效應(yīng)力的增加而變小，從而使得滲透率降低。隨著煤層氣強(qiáng)化開采注入方式的出現(xiàn)，以及開采技術(shù)的逐漸成熟，煤層氣儲層的特性逐漸成為研究熱點(diǎn)。

1 COMET3.0簡介

作為一項(xiàng)簡單易用、技術(shù)先進(jìn)的煤層氣藏工程模擬軟件，COMET3.0是ARI公司開發(fā)出來的，同時也是第一個商業(yè)化的煤層氣藏工程模擬軟件。COMET3.0軟件的運(yùn)行原理是對煤層氣藏利用有限差分方法來進(jìn)行三維模擬，然后通雙重或者三重孔隙模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤層氣吸附、擴(kuò)散機(jī)理的模擬，還能夠模擬其穿過雙重介質(zhì)進(jìn)行滲流和擴(kuò)散的原理。

該軟件的實(shí)現(xiàn)有以下幾個假設(shè)條件：

1)恒定的煤層溫度；

2)基質(zhì)塊性質(zhì)在有限差分析網(wǎng)格中都是均一的；

3)擬穩(wěn)態(tài)流動時刻存在于裂縫和基質(zhì)中。

該軟件還充分考慮到煤儲層的特殊性，如孔隙體積的可壓縮性、煤層氣產(chǎn)出受水中溶解氣的影響、煤巖基質(zhì)收縮性質(zhì)以及重力影響等，由此可以看出，與其他同類軟件相比，COMET3.0軟件能夠科學(xué)反映出煤層氣的產(chǎn)出規(guī)律和煤層氣的解吸情況。

2 數(shù)值模擬技術(shù)在A井的具體應(yīng)用

2.1 煤層氣地質(zhì)條件

從構(gòu)造上來看，大寧—吉縣位于晉西撓褶帶的南部；從地理位置上來看，該縣屬于呂梁山區(qū)，處于山西省西南部。對于A井的鉆探開始于2013年5月，鉆探中探得該井具有12.2 m的煤層厚度，其中8號具有5 m的側(cè)煤厚度，而5號具有7.2 m的單層厚度。初試煤層氣產(chǎn)量約為2 800 m3/d。對A井的埋煤深度、煤層厚度以及含氣量等參數(shù)進(jìn)行了了解和取準(zhǔn)，進(jìn)而測試了壓降注入，并監(jiān)測了其壓裂裂縫，試開采了一項(xiàng)單井工程，從而獲得了煤層氣數(shù)值模擬的條件。

2.2 數(shù)值模擬

1)模擬參數(shù)的篩選。

儲層參數(shù)、流體參數(shù)以及可控參數(shù)是煤層氣數(shù)值模擬所需要的三類參數(shù)，其具體內(nèi)容如表1所示。

表1 模擬輸入?yún)?shù)類型表

2)地質(zhì)參數(shù)修正。

為了更好的矯正儲層參數(shù)，需要在對煤儲層數(shù)值模擬前對井歷史進(jìn)行擬合。2014年8月，A井開始投產(chǎn)，通過38 d的生產(chǎn)顯示，該井具備1 700 m3/d的最高日產(chǎn)氣量，具有較好的開采效果。按照模型，對A井參數(shù)進(jìn)行選擇并輸入，然后進(jìn)行歷史擬合，模擬將會對煤層滲透率、相滲曲線、孔隙度等進(jìn)行顯示，而擬合結(jié)果對2號煤層的孔隙度進(jìn)行了修正，其數(shù)值為0.5%，滲透率數(shù)值為1.8×10-3μm2，其結(jié)果如表2和圖1所示。

2.3 A井產(chǎn)能預(yù)測

數(shù)值模擬根據(jù)A井的生產(chǎn)動態(tài)選擇了三個模擬層，并根據(jù)對這些參數(shù)敏感性的分析得出，開發(fā)400 m井距正方形井網(wǎng)比較科學(xué)，因此選擇這種井網(wǎng)來進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測，從而使得其預(yù)測結(jié)果更具代表性。

在對A井進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)測時，采用小井網(wǎng)試采生產(chǎn)歷史擬合結(jié)果作為儲層參數(shù)，并根據(jù)其區(qū)內(nèi)的分布情況，來合理修正參數(shù)，具體主要的儲層參數(shù)見表2。采取前期定水、后期定壓的生產(chǎn)制度，假設(shè)具有15 m的有效壓裂裂縫半長。通過反復(fù)模擬不同井網(wǎng)，根據(jù)滲流學(xué)原理以及未來開發(fā)部署形式等，來確定未來開發(fā)中存在典型井，即中心井、邊緣和次邊緣井。對這三種井進(jìn)行20年產(chǎn)能預(yù)測，見圖2。

表2 A井參數(shù)修正

通過圖2可以看出，針對氣產(chǎn)量來說，中心井早、中期氣產(chǎn)量的水平保持較好，且其生產(chǎn)高峰要比其他兩類井高。根據(jù)產(chǎn)能預(yù)測結(jié)果，8號井的采收率為37.56%，20年的平均日產(chǎn)氣量為1 180 m3/d，其高峰日產(chǎn)氣量為3 000 m3/d；5號井的采收率為60.74%，20年的平均日產(chǎn)氣量為1 910 m3/d，其高峰日產(chǎn)氣量為4 000 m3/d；邊緣井采收率為25.26%，20年平均日產(chǎn)氣量為810 m3/d,其高峰日產(chǎn)氣量為2 500 m3/d。

對于布井的選擇，要按照呂梁山區(qū)的具體地質(zhì)條件來選擇那些前期試采效果較好、含氣量高且地質(zhì)構(gòu)造較為簡單的A井區(qū)域，并以此為中心向南北擴(kuò)展。對于井網(wǎng)的部署要以400 m為井距，形狀為正方形。對2號煤層，以排水降壓的方式進(jìn)行開采。采取兩級布站方式在地面進(jìn)行部署，即集氣站到中心處理站的方式。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果的可靠性分析

通過對煤田的精查發(fā)現(xiàn)，具有40余口鉆孔，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)煤層構(gòu)造落實(shí)，且確定了煤層的厚度、井地板巖性等參數(shù)。試驗(yàn)區(qū)已經(jīng)對7口井進(jìn)行了煤層氣勘查，同時也對其進(jìn)行了取心，可達(dá)到70%的取心率，有的煤層能夠達(dá)到90%的取心率。同時也測試了煤層的滲透性，還進(jìn)行了小井1 000多天的試采活動以及壓裂作業(yè)，從而獲得了準(zhǔn)確的一手資料，由此可見，其模擬基礎(chǔ)參數(shù)的計算是很可靠的。

3.2 試驗(yàn)區(qū)勘探潛力分析

1)因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)面積為16 km2，所以通過計算得出其煤層氣地質(zhì)儲量約為20×108m3，相對來說規(guī)模較小。通過上面模擬參數(shù)的確定，能夠得出該區(qū)域20年內(nèi)的采收率為51.65%，并可達(dá)到10.33×108m3開采儲量；

2)埋藏層大部分在600 m以內(nèi)，且深度小于1 000 m；

3)具備1.29×108m3/km2的低儲量豐度；

4)20年平均日產(chǎn)氣量，對于500 m井深來說，可達(dá)1 910 m3/d，為低產(chǎn)能。

通過以上分析可以看出，A井煤層氣試驗(yàn)區(qū)具有較低的儲量豐度，規(guī)模較小，20年的平均日產(chǎn)氣量為1 910 m3/d，但是其煤層埋藏淺，外圍的煤層氣資源十分豐富。如果能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；B片開采，那么就具有巨大的勘探開發(fā)潛力。

4 結(jié)語

通過對A井?dāng)?shù)值模擬的研究，對其儲層參數(shù)以及井間的非均質(zhì)性進(jìn)行了深入了解，并將其生產(chǎn)規(guī)律分析出來，進(jìn)而對地質(zhì)參數(shù)以及井的長期產(chǎn)氣能力對其產(chǎn)量的影響進(jìn)行了分析。通過分析對該區(qū)域內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)情況進(jìn)行了合理預(yù)測，為其后期開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

[1] 劉 東.煤層氣開采中煤儲層參數(shù)動態(tài)演化的物理模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究[D].重慶：重慶大學(xué),2014.

[2] 張先敏.煤層氣儲層數(shù)值模擬及開采方式研究[D].東營：中國石油大學(xué),2007.

[3] 楊新樂,任常在,張永利,等.低滲透煤層氣注熱開采熱—流—固耦合數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報,2013(6):1044-1049.

[4] 張冬麗.煤層氣定向羽狀水平井開采數(shù)值模擬方法研究[R].北京：中國科學(xué)院研究生院(滲流流體力學(xué)研究所),2004.

[5] 趙 金,張遂安,馬東民,等.注二氧化碳提高煤層氣采收率數(shù)值模擬[J].天然氣與石油,2012(1):67-70，103-104.

[6] 張 力,何學(xué)秋,李侯全.煤層氣滲流方程及數(shù)值模擬[J].天然氣工業(yè),2002(1):10，23-26.

On application of numeric simulation technique in survey and development of coalbed methane

Liu Jianjun

(ShanxiCoalGeophysicalSurveyingandMappingInstitute,Jinzhong030600,China)

Selects the A well group in Lvliang region as the research object, the paper introduces the COMET3.0 coalbed methane engineering simulation software by applying the numeric simulation technique in the survey and development of the coalbed methane in the region, analyzes the application of the numeric simulation technique at A wells from the geological conditions of the coalbed methane, numeric simulation and the productivity prediction of the well, concludes the surveying potential of the coalbed methane in the region according to the simulation result.

numeric simulation, coalbed methane, surveying and development, output

1009-6825(2015)32-0076-02

2015-09-02

劉建軍(1969- )，男，工程師

P624

A