煤層氣羽狀水平井的開采優(yōu)化

張福東 吳曉東

中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

煤層氣羽狀水平井的開采優(yōu)化

張福東 吳曉東

中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

張福東等.煤層氣羽狀水平井的開采優(yōu)化.天然氣工業(yè),2010,30(2):69-71.

羽狀多分支井在煤層氣開采中具有巨大的潛力,其井型的優(yōu)化布置是多分支井成功開發(fā)煤層氣的關(guān)鍵。目前在煤層氣羽狀多分支井產(chǎn)能預(yù)測(cè)和井型優(yōu)化這方面的研究并不多,給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)造成了困難。為此,以多分支井產(chǎn)能數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ),研究了多分支井的分支角度、分支間距和分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):為了獲得較高的產(chǎn)能,多分支井的井筒應(yīng)垂直于最大主滲透率方向;對(duì)于給定的煤層氣藏,存在一個(gè)最優(yōu)的分支間距,既能保證較大的控制面積,又能保證分支間的互相影響;隨著分支長(zhǎng)度的增高,產(chǎn)氣量也顯著增大,但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響,分支長(zhǎng)度也應(yīng)該有一個(gè)比較合理的值。

煤層氣 開采 羽狀多分支井 角度 間距 長(zhǎng)度 優(yōu)化 類型

0 引言

羽狀多分支井是指在一個(gè)主水平井眼的兩側(cè)再鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣通道的氣井,它是在常規(guī)水平井和分支井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。為了提高煤層氣井的產(chǎn)量,國(guó)內(nèi)外已將羽狀水平井技術(shù)逐步用于煤層氣的開發(fā),成效顯著。

國(guó)內(nèi)雖然對(duì)多分支井的產(chǎn)能進(jìn)行了一些研究[1-2],但是沒(méi)有深入分析多分支井的井身結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響。為此筆者針對(duì)目前煤層氣開發(fā)中應(yīng)用比較廣泛的羽狀多分支水平井,運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法研究了分支井的井身結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響,對(duì)多分支井的優(yōu)化布置具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 煤層氣流動(dòng)機(jī)理數(shù)學(xué)描述

煤層氣的流動(dòng)包括3個(gè)過(guò)程:甲烷從煤表面解吸;甲烷通過(guò)煤基質(zhì)和微孔隙的擴(kuò)散;甲烷通過(guò)割理系統(tǒng)的達(dá)西滲流。

1)甲烷從煤表面解吸的過(guò)程可以利用朗格繆爾等溫吸附方程描述,即

式中:Vm為壓力 p下單位體積固體所吸附的氣體體積,m3/m3;Vmax為朗格繆爾吸附常數(shù),m3/m3;b為朗格繆爾壓力常數(shù),也是朗格繆爾壓力的倒數(shù),MPa-1; p為氣體壓力,MPa。

2)煤層甲烷在煤基質(zhì)和微孔隙中的擴(kuò)散遵循Fick定律,即

3)煤層甲烷在割理系統(tǒng)中的流動(dòng)為達(dá)西滲流。

1.2 產(chǎn)能預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型

綜合考慮煤層甲烷在煤層中的3種流動(dòng),二維煤層氣非平衡擬穩(wěn)態(tài)井底滲流控制方程可表示如下[3]:

式中:α為單位轉(zhuǎn)換常數(shù);Kc為煤層絕對(duì)滲透率,μm2; μg為氣體的黏度,Pa·s;μw為水的黏度,Pa·s;Bg為氣體的體積系數(shù);Bw為水的體積系數(shù);pcw為煤層割理系統(tǒng)水相壓力,MPa;pcg為煤層割理系統(tǒng)氣相壓力, MPa;qw為煤層水產(chǎn)量(標(biāo)準(zhǔn)),m3/(d·m3);qg為煤層氣產(chǎn)量(標(biāo)準(zhǔn)),m3/(d·m3);Scw為水相飽和度;Scg為氣相飽和度;φc為煤層割理系統(tǒng)孔隙度。

如果Vm

2 羽狀多分支井開采煤層氣機(jī)理

關(guān)于煤層吸附特性(Langmuir吸附壓力和吸附體積)和儲(chǔ)層特性(滲透率、裂隙孔隙度、含氣量、煤層厚度等)對(duì)煤層氣多分支井生產(chǎn)的影響,相關(guān)報(bào)道已經(jīng)比較多[4-6],但是井型結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響,研究還不成熟。筆者利用編制的煤層氣多分支井?dāng)?shù)值模擬軟件結(jié)合遼河油田某煤層氣礦實(shí)際地質(zhì)資料對(duì)這方面進(jìn)行了研究,模擬所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為:埋深800m,煤層厚度5m,煤層原始?jí)毫?.53MPa,煤層滲透率0.25×10-3μm2,煤層壓縮系數(shù)8.1×10-4MPa-1,吸附時(shí)間4d,朗格繆爾壓力2.31MPa,朗格繆爾吸附常數(shù)38.5m3/m3,含氣量10～12m3/t,原始?xì)怏w體積濃度30m3/m3,水平井段半徑0.2m,水平井段主枝長(zhǎng)度1200m,分支數(shù)為8。

2.1 分支角度對(duì)產(chǎn)能的影響

應(yīng)用上述基本數(shù)據(jù),假設(shè)井筒總長(zhǎng)度相同,單側(cè)分支長(zhǎng)度分別為200、300、400m和500m,在設(shè)定分支間距都為200m的情況下,分別給出30°、60°、90°的分支與主支夾角(圖1)。從圖2可以看出,90°時(shí)開采效果最好,這是因?yàn)?0°時(shí),井筒垂直于最大主滲透率的方向,效果較好。60°和30°次之,但是總的開采效果變化不大。因此,為了獲得較高的產(chǎn)量,應(yīng)盡量使分支井的井筒垂直于最大主滲透率方向。

2.2 分支間距對(duì)產(chǎn)能的影響

設(shè)定分支與主支的夾角均為30°,單側(cè)分支長(zhǎng)度分別為200、300、400m和500m,改變分支間距分別為100、200m和300m(圖3),研究不同分支間距對(duì)產(chǎn)氣量的影響。

圖1 不同分支角度示意圖

圖2 不同分支角度產(chǎn)氣量圖

圖3 不同分支間距示意圖

圖4 不同分支間距產(chǎn)氣量圖

從圖4可以看出,當(dāng)分支間距增加時(shí),產(chǎn)氣速度不斷增加,但隨著分支間距的增大,產(chǎn)氣量的增幅變小。究其原因是因?yàn)榉种чg距的太小,控制泄流面積小,峰值產(chǎn)氣量就小;分支間距變大,控制面積也隨之變大,形成大面積同時(shí)排水降壓,產(chǎn)氣量增加。但是多分支井的有效控制面積有一個(gè)極限值,分支間距太大時(shí),分支變?yōu)閱蝹€(gè)的井筒控制煤層滲流,達(dá)到最大有效控制面積,產(chǎn)氣量也達(dá)到最大值,再增加間距,已經(jīng)不能增加有效控制面積,也不能控制相應(yīng)煤層區(qū)域的采出程度。所以對(duì)于給定的煤層氣藏,存在一個(gè)最優(yōu)的分支間距,既能保證較大的控制面積,又能保證分支間的互相影響,有效的控制煤儲(chǔ)層,獲取較高的采收率。

2.3 分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能影響

給定相同的主支長(zhǎng)度和分支間距,分支長(zhǎng)度分別為200m、350m和500m,間距為200m,分支與主支的夾角為45°(圖5),研究不同分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)氣量的影響。

圖5 不同分支長(zhǎng)度示意圖

從圖6可以看出,隨著分支長(zhǎng)度的增加,產(chǎn)氣量和峰值產(chǎn)氣量都在增加,但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響,分支長(zhǎng)度也應(yīng)該有一個(gè)比較合理的值。

圖6 不同分支長(zhǎng)度產(chǎn)氣量圖

3 結(jié)論

1)煤層氣羽狀分支井的井型結(jié)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)能有顯著的影響,在布置羽狀分支井時(shí)應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2)對(duì)于給定的煤層氣藏,為了獲得較高的產(chǎn)能,分支井的井筒應(yīng)垂直于最大主滲透率方向;各分支間存在一個(gè)最優(yōu)的分支間距,既能保證較大的控制面積,又能保證分支間的互相影響。

3)隨著分支長(zhǎng)度的增加,產(chǎn)氣量和峰值產(chǎn)氣量都在增加,但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響,分支長(zhǎng)度應(yīng)該有一個(gè)比較合理的值。

[1]張冬麗,王新海.煤層氣羽狀水平井開采數(shù)值模擬研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(4):48-50.

[2]鮮保安,高德利,李安啟,等.煤層氣定向羽狀水平井開采機(jī)理與應(yīng)用分析[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):114-116.

[3]吳曉東,王國(guó)強(qiáng),李安啟,等.煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究[J].天然氣工業(yè),2004,24(8):82-84.

[4]李斌.煤層氣非平衡吸附的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模型[J].石油學(xué)報(bào),1996,17(4):42-49.

[5]岳曉燕,譚世君,吳東平.煤層氣數(shù)值模擬的地質(zhì)模型與數(shù)學(xué)模型[J].天然氣工業(yè),1998,18(4):28-31.

[6]吳曉東,張迎春,李安啟.煤層氣單井開采數(shù)值模擬的研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào),2000,42(2):47-53.

(修改回稿日期 2009-11-19 編輯 韓曉渝)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.017

Zhang Fudong,senior engineer,was born in1968.He is working at the postdoctoral station,being engaged in oil and gas development research.

Add:No.18,Fuxue Rd.,Changping District,Beijing102249,P.R.China

Tel:+86-10-89734626 E-mail:sunshine_8011@163.com

Optimization of pinnate horizontal multilateral wells for coalbed gas recovery

Zhang Fudong,Wu Xiaodong
(Key L aboratory f or Petroleum Engineering,Ministry ofEducation,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.69-71,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Pinnate horizontal multilateral wells have great potential in the exploitation of coalbed methane,the result of which lies in well pattern optimization.However,much trouble arises in field production of pinnate horizontal multilateral wells for lack of references from present studies on productivity predication and well type optimization.Therefore,based on numerical calculation of a multi-branch well’s productivity,the influences of the branch angle,branch interspaces and branch length on the gas yield are investigated.The results show that a.for a higher yield,the multi-branch well bore should be perpendicular to the direction of maximum principal permeability,b.for a given coalbed methane reservoir,there is an optimal interspace,by which a bigger control area and the interaction among the branches can be obtained,and c.with the extension of the branch,gas yield becomes obviously higher, while the branch length should be an appropriate value on account of the influence of coal bed boundary and wellbore pressure drop. The research results have guiding significance for well pattern optimization and efficient development of coalbed methane gas.

coalbed methane,exploitation,pinnate horizontal multilateral well,angle,interspaces,length,optimization,well pattern

book=5,ebook=56

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.017

中國(guó)—?dú)W盟能源環(huán)境項(xiàng)目“中國(guó)煤層氣生產(chǎn)可行性研究”(EuropeAid/120723/D/SV/CN)部分研究成果。

張福東,1968年生,高級(jí)工程師,博士,在站博士后;長(zhǎng)期從事油氣田開發(fā)方面的研究工作。地址:(102249)北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。電話:(010)89734626。E-mail:sunshine_8011@163.com