煤層氣氣水運動理論與應用

穆福元

(中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 065007)

煤層氣氣水運動理論與應用

穆福元

(中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 065007)

為了引導煤層氣的高效開發，本文采用理論與實踐相結合的方法，探討了煤層氣氣水運動的理論與應用。提出煤層氣雖然是吸附氣，但其開發后，氣和水是運動的，氣往上部運移，水往下部運移。受其影響頂部的井往往高產、腰部低產、翼部不產，生產中也出現了自給性(平緩部位)、外輸性(構造翼部)和輸入性(構造頂部)等三種產氣曲線類型。建議開發布井優化時考慮煤層局部構造的影響，在其頂部少布井、翼部多布井、鞍部不布井，實現少井高產，達到合理開發的目的。

煤層氣 氣水運動 高效開發

1 煤層氣開發理論現狀與存在問題

1.1 現狀

傳統的煤層氣開發理論將煤層甲烷氣的產出機理分為解吸→擴散→滲流等三個階段。煤層氣井生產后隨著井筒附近地層壓力的下降，起初只有水產出；當井筒附近的儲層壓力小于吸附壓力之后，就有一定數量的甲烷從煤的表面“解吸”，形成氣泡，阻礙水的流動，但此時氣沒有互相連接，尚不能流動；隨著儲層壓力的進一步下降，就有更多的氣解吸出來，“擴散”到煤儲層的其它區域，氣泡互相連通形成連續的流線，氣開始在地層“滲流”和產出；隨著壓力的進一步降低，煤層氣產量逐漸增加。這就是煤層氣解吸→擴散→滲流理論的精髓，是指導煤層氣開發的理論經典。

1.2 存在問題

在我國常規天然氣藏的開發實踐中，采取了一套采用集中高滲透區布開發井原則，取得了少井高產的開發效果；如四川平落壩香二氣藏應用該布井原則，減少鉆井6口，同時延長穩產期2年以上。而縱觀我國煤層氣的開發方案，大多采用均勻布井的開發方式，即使采用數值模擬進行模擬分析，也沒有相關的理論進行指導。這種均勻布井的布井方式，不但不能增加氣田的采收率，反而浪費了煤層氣權益人的開發投資，使得其收益下降，因此需要一套煤層氣“少井高產”的理論，指導我國煤層氣開發方案的編制，這正是本文所探討氣水運動理論的目的之所在。

2 氣水運動理論的探討與應用

2.1 理論探討

煤層里的煤層氣未開發前，絕大部分吸附在煤巖里，煤層的的流體(吸附氣、煤層里的游離氣和煤層里的水)處于相對靜止狀態；當煤層的開發井網形成且氣井投產后，其壓力漏斗逐漸形成，使得煤層中的流體受重力分異作用的影響進行二次運移；煤層里的水逐漸由高勢能區向低勢能區運移，而氣則從低勢能區向高勢能區運移，構造高部位形成了高產區，低洼區形成了低產區(圖1)。該理論的公式推導如下：

圖1 “氣水運動理論”示意圖

假設圖1中的A、B、C三點分別代表頂部、翼部、鞍部的三口井，假設煤層中沒有游離氣，則A、B、C三點的地層壓力的關系是：

PB=PA+0.01h1

(1)

PC=PA+0.1(h1+h2)=PB+0.01h2

(2)

A井的氣水產量分別為：

(3)

(4)

同理B井與C井的氣水產量分別是：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：qg——氣產量；

k——有效滲透率，mD；

Krw——水相相對滲透率，f；

Krg——水相相對滲透率，f；

Pwf——井底流壓；

μg——氣體粘度，mPa.s；

μw——地層水粘度，mPa.s；

re——井距之半，m；

rw——井底半徑，m；

S——表皮系數，f；

m——系數，國際單位下為0.02728；

腳標A、B、C分別代表A、B、C三井。

假設A、B、C三井的k、Pwf、μg、μw、re、rw、S等參數一致，則影響A、B、C三井氣水產量的因素主要有兩個：

一個是地層壓力，從(1)和(2)可知，受重力的影響，C點的地層壓力大于B點，B點大于A點，換句話說，當頂部A點附近的煤層氣解析時，B點和C點附近的煤層氣尚未解析，A、B、C三井附近煤層氣的解析順序是A→B→C。據此可知，A、B、C三井的出氣順序是A→B→C。

另一個是相對滲透率krw和krg，國內外眾多學著將煤層劃歸為雙重或者是多重介質，其典型的相對滲透率曲線見圖2。由圖可見，決定相對滲透率krw和krg的關鍵因素是煤層中的地層水飽和度Sw或者是氣體的飽和度Sg，在煤層降壓初期，假設煤層中沒有游離氣，則A、B、C三井的氣產量為0。

圖2 煤層氣相對滲透率曲線(單位：f)

隨著排水工作的開展，A、B、C三井的地層壓力均要有所下降，但受地層水重力作用的影響，A井的壓力降得最快，C井的壓力降得最慢，當A井出現兩相流時，B井和C井仍處于單相水流階段，A井、B井和C井出現兩相流、且氣體飽和度增大的順序依次為A→B→C。由此可知，A、B、C三井氣產量由高到低的順序是A→B→C，水產量高到低的順序是C→B→A。

2.2 應用

(1)生產曲線的分類

根據煤層氣的氣水運動理論，可以將目前的煤層氣生產曲線歸為以下三類：

① 自給型

這類井往往處于構造相對平緩的區域，其特點是只有一個穩產期，單井產量較高，穩產期較長，井的開發壽命中等。典型井的例子是鐵法地區的DT-4井， 2006年底達到產量高峰，最高日產氣12442m3/d，10年后的產量尚有3200m3/d。

② 外輸型

這類井位于構造腰部，井水大氣小，穩產期短，遞減也快。典型井的例子是沁水盆地位于局部構造腰部的蒲南2-5井，該井2012年10月前不產氣，產氣后產氣量也很少，僅47m3/d，遠低于該區的平均產氣水平，日產水7.2m3/d，卻高于該區的平均水平。

③ 輸入性

這類井位于構造頂部，單井產量高，產量高峰可能不止一個，穩產期長，采出程度有可能超過100%，典型井的例子是沁水盆地的蒲1-2井，該井位于構造的局部高點，有3個高峰期，分別是2007年7月21日、2009年3月9日和2011年11月5日，日產氣高峰分別為2368m3/d、3374m3/d和7596m3/d，第一個高峰是煤層里的游離氣產出的結果，第二個是該井“排水采氣”的結果，第三個是“氣水運動”的結果。

(2)開發井距的優化

① 構造頂部：該部位的氣為“輸入型”，水為“輸出型”，氣產量高，單井控制面積大，建議在地質條件如儲層厚度、含氣量等參數一致的條件下，該區的開發井距應該放大一些；

② 構造翼部：該部位的井氣為“輸出型”，水為“輸入型”，產水量高，產氣量低，建議該區的開發井距應該放小一些；

③ 構造鞍部：該部位的水為“輸入型”，氣的產量很低，建議該部位應該盡可能不布井。

2.3 應用前景預測

氣水運動理論開創了煤層氣開發后氣與水運動的先河，將在煤層氣開發動態分析、可采儲量分析等方面注入活力；預計與早期精細構造解釋結合后，將在開發井距優化部署發揮積極的作用，引領煤層氣的高效開發。

3 結論

煤層氣雖然是吸附氣，但其開發后，氣和水運動的的方向是相反的，氣往上部運移，水往下部運移，受其影響出現了三種產氣曲線類型。建議開發布井優化時考慮煤層局部構造的影響，在其頂部少布井、腰部多布井、翼部不布井，實現少井高產。

[1] 蘇現波,陳江紅,孫俊民,程昭斌.煤層氣地質學與勘探開發[M].北京：科學出版社，2001.

[2] 穆福元,仲偉志,趙先良,車長波,陳艷鵬,朱杰,等.中國煤層氣產業發展戰略思考.天然氣工業[J]. 2015,35(6):110-116.

(責任編輯 丁 聰)

Theories and Practice of CBM Gas-water Moving

MU Fuyuan

(Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Hebei 065007)

For leading CBM effective development, the theories of gas-water moving have been discussed in this paper with the method of integrating theory with practice. Results show that:Although CBM is the adsorbed gas, it will be moving after development, and gas will be moving to the upper position and water to the lower. The well production rate is often higher in the top of structure, middle in waist, and low in saddle, and three production curer types, that is self (gentle), transportation (waist) and input (top), were appeared in CBM development practice.In order to develop CBM reasonably, it is suggested to consider the influence of the structure of local coal seam when placing of wells, which is less on the top, more on the waist, and no wells on the saddle.

CBM; gas-water moving; effective development

國家科技重大專項 “我國煤層氣發展戰略和政策研究”(2011ZX05043-006)

穆福元，高級工程師，長期從事煤層氣開發與政策研究工作。