煤層氣井產能預測研究

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，經濟價值高，都決定了開采煤層氣資源對于穩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]，應用于非常規油氣開采中缺少相應的理論依據，尤其在煤層氣產能的預測中，目前主要靠數值模擬軟件，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測，本文針對此問題建立了數學模型對煤層氣產能進行預測。

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，產量上升階段，產量遞減階段，每個階段地層壓力不同其產出氣量也不一樣，因此對不同階段的模型建立也有一定的側重，Al-Hussaniy R曾在理想狀態下，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態到非穩態的氣井產量模型[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，運用了非穩態吸附狀態的產能公式。Manik考慮到氣井中多氣態共存的事實，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總結前人經驗，利用大量地質數據模型，在非均質運動基礎上建立了氣體運動吸附模型，其實際效果更加符合地質規律，為煤層氣產能預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#煤層主要構造為一層不穩定的具疊錐構造的紋層狀泥巖、泥灰巖、灰巖，其中煤層厚度0 m～5.98 m，平均厚度2.30 m，全礦區煤層厚度穩定，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巖，煤層厚度穩定，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#煤層已經全部開采完畢，整體封井，2#南三盤區3口井，單層采空井瞬時流量較低，約30 m3/h，日均產量為1 000 m3/d左右。

4 煤層氣產能模型的建立

4.1 模型建立假設條件

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

本文模型在以下假設條件下建立：

1) 煤層不考慮基質系統和裂隙系統差異性，兩種地質條件空隙分布均勻。

2) 煤層儲存物性平面均勻，參數一致，各層物象性質不同，流體在煤層中分布均勻。

3) 煤層厚度穩定，開發過程中不會變化，且不考慮外來物質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，設置為1。

5) 煤層氣開采中設定為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會表現出擬穩態的特征。設采氣半徑為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)

結合實際現場需求在擬態穩流的過程中帶入表皮系數進行修正，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、井內溫度、氣體膨脹等因素導致地層壓力增大，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，因此在產能預測中會產生不必要的誤差，本模型結合生產過程中井口套壓，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

本文通過建立數學模型，結合實際氣井的生產情況對煤層氣產量進行預測，最終可以預測到產氣、產水、壓力值等相關指標，為研究人員對單井評價提供借鑒意義。本文通過PYTHON語言進行程序設計，主要計算流程為：首先確定儲存參數和流體物性，建立初始化模塊，對參數進行初始化，將初始化后的參數帶入主模塊進行迭代計算，通過輸出模塊將參數進行輸出。

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、巖石壓縮系數等。流體參數中，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、生產方式等。

初始化模塊中，首先對數據進行診斷，篩選出有用數據，然后初始化相關參數：儲層參數、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。

主模塊中首選輸入液面、套壓、排水時間步長控制等數據，通過這些數據預測液面高度，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，是的話計算地面產氣量，否的話計算產氣量，之后更新套壓，根據累計產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氣量、日產水量、累計產氣量、累計產水量壓力系數等，通過這些數據可以對煤層氣井產氣量進行初步預測。

5 結論

本文選取了G煤層氣作為研究對象，利用氣田的地質參數、流體參數、井間工作制度等數據，建立數學模型，結合實際工作情況，利用模型對單井日產氣量、產水量、壓力系數進行預測，最終預測結果對實際生產具有一定的指導意義，可以作為相關生產單位產量計算，生產預測的有效工具。