煤層氣井歷史擬合評(píng)述

趙 雯 朱炎銘 張曉莉 王懷勐 曹新款 王道華 方俊華

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221008;2.福建出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心,福建 350001)

煤層氣井歷史擬合評(píng)述

趙 雯1朱炎銘1張曉莉2王懷勐1曹新款1王道華1方俊華1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221008;2.福建出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心,福建 350001)

本文主要闡述了國(guó)內(nèi)外煤層氣井儲(chǔ)層模擬及歷史擬合研究現(xiàn)狀,概括了近20年的煤層氣井歷史擬合發(fā)展進(jìn)程,介紹了目前煤層氣井儲(chǔ)層模擬研究運(yùn)用最廣泛的COMET3軟件,并以沁水南部QN03井為例,介紹了如何運(yùn)用COMET3軟件進(jìn)行歷史擬合及產(chǎn)能預(yù)測(cè)。

煤層氣 儲(chǔ)層模擬 歷史擬合 COMET3

Abstract:This paper described the present research situation of coalbed methane wells reservoir simulation and history matching at home and abroad,and summarized nearly 20 years coalbed methane wells history matching development,also introduced the software COMET3,which was widely used in coalbed methane wells reservoir simulation in present.Meanwhile,As the QN03 well in southern of Qinshui basin for example,the author introduced how to conduct history matching and productivity prediction by using COMET3.

Keywords:Coalbed methane;reservoir modeling;history matching;COMET3

1 國(guó)內(nèi)外煤層氣井儲(chǔ)層模擬研究現(xiàn)狀

煤層甲烷氣體引起的煤礦安全問(wèn)題,一直是人們?cè)诿禾块_(kāi)采過(guò)程中著重研究的課題。因此,煤層氣數(shù)值模擬的研究工作,最早是圍繞預(yù)測(cè)礦井瓦斯涌出量,為礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù)及控制瓦斯災(zāi)害為目的。1964年Lindine等提出了第一個(gè)預(yù)測(cè)生產(chǎn)礦井瓦斯涌出量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?至1972年相繼建立了一維單孔隙氣相產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型、二維單孔隙氣、氣水兩相產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的INTERCOMP軟件。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的礦井瓦斯抽采工作實(shí)踐,人們逐漸認(rèn)識(shí)到煤層氣既是影響煤礦生產(chǎn)的災(zāi)害性氣體,同時(shí)也是一種高效清潔的替代能源。1973年,石油禁運(yùn)引發(fā)的能源危機(jī),強(qiáng)化了對(duì)煤層氣資源的需求,由此在美國(guó)掀起了煤層氣地面垂直井開(kāi)發(fā)試驗(yàn)的熱潮。隨著煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目的相繼實(shí)施和實(shí)踐積累,煤層氣數(shù)值模擬研究工作,在繼續(xù)圍繞煤礦瓦斯研究的同時(shí),借鑒油氣藏?cái)?shù)值模擬的理論、技術(shù)和方法,擴(kuò)展到煤層氣資源勘探、開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。目前,得到推廣應(yīng)用的主要有COMET系列軟件和COALG AS軟件,而在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)研究和生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的軟件是COMET3D。

我國(guó)煤儲(chǔ)層數(shù)值模擬研究工作,1992年才剛剛開(kāi)始,我國(guó)在這方面的技術(shù)水平尚處于急待發(fā)展的階段,與國(guó)際上美國(guó)的領(lǐng)先技術(shù)相比還有相當(dāng)?shù)牟罹?。雖然在“八五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目中,專(zhuān)門(mén)設(shè)立了煤層氣數(shù)值模擬研究課題,1994年原華北石油地質(zhì)局與清華大學(xué)合作,聯(lián)合開(kāi)發(fā)出了二維單層煤層氣模擬軟件CMS,但是,對(duì)我國(guó)復(fù)雜構(gòu)造條件下的低滲透、強(qiáng)吸附、多層賦存的煤儲(chǔ)層來(lái)說(shuō),其實(shí)際應(yīng)用受到局限。目前,我國(guó)普遍使用的煤儲(chǔ)層數(shù)值模擬軟件,仍然是從國(guó)外引進(jìn)的僅為執(zhí)行文件COMET3D和COALG AS軟件。

在煤層氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中,儲(chǔ)層數(shù)值模擬是必不可少的重要環(huán)節(jié)之一。歷史擬合是整個(gè)數(shù)值模擬工作的基礎(chǔ),通過(guò)歷史擬合,可以檢驗(yàn)所建立的煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)模型是否合理,包括煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)和地質(zhì)工程參數(shù);可以找出儲(chǔ)層和過(guò)程描述資料的不足之處;可以對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行診斷,找出低產(chǎn)能并可能重新完井的井孔;能夠標(biāo)出相對(duì)高殘余氣含量區(qū)域作為潛在開(kāi)發(fā)區(qū)或找出鉆探靶區(qū);可以得到與實(shí)際儲(chǔ)層比較接近的相關(guān)參數(shù),而后利用這些參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的較高精度的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),更好地指導(dǎo)下一步的開(kāi)采。

2 煤層氣井歷史擬合研究進(jìn)程

從70年代國(guó)外就開(kāi)始了煤層氣井歷史擬合研究,90年代進(jìn)入了歷史擬合的成熟階段,進(jìn)行了大量的煤層氣井歷史擬合分析,主要包括運(yùn)用軟件進(jìn)行產(chǎn)量模擬和產(chǎn)量預(yù)測(cè),高精度的歷史擬合對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。SheelyL.D在1994利用COMETPC軟件對(duì)鐵法盆地大興井田CW1井進(jìn)行產(chǎn)量模擬,所預(yù)測(cè)的該井第一年內(nèi)產(chǎn)量被后來(lái)實(shí)際生產(chǎn)所證實(shí)。1996年,原地礦部華北石油地質(zhì)局通過(guò)煤層氣數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)CMS對(duì)柳林試驗(yàn)區(qū)的煤層氣井進(jìn)行了歷史擬合研究,并做了產(chǎn)量預(yù)測(cè)。張遂安在1998年利用COALG AS模擬軟件對(duì)山西某煤層氣井進(jìn)行了歷史擬合研究,估算出了未來(lái)15年內(nèi)的單井氣產(chǎn)量。

隨著數(shù)值模擬的技術(shù)的進(jìn)步和軟件的不斷開(kāi)發(fā),20世紀(jì)初期國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的煤層氣井歷史擬合分析,主要包括進(jìn)行生產(chǎn)井氣、水產(chǎn)量數(shù)據(jù)的歷史擬合,分析獲取更為客觀的煤層氣儲(chǔ)層參數(shù),預(yù)測(cè)井的長(zhǎng)期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和產(chǎn)量,為井網(wǎng)布置、完井方案、井的生產(chǎn)工作制度和氣藏動(dòng)態(tài)管理的優(yōu)化,以及最經(jīng)濟(jì)、最有效的煤層氣項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方案的決策,提供科學(xué)依據(jù)。駱祖江于2003年在重點(diǎn)校正沁水盆地3號(hào)煤層的滲透率、孔隙度、相對(duì)滲透率、表皮系數(shù)等參數(shù)后,對(duì)日氣產(chǎn)量、日水產(chǎn)量、累積氣產(chǎn)量、累積水產(chǎn)量做了歷史擬合研究,得到了相對(duì)滲透率、孔隙度、表皮系數(shù)、含氣量等參數(shù)擬合值。王曉梅采用COMET-3D軟件,結(jié)合3口煤層氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù),對(duì)淮南煤田新集礦區(qū)進(jìn)行了歷史擬合研究,獲得了其中兩口井的歷史擬合氣產(chǎn)量、水產(chǎn)量曲線及相關(guān)參數(shù)值。要惠芳以河?xùn)|煤田三交區(qū)塊煤層氣井生產(chǎn)資料為基礎(chǔ),利用煤層氣地質(zhì)學(xué)和地下水動(dòng)力學(xué)原理對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)曲線進(jìn)行了擬合分析,并最終確定了兩口煤層氣井的水文地質(zhì)參數(shù)。

未來(lái)的煤層氣井歷史擬合是以三孔隙、雙滲透率、全氣田范圍和多組分模擬的模型為基礎(chǔ),進(jìn)一步提高結(jié)果的穩(wěn)定性和精度,對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)具有更加重要的指導(dǎo)意義,歷史擬合工具會(huì)得到更廣泛應(yīng)用。

3 COMET3在煤層氣豎井歷史擬合研究中的應(yīng)用

3.1 COMET3軟件簡(jiǎn)介

到目前為止歷史擬合最為廣泛使用的是由美國(guó)ARI公司研制的數(shù)值模擬軟件COMET3。該軟件為三孔、雙滲、三組分、兩相煤層氣數(shù)值模擬專(zhuān)業(yè)軟件。除了模擬非常規(guī)氣體,COMET3還可用以常規(guī)儲(chǔ)層的模擬以及黑油類(lèi)型模擬。該軟件考慮了一些對(duì)煤層氣井產(chǎn)能有影響的特別的參數(shù),比如孔隙收縮、煤基質(zhì)壓縮、氣體重解吸、CO2注入以及水溶氣等。COMET3的一個(gè)顯著特征是可以通過(guò)自動(dòng)的開(kāi)關(guān)來(lái)將用戶所指定井的使用要求進(jìn)行保存,這一特征出現(xiàn)在最大水產(chǎn)率的限制和井底流壓的控制中,或者在最小井底流壓的控制和水產(chǎn)率控制下。這一特征在對(duì)煤層中產(chǎn)水量有限的井的模擬時(shí)是非常有用的。

一般來(lái)說(shuō),煤層氣井歷史擬合工作的主要步驟有確定參數(shù)可調(diào)性→檢查模型數(shù)據(jù)→確定工作制度和擬合指標(biāo)→動(dòng)態(tài)指標(biāo)擬合。其中歷史擬合調(diào)參是比較復(fù)雜和困難的過(guò)程(表1)。

表1 歷史擬合參數(shù)及可調(diào)性

3.2 COMET3軟件應(yīng)用-以沁水盆地南部QN03井為例

以沁水盆地南部QN03排采歷史資料為基礎(chǔ),根據(jù)歷史擬合的原則和流程進(jìn)行單井歷史擬合計(jì)算擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)接近,擬合了產(chǎn)能曲線的總體趨勢(shì),只是對(duì)產(chǎn)氣峰值的反映不明顯,考慮峰值兩端的擬合情況,認(rèn)為參數(shù)擬合值可以接受,可以用來(lái)做產(chǎn)能預(yù)測(cè)(圖1)。

圖1 QN03井日產(chǎn)氣量歷史擬合曲線

經(jīng)過(guò)歷史擬合得到的儲(chǔ)層參數(shù)(表2),能更真實(shí)客觀地反映煤儲(chǔ)層的自然特征和煤層氣生產(chǎn)能力,據(jù)此可以對(duì)煤層氣儲(chǔ)層和煤層氣井產(chǎn)能進(jìn)行更準(zhǔn)確、合理的評(píng)價(jià)。由表2看出,初始值與擬合值之間存在著不同程度的差異。比如儲(chǔ)層滲透率增加了0.11倍,儲(chǔ)層壓力增加了0.73倍,含氣量增加了0.17倍,解吸時(shí)間縮短了14%,割理孔隙率減少了71%,表皮系數(shù)減少了69%,朗格繆爾體積幾乎沒(méi)變。

在歷史擬合的基礎(chǔ)上,采用校正后新的儲(chǔ)層參數(shù)以及定產(chǎn)水量的工作制度,對(duì)QN03井進(jìn)行了20年的產(chǎn)量預(yù)測(cè),不同時(shí)間的產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量預(yù)測(cè)結(jié)果。QN03井排采到第40天的時(shí)候產(chǎn)氣量達(dá)到最高峰,為3067.6m3/d,之后產(chǎn)量快速下降,接著有小幅度的增長(zhǎng)期,在第1695天時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)高峰,這個(gè)高峰比較緩,峰值為1634.3m3/d,之后產(chǎn)氣量一直緩慢降低,到第20年的產(chǎn)氣量為655m3/d,20年的累計(jì)產(chǎn)氣量為878.32×104m3,平均日產(chǎn)氣量為1199.1m3/d。產(chǎn)水量很小,日產(chǎn)水量不高于5m3/d,20年的累計(jì)產(chǎn)水量為4202m3。

表2 QN03井初始參數(shù)值及歷史擬合值對(duì)比

產(chǎn)能預(yù)測(cè)除用于預(yù)計(jì)產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量外,還可以用于發(fā)現(xiàn)不適合的儲(chǔ)層管理程序并找出改善的方法,發(fā)現(xiàn)歷史擬合儲(chǔ)層描述中的短處,監(jiān)測(cè)整個(gè)氣田壽命期間的儲(chǔ)層動(dòng)態(tài),對(duì)以后的煤層氣井產(chǎn)能排采工藝優(yōu)化,提高單井產(chǎn)量具有重要的意義。

4 結(jié)論

(1)國(guó)外煤層氣數(shù)值模擬的研究工作發(fā)展迅速,從簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、一維單孔隙氣相產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型、二維單孔隙氣、水兩相產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型到現(xiàn)在的三孔、雙滲、三組分、兩相模型COMET軟件。國(guó)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層的數(shù)值模擬仍然是從國(guó)外引進(jìn)的僅為執(zhí)行文件COMET3D和COALG AS軟件。

(2)據(jù)近幾十年歷史擬合發(fā)展歷程,隨著軟件的發(fā)展和模擬經(jīng)驗(yàn)的豐富,歷史擬合結(jié)果越來(lái)越準(zhǔn)確,對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義,歷史擬合工具會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

(3)運(yùn)用COMET3對(duì)沁水盆地南部QN03井進(jìn)行了20年的產(chǎn)量預(yù)測(cè),QN03井20年的累計(jì)產(chǎn)氣量為878.32×104m3,平均日產(chǎn)氣量為1199.1m3/d。產(chǎn)水量很小,日產(chǎn)水量不高于5m3/d,20年的累計(jì)產(chǎn)水量為4202m3。

[1] 張群.國(guó)外煤層氣儲(chǔ)層數(shù)值模擬技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2004,Z(1):18-25.

[2] K ing C.R.,Ertekin T.M.Asurvey of mathematical models related to methane production from coal seams,Part I:Empirical&equilibrium sorption models[C].Proceedings of the 1989 Coalbed Methane Symposium,the Universityof Alabama/Tuscaloosa,1989:125-138.

[3] Airey E.M.Gasemission from broken coal:an experimental and theoretical Investigation[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining sciences,1968;5:475-494.

[4] Price H.S.,Mc CullochR.C.etal.A computer model study of methane migration incoalbeds[C].The Canadian Mining and Metallurgical Bulletin,1973;66(737):103-112.

[5] Kevin K ostuik.自動(dòng)歷史擬合動(dòng)態(tài)[J].國(guó)外石油動(dòng)態(tài),2007,2:12-15.

[6] JohnR.Fanchi.油藏模擬基礎(chǔ)與方法[M].北京:中國(guó)石化出版社,2001.

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

[8] 張遂安.煤層氣模擬原理及其應(yīng)用[J].中國(guó)煤層氣,1998,1:34-36.

[9] 張亞蒲.煤層氣數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用研究.中國(guó)科學(xué)院研究生院[D],2006.

[10] 駱祖江.煤層甲烷運(yùn)移動(dòng)力學(xué)模型研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,1997.

[11] 駱祖江,楊錫祿.煤層甲烷氣藏?cái)?shù)值模擬[J].煤田地質(zhì)與勘探,1997,2(25):28-30.

[12] 王曉梅,張群,張培河,等.煤層氣井歷史擬合方法探討[J].煤田地質(zhì)與勘探,2003,31(1):20-22.

[13] SheehyL.D.,Stevens S.,Boyer C.M..中國(guó)東北沈陽(yáng)地區(qū)煤層氣勘探總結(jié)[J].煤層氣,1994(1):43-54.

[14] 葉建平,郭海林,武強(qiáng),等.鐵法盆地煤層氣成藏模式及產(chǎn)能預(yù)測(cè)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31(2):204-207.

[15] 張遂安.煤層氣模擬原理及其應(yīng)用[J].中國(guó)煤層氣,1998,1:34-36.

History Matching Comments about Coalbed Methane Wells

Zhao Wen1,Zhu Y anming1,Zhang Xiaoli2,Wang Huaimeng1,Cao Xinkuan1,Wang Daohua1,FangJunhua1
(1.China University of Mining&Technology,School of Resource&Earth Science,Coaled methane resources&Reservoir formation process,Jiangsu 221008;2.Fujian Entry-Exit Inspection and Quarantine Technology Center,Fujian 350001)

國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(No:40730422);國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2008ZX05-034-04)。

趙雯,女,湖南省懷化市人,碩士研究生,從事礦產(chǎn)普查與勘探專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)研究。

(責(zé)任編輯 黃 嵐)