煤層氣單井排采水壓傳播動(dòng)態(tài)研究

潘海洋， 殷榕蔚

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

煤層氣單井排采水壓傳播動(dòng)態(tài)研究

潘海洋， 殷榕蔚

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

以泰斯公式為基礎(chǔ)，通過修正與概化煤層氣單井排采的產(chǎn)水量，將煤層視為含水層，建立煤層氣單井排采水壓傳播數(shù)值模型。以沁水盆地ZX井為例，利用建立的模型計(jì)算排采過程中水壓傳播范圍，并采用COMET3數(shù)值模擬軟件模擬ZX井排采過程中的壓力傳播動(dòng)態(tài)，對(duì)比二者結(jié)果，認(rèn)為建立的煤層氣單井排采水壓傳播數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果可靠，方法較為合理。

煤層氣；壓力傳播；數(shù)值建模

0 前言

煤儲(chǔ)層壓力，是指作用于煤孔隙-裂隙空間上的流體壓力(包括水壓和氣壓)，又稱為孔隙流體壓力[1]。煤儲(chǔ)層中的甲烷氣體及其它氣體所形成的壓力稱為氣體壓力，簡稱氣壓；孔隙-裂隙中的水所形成的壓力，稱為水壓；氣壓和水壓二者共同構(gòu)成了儲(chǔ)層壓力[2]。儲(chǔ)層壓力是煤層氣運(yùn)移的能量基礎(chǔ)，直接決定著煤層對(duì)甲烷等氣體的吸附能力，是控制煤層吸附氣量的最關(guān)鍵因素。儲(chǔ)層壓力的降低是煤層甲烷解吸、運(yùn)移的直接原因。儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力時(shí)，吸附的甲烷解吸進(jìn)入煤層裂隙系統(tǒng)，并向井筒運(yùn)移最終產(chǎn)出。

煤層氣井在生產(chǎn)過程中通過抽排目的煤儲(chǔ)層中的承壓水，降低煤儲(chǔ)層壓力，促使煤儲(chǔ)層中吸附的甲烷解吸。煤層氣井的排采一般經(jīng)歷抽水降壓階段、穩(wěn)定生產(chǎn)階段、產(chǎn)量下降階段。壓力傳遞范圍影響煤層氣井產(chǎn)量與產(chǎn)氣速率。當(dāng)壓力未傳遞到與最小水平主應(yīng)力平行方向上裂隙延末端時(shí)，從井壁至供給邊緣壓力隨距離成對(duì)數(shù)關(guān)系分布，形成一個(gè)以井筒為圓心的同心圓狀壓力分布；當(dāng)傳遞到幾乎與最小主應(yīng)力平行方向上裂隙末端時(shí)，壓力將在這些方向上不再傳遞，僅在其中兩個(gè)方向上傳遞，壓力以井筒為圓心的橢圓分布[3-4]。定產(chǎn)量排采階段隨著排采時(shí)間的延續(xù)觀測(cè)點(diǎn)壓降不斷加大，加大的速率減??；定壓降排采階段，壓降漏斗的擴(kuò)展速度減小，并趨于穩(wěn)定[5-6]。本文以此為基礎(chǔ)，基于泰斯公式建立煤層氣單井排采水壓傳播數(shù)值模型，研究煤層氣排采的壓降動(dòng)態(tài)過程。

1 數(shù)值模型

1.1 煤層氣單井排采地質(zhì)模型

煤儲(chǔ)層和頂板含水層構(gòu)成一個(gè)完整的地下水系統(tǒng)[7]。煤層氣井產(chǎn)出的水主要來自煤層臨近含水層與煤層內(nèi)部[8]。因煤層的致密、低滲等特點(diǎn)使煤層常被視作隔水層，但根據(jù)沁水盆地含水層分布條件，為研究煤層氣井排水降壓過程中產(chǎn)水量、水壓影響范圍、水壓降、滲透率等參數(shù)之間的關(guān)系，本文作如下假設(shè)：

①煤層在煤層氣排采過程中當(dāng)成含水層；

②含水層(煤層)均質(zhì)各項(xiàng)同性、等厚、水平無限延伸；

③排水降壓前，含水層(煤層)的水力坡度為零；

④含水層中水流運(yùn)動(dòng)服從達(dá)西定律，水頭下降引起的地下水從儲(chǔ)層中的釋放是瞬時(shí)完成的。

通過以上假設(shè)，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)條件與水文條件建立煤層氣直井、單井、單煤層排采的地質(zhì)模型。假設(shè)煤層氣井徑無限小，在煤層氣排水降壓排采過程中，煤層頂?shù)装逋旰茫窗l(fā)生含水層破損導(dǎo)致煤層中的補(bǔ)給水量增加情況。同時(shí)在排采井的周圍無其它排采井干擾，無斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造，煤層的產(chǎn)水量主要來自煤層側(cè)向補(bǔ)給(圖1)。

圖1 煤層氣單井排采地質(zhì)模型Figure 1 CBM single well drainage geological model

1.2 煤層氣單井排采水壓傳播數(shù)值模型

其中，

式中：W(u)為井函數(shù)，Q產(chǎn)水量，m3/d；r為距離井中心距離，m；s為r處的水壓壓降，m；t為抽水延續(xù)時(shí)間，d； 為貯水系數(shù)；T為含水層(煤層)導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；

1.3 模型產(chǎn)水量的概化

泰斯公式適合均質(zhì)各向同性、等厚、水平無限延伸符合達(dá)西定律的含水層定產(chǎn)水量抽水[9]。因煤層氣井的排水過程中非定產(chǎn)水量抽水，因此通過概化產(chǎn)水過程曲線將產(chǎn)水量過程近似的概化成折線，把一個(gè)時(shí)間段內(nèi)看成是定產(chǎn)水量抽水(圖2)。為保證計(jì)算精度，本文以天為單位，將產(chǎn)水量進(jìn)行概化。應(yīng)用泰斯公式將各個(gè)階段的壓降進(jìn)行累加得到總壓降，如下式

ti-1

式中：n為概化段數(shù)(即抽水天數(shù))；Qi為第i個(gè)概化段數(shù)期間的產(chǎn)水量，m3；其余變量含義同前。上式是變產(chǎn)水量條件下，t時(shí)，煤層氣井外圍不同點(diǎn)壓降的計(jì)算公式。

1.4 煤層氣井產(chǎn)水量的修正

由于煤層氣排采過程中的產(chǎn)水量相對(duì)于抽水井來說較小，如果忽略井筒內(nèi)存留的水，可能給計(jì)算產(chǎn)水量Q帶來不可忽略的誤差。例如煤層氣井井筒液面降低10m，井筒中水量減少(以最小產(chǎn)氣井徑139.7mm估算)0.15m3，假設(shè)平均產(chǎn)水量為3m3/d，則在計(jì)算儲(chǔ)層產(chǎn)水量時(shí)誤差5%。所以，需對(duì)排采過程總產(chǎn)水量進(jìn)行修正。

圖2 產(chǎn)水量概化示意[9]Figure 2 A schematic diagram of water yield generalization[9]

井筒中液面高度的動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致井筒內(nèi)水量的變化。井筒內(nèi)水的變化量與地表實(shí)際測(cè)的產(chǎn)水量共同構(gòu)成了煤層產(chǎn)水量。以此為依據(jù)，對(duì)煤層氣井產(chǎn)水量進(jìn)行校正，具體方法如下式，

Qi=Q測(cè)+Qw

其中，

Qw=πR2ΔHi/Ti

ΔHi=Hi-Hi-1

式中，Qi為第i段井筒較正后的產(chǎn)水量，Q測(cè)為實(shí)際測(cè)量的產(chǎn)水量，m3/d；R為井筒半徑，m；Hi為i階段液面高度，Hi-1為i-1階段液面高度，m；Ti為第i概化段的時(shí)間長度，d。

2 實(shí)例研究

2.1 工程背景

研究區(qū)位于沁水盆地南段翹起端的中東部，總體構(gòu)造形式為一個(gè)北傾的單斜。地層出露由老到新依次為下古生界奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組(O2x)、中統(tǒng)上馬家溝組(O2s)、峰峰組(O2f)，上古生界石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)、石炭系上統(tǒng)-二疊系下統(tǒng)太原組(C2-P1t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、中統(tǒng)上石盒子組(P2s)、上統(tǒng)石千峰組(P3sh)，第四系(Q)。

該區(qū)區(qū)主要發(fā)育煤層為3#、9#和15#煤層，本文選取3#煤層為研究對(duì)象，3#煤層為研究區(qū)域內(nèi)煤層氣井排采的主采煤層。該煤層厚度穩(wěn)定、變化范圍5.07～7.22m，平均煤層厚6.03m，煤層的厚度呈帶狀的展布，埋深變化較大，從50～700m均可見3#煤層，煤層含氣量總體呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布，最高值約為30m3/t。

該區(qū)在研究煤層氣井排水降壓過程時(shí)，水壓傳播機(jī)理及范圍不清，導(dǎo)致對(duì)煤層氣解吸范圍不明確，導(dǎo)致產(chǎn)能及采收率預(yù)測(cè)存在較大誤差。為研究煤層氣井排水降壓過程中水壓動(dòng)態(tài)傳播規(guī)律與傳播范圍，在該區(qū)選擇一口前期產(chǎn)水穩(wěn)定的煤層氣井進(jìn)行研究。

2.2 煤層氣單井的選取

以沁水盆地潘莊區(qū)塊內(nèi)的ZX井為例，基于建立的煤層氣單井排采地質(zhì)模型，研究其在排采過程中壓力的傳播范圍及其變化規(guī)律。該井選擇前期排水降壓時(shí)間大于30d，平均產(chǎn)水量高于3m3/d，井排采范圍內(nèi)構(gòu)造簡單，煤儲(chǔ)層近似水平，井參數(shù)如表1所示。

ZX井位于沁水盆地南部潘莊，該井的排采分為兩個(gè)階段。在第一階段僅對(duì)3#煤層進(jìn)行了壓裂排采，第二階段，2009年6月封閉3#煤層，對(duì)15#煤進(jìn)行了壓裂，本文僅對(duì)第一階段排采過程進(jìn)行計(jì)算。第一階段對(duì)3#煤排采206d中有產(chǎn)水資料206d，其中74d為單相水流，132d為氣水共產(chǎn)，最高產(chǎn)氣量為269.60 m3/d，最高產(chǎn)水量4.44 m3/d(圖3)。

表1 ZX井儲(chǔ)層參數(shù)

圖3 ZX井排采生產(chǎn)曲線Figure 3 Well ZX drainage production curve

2.3 煤層氣井的壓降漏斗的計(jì)算

根據(jù)ZX井資料，采用前述煤層氣單井排采水壓傳播數(shù)值模型計(jì)算ZX井的傳播范圍及壓降數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果顯示，該井在206d的生產(chǎn)中，74d單相排水形成的水壓傳播半徑為212m，最大壓降142.75m(圖4)。通過206d產(chǎn)水量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出排采結(jié)束時(shí)水壓傳播半徑為235m，最大壓降188.7m(圖5)，其中壓力降低到臨界解吸壓力以下的半徑為8m。

圖4 ZX井排水壓降Figure 4 Well ZX drainage hydraulic pressure dropping

圖5 ZX井排采結(jié)束水壓降Figure 5 Well ZX drainage terminal hydraulic pressure dropping

2.4 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前述模型的準(zhǔn)確性，采用COMET3儲(chǔ)層數(shù)值模擬軟件模擬排水階段的儲(chǔ)層壓力傳播(即水壓傳播，下同)，結(jié)果如圖6所示(每個(gè)網(wǎng)格代表40m，下同)。由圖6可知，在74d的排水過程中，儲(chǔ)層壓力下降200m，近似等于212m，由此可見，模型計(jì)算與儲(chǔ)層模擬軟件相比，吻合度較高。

對(duì)整個(gè)排采過程的水壓變化進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7所示(每個(gè)網(wǎng)格代表40m，下同)。由圖可知，水壓傳播范圍為280m，因COMET3儲(chǔ)層數(shù)值模擬軟件在影響范圍上隨著時(shí)間增加半徑無收斂性(無限擴(kuò)大)，因此模擬值在后期高于產(chǎn)水引起水壓傳播范圍。由此可見，模型對(duì)水壓變化和影響范圍的預(yù)測(cè)具有較高的可信度。

圖6 ZX井排水階段儲(chǔ)層壓力傳播Figure 6 Well ZX drainage stage reservoir pressure propagation

圖7 ZX井排采結(jié)束后水壓傳播Figure 7 Hydraulic pressure propagation after well ZX drainage termination

3 結(jié)論

利用泰斯公式，通過概化、修正煤層氣井產(chǎn)水量，建立了煤層氣單井排采水壓傳播數(shù)值模型。以沁水盆地南部3#煤層為主排采煤層的ZX井為例，采用建立的模型計(jì)算煤層氣排采過程中排水降壓階段的壓降動(dòng)態(tài)研究，并采用COMET3數(shù)值模擬軟件對(duì)該井排采過程中的壓力傳播進(jìn)行模擬及驗(yàn)證?？芍?，煤層氣單井排采水壓傳播數(shù)值模型計(jì)算煤層氣井在排水降壓階段的影響范圍方法也較為合理。

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StudyonHydraulicPressurePropagationDynamicsinCBMSingleWellDrainage

Pan Haiyang, Yin Rongwei

(Geological Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

Based on the Theis formula, through revision and generalization of CBM single well drainage water yield, taking the coal seam as an aquifer, established CBM single well drainage hydraulic pressure propagation numerical model. Taking the well ZX in the Qinshui Basin as example, through the established model computed hydraulic pressure propagation range during the drainage process. Using the COMET3 numerical simulation software simulated pressure propagation dynamics during the well ZX drainage process, comparing the two results have considered that the result from CBM single well drainage hydraulic pressure propagation numerical model is more reliable and reasonable.

CBM; pressure propagation; numerical modeling

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.10

1674-1803(2017)11-0050-04

A

中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院青年科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目：利用廢棄煤層氣井網(wǎng)開展無井式煤炭地下氣化方案設(shè)計(jì)(ZGMDKZ-Y-201513(Z))

潘海洋(1986—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事地質(zhì)勘查、地質(zhì)科技創(chuàng)新與管理等方面的研究工作。

2017-08-08

樊小舟