沁南潘莊井田煤層氣產(chǎn)能預(yù)測研究

楊 博

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤層氣產(chǎn)能預(yù)測是煤層氣井采收率預(yù)測和煤層氣開發(fā)潛力評價(jià)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容[1-3]，通過數(shù)十年的勘探開發(fā)，迄今已形成了諸如煤層氣典型曲線產(chǎn)能預(yù)測法[4]、煤層氣井壓裂產(chǎn)量預(yù)測法[5]、排采參數(shù)多元回歸法[6]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]、數(shù)值模擬法[8-10]等多種煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測方法，極大地豐富了煤層氣開發(fā)技術(shù)理論。在上述煤層氣產(chǎn)能預(yù)測技術(shù)方法中，數(shù)值模擬考慮了煤儲層各參數(shù)及參數(shù)間耦合作用對產(chǎn)能的影響，簡單易用且技術(shù)先進(jìn)，模擬結(jié)果具有較高的可信度[10-12]。為此，本文采用COMET3專業(yè)化煤層氣藏工程模擬軟件對潘莊井田煤層氣產(chǎn)能進(jìn)行研究，以期為研究區(qū)開發(fā)潛力評價(jià)，煤層氣開發(fā)方案的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和可行性提供參考和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

潘莊井田位于沁水盆地南部晉城礦區(qū)境內(nèi)，隸屬晉城市沁水縣，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°30′～112°38′，北緯35°35′～35°39′[13]。二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組為井田內(nèi)主要含煤地層，煤層總厚度14.56 m，含煤系數(shù)11.63%。山西組和太原組含煤地層共含煤14層，自上而下依次編號為1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、14、15、16號煤層，其中，山西組3號煤層(5.23～7.19 m，平均6.16 m)和太原組15號煤層(0.81～6.32 m，平均3.28 m)為全井田穩(wěn)定分布可采煤層，其他為不穩(wěn)定局部可采或不可采煤層。良好的煤層氣“生、儲、蓋”條件，使得井田內(nèi)煤層氣富集程度高，原煤含氣量23.72～29.02 m3/t，平均為26.04 m3/t。煤層氣資源豐富(754.4×108m3)且地質(zhì)儲量豐度(2.18×108m3/km2)相對較高；煤層滲透性較好，滲透率一般為0.014～41.10 mD；地層平緩，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，主要以波幅不大寬緩次級褶曲和小斷層為主，陷落柱稀少，未見巖漿侵入現(xiàn)象[14]。

為解決井田3號煤層開采過程中礦井瓦斯涌出量大的難題，晉煤集團(tuán)90年代初率先在井田范圍內(nèi)開展了地面煤層氣井組抽采煤層氣，開創(chuàng)了“采煤采氣一體化”瓦斯治理模式，實(shí)現(xiàn)了井田內(nèi)煤與煤層氣兩種資源的高效、協(xié)同、綠色開發(fā)和利用[15]。

2 煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測研究

美國國際先進(jìn)能源公司開發(fā)的COMET3作為一款專業(yè)化煤層氣藏工程數(shù)值模擬軟件，在煤層氣井排采擬合和產(chǎn)能預(yù)測及評價(jià)等方面應(yīng)用較為廣泛，其成果有力地指導(dǎo)了煤層氣勘探開發(fā)[16-18]。本文運(yùn)用COMET3對沁水盆地南部潘莊井田煤層氣井的產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測研究。

2.1 模擬邊界

由于潘莊井田構(gòu)造簡單，生產(chǎn)試驗(yàn)區(qū)及其附近無大的斷裂，煤層穩(wěn)定，缺乏天然的模擬邊界。為避免邊界的不確定性給模擬結(jié)果帶來影響，在模擬時(shí)，使模擬邊界盡可能地遠(yuǎn)離匯源項(xiàng)，四周均視為定壓邊界，這樣可以知道邊界上每一點(diǎn)每個(gè)時(shí)刻在煤層氣井排水降壓期間的井底流壓分布及其變化情況[19]。

2.2 參數(shù)錄入

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的精準(zhǔn)性和完整性決定著煤儲層模擬結(jié)果的真實(shí)性和可考性(或可信度)[10]，在模擬之前，首先打開COMET3軟件，在其中運(yùn)行CometEditor進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的錄入。CometEditor具有可視化、界面友好、功能強(qiáng)大、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，是連接用戶和COMET3的接口，可實(shí)現(xiàn)COMET3模擬程序運(yùn)行、查看模擬結(jié)果、管理輸入和輸出的文件或數(shù)據(jù)，支持SIM、CME兩種格式數(shù)據(jù)的錄入。同時(shí)，CometEditor具有高達(dá)17個(gè)數(shù)據(jù)錄入窗口。

2.3 靈敏度分析

靈敏度分析的目的是確定產(chǎn)能模擬時(shí)所需的煤儲層關(guān)鍵參數(shù)，以及各種參數(shù)的誤差容限，進(jìn)而為后續(xù)的煤層氣井排采歷史擬合及參數(shù)反演提供參考[10]。通過對錄入的不同基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的調(diào)整，分析每個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整對模擬結(jié)果的影響程度，進(jìn)而確定產(chǎn)能模擬隨各個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)整變化的靈敏度和相關(guān)性大小。如果對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)就可引起產(chǎn)能模擬結(jié)果的顯著變化，則表明該實(shí)驗(yàn)參數(shù)具有較高的靈敏度且與產(chǎn)能模擬結(jié)果的相關(guān)性強(qiáng)，反之亦然。

2.4 歷史擬合

基于煤層氣儲層模擬的基本原理，通過充分利用已獲得的有關(guān)煤層氣勘探開發(fā)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)與理論數(shù)值模型進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)研究區(qū)煤層氣儲層的重新描述和建立更加符合煤層氣地質(zhì)條件、煤儲層物性及特征參數(shù)的煤層氣理論數(shù)值模擬模型，為煤層氣井產(chǎn)能、采收率預(yù)測等提供科學(xué)依據(jù)。

2.4.1 生產(chǎn)試驗(yàn)井基本概況

潘莊井田地面煤層氣井組位于沁水縣嘉峰鎮(zhèn)李莊村的東面，是晉煤集團(tuán)基于煤礦瓦斯治理施工的地面煤層氣試驗(yàn)井組，突破了煤層氣地面抽采的無煙煤“禁區(qū)”，率先創(chuàng)立了“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理新模式。潘莊井田地面煤層氣井組初期由七口煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井組成，氣井采用定井底流壓排采工藝對煤礦主力開采的3號煤層中煤層氣進(jìn)行抽采。潘莊地面煤層氣井組中PZMQ-001井排采連續(xù)、穩(wěn)定，排采數(shù)據(jù)相對齊全，本文產(chǎn)能模擬時(shí)采用該井作為歷史擬合對象。PZMQ-001井于1994年9月底投產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)氣量最高達(dá)4 230 m3/d，產(chǎn)氣高峰期后氣井的產(chǎn)氣量維持在約1 600 m3/d；氣井的產(chǎn)水量相對較小，一般為3～5 m3/d。

2.4.2 歷史擬合基本參數(shù)

歷史擬合是煤層氣產(chǎn)能模擬的必要步驟，旨在為產(chǎn)能模擬提供可信度模型。歷史擬合時(shí)，首先需要在模擬器中輸入實(shí)測的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，這些參數(shù)包括煤層滲透率、煤層氣含量、煤的密度、蘭氏體積、蘭氏壓力、吸附時(shí)間、煤儲層溫度、煤儲層壓力等。歷史擬合基礎(chǔ)參數(shù)不全時(shí)，可以參考鄰近區(qū)塊實(shí)測參數(shù)。研究區(qū)在煤礦瓦斯治理地面煤層氣抽采過程中均對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定(表1)，為煤層氣井歷史擬合結(jié)果的可信度提供了保障。

2.4.3 歷史擬合結(jié)果

產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量是煤層氣井排采的兩個(gè)重要參數(shù)[20]，本次歷史擬合主要是通過煤層氣井排水使井底流壓變化來擬合氣井的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量。煤層氣井生產(chǎn)過程可劃分為“排水階段、憋壓階段、控壓產(chǎn)氣階段、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段及衰竭階段”等排采階段[21]，根據(jù)煤層氣井的排采特點(diǎn)和產(chǎn)氣規(guī)律，本次歷史擬合模擬時(shí)間為790 d(約2.16 a)。通過模擬發(fā)現(xiàn)：擬合的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量和PZMQ-001井實(shí)際產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量具有較好的一致性(圖1～圖4)，體現(xiàn)了歷史擬合模型的精準(zhǔn)性和模擬結(jié)果的高度可信度。煤層氣井產(chǎn)氣量具有以下特征(圖1、圖3)：煤層氣井投運(yùn)初期，歷時(shí)近38 d排水降壓和憋壓后才開始控壓產(chǎn)氣，之后產(chǎn)氣量逐步上升，直至排采約300 d氣井產(chǎn)氣量達(dá)到高峰；高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期持續(xù)時(shí)間相對較短，大約80 d；高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期過后煤層氣井進(jìn)入衰竭階段，氣井的產(chǎn)氣量逐漸降低。隨著排采的持續(xù)進(jìn)行，煤層氣井累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸增加；煤層氣井產(chǎn)水量表現(xiàn)為排采前期產(chǎn)水量較大，隨著煤層氣井排水降壓的持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)水量日趨減少，但累計(jì)產(chǎn)水量逐漸增加(圖2、圖4)。

表1 COMET3歷史擬合基本參數(shù)

圖1 PZMQ-001井產(chǎn)氣量歷史擬合

圖2 PZMQ-001井產(chǎn)水量歷史擬合

圖3 PZMQ-001井累計(jì)產(chǎn)氣量歷史擬合

圖4 PZMQ-001井累計(jì)產(chǎn)水量歷史擬合

2.5 煤層氣產(chǎn)能預(yù)測

由上述煤層氣井歷史擬合結(jié)果可知，所建立的煤層氣井歷史擬合模型具有較高的可信度。因此，基于上述擬合模型，采用COMET3煤層氣藏工程模擬軟件對潘莊井田的地面煤層氣開發(fā)井的產(chǎn)能進(jìn)行了預(yù)測。煤層滲透率和煤層氣井服務(wù)年限對煤層氣井的產(chǎn)能和采收率具有重要影響。因此，本次煤層氣產(chǎn)能模擬滲透率取值為研究區(qū)實(shí)測滲透率的平均值(3.72 mD)，煤層氣井服務(wù)年限為20 a。由產(chǎn)能預(yù)測結(jié)果可以看出(表2、圖5)，沁南潘莊井田煤層氣井具有較好的產(chǎn)氣效果，產(chǎn)氣量較高(最高可達(dá)3 700 m3/d)，在生產(chǎn)周期(或服務(wù)年限)內(nèi)，煤層氣井累計(jì)產(chǎn)氣量38×106m3，平均日產(chǎn)氣量2 400 m3。顯示了潘莊井田具有較好的煤層氣開發(fā)前景和價(jià)值。

表2 沁南潘莊井田煤層氣井產(chǎn)能模擬預(yù)測

圖5 沁南潘莊井田煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測

3 結(jié) 語

1) 潘莊井田地質(zhì)條件簡單，煤層氣高度富集，煤層滲透性好，具有良好的煤層氣開發(fā)煤儲層物性條件。

2) COMET3是一款專業(yè)化的煤層氣藏工程軟件，可用數(shù)學(xué)模型來模擬煤儲層物性和流體(水、煤層氣)在其中的擴(kuò)散、運(yùn)移及滲流等運(yùn)動規(guī)律。通過模擬，反演煤儲層參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤層氣井產(chǎn)能的預(yù)測，為煤層氣開發(fā)方案的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和可行性提供了決策依據(jù)。

3) 實(shí)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)夯實(shí)、完整性是保障歷史擬合結(jié)果精準(zhǔn)性和煤層氣井產(chǎn)能模擬預(yù)測結(jié)果可信度之關(guān)鍵。

4) 由產(chǎn)能模擬結(jié)果可知，沁南潘莊井田煤層氣井的產(chǎn)氣量較高，顯示了該井田具有良好的商業(yè)開發(fā)潛力和價(jià)值。在后期的大規(guī)模地面煤層氣開發(fā)實(shí)踐中亦證實(shí)了研究區(qū)煤層氣井具有很好的產(chǎn)氣效果，具備商業(yè)開發(fā)價(jià)值。