大傾角煤層淺部露出區(qū)煤層氣溢出問(wèn)題數(shù)值仿真模擬

王洪利，張遂安，黃紅星，張 瀟

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；3.煤層氣開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程研究中心，北京 100095；4.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

0 引 言

新疆準(zhǔn)噶爾盆地南部地區(qū)煤層氣資源豐富，煤層以中低煤階為主，是國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要低煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)示范區(qū)[1-2]。阜康白楊河礦區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前帶，42號(hào)煤層520～1 200 m 埋深煤炭資源量為1.54×108t，煤層氣探明儲(chǔ)量為11.11×108m3，前期先導(dǎo)示范工程達(dá)產(chǎn)6×104m3/d，最高單井產(chǎn)能突破2 522 m3/d，說(shuō)明本區(qū)有較好的煤層氣資源和產(chǎn)氣潛力[3-6]。

阜康白楊河礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)受逆沖推覆作用控制形成大傾角煤層，最傾斜處傾角達(dá)到53°。大傾角煤層加劇了儲(chǔ)層中氣-水分異現(xiàn)象的產(chǎn)生，王洪利等[3]研究了基于氣-水分異現(xiàn)象導(dǎo)致的大傾角煤層氣量動(dòng)態(tài)變化特征，模擬了當(dāng)儲(chǔ)層淺部處于封閉狀態(tài)時(shí)，排采后期煤層淺部會(huì)形成煤層氣聚集區(qū)。周三棟等[7]、尹淮新[8]對(duì)礦區(qū)構(gòu)造、煤層、儲(chǔ)層特征，以及該煤層氣成藏模型進(jìn)行研究，揭示了淺部煤層露出區(qū)和火燒區(qū)的存在，以及大傾角導(dǎo)致淺部煤層裸露，同時(shí)引起水動(dòng)力條件變化等特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。現(xiàn)有研究[7-9]多關(guān)注到了大傾角煤層氣生產(chǎn)中重力分異對(duì)液相的影響，而缺少研究浮力分異對(duì)氣相運(yùn)移造成的影響，筆者從阜康白楊河礦區(qū)42號(hào)煤地質(zhì)及露出區(qū)特征出發(fā)，將浮力項(xiàng)影響加入煤層氣滲流模型，通過(guò)數(shù)值模擬方法，仿真預(yù)測(cè)大傾角煤層淺部露出區(qū)煤層氣溢出量，以期為后期開(kāi)發(fā)提供理論建議減少煤層氣溢出造成的資源浪費(fèi)。

1 研究區(qū)煤系地層露出區(qū)域概況

阜康白楊河礦區(qū)總體上構(gòu)造為地層南傾的單斜構(gòu)造[10-11]，礦區(qū)內(nèi)煤層整體走向?yàn)榻鼥|西向，煤層傾角達(dá)到45°～53°。受燕山運(yùn)動(dòng)II幕、Ⅲ幕及喜山期運(yùn)動(dòng)影響，侏羅系煤系地層被持續(xù)抬升并擠壓，上覆巖層被剝蝕，上傾方向煤系地層出露，如圖1所示。

圖1 阜康白楊河區(qū)塊地理位置圖及大傾角煤層氣成藏模式示意[12-13]Fig.1 Location map and chematic of steep coalbed methane reservoir in Baiyanghe mining area of Fukang[12-13]

根據(jù)阜康礦區(qū)前期先導(dǎo)試驗(yàn)報(bào)告，區(qū)內(nèi)含煤地層侏羅系下統(tǒng)八道灣組中的39號(hào)、40號(hào)、41號(hào)、42號(hào)、43號(hào)和44號(hào)煤層因自燃嚴(yán)重，地表上在礦區(qū)北部形成了一條近東西向的燒變巖帶?；馃蟮拿簩映驶液稚?、黑褐色松散或膠結(jié)在一起的渣狀物，其含水和透水性很強(qiáng)，局部可見(jiàn)火燒殘留的部分，多分布在火燒底界面附近或兩組燒變巖的中部，因受強(qiáng)烈的烘烤，雖隱約可見(jiàn)煤層的一些特征，但其物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)已發(fā)生了不同程度的改變。煤層火燒影響強(qiáng)烈的圍巖，呈淺紅、褐、黑褐色熔融狀物質(zhì)，其巖石(層)的原始狀態(tài)已無(wú)法辨認(rèn)，具致密、堅(jiān)硬、氣孔發(fā)育之特征，多為煤層直接頂、底板。煤層火燒烘烤的圍巖，呈淺紅、灰白、棕紅色，其大多數(shù)巖石(層)的原始狀態(tài)仍清晰可辨，但已比原巖要致密堅(jiān)硬，由于受烘烤后巖石(層)受重力作用，裂隙較為發(fā)育，有較強(qiáng)的透水性及貯水性，主要位于遠(yuǎn)離火源的外圍地帶。據(jù)鉆探驗(yàn)證和磁法勘探的結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤層自燃形成的燒變巖深度大部地段在垂深250～550 m。沿東西向在本區(qū)北部侏羅系八道灣組下段38號(hào)～44號(hào)煤層地表露頭位置形成寬100～300 m，并呈帶狀橫貫全區(qū)，向兩端延伸至區(qū)外。工作區(qū)ΔT磁異常(ΔT磁異常為磁異常點(diǎn)上總磁場(chǎng)強(qiáng)度的模量與正常場(chǎng)總磁場(chǎng)強(qiáng)度模量的差值)是由火燒層引起，北部正負(fù)高異常帶為火燒層露頭的反映：工作區(qū)南部中低異常帶是隱伏火燒層的反映。本研究以其中的42號(hào)煤層為主要研究對(duì)象。

2 大傾角煤層煤層氣滲流數(shù)學(xué)模型建立

大傾角煤層氣數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)假設(shè)條件是煤層氣初始為吸附態(tài)賦存于煤層基質(zhì)孔隙表面，當(dāng)壓力降低到臨界壓力以下，煤層氣開(kāi)始解吸，通過(guò)擴(kuò)散作用擴(kuò)散到裂縫中，然后在煤層裂縫中通過(guò)滲流運(yùn)移到井底。過(guò)程中解吸過(guò)程遵循Langmuir等溫吸附方程，擴(kuò)散過(guò)程遵循Fick第一定律，儲(chǔ)層中的滲流遵循Darcy定律。張先敏等[14-17]建立的氣、水兩相雙孔單滲煤層氣三維流動(dòng)模型將該過(guò)程準(zhǔn)確地表征出來(lái)，如式(1)—式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：α為單位轉(zhuǎn)換因子；krw為相對(duì)滲透率；k為裂縫絕對(duì)滲透率，10-15m2；μ為流體黏度，kPa·s；p為L(zhǎng)相壓力，kPa；H為L(zhǎng)相密度，t/m3；H為標(biāo)高，m；qvm為解吸的煤層擴(kuò)散速度，m3/d；g為重加速度m/s2；qv為L(zhǎng)相產(chǎn)量，m3/d；S為L(zhǎng)相飽和度；公式中下標(biāo)g表示氣相，w表示水相。

吸附項(xiàng)qvw遵循Langmuir等溫吸附公式：

式中：VE為壓力為pg時(shí)煤層氣吸附量，m3/t；VL為L(zhǎng)angmuir體積，m3/t；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，kPa。

解吸氣向裂縫擴(kuò)散過(guò)程采用非平衡擬穩(wěn)態(tài)處理，遵循Fick第一定律[17]得到：

輔助方程：

Sw+Sg=1

(6)

王超文等[10]曾修正了大傾角煤層的滲流公式，但其只考慮了重力項(xiàng)受傾角的影響。上述模型采用微元法進(jìn)行建模假設(shè)時(shí)，微元體保持水平，模型考慮氣、水相的重力影響，但是沒(méi)有考慮沿傾斜方向氣相浮力的影響，如圖2所示(圖2中，采用微元體假設(shè)法，中心點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y,z)，Δx、Δy、Δz表示微元體的長(zhǎng)寬高，Vx、Vy、Vz表示延x、y、z方向的微元體中心點(diǎn)的體積流速，下標(biāo)x-Δx/2、x+Δx/2表示延x方向流入、流出微元體的位置，y、z方向同理)。所以需要對(duì)式(1)氣相滲流公式進(jìn)行補(bǔ)充浮力影響，以及對(duì)式(2)水相滲流公式的重力項(xiàng)添加傾角影響。展開(kāi)壓力梯度項(xiàng)，針對(duì)傾斜方向和z方向，添加浮力分量，這里假設(shè)微元沿y方向傾斜：

圖2 水平微元假設(shè)與傾斜微元假設(shè)示意Fig.2 Schematic of horizontal and inclined micro-element assumptions

(7)

(8)

式中：kx、ky和kz為各向異性滲透率，10-15m2；θ為傾斜角度。

張先敏等[18-20]的模型可以通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型離散網(wǎng)格化，然后在建模的過(guò)程中模擬大傾角，本研究的修改針對(duì)于突出浮力項(xiàng)的影響。將式(3)—式(8)耦合起來(lái)，設(shè)定邊界條件，就構(gòu)成了大傾角煤層的數(shù)學(xué)模型。對(duì)修改后的模型式(7)—式(8)進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值求解，得到大傾角煤層氣-水兩相各向異性非線性差分方程，再使用全隱式解聯(lián)立求解差分方程。

為對(duì)比加入浮力項(xiàng)對(duì)模型氣-水運(yùn)移的影響，建立了網(wǎng)格數(shù)為1×1×10的柱狀單孔-單滲氣-水兩相機(jī)理模型，基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。將柱狀模型初始含水飽和度全部設(shè)為0.5，即此時(shí)模型中含氣飽和度也為0.5。因?yàn)橹谎芯扛×?xiàng)的影響，所以機(jī)理模型不考慮煤層屬性。此時(shí)模型的壓力系統(tǒng)是不平衡的，在不進(jìn)行布井的情況下進(jìn)行計(jì)算，便可以觀察氣-水運(yùn)移情況。模擬1 a后機(jī)理模型中氣-水分布情況，結(jié)果如圖3所示，只考慮重力影響下頂部和底部網(wǎng)格的含水飽和度分別為0.437 8和0.601 5，整體氣-水分布變化不大。而考慮了浮力項(xiàng)的頂部網(wǎng)格和底部網(wǎng)格的含水飽和度分別為0.312 4和0.793 0，表現(xiàn)出更明顯的氣-水分異特征。

表1 機(jī)理模型參數(shù)設(shè)置

圖3 機(jī)理模型含水飽和度變化Fig.3 Water saturation change of mechanism model

3 結(jié)果與討論

3.1 煤層氣溢出數(shù)值模擬方法

以阜康白楊河礦區(qū)X1井的42號(hào)煤層實(shí)際地質(zhì)資料、煤樣解吸吸附試驗(yàn)數(shù)據(jù)和通過(guò)試井獲得的煤層物性參數(shù)作為初始參數(shù)，設(shè)置地層傾角為45°，構(gòu)建大傾角煤層的地質(zhì)模型。首先通過(guò)歷史擬合的方法對(duì)煤層物性參數(shù)進(jìn)行再描述，使其更加符合研究區(qū)實(shí)際情況。原始參數(shù)和擬合后參數(shù)見(jiàn)表2，相對(duì)滲透率曲線如圖4所示。大傾角煤層含氣量梯度根據(jù)礦區(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)報(bào)告的含氣量等值線推導(dǎo)出，如圖5所示。

表2 煤層物性測(cè)試參數(shù)與歷史擬合參數(shù)

圖4 42號(hào)煤層歷史擬合相對(duì)滲透率Fig.4 History matching relative permeability curves for No.42 coal seam

圖5 阜康白楊河礦區(qū)42號(hào)煤含氣量等值線[21]Fig.5 Gas content contour of No.42 coal seam in Baiyanghe mining area of Fukang[21]

選取了直井X1井的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用定井底流壓擬合產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量的方式，使用80%的歷史數(shù)據(jù)用于歷史擬合參數(shù)修正，20%的歷史數(shù)據(jù)用于產(chǎn)能預(yù)測(cè)，來(lái)驗(yàn)證歷史擬合調(diào)參準(zhǔn)確性，模擬結(jié)果如圖6所示。預(yù)測(cè)階段累計(jì)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)水量誤差分別為3.23%和0.58%，說(shuō)明通過(guò)儲(chǔ)層物性再描述后的數(shù)值模型從產(chǎn)能模擬角度還原了真實(shí)煤層特征。

圖6 X1井歷史擬合結(jié)果Fig.6 History matching result of Well X1

為了能夠仿真模擬煤層氣逃逸現(xiàn)象，設(shè)置模型埋深從0～1 200 m，地層傾角45°，沿傾向模型長(zhǎng)度為1 697 m，沿煤層展布方向設(shè)置長(zhǎng)度為500 m。根據(jù)實(shí)際情況在埋深300～700 m鉆順層井，即沿煤層傾斜方向鉆井的水平井，井底壓力設(shè)置為200 kPa。在埋深0處插入一排生產(chǎn)直井，用來(lái)仿真模擬煤層氣從淺部逃逸，井底壓力設(shè)置為151 kPa，因露出煤層上部有地層水，研究區(qū)為一單向斜構(gòu)造，在伊林黑格爾山北麓煤系地層露頭接收地表水補(bǔ)給，地下水沿陡坡由淺部向深部運(yùn)移[7]，但深度不定，故井底壓力設(shè)置為1.5個(gè)大氣壓。為了模擬地表水補(bǔ)給在埋深0處在生產(chǎn)井間插入注水井，井底壓力同樣設(shè)置為151 kPa。模擬時(shí)間為15 a，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 單井模擬時(shí)淺部煤層氣溢出量Fig.7 Amount of coalbed methane leakage from shallow area during single well simulation

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果顯示煤層氣從淺部溢出現(xiàn)象并非伴隨整個(gè)排采階段，在該模擬方案中溢出現(xiàn)象發(fā)生在第1 339天，并在3 257天時(shí)結(jié)束，累計(jì)溢出718 373 m3，在第2 131天時(shí)達(dá)到峰值，每天最大溢出量為620 m3/d。此方案中單井的產(chǎn)氣情況如圖8所示，溢出開(kāi)始的時(shí)間與產(chǎn)氣量到達(dá)峰值的時(shí)間相近，此時(shí)單井產(chǎn)量為16 206 m3/d。順層井產(chǎn)氣控制面積大、產(chǎn)氣能力強(qiáng)，溢出氣量相對(duì)于整體產(chǎn)量占比較小為1.54%，下面模擬直井生產(chǎn)時(shí)煤層氣溢出情況。

圖8 順層井日產(chǎn)氣量與累計(jì)產(chǎn)氣量Fig.8 Gas daily production and cumulative production of lateral well

地質(zhì)模型保持不變，分別模擬在300、500和700 m埋深鉆直井時(shí)煤層氣溢出情況，模擬結(jié)果如圖9、表3所示。

圖9 直井模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of vertical well

表3 直井模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示埋深300 m直井生產(chǎn)時(shí)，表現(xiàn)出和順層井一樣溢出氣特征，在第2 343天開(kāi)始，溢出量先增后減，在第3 429天結(jié)束，累計(jì)溢出量占直井累計(jì)產(chǎn)量的5.06%。埋深500 m和700 m直井生產(chǎn)時(shí)，溢出開(kāi)始時(shí)間相差1個(gè)月，15年兩個(gè)方案的煤層氣溢出現(xiàn)象均未停止，直井埋深500 m方案中的溢出量已經(jīng)到達(dá)拐點(diǎn)。煤層氣的溢出量也隨著鉆井深度的增加而增加，埋深700 m的直井生產(chǎn)時(shí)，煤層氣溢出量達(dá)到13.32×106m3，相當(dāng)于該井產(chǎn)量的3倍。埋深500 m的直井累計(jì)產(chǎn)氣量是最差的，只有1.61×106m3，溢出氣量比例卻達(dá)到668.02%。

從大傾角煤層壓力降傳播角度分析，壓力波首先呈圍繞井眼的圓形擴(kuò)散，隨著儲(chǔ)層整體平衡被破壞，在氣-水分異的作用下，向深部傳播的壓力波擴(kuò)展速度要大于向淺部的，分析造成煤層氣溢出現(xiàn)象的主要?dú)庠磥?lái)自于井眼淺部煤層解吸的煤層氣。埋深300 m的直井位于淺部，根據(jù)含氣量梯度計(jì)算，此處含氣量在4.75 m3/t，再往淺部就是火燒煤層區(qū)，氣含量已經(jīng)接近于0，所以淺部鉆井煤層氣溢出量較少。埋深500 m處含氣量增加到6.55 m3/t，由于原始儲(chǔ)層中淺部水在重力分異作用下會(huì)向下補(bǔ)充，導(dǎo)致其產(chǎn)能甚至不如埋深300 m處的直井。可見(jiàn)直井排采不適用于大傾角煤層，不僅產(chǎn)能較差，如果不配置合理井網(wǎng)還會(huì)造成大量的煤層氣資源浪費(fèi)。

使用無(wú)浮力項(xiàng)模型模擬300 m埋深和700 m埋深模擬方案，結(jié)果如圖10所示。若不添加浮力項(xiàng)300 m埋深直井無(wú)法觀測(cè)到溢出現(xiàn)象；700 m井雖然可以觀測(cè)到溢出現(xiàn)象但溢出量要少，產(chǎn)量更高一些。不添加浮力項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致溢出現(xiàn)象發(fā)生深度判斷偏差，以及深部井溢出量和產(chǎn)氣量計(jì)算錯(cuò)誤。

圖10 浮力項(xiàng)對(duì)煤層氣溢出量的影響Fig.10 Effect of buoyancy term on amount of coalbed methane leakage

3.3 煤層氣直井溢出影響因素分析

為了挖掘阜康白楊礦區(qū)42號(hào)煤煤層氣溢出現(xiàn)象開(kāi)始時(shí)間和最大溢出量的規(guī)律性，增加400 m、600 m埋深模擬方案，同時(shí)延長(zhǎng)模擬時(shí)間以保證觀測(cè)到最大溢出量發(fā)生時(shí)間。

從圖11a和圖11b可以看出最大溢出量和最大溢出量發(fā)生時(shí)間均與埋深呈正相關(guān)。主要原因是大傾角煤層含氣量分布與埋深同樣成正相關(guān)，排采過(guò)程井眼淺部的煤層氣解吸越多，在氣-水分異作用下造成更多的煤層氣溢出。溢出現(xiàn)象開(kāi)始時(shí)間隨著埋深增大逐漸縮短，如圖11c所示，拐點(diǎn)在500 m埋深左右產(chǎn)生，500 m已深溢出現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間幾乎一致。分析原因?yàn)椋绯霈F(xiàn)象開(kāi)始時(shí)間是由直井所在位置的含氣量、儲(chǔ)層壓力、臨界解析壓力以及氣體向淺部的運(yùn)移距離和速度共同決定的，在本模型中深部煤層與淺部煤層壓差是煤層氣向上運(yùn)移的主要作用力，當(dāng)加入浮力項(xiàng)后，浮力主要到汽包體積影響，故淺部含氣量低，降到臨界解析壓力所需的時(shí)間長(zhǎng)，解吸量少，雖然距離露出區(qū)近，但運(yùn)移速度慢。深部井雖然距離露出區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)，但解析氣量大，氣體運(yùn)移快。通過(guò)模擬埋深500 m以下煤層氣井見(jiàn)氣時(shí)間每100 m見(jiàn)氣時(shí)間間隔不到1月，可以忽略，拐點(diǎn)出現(xiàn)是因?yàn)閮?chǔ)層壓差為主要作用力，而浮力受壓差作用和孔隙體積影響已接近恒定。

圖11 埋深對(duì)煤層氣層溢出現(xiàn)象的影響Fig.11 Influence of buried depth on overflow phenomenon of coalbed methane

4 結(jié) 論

1)借鑒現(xiàn)有模型，考慮浮力項(xiàng)影響修正了大傾角煤層三維氣-水兩相滲流數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了大傾角煤層淺部煤層氣溢出現(xiàn)象的存在。若無(wú)浮力項(xiàng)淺部煤層直井排采無(wú)法觀測(cè)到溢出現(xiàn)象，深部煤層直井溢出量計(jì)算偏小。

2)阜康白楊河礦區(qū)大傾角煤層淺部煤層氣溢出數(shù)值模擬研究表明，煤層氣溢出現(xiàn)象是階段式的。順層井排采時(shí)，產(chǎn)氣量快達(dá)到峰值時(shí)溢出現(xiàn)象開(kāi)始發(fā)生，溢出量先增后減，直到溢出現(xiàn)象結(jié)束。直井排采時(shí)，溢出量遠(yuǎn)大于直井產(chǎn)能，造成了大量的資源浪費(fèi)。

3)直井排采過(guò)程中，煤層氣溢出總量和最大溢出量與直井的埋深呈線性關(guān)系，埋深越大溢出量越大。煤層氣溢出現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間隨著埋深增加而逐漸縮短，由于儲(chǔ)層壓差影響增大，浮力項(xiàng)逐漸恒定，500 m以深發(fā)生時(shí)間基本一致。

4)在大傾角煤層氣部署生產(chǎn)井時(shí)，中部到深部的直井產(chǎn)氣能力差，且會(huì)造成大量煤層氣溢出，溢出量遠(yuǎn)大于直井產(chǎn)能，造成了大量的資源浪費(fèi)。順層井降壓范圍大，控制面積廣，既能保證煤層氣產(chǎn)量，又能有效抑制煤層氣從淺部露出部位的溢出現(xiàn)象，應(yīng)以順層井作為主力開(kāi)發(fā)井型。