煤层气排采过程中煤储层压力传播规律研究.docx
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煤层气排采过程中煤储层压力传播规律研究
收稿日期:
2010-12-23
基金项目:
国家科技重大专项项目(2008ZX05034);国家重点基础研究(973)计划项目(2009CB219605);国家自然科
基金重点项目(40730422);青年科学基金项目(40802032)
作者简介:
杜严飞(1983-),男,山东济宁人,2009年毕业于聊城大学,现研究方向为煤层气地质。
煤层气排采过程中煤储层压力传播规律研究
杜严飞,吴财芳,邹明俊,王
聪,姜伟,雷
波
(中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州
221008)
摘
要:
文章在分析煤层气排采机理的基础上,重点研究了煤储层压力在不同的煤储层边界
条件和排采制度下的传播规律。
研究表明:
在不同的煤储层边界条件和排采制度下,煤储层压力传播形成的压降曲线各异;煤储层压力的传播过程可分为两个阶段,即压力传播到储层边界之前为第一阶段,传到储层边界之后为第二阶段。
关键词:
煤层气;排采;储层压力;传播规律;压降曲线中图分类号:
TE32
文献标识码:
B
文章编号:
1671-0959(2011)07-0087-03
StudyonReservoirPressureTransmissionLawDuringGasMining
andDrainageProcessofCoalBedMethaneWell
DUYan-fei,WUCai-fang,ZOUMing-jun,WANGCong,IANGWei,LEIBo
(SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)
Abstract:
Baseontheanalysisonthemininganddrainagemechanismofthecoalbedmethane,thepaperhadastudyonthetransmissionlawofthecoalbedmethanereservoirpressureundertheboundaryconditionsofthecoalbedmethanereservoirandthemininganddrainagesystem.Thestudyshowedthatunderthedifferentboundaryconditionsofthecoalbedmethanereservoirandthemininganddrainagesystem,thepressuredropcurveformedbythereservoirpressuretransmissionwouldbedifferent.Thetransmissionprocessofthecoalbedmethanereservoirpressurecouldbedividedintotwostages.Thefirsstagewouldbebeforethepressuretransmittedtotheboundaryofthereservoirandthesecondstagewouldbethepressuretransmittedbeyondtheboundaryofthereservoir.
Keywords:
coalbedmethanewell;mininganddrainage;coalbedmethanereservoir;reservoirpressure;transmissionlaw煤储层压力是指作用于煤孔隙—裂隙空间上的流体压力(包括水压和气压),故又称为孔隙流体压力,相当于常规油气储层中的油层压力或气层压力[1]。
煤储层压力的大小直接决定着煤层对甲烷等气体的吸附能力,是控制煤层吸附气量的最关键因素,同时煤储层压力的降低也是煤层气解吸、运移的直接原因。
在煤层气排采过程中,随着水气的不断排出,一方面煤储层压力降低,当降低至临界解吸压力时,煤层气发生解吸,从而促进煤层气的产出;另一方面,煤储层压力的降低,使煤储层的有效应力增大,裂隙相对闭合,造成煤储层渗透率降低,从而又抑制了煤层气的产出。
因此,查明煤层气排采过程中煤储层压力的传播规律对于煤层气的排采具有重要的指导意义。
1煤层气排采机理
煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元孔、
裂隙介质,在原始储层条件下,煤储层孔、裂隙中的流体
处于一种相对稳定的平衡状态[2]。
当煤层气井揭露煤层后,随着连续不断的排水降压,原始平衡状态被打破,煤储层压力持续下降。
当煤储层压力低于临界解吸压力时,吸附在煤基质颗粒表面的气体开始解吸并扩散到裂隙系统,在裂隙中和水一起以达西流的形式运移至井筒产出。
煤层气的产出大致经历了三个阶段:
水的单相流阶段、非饱和流
阶段和气—水两相流阶段[3,4]
。
2煤层气排采过程中煤储层压力传播规律
煤储层压力的传播是由井筒与煤储层之间的压力差作
用引起的。
在煤层气排采前,煤储层处于原始平衡状态,井筒与煤储层之间不存在压力差,煤储层压力为原始储层压力即煤储层未受到破坏时的压力,也为最大煤储层压力。
当煤层气开始排采后,井筒液面下降,井筒与煤储层之间形成压力差,地下水从煤储层压力高的地方流向压力低的地方,地下水就源源不断地流向井筒,使得煤储层压力不
7
82011年第7期煤炭工程研究探讨
断下降,并逐渐向远方扩展,最终在以井筒为中心的煤储层段形成一个煤储层压降漏斗,并随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深[5],如图1所示
。
图1煤层气单井压降漏斗及压降传播示意图
依据渗流力学原理并结合煤层气开发试验和数值模拟技术可以看出:
在不同的煤储层边界条件和排除制度下,煤储层压力的传播规律不同[6-9]。
2.1开放性边界
煤储层的顶板或底板为透水层,存在直接或间接给水
含水层,或煤储层边界为张性断层,煤储层能得到充分的外部地下水的供给,这种边界条件称之为“开放性边界”。
在开放性边界条件下,煤储层的供给边界上的压力可近似地认为压力保持不变。
2.1.1
定产量生产时,煤储层压力传播规律
开放性边界定产量生产煤储层压力传播规律如图2所示,AA'AᵡB线表示原始储层压力,煤层气井以定产量生产过程中,从井底开始的压力降落曲线逐渐扩大和加深(如A1A';A2Aᵡ;……)。
此时煤层气的生产仅靠压降漏斗内的压力势能作为驱动,在压降边缘以外地区的水,因为没有压差作用而不流动。
故在A'、Aᵡ各点处压降曲线的切线是水平的。
当压降漏斗刚传到边界时,曲线A3B在B点的切线仍然是水平的,表示此时井内所产出的水仍然是靠B点以内储层内的压力势能。
当t>tB后,边界以外有地下水补充进来,这些补充来的水都通过B点,故压降曲线在B点的切线与水平线AB之间有一夹角。
随着外来地下水的不断补充,夹角也不断增大。
当边界外补充的地下水逐渐趋于井的排水量时,则煤储层内的压降曲线变化越来越小,经过无限长时间后,压降曲线最终在ANB处稳定下来。
这就表明,当外边界有充分的地下水供给时,在经过很长时间后,不稳定渗流趋于稳定渗流,此时边界外流入到煤储层内的水量等于从储层内流入到井内的水量。
由上分析可知,在煤层气开采中,煤储层压力的传播分为两个阶段,压力传播到边界之前为第一阶段;传到边界之后为第二阶段。
2.1.2
定压排采时,煤储层压力传播规律
在第一阶段中,压力传播与定产量生产时的一样,在压降漏斗以内,地下水在压力差的作用下发生流动,而在压降边缘以外地区的地下水,没有压差作用而不能流动。
其特点是随压降漏斗不断扩大,压降区域扩展(图3),渗
流阻力也不断加大,流向井筒的地下水减少,在保持井底
图2
开放性边界定产量生产煤储层压力传播规律
压力恒定的情况下,相应地井的产水量逐渐下降。
压降的第二阶段,边界外的地下水开始向地层内不断补充,在相当长的时间后,从边界外部流入的水量等于井内排出的水量,此后渗流过程趋于稳定,压力分布曲线趋于稳定
。
图3开放性边界定压排采煤储层压力传播规律
2.2封闭性边界
当煤储层顶板和底板都为隔水层,且边界为隔水边界
(如逆断层、推覆断层等),煤储层得不到地下水的补给,这种边界称为“封闭性边界”。
2.2.1
定产量生产时,煤储层压力传播规律
压力传播的第一阶段与开放性边界定产量生产的第一阶段几乎是一样的。
但在压力传播的第二阶段,由于边界是封闭的,无外来地下水的供给,故压力传到B0点后,边界B0处的压力就会不断下降(图4),在开始时边缘上压力下降的幅度比井壁及地层内各点要小一些,即B0B1<A0A1;B1B2<A1A2;……,随着时间的增加,井壁压降幅度逐渐低于边界各点压降幅度。
当井的产量不变,渗透阻力不变时,则煤储层内的能量释放也相对稳定下来。
直到煤储层内各点压力低于枯竭压力时,煤层气排采结束。
8
8研究探讨煤炭工程2011年第7期
图4封闭性边界定产量生产煤储层压力传播规律
2.2.2
定压排采时,煤储层压力传播规律
第一阶段与开放性边界定压排采的第一阶段压力传播情况是几乎相同的,但在第二阶段,由于边界封闭,无外来地下水补给,边界B处的压力逐渐下降。
同样的,由于井底压力保持不变的限制,从第一阶段起压降漏斗范围不断向外扩大,渗流阻力不断增大,而井的产水量也不断下降,到第二阶段后仍不断下降直到趋于0为止,如图5所示。
3结论
在煤层气开采中,不同的煤储层边界条件和排采方式,煤储层压力的传播规律不同,形成的压降曲线各异。
储层压力的传播过程可分为两个阶段:
压力传播到储层边界之前为第一阶段,储层压力在压力势能的驱动下不断向外传播,压降曲线不断向外扩大和加深;压力传播到边界之后为第二阶段,在定产量生产时,压降曲线不再加深,最终趋于稳定,而在定压排采时,压降曲线随排采将继续加深,直到趋于0
。
图5
封闭性边界定压排采煤储层压力变化图
参考文献:
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(责任编辑张宝优櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗
)
(上接第86页)
表6
各指标线性化后的聚类中心
巷道类别
σ顶/MPaσ煤/MPaσ底/MPaNHXDⅠ9525600.03260024.3Ⅱ5018352.353000.10514.9Ⅲ3012123.103800.36510.3Ⅳ4516302.653400.57611.9Ⅴ
25
11
11
3.19
410
0.765
9.7
4结语
结合4#煤层实际地质条件及顶底板情况,对4#煤层及顶底板岩性进行了相应的力学测定,并在测定结果上得到了4#煤层的围岩分类结果,从而为进一步巷道的科学化支
护提供了基础。
参考文献:
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(责任编辑张宝优)
9
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