煤层气羽状水平井的开采优化

张福东 吴晓东

中国石油大学石油工程教育部重点实验室

煤层气羽状水平井的开采优化

张福东 吴晓东

中国石油大学石油工程教育部重点实验室

张福东等.煤层气羽状水平井的开采优化.天然气工业,2010,30(2):69-71.

羽状多分支井在煤层气开采中具有巨大的潜力,其井型的优化布置是多分支井成功开发煤层气的关键。目前在煤层气羽状多分支井产能预测和井型优化这方面的研究并不多,给现场生产造成了困难。为此,以多分支井产能数值计算方法为基础,研究了多分支井的分支角度、分支间距和分支长度对产能的影响。结果发现:为了获得较高的产能,多分支井的井筒应垂直于最大主渗透率方向;对于给定的煤层气藏,存在一个最优的分支间距,既能保证较大的控制面积,又能保证分支间的互相影响;随着分支长度的增高,产气量也显著增大,但是考虑到煤层边界和井筒压降的影响,分支长度也应该有一个比较合理的值。

煤层气 开采 羽状多分支井 角度 间距 长度 优化 类型

0 引言

羽状多分支井是指在一个主水平井眼的两侧再钻出多个分支井眼作为泄气通道的气井,它是在常规水平井和分支井的基础上发展起来的。为了提高煤层气井的产量,国内外已将羽状水平井技术逐步用于煤层气的开发,成效显著。

国内虽然对多分支井的产能进行了一些研究[1-2],但是没有深入分析多分支井的井身结构对产能的影响。为此笔者针对目前煤层气开发中应用比较广泛的羽状多分支水平井,运用数值计算的方法研究了分支井的井身结构对产能的影响,对多分支井的优化布置具有一定的指导意义。

1 数学模型

1.1 煤层气流动机理数学描述

煤层气的流动包括3个过程:甲烷从煤表面解吸;甲烷通过煤基质和微孔隙的扩散;甲烷通过割理系统的达西渗流。

1)甲烷从煤表面解吸的过程可以利用朗格缪尔等温吸附方程描述,即

式中:Vm为压力 p下单位体积固体所吸附的气体体积,m3/m3;Vmax为朗格缪尔吸附常数,m3/m3;b为朗格缪尔压力常数,也是朗格缪尔压力的倒数,MPa-1; p为气体压力,MPa。

2)煤层甲烷在煤基质和微孔隙中的扩散遵循Fick定律,即

3)煤层甲烷在割理系统中的流动为达西渗流。

1.2 产能预测数学模型

综合考虑煤层甲烷在煤层中的3种流动,二维煤层气非平衡拟稳态井底渗流控制方程可表示如下[3]:

式中:α为单位转换常数;Kc为煤层绝对渗透率,μm2; μg为气体的黏度,Pa·s;μw为水的黏度,Pa·s;Bg为气体的体积系数;Bw为水的体积系数;pcw为煤层割理系统水相压力,MPa;pcg为煤层割理系统气相压力, MPa;qw为煤层水产量(标准),m3/(d·m3);qg为煤层气产量(标准),m3/(d·m3);Scw为水相饱和度;Scg为气相饱和度;φc为煤层割理系统孔隙度。

如果Vm

2 羽状多分支井开采煤层气机理

关于煤层吸附特性(Langmuir吸附压力和吸附体积)和储层特性(渗透率、裂隙孔隙度、含气量、煤层厚度等)对煤层气多分支井生产的影响,相关报道已经比较多[4-6],但是井型结构对产能的影响,研究还不成熟。笔者利用编制的煤层气多分支井数值模拟软件结合辽河油田某煤层气矿实际地质资料对这方面进行了研究,模拟所需的基础数据为:埋深800m,煤层厚度5m,煤层原始压力7.53MPa,煤层渗透率0.25×10-3μm2,煤层压缩系数8.1×10-4MPa-1,吸附时间4d,朗格缪尔压力2.31MPa,朗格缪尔吸附常数38.5m3/m3,含气量10～12m3/t,原始气体体积浓度30m3/m3,水平井段半径0.2m,水平井段主枝长度1200m,分支数为8。

2.1 分支角度对产能的影响

应用上述基本数据,假设井筒总长度相同,单侧分支长度分别为200、300、400m和500m,在设定分支间距都为200m的情况下,分别给出30°、60°、90°的分支与主支夹角(图1)。从图2可以看出,90°时开采效果最好,这是因为90°时,井筒垂直于最大主渗透率的方向,效果较好。60°和30°次之,但是总的开采效果变化不大。因此,为了获得较高的产量,应尽量使分支井的井筒垂直于最大主渗透率方向。

2.2 分支间距对产能的影响

设定分支与主支的夹角均为30°,单侧分支长度分别为200、300、400m和500m,改变分支间距分别为100、200m和300m(图3),研究不同分支间距对产气量的影响。

图1 不同分支角度示意图

图2 不同分支角度产气量图

图3 不同分支间距示意图

图4 不同分支间距产气量图

从图4可以看出,当分支间距增加时,产气速度不断增加,但随着分支间距的增大,产气量的增幅变小。究其原因是因为分支间距的太小,控制泄流面积小,峰值产气量就小;分支间距变大,控制面积也随之变大,形成大面积同时排水降压,产气量增加。但是多分支井的有效控制面积有一个极限值,分支间距太大时,分支变为单个的井筒控制煤层渗流,达到最大有效控制面积,产气量也达到最大值,再增加间距,已经不能增加有效控制面积,也不能控制相应煤层区域的采出程度。所以对于给定的煤层气藏,存在一个最优的分支间距,既能保证较大的控制面积,又能保证分支间的互相影响,有效的控制煤储层,获取较高的采收率。

2.3 分支长度对产能影响

给定相同的主支长度和分支间距,分支长度分别为200m、350m和500m,间距为200m,分支与主支的夹角为45°(图5),研究不同分支长度对产气量的影响。

图5 不同分支长度示意图

从图6可以看出,随着分支长度的增加,产气量和峰值产气量都在增加,但是考虑到煤层边界和井筒压降的影响,分支长度也应该有一个比较合理的值。

图6 不同分支长度产气量图

3 结论

1)煤层气羽状分支井的井型结构对其产能有显著的影响,在布置羽状分支井时应对其结构进行优化。

2)对于给定的煤层气藏,为了获得较高的产能,分支井的井筒应垂直于最大主渗透率方向;各分支间存在一个最优的分支间距,既能保证较大的控制面积,又能保证分支间的互相影响。

3)随着分支长度的增加,产气量和峰值产气量都在增加,但是考虑到煤层边界和井筒压降的影响,分支长度应该有一个比较合理的值。

[1]张冬丽,王新海.煤层气羽状水平井开采数值模拟研究[J].煤田地质与勘探,2005,33(4):48-50.

[2]鲜保安,高德利,李安启,等.煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析[J].天然气工业,2005,25(1):114-116.

[3]吴晓东,王国强,李安启,等.煤层气井产能预测研究[J].天然气工业,2004,24(8):82-84.

[4]李斌.煤层气非平衡吸附的数学模型和数值模型[J].石油学报,1996,17(4):42-49.

[5]岳晓燕,谭世君,吴东平.煤层气数值模拟的地质模型与数学模型[J].天然气工业,1998,18(4):28-31.

[6]吴晓东,张迎春,李安启.煤层气单井开采数值模拟的研究[J].石油大学学报,2000,42(2):47-53.

(修改回稿日期 2009-11-19 编辑 韩晓渝)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.017

Zhang Fudong,senior engineer,was born in1968.He is working at the postdoctoral station,being engaged in oil and gas development research.

Add:No.18,Fuxue Rd.,Changping District,Beijing102249,P.R.China

Tel:+86-10-89734626 E-mail:sunshine_8011@163.com

Optimization of pinnate horizontal multilateral wells for coalbed gas recovery

Zhang Fudong,Wu Xiaodong
(Key L aboratory f or Petroleum Engineering,Ministry ofEducation,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.69-71,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Pinnate horizontal multilateral wells have great potential in the exploitation of coalbed methane,the result of which lies in well pattern optimization.However,much trouble arises in field production of pinnate horizontal multilateral wells for lack of references from present studies on productivity predication and well type optimization.Therefore,based on numerical calculation of a multi-branch well’s productivity,the influences of the branch angle,branch interspaces and branch length on the gas yield are investigated.The results show that a.for a higher yield,the multi-branch well bore should be perpendicular to the direction of maximum principal permeability,b.for a given coalbed methane reservoir,there is an optimal interspace,by which a bigger control area and the interaction among the branches can be obtained,and c.with the extension of the branch,gas yield becomes obviously higher, while the branch length should be an appropriate value on account of the influence of coal bed boundary and wellbore pressure drop. The research results have guiding significance for well pattern optimization and efficient development of coalbed methane gas.

coalbed methane,exploitation,pinnate horizontal multilateral well,angle,interspaces,length,optimization,well pattern

book=5,ebook=56

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.017

中国—欧盟能源环境项目“中国煤层气生产可行性研究”(EuropeAid/120723/D/SV/CN)部分研究成果。

张福东,1968年生,高级工程师,博士,在站博士后;长期从事油气田开发方面的研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路18号。电话:(010)89734626。E-mail:sunshine_8011@163.com