煤层气采收率预测方法研究及应用——以韩城矿区为例

接敬涛 邵先杰 乔雨朋 陈小哲 谢启红 张 珉

(燕山大学石油工程系， 河北 秦皇岛 066004)



煤层气采收率预测方法研究及应用
——以韩城矿区为例

接敬涛 邵先杰 乔雨朋 陈小哲 谢启红 张 珉

(燕山大学石油工程系， 河北 秦皇岛 066004)

准确预测采收率是开发方案调整和矿场措施实施的重要依据，但煤层气采收率计算尚无成熟的方法。在调研国内外文献基础上，对解吸实验法、等温吸附曲线法和物质平衡法进行改善，在解吸实验法中考虑井网密度和煤岩非均质性，在等温吸附曲线和物质平衡法中通过理论推导提出废弃压力的确定方法。

煤层气； 采收率； 预测方法； 废弃压力； 井网密度校正系数

煤层气采收率是指在一定经济极限内，在现代工艺技术条件下，能从气藏中采出的天然气量占总地质储量的比率，是衡量煤层气藏开发水平高低的一个重要指标。我国于上世纪末开始煤层气地面勘探、开发实践，随后在韩城和晋城开辟了先导试验区，使煤层气开发逐渐走向规模化和商业化，并针对中国复杂构造条件下的中高煤阶煤层气藏形成了自己的开发技术方法。随着煤层气开发的不断深入，迫切需要对采收率有一个准确的预测，为开发措施实施和方案调整提供依据。目前煤层气采收率的预测主要借用常规天然气的计算方法，原理上依据不充分，计算结果存在较大误差。本次研究在大量调研国内外资料基础上，通过室内实验和矿场生产数据分析，改进了解吸实验法、等温吸附曲线法、物质平衡法等3种方法，利用韩城矿区实际数据进行计算并对其计算结果进行评价。

1 解吸实验修正法

1.1 基本原理

在解吸实验法计算采收率方面，前人做了大量的研究工作，张培河等人利用解吸法对国内几十口煤层气井做了定量计算，求得国内煤层气采收率多在70%以上[1-3]。

在地层条件下，煤层气含量主要包括解吸气含量、损失气含量以及残余气含量。解吸气、损失气在地层条件下便可解吸，而残余气无法实现解吸不能被开采出来[1]。解吸气测定采用直接法，直接法是根据解吸初期解吸气量与时间平方根呈正比关系进行确定，以标准状态下累计解吸气量为纵坐标，损失气时间与解吸时间和的平方根为横坐标作图，将最初呈直线关系的各点连线，延长直线与纵坐标轴相交，则直线在纵坐标轴上的截距为损失气含量。

采收率计算公式为：

(1)

式中：ER— 煤层气采收率；

QS— 煤层气解吸实验中的损失气含量，m3t；

QJ— 煤层气解吸实验中的解吸气含量，m3t；

QC— 煤层气解吸实验中的残余气含量，m3t。

对韩城HC03井3#、5#和11#煤层各取3个不同深度上的煤芯进行快速解吸实验，由式(1)求得：3#煤层煤层气平均采收率为89.01%，5#煤层煤层气平均采收率为88.95%，11#煤层煤层气平均采收率为86.66%。

该方法直接把室内实验结果应用到现场，没有考虑井网的控制程度和煤层非均质性对压降漏斗和解吸量的影响，误差大，因此引入井网密度校正参数和非均质校正参数。

1.2 井网密度校正系数

在一定条件下，井网密度越大，采收率越高，引入井网密度系数M，M越大，采收率越大。井网密度系数公式如下：

(2)

由于煤层固有的低孔、低渗特性，大部分煤层气井都需要进行压裂改造。根据矿场实际数据统计，压裂裂缝延伸长度加上影响长度一般在170m左右，裂缝径向影响范围在110m左右，故极限井网密度为13.369口km2。目前韩城地区主要采用正方形井网，井距为350m，井网密度为8.163口km2，故井网密度系数为0.611。

1.3 煤岩非均质校正系数

煤层的均质程度越高，压降扩展规律越符合理论预测结果，产气性能越好，采收率越高。煤层的渗透率主要受割理密度和基质渗透率的影响，而割理和基质渗透率主要是受煤岩类型的控制，即在纵横向上，煤岩类型越均匀，储层就越均质，因此，把煤岩类型的均质程度引入到采收率校正中，提高采收率预测的准确度。

根据矿场实际统计，如果投产射孔井煤层段只有一个煤岩类型，其非均质校正系数N为1，煤层段有2个煤岩类型其非均质校正系数N为0.917，煤层段有3个煤岩类型其非均质校正系数N为0.846，依次类推，非均质校正系数经验公式如下：

(3)

式中：N— 为非均质校正系数；

a— 煤岩类型非均质段个数。

HC03井3#、5#、11#煤层的煤岩均质段个数分别为2，3，5，因此校正系数分别为0.917，0.846，0.733。

经修正后的快速解吸实验法采收率计算公式为：

(4)

由式(4)求得：3#煤层采收率为49.87 %，5#煤层采收率为45.98%，11#煤层采收率为39.71%。

2 等温吸附曲线法

2.1 基本原理

煤层气的吸附和解吸是一个可逆过程。假设地层处于等温状态，煤对CH4的吸附服从Langmuir等温吸附方程，随着压力的增加，煤对CH4的吸附能力增强；当煤吸附一定量的CH4后，随着压力的降低，吸附在煤层上的CH4会解吸，吸附量减少[1]。用等温吸附曲线方法求取采收率值，不仅要确定评价区的原始煤层气含量Vgi、Langmuir体积VL以及Langmuir压力PL，还需要煤层气井的废弃压力。

根据Langmuir方程知，煤层气藏在废弃压力Pa下的煤层气吸附量Vga为：

(5)

式中：Vga— 废弃压力下的煤层气吸附量，m3t；

VL— 一定温度下单位质量多孔介质的饱和吸附量，亦称Langmuir体积，cm3g；

PL— 吸附量等于饱和吸附量一半时的气体压力，亦称Langmuir压力，MPa；

Pa— 废弃压力，MPa。

煤层气的采收率为：

(6)

式中：Vgi— 原始煤层气含量，m3t。

2.2 废弃压力的确定

等温吸附法求采收率的关键在于确定废弃压力下的煤层气吸附量，即确定废弃压力Pa，废弃压力的准确性决定了采收率的准确性。

拜文华等人[11]利用等温吸附曲线法预测煤层气田采收率时，其废弃压力的确定都是借鉴常规天然气废弃压力的确定方法，误差较大。本次研究根据煤层气在地层条件下拟稳定流动时的气井产能公式计算平均地层压力，当煤层气产量达到经济极限产量时，平均地层压力即为煤层的废弃压力。

(7)

Pwf— 井底流压，MPa；

Qsc— 标准状态下井的产量，m3d；

μ— 煤层气体黏度，mPa·s；

Z— 气体偏差系数；

T— 煤层温度，K；

K— 地层渗透率，10-3μm2；

h— 煤层厚度，m；

Re— 供给半径，m；

Rw— 井底半径，m；

S— 表皮系数；

D— 紊流系数，(m3d)2，D=2.191×10-18×；

β— 速度系数，m-1，β=7.644×1010K1.5；

γg— 相对密度。

根据HC03井5#煤层试井资料，由式(7)可求得当井产量达到经济极限产量时的平均储层压力，见表1。储层废弃压力取0.7 MPa，则经济极限产量为300 m3d。

表1 HC03井5#煤层试井参数及平均储层压力

通过使用TerraTek-100等温吸附仪对韩城HC03井3个层位采集的煤芯样品进行测试、拟合，获得该井3个主力煤层的等温吸附曲线，如图1所示。

图1 HC03井煤层各煤样的等温吸附曲线

根据等温吸附参数及废弃压力，由式(5)、(6)计算采收率，结果见表2。

表2 等温吸附参数及采收率计算结果

由表2可知，韩城区块的3#煤层的采收率为66.38%，5#煤层的采收率为59.65%，11#煤层的采收率为54.29%。

煤层气的采收率随废弃压力的降低而增加，因此，在实际开采过程中应尽量降低废弃压力，在开采后期废弃压力即使只降低0.10 MPa，对煤层气采收率的贡献也相当可观[4]。

等温吸附曲线法求采收率操作简便，适用在煤层气勘探的最初阶段，并在充分研究煤层气地质条件的基础上进行。

3 物质平衡法

物质平衡法的实质是煤层气原始地质储量等于煤层气采出量与煤层气剩余地质储量之和[5]。

(1)饱和型煤层气藏。陈元千等人[7]基于King和Ahmed的研究方法和气藏工程原理提出了确定饱和型煤层气藏可采储量和采收率的方法。

煤层气气体的物质平衡法有如下前提条件：①甲烷主要以吸附态赋存于煤基质的微孔中，少量游离气赋存于割理中，忽略溶解气；②开发过程中吸附气解吸后立即进入割理，任一时刻基质中剩余的吸附气以及割理中的游离气，可按储层平均压力近似计算；③开发过程中，煤层温度保持不变，吸附解吸过程符合 Langmuir 方程；④原始地层压力Pi不大于吸附气临界解析压力Pr。

地面累计产气量Gp，地层压力从Pi下降到P的过程中，必将引起煤层气的膨胀作用，煤层基质岩石颗粒的弹性膨胀作用和裂缝内地层水的弹性膨胀作用，以及煤层气的解吸作用。在地面标准条件下物质平衡方程表示如下[7-10]：

Gai+Gfi=Gp+Gar+Gfr

(8)

式中：Gai— 基质吸附气原始地质储量，108m3；

Gfi— 裂缝游离气原始地质储量，108m3；

Gp— 地面累积产气量，108m3；

Gar— 基质吸附气剩余地质储量，108m3；

Gfr— 裂缝游离气剩余地质储量，108m3。

在压力Pi下基质吸附气原始地质储量：

Gai=0.01AhρcVgi

(9)

在压力Pi下裂缝中游离气原始地质储量：

Gfi=0.01Ahφf(1-Swi)Bgi

(10)

在压力P下基质中吸附气剩余地质储量：

Gar=0.01AhρcVg

(11)

在压力P下裂缝中游离气剩余地质储量：

(12)

将式(9) — (12)代入式(8)中，得：

GP=0.01Ahρc(Vgi-Vg)+

(13)

式中：A— 煤层气藏含气面积，km2；

ρc— 煤的空气干燥基密度，tm3；

Vgi— 在临界解析压力Pr下的等温吸附气含量，m3t；

Vg— 在地层压力P下的等温吸附气含量，m3t；

φf— 煤层孔隙度；

Swi— 初始含水饱和度；

Bgi— 煤层气初始体积系数；

Bg— 煤层气某压力、温度条件下的体积系数。

由Langmuir 等温吸附曲线方程知：

(14)

(15)

(16)

将式(14) — (16)代入式(13)整理得：

(17)

天然气的体积系数可表示为：

(18)

(19)

(20)

式中：Zi— 原始地层压力、温度下的偏差系数；

Z— 当前地层压力、温度下的偏差系数；

Zsc— 标准状态下的偏差系数；

T— 平均地层温度, K；

Tsc— 标准状态下温度，为293.15 K；

Pi— 原始地层压力，MPa；

Psc— 标准状态下的压力，为0.101 3 MPa。

将式(18) — (20)代入式(17)整理得：

(21)

当压力降至废弃压力Pa时，废弃压力下的煤层气体积系数为Bga，则煤层气可采储量GR为：

(22)

即：

(23)

式中：GR— 煤层气的可采储量，108m3；

Pa— 煤层废弃压力，MPa。

煤层气藏的开采储量由吸附气可采储量和游离气可采储量组成，故吸附气的可采储量GRa为：

(24)

游离气的可采储量GRf为：

(25)

根据煤层气采收率定义，吸附气的采收率ERa为：

(26)

游离气的采收率ERf为：

(27)

(2)欠饱和煤层气藏。煤层气藏为欠饱和气藏，即原始地层压力Pi大于临界解析压力Pd，原始裂隙中可认为无游离气，此时储层的原始吸附气含量Vgi应为临界解吸压力Pd下的吸附气含量，而不是原始地层压力Pi下的吸附气含量[6]：

(28)

煤层气的可采储量：

(29)

煤层气的采收率：

(30)

韩城矿区煤层气藏为欠饱和气藏，即Pi>Pd，储层废弃压力取0.7MPa，以HC03井为例，各煤层采收率计算结果见表3。

物质平衡法估算的采收率可靠程度较高，适用于煤层气开发阶段已完成排采过程的气井，不适用于边缘井[3]。

表3 HC03井各煤层参数及采收率

将以上3种方法求得的各煤层的采收率值平均后得到：3#煤层预测采收率为59.83%，5#煤层预测采收率为55.09%，11#煤层预测采收率为49.41%。中联煤层气有限责任公司在2007年对韩城WL1井区、韩试1井区利用数值模拟法和等温吸附法预测采收率为49.10%[2]。说明将改进后的3种方法计算的采收率值进行平均得到的结果比较可靠。

4 结 语

(1)依据解吸理论，把影响煤层气采收率的煤岩非均质参数、矿场井网密度添加到采收率预测公式中，提高了预测的准确率。其理论依据可靠，实际应用中可操作性强。

(2)等温吸附曲线法和物质平衡法中废弃压力是关键参数，本次研究提出的废弃压力确定方法，其计算结果与实际情况较吻合。

(3)在求取某区块煤层气藏采收率时，应把几种方法计算结果进行综合平均，减小误差，增加采收率预测的准确性。

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Research on the Predictive Method of CBM Recovery Efficiency:A Case Study of Hancheng Mining Area

JIEJingtaoSHAOXianjieQIAOYupengCHENXiaozheXIEQihongZHANGMin

(Petroleum Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

Predicting recovery efficiency accurately is an important basis for the adjustment of development program and the implement of mine measures. However, coalbed methane recovery calculation has not yet formed a complete or mature method. Based on the research of a lot of articles both home and abroad, this thesis aims to improve, the desorption experiment method, the adsorption isothermal curve method and the material balance method. In the desorption experiments method, well spacing density and heterogeneity of coal rock were considered. While based on the adsorption isothermal curve method and the material balance method, method for determining abandonment pressure was proposed by theoretical derivation.

coalbed methane; recovery efficiency; prediction method; abandonment pressure; well spacing density correction coefficient

2015-01-16

国家科技重大专项“煤层气藏开发机理与产能主控因素研究”(2011ZX05038-001)

接敬涛(1989 — )，男，在读硕士研究生，研究方向为煤层气工程、油藏工程。

TE327

A

1673-1980(2015)05-0059-05