煤层气水平井筒加热煤层温度变化规律实验研究

刘立砖，周劲辉，冷 炎，冯 雷，马成明，陈 鑫

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249；3.中国石油（中国）有限公司非常规油气分公司，山西寿阳 045400）

中国煤层气资源十分丰富，据国际能源机构IEA统计，我国煤层气资源量位列俄罗斯、加拿大之后，居世界第三。而煤层气是一种洁净的能源，我国煤层气资源的开发对煤矿生产安全、环境保护和缓解中国能源紧张局势具有重要意义。我国煤层气一般具有三低（低孔、低渗和低饱和度）特征，导致煤层气产量较小，采出程度低。提高煤层气产能的主要途径是利用水平井、多分支井等钻井技术来扩大煤层的解吸面积，通过水力压裂、注气等增产措施提高煤层渗透率。在一些特殊的区块，尽管利用先进的钻完井技术和采用常规的增产改造措施，产气效果仍然不理想，因此很有必要探索新的煤层气增产措施。研究表明[1-5]，煤层温度的变化对煤层气的吸附和解吸有一定的影响，煤层气的解吸量随温度的变化呈现一定的变化规律。因此研究煤层气水平井筒加热煤层温度的变化规律对于了解煤层气的解吸规律具有重要的意义。

1 国内外研究现状

对地层进行加热进行稠油热采是比较成熟的技术，高温助排技术广泛应用到超稠油开发中[6]。对地层加热的方法有高温蒸汽以及电加热等[7，8]。并建立了过热蒸汽吞吐水平井加热半径计算模型、稠油热采地层温度控制模型和水平井蒸汽吞吐三维静态温度分布计算模型等对地层温度进行预测[8-10]。针对稠油热采，建立了水平井蒸汽吞吐产能预测模型对产能进行预测[11]。对水平井筒加热煤层温度的变化规律的研究未见报道。

2 煤层气水平井筒加热实验装置研制

2.1 实验方案

总体方案（见图1），用厚度100 mm 的水泥砂浆将一整块煤岩包裹体，水平井筒位于煤岩端部，在煤层中间，垂直于煤层钻取6 个煤层温度测量孔，将温度传感器插入测量孔，周围用80 目煤粉捣实，温度传感器与多通道数据采集装置连接，该装置与电脑连接，电脑中安装有数据采集软件对温度进行实时采集。

图1 实验装置示意图

2.2 井筒加热与煤层温度测量装置

将铜管插入水平井筒，周围用80 目煤粉捣实，加热棒放置在铜管中，铜管中注入导热油，通过对导热油加热，热量传递到铜管，再由铜管传递煤岩。温度传感器与温控器连接，油温达到设计温度则停止加热（见图2）。

图2 水平井筒加热和煤层温度测量示意图

2.3 数据采集与温控系统

数据采集系统由电脑主机1 台、多通道数据采集仪1 台、数据采集软件1 套、温控器1 台、加热棒1 根、交流接触器1 个、温度传感器7 个、直流电源1 台组成。

2.4 试件制作

将煤岩包裹在一定厚度的水泥砂浆中，养护一段时间即可用于实验。用电钻钻出加热水平井筒和温度测量孔，对温度传感器编号1、2、3、1'、2'、3'，将传感器与数据采集系统连接。

3 煤层气水平井筒加热煤层温度的变化规律

3.1 水平井筒加热煤层温度的变化规律

水平井筒加热温度分别为110 ℃，120 ℃，130 ℃，140 ℃，150 ℃，160 ℃，170 ℃时，煤层中各测点的温度（见图3～图9）。

从图3～图9 可以看出：

（1）离水平井筒越远，煤层加热效果越差。

图3 水平井筒加热温度110 ℃温度变化

图4 水平井筒加热温度120 ℃温度变化

图6 水平井筒加热温度140 ℃温度变化

图7 水平井筒加热温度150 ℃温度变化

图8 水平井筒加热温度160 ℃温度变化

图9 水平井筒加热温度170 ℃温度变化

表1 不同井筒温度下升温和降温幅度对比

图10 不同井筒温度下升温和降温幅度对比

（2）煤层温度的变化随加热时间的增加呈现不规律变化，加热初始阶段煤层温度变化较慢；当加热一段时间后，煤层温度上升速度加快；随着加热的进行，煤层温度上升速度趋缓。

（3）水平井筒温度越高，加热的效果越好。

3.2 水平井筒加热温度优化分析

不同井筒温度下升温和降温幅度对比（见表1、图10）。图10 表明：当井筒温度为110 ℃～130 ℃时，煤层升温幅度平缓，当井筒温度为140 ℃以上时，煤层升温幅度明显增加。

4 结论

（1）研制的煤层气水平井筒加热实验装置，可以实时测量距离水平井筒不同位置的煤层温度。

（2）揭示了不同水平井筒温度下煤层温度变化规律，离水平井筒越近，水平井筒温度越高，加热的效果越好，反之煤层加热效果越差；煤层温度的变化随加热时间的增加呈现不规律变化，加热初始阶段煤层温度变化较慢；当加热一段时间后，煤层温度上升速度加快；随着加热的进行，煤层温度上升速度趋缓。

（3）优化了水平井筒加热温度，当井筒温度140 ℃以上时，煤层加热效率较高。

（4）提供了煤层气高温排采技术实验方法和参考依据。