煤层气井产能预测研究

赵璠璠

(山西西山蓝焰煤层气有限责任公司，山西 太原 030000)

1 煤层气研究现状

我国是煤层气资源大国，拥有储量客观的煤层气资源，其中煤层气储存物性好，开采难度低，经济价值高，都决定了开采煤层气资源对于稳定我国能源市场具有重要的意义[1]。

开采煤层气资源通常用多层合采的开采方式，此方式主要用于采油过程中[2]，应用于非常规油气开采中缺少相应的理论依据，尤其在煤层气产能的预测中，目前主要靠数值模拟软件，但其具有很大的局限性，压力表征不准，严重影响煤层气开采和预测，本文针对此问题建立了数学模型对煤层气产能进行预测。

2 建模方法研究

煤层气开采主要分3个阶段[3]，分别为排水阶段，产量上升阶段，产量递减阶段，每个阶段地层压力不同其产出气量也不一样，因此对不同阶段的模型建立也有一定的侧重，Al-Hussaniy R曾在理想状态下，利用气体流动方程，通过拟定压力、简化方程的方法建立了从稳态到非稳态的气井产量模型[4]。King认为煤层气渗透和扩散是相互作用的，因此建立了煤层气渗流模型，运用了非稳态吸附状态的产能公式。Manik考虑到气井中多气态共存的事实，建立了二维、三维多相气分模型，并在气井中注入N2和CO2提高了气井的采收率。Cicek针对CO2的时裂缝性煤层气藏渗流规律进行建模，建立了双孔、双渗、多组分、非等温煤层气渗流模型。Fathi 和 Akkutlu总结前人经验，利用大量地质数据模型，在非均质运动基础上建立了气体运动吸附模型，其实际效果更加符合地质规律，为煤层气产能预测提供了一个新方向[5]。

3 G煤层气田情况概述

G煤层气田总面积为104.4 km2，该井田主要开采煤层为2#、8#和9#煤层，2#煤层主要构造为一层不稳定的具叠锥构造的纹层状泥岩、泥灰岩、灰岩，其中煤层厚度0 m～5.98 m，平均厚度2.30 m，全矿区煤层厚度稳定，其中煤层气储量为15.75亿m3，可采储量为6.44亿m3，8#煤层顶板常为庙沟灰岩，煤层厚度稳定，为0.4 m～8 m,平均厚度3.2 m。其中，煤层气地址储量为23.73亿m3，可采储量为7.95亿m3。目前，2#、8#煤层已经全部开采完毕，整体封井，2#南三盘区3口井，单层采空井瞬时流量较低，约30 m3/h，日均产量为1 000 m3/d左右。

4 煤层气产能模型的建立

4.1 模型建立假设条件

本文针对煤层气多层产能地形建立了单井产能模型。研究了产能规律，实现了对煤层气的产能预测。煤层气多层产能单井模型，即是在纵向上存在一个或者多个生产井位，如第95页图1所示。

本文模型在以下假设条件下建立：

1) 煤层不考虑基质系统和裂隙系统差异性，两种地质条件空隙分布均匀。

2) 煤层储存物性平面均匀，参数一致，各层物象性质不同，流体在煤层中分布均匀。

3) 煤层厚度稳定，开发过程中不会变化，且不考虑外来物质的补充对煤层压力的影响。

图1 煤层气多层模型示意图

4) 煤层中水和气饱和度一致，设置为1。

5) 煤层气开采中设定为3个阶段，即解吸、扩散、渗流。

6) 开采中不考虑温度变化、井间干扰、流体耦合等过程。

4.2 模型建立

气田开采过程中压力逐渐衰减，多井气田依靠本身压力膨胀过程在正常范围内会表现出拟稳态的特征。设采气半径为r，流量与r到边界之间的距离成正比见式(1)。

(1)

式中，h为地层厚度，m；φ为孔隙度；qr为半径r处的流量。

当r=rw时，在井底范围内得式(2)。

(2)

将式(1)分析形变得到式(3)。

(3)

式(2)与式(3)合并可以得到式(4)。

(4)

由于rw比re小得多故可忽略不计，且当r=re时，带入方程，可以得到式(5)。

(5)

结合实际现场需求在拟态稳流的过程中带入表皮系数进行修正，得到式(6)。

(6)

在单井多层开采过程中，由于埋藏深度、液位压力、井内温度、气体膨胀等因素导致地层压力增大，煤层气因为不同的储存性能，不同的吸附特性必须达到临界压力才能析出气体，因此对压力极为敏感，由于液位随着压力的变化而变化，因此在产能预测中会产生不必要的误差，本模型结合生产过程中井口套压，动液面变化，煤层深度压力等推算出不同煤层压力变化见图2。

图2 多煤层合采井井筒液面示意图

4.3 计算过程

本文通过建立数学模型，结合实际气井的生产情况对煤层气产量进行预测，最终可以预测到产气、产水、压力值等相关指标，为研究人员对单井评价提供借鉴意义。本文通过PYTHON语言进行程序设计，主要计算流程为：首先确定储存参数和流体物性，建立初始化模块，对参数进行初始化，将初始化后的参数带入主模块进行迭代计算，通过输出模块将参数进行输出。

其中输入模块包括：几何形状、初始压力、孔隙度、渗透率、吸附属性、岩石压缩系数等。流体参数中，主要有组分含量、相对密度、压缩因子等。管理制度有井筒半径、井底压力、生产方式等。

初始化模块中，首先对数据进行诊断，筛选出有用数据，然后初始化相关参数：储层参数、吸附量、相对渗透率、游离气储量、吸附量储量、相对密度、黏度、压缩因子等系数。

主模块中首选输入液面、套压、排水时间步长控制等数据，通过这些数据预测液面高度，判断是否存在降速限制，如果是的话计算井底流压，通过流压计算出水量，如果没有超过最大出水量则计算井底气压，确定井筒压力是否大于限制套压，是的话计算地面产气量，否的话计算产气量，之后更新套压，根据累计产气量计算反向计算地层压力，最后确定地层是否收敛。

输出模块中主要包括单井日产气量、日产水量、累计产气量、累计产水量压力系数等，通过这些数据可以对煤层气井产气量进行初步预测。

5 结论

本文选取了G煤层气作为研究对象，利用气田的地质参数、流体参数、井间工作制度等数据，建立数学模型，结合实际工作情况，利用模型对单井日产气量、产水量、压力系数进行预测，最终预测结果对实际生产具有一定的指导意义，可以作为相关生产单位产量计算，生产预测的有效工具。