瓦斯地面安全高效抽采井网优化数值仿真研究

汪 漫，许汉华，李长俊

(1.武汉商学院信息工程学院，湖北 武汉 430056；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.浙江省规划设计研究院，浙江 杭州 310012)

瓦斯是赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。我国瓦斯藏储层的渗透率、原始储层压力偏低，瓦斯的抽采必须利用井群排采形成很大的压力降落，从而达到产气量商业化的效果[1-2]。因此，针对我国复杂地质条件下瓦斯藏井群排采展开研究对我国瓦斯开发具有重要的理论意义和应用价值。瓦斯抽采需要进行区块整体排水降压，而井间干扰使得相邻井的泄流区域重叠，从而形成叠加的压降漏斗[3]，迅速降低地层压力，从而使更多的瓦斯解吸出来。井群间距对井间干扰的形成至关重要，不同井距井群抽采时抽采井瓦斯产气速率、累计产量、储层压降以及储层瓦斯浓度均随之变化，影响抽采井的使用寿命以及使用寿命期间的瓦斯产量。

国外瓦斯储层普遍具有较高的渗透率，瓦斯抽采井网间距较大，关于瓦斯抽采井网布置的研究也相对较少[4]。一些学者针对国内低渗煤储层的瓦斯抽采井网布置设计做了大量的研究[3-8]，但是针对低阶煤田瓦斯抽采井网布置的研究并不多见。与高阶煤相比，低阶煤一般孔隙度较大，中孔-大孔分布较多，孔隙连通性好，渗流能力较强，吸附能力较低[9-11]。本文以中国吉林省的某低阶煤田为例，系统地研究和分析了瓦斯抽采井网布置的特点，具有重要的研究价值。

瓦斯产出受煤基质中单相气体解吸与割理、裂隙系统中气、水两相流动的综合控制，预测和分析瓦斯的产出特征是个较为复杂和困难的过程[12]。煤储层数值模拟技术是当前瓦斯开发过程中被广泛采用的技术手段[13-17]，其主要以煤基质微孔隙和天然裂隙组成的孔隙系统为特点，在气体吸附/解吸理论、扩散理论和流体渗流理论的指导下，通过建立数值计算模型，并通过计算机进行解算，以可视化形式输出结果。煤储层中瓦斯的运移一般遵循双孔隙度单渗透率模型[14,18-23]，此模型由两个互联系统组成，即煤基质和裂隙，这两部分的属性是单独赋予的，在割理、裂隙中为层流，而在基质孔隙中为扩散。与常规孔隙-裂隙油藏相比，煤的割理、裂隙系统发育，走向具有明显的方向性，这样抽象双重介质模型更接近煤的自然特性。

本文采用双孔隙度单渗透率模型对试验井瓦斯抽采历史产量进行拟合分析，并对深部瓦斯抽采井群布置进行系统的模拟计算，从而得到瓦斯抽采井网布置的优化结果。该研究成果可为同类型低阶煤高瓦斯矿井瓦斯抽采提供理论依据和技术指导。

1 瓦斯地面井群抽采数值模型建立

1. 1 模型介绍

吉林省某煤田区域构造较简单且规律明显，全区广泛发育有多层可采煤层。以26煤为例，煤类型以半亮型为主，半暗型次之；煤层显微组分以镜质组为主，含量为78.59%，惰质组和壳质组含量较少，分别为4.21%和1.25%，镜质组最大反射率为0.567%。经分析，煤层现有赋存深度每增加100 m，其镜质组反射率值增加0.05%。该煤田煤质化验得到的主要指标参数如表1所示。

表1 某煤田煤质的主要指标参数

本文模拟煤层气储层范围为2 525×2 525 m2，采用9井矩形井网井群抽采，瓦斯抽采井群布置及差分网格图如图1所示，其中P1～P9为抽采井编号。

图1 煤层气储层瓦斯抽采井群布置及差分网格图Fig.1 Coalbed gas extration well group layout and difference grid diagram

1. 2 模型参数

1.2.1 煤样渗透率

所有煤样统一做成Φ50 mm×100 mm 的圆柱形标准煤样，测试方法采用气体稳态法。进气端的进气压控制阀可以控制试件上表面气压，出气端与外界相连，使用皂泡流量计测定气体流量；待试件上、下端面气压差形成稳态渗流后，出气端测量的单位时间内的气体流量即为气体渗透速度。加载平均气压用进气端和出气端的气压计算，即p=(pin+pout)/2，其中pin和pout分别代表进气端和出气端的压力，实验室温度为 27℃。在实验室条件下维持煤样围压为8 MPa不变，采用稳态法测试不同轴压和平均气压下煤样的渗透率，其试验结果见图2。

图2 围压为8 MPa时煤样渗透率随平均气压的 变化曲线Fig.2 Variation curves of coal sample permeability with average air pressure under confining pressure of 8 MPa

由图2可知：平均气压由0.25 MPa增加到1.45 MPa的过程中不同轴压的煤样渗透率呈指数型降低，损失率在0.46～0.50之间；当维持平均气压不变时，煤样渗透率随轴压的升高也呈现降低的趋势。

1.2.2 煤样孔隙度

本文借助压汞试验研究了煤样基质的孔径分布特征，采用的试验设备为美国康塔公司生产的Poremaster33高压孔隙结构仪。测试分析系统利用汞对材料不浸润的特性，采用人工加压的方式使汞进入材料内部孔隙，通过高精度压力传感器和标准体积膨胀计测量试样的注汞和退汞曲线，并结合结构分析模型计算试样的孔径结构、孔隙度及真密度等参数。压力范围为0.001 6～228 MPa，压力传感器精度为±0.11%，孔径范围为3.2～475 μm。

压汞试验试样尺寸要求为最长边小于1 cm的长方体煤样，质量约1 g左右。用于压汞试验的煤样照片如图3所示。压汞试验测得的煤样基质孔隙度平均值为φm= 0.11。

图3 用于压汞试验的煤样照片Fig.3 Photos of coal samples for mercury injection test

煤样裂隙孔隙度通过密度试验获得，具体计算公式如下：

φc=[(ρt-ρa)/ρt]×100%

(1)

式中:φc为煤样基质孔隙度；ρt为煤样基质密度(kg/cm3)；ρa为煤样表观密度(kg/cm3)。

该煤田不同煤样的裂隙孔隙度测定结果，见表2。

表2 某煤田不同煤样的裂隙孔隙度测定结果

1.2.3 煤样吸附性

将煤样用研磨机粉碎，然后用筛子筛选出60～80目粒径(0.18～0.25 mm)的煤粉(见图4)分别在25℃和50℃温度条件下进行甲烷吸附试验，其中试验压力的变化范围为0～80 bar(8 MPa)，其试验结果见图5。

图4 用于甲烷吸附试验的煤粉试样照片(粒径为 0.18～0.25 mm)Fig.4 Photo of the pulverized coal sample used for me- thane adsorption test (particle size 0.18～0.25 mm)

图5 煤样等温吸附曲线Fig.5 Isothermal adsorption curve of coal samples

由图5可见，不同温度下煤样的等温吸附曲线均属于Ⅰ型等温线。在煤样孔径较小的微孔中，孔壁对吸附分子的作用势场发生重叠，使气体分子的吸附能很大。煤样在低压区等温吸附曲线迅速上升后逐渐接近平稳，说明煤样中大量的微孔存在。本文采用Langmuir等温吸附模型来描述瓦斯的吸附过程。

其他模型参数包括：煤样密度为1.35 t/m3，地面条件下的甲烷密度为0.704 kg/m3，甲烷扩散系数为0.02 m2/d，原始地层压力为3.96 MPa，等等。

1. 3 瓦斯抽采历史产量拟合分析

为了增加模型计算结果的准确性，本文首先基于BLCX-1005试验井瓦斯抽采历史产量数据，对实际采出情况进行历史拟合。BLCX-1005试验井产气量和产水量历史拟合情况，见图6和图7。

图6 BLCX-1005试验井产气量历史拟合情况Fig.6 Historical fitting of gas production in test well BLCX-1005

图7 BLCX-1005试验井产水量历史拟合情况Fig.7 Historical fitting of water yield of BLCX-1005 test well

由图6和图7可知：模拟计算得到的BLCX-1005试验井产气量和产水量均与实际产量相差不大；40 d前该试验井产水量的拟合结果与实际产水量数据一致，然而40 d后两者之间有些偏离，主要原因是实际地层地质条件相对复杂，地层界面、天然洞穴等都会造成试验井产水量的部分缺失，此外试验井实际产水量监测结果也具有一定的误差。但综合拟合结果已很理想，从而证明了本模型的准确性。

2 瓦斯地面井群抽采数值模拟分析

井群间距对井间干扰的形成至关重要，不同井距井群抽采时抽采井瓦斯产气速率、累计产量、储层压降以及储层瓦斯浓度均随之变化。本文计算了井距分别为200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、550 m、600 m时井群抽采的瓦斯产气速率、累计产量、储层压降以及储层瓦斯浓度。以井距350 m为例，图8和图9分别展示了井群抽采5 a后的储层瓦斯浓度和储层压力情况。图10为储层压力仰视图，由图10可以清晰地看到储层压降重叠区域的井间干扰现象。图11为不同井距井群抽采时9口抽采井中间位置的5号井的瓦斯产气速率和累计产量。

图8 井距为350 m时井群抽采5 a后的储层瓦斯浓度Fig.8 Concentration of coalbed methane in the reservoir after pumping for 5 years with well spacing of 350 m

图9 井距为350 m时井群抽采5 a后的储层压力Fig.9 Reservoir pressure after 5 years of pumping in well cluster with well spacing of 350 m

图10 井距为350 m时井群抽采5 a后的储层压力 仰视图Fig.10 Bottom view of reservoir pressure after 5 years of pumping in well cluster with well spacing of 350 m

图11 不同井距井群抽采时5号井的瓦斯产气速率 和累计产气量Fig.11 Gas production of No.5 well pumped by well groups with different well spacing

由图11可知：

(1) 井群抽采初期，即未形成井间相互影响之前，不同井距井群抽采的瓦斯产气速率是相同的；随着抽采的进行，相邻井之间逐渐形成了井间相互影响的干扰区，造成相邻井压降漏斗的叠加。叠加的压降漏斗可以使相邻井中间区域的压力很快降到临界解吸压力以下，瓦斯迅速解吸，可达到采收率最大化的目的。

(2) 井距越小形成井间干扰的时间越短，所以较小井距的井群抽采初期的瓦斯产气速率要大于较大井距；随着抽采的进行，较大井距的井群也逐渐形成了井间干扰，而且由于较大井距的井群单井控制面积和渗流补给面积较大，故瓦斯产气速率和累计产气量逐渐超越了较小井距。因此，在有限井距范围内，井距越大，形成井间干扰的时间越长，井群抽采初期的瓦斯产气量越小，后期的瓦斯产气量越大。

然而由于单井控制面积有限(尤其低渗透率储层)，如果井距过大，便不会形成较显著的井间干扰。井群总产气量相当于单井抽采产气量的叠加，单井使用年限内的总产气量也会随之趋于平稳，故相邻井之间区域内的煤气资源将不会被有效地采出，从而造成储层采收率的降低和资源的浪费。

3 井网抽采的最优井距选取

综合考虑煤田抽采成本及技术经济的合理性，认为单井日均产气量小于900 m3/d时失去了抽采价值，即定义单井日均产气量小于900 m3/d时对应的抽采时间作为抽采井的使用寿命。根据不同井距井群抽采时的瓦斯产气量模拟数据，可得出不同井距井群抽采时单井的使用寿命和单井使用寿命期间的年均产气量，并在模拟储层区域内以最大抽采井数布井，可得出不同井距井网下储层的采收率，见表3和图12。

表3 不同井距井群抽采时单井的使用寿命、年均产气量和储层采收率

由图12可知:单井使用寿命会随着井距的增加而增加；而单井使用寿命期间的年均产气量却随之减少，最后会趋于平缓，呈倒S型。这主要是由于不同井距的单井产气量及使用寿命均受井间干扰、单井控制面积、渗流补给面积等综合作用的影响；但当井距增大到一定程度时，尤其是低渗透率储层短时间内不会形成井间干扰，而且由于单井控制面积等因素的制约，单井使用寿命期间年均产气量会趋于平缓。

图12 不同井距井群抽采时单井使用寿命、年均产 气量和储层采收率随井距的变化曲线Fig.12 Variation curves of service life,annual gas production and recovery factor of a single well with well spacing during pumping production of group wells with different well spacing

此外，由图12还可知：如果选取井距过小，单井使用寿命期间的年均产气量会很大，但是单井使用寿命会很小，而且过多的抽采井数也会造成抽采成本的增加；相反，如果选取井距过大，单井使用寿命会随之增加，抽采井数目减少，投资成本会降低，但单井使用寿命期间的年均产气量却很小。储层采收率随井距的增加呈先增大后减小的趋势，极值点在280～300 m之间，故选取290 m作为该煤田矩形井网抽采的最优井距。

4 结 论

(1) 一定井距范围内，井距越大，形成井间干扰的时间越长，井群抽采初期的瓦斯产气量越小，后期的瓦斯产气量越大。然而因为单井控制面积有限(尤其是低渗透率储层)，如果井距过大，便不会形成较显著的井间干扰。井群总产气量相当于单井抽采产气量的叠加，单井使用年限内的总产气量也会随之趋于平稳，故相邻井之间区域内的煤气资源将不会被有效地采出，从而造成储层采收率的降低和资源的浪费。

(2) 根据单井产气量的计算结果，可得出不同井距抽采时单井的使用寿命和单井使用寿命期间的年均产气量。单井的使用寿命会随着井距的增加而增加；而单井使用寿命期间的年均产气量却随之减少，最后会趋于平缓。

(3) 储层采收率随井距的增加，呈现先增大后减小的趋势，极值点在280～300 m之间，故选取290 m作为该煤田矩形井网抽采的最优井距。