煤層氣井歷史擬合評述

趙 雯 朱炎銘 張曉莉 王懷勐 曹新款 王道華 方俊華

(1.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,資源與地球科學學院,江蘇 221008;2.福建出入境檢驗檢疫局技術中心,福建 350001)

煤層氣井歷史擬合評述

趙 雯1朱炎銘1張曉莉2王懷勐1曹新款1王道華1方俊華1

(1.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,資源與地球科學學院,江蘇 221008;2.福建出入境檢驗檢疫局技術中心,福建 350001)

本文主要闡述了國內外煤層氣井儲層模擬及歷史擬合研究現狀,概括了近20年的煤層氣井歷史擬合發展進程,介紹了目前煤層氣井儲層模擬研究運用最廣泛的COMET3軟件,并以沁水南部QN03井為例,介紹了如何運用COMET3軟件進行歷史擬合及產能預測。

煤層氣 儲層模擬 歷史擬合 COMET3

Abstract:This paper described the present research situation of coalbed methane wells reservoir simulation and history matching at home and abroad,and summarized nearly 20 years coalbed methane wells history matching development,also introduced the software COMET3,which was widely used in coalbed methane wells reservoir simulation in present.Meanwhile,As the QN03 well in southern of Qinshui basin for example,the author introduced how to conduct history matching and productivity prediction by using COMET3.

Keywords:Coalbed methane;reservoir modeling;history matching;COMET3

1 國內外煤層氣井儲層模擬研究現狀

煤層甲烷氣體引起的煤礦安全問題,一直是人們在煤炭開采過程中著重研究的課題。因此,煤層氣數值模擬的研究工作,最早是圍繞預測礦井瓦斯涌出量,為礦井通風系統設計服務及控制瓦斯災害為目的。1964年Lindine等提出了第一個預測生產礦井瓦斯涌出量的經驗模型,至1972年相繼建立了一維單孔隙氣相產量預測模型、二維單孔隙氣、氣水兩相產量預測模型并開發了相應的INTERCOMP軟件。經過長期的礦井瓦斯抽采工作實踐,人們逐漸認識到煤層氣既是影響煤礦生產的災害性氣體,同時也是一種高效清潔的替代能源。1973年,石油禁運引發的能源危機,強化了對煤層氣資源的需求,由此在美國掀起了煤層氣地面垂直井開發試驗的熱潮。隨著煤層氣開發試驗項目的相繼實施和實踐積累,煤層氣數值模擬研究工作,在繼續圍繞煤礦瓦斯研究的同時,借鑒油氣藏數值模擬的理論、技術和方法,擴展到煤層氣資源勘探、開發領域。目前,得到推廣應用的主要有COMET系列軟件和COALG AS軟件,而在煤層氣勘探開發研究和生產中應用最廣泛的軟件是COMET3D。

我國煤儲層數值模擬研究工作,1992年才剛剛開始,我國在這方面的技術水平尚處于急待發展的階段,與國際上美國的領先技術相比還有相當的差距。雖然在“八五”國家科技攻關項目中,專門設立了煤層氣數值模擬研究課題,1994年原華北石油地質局與清華大學合作,聯合開發出了二維單層煤層氣模擬軟件CMS,但是,對我國復雜構造條件下的低滲透、強吸附、多層賦存的煤儲層來說,其實際應用受到局限。目前,我國普遍使用的煤儲層數值模擬軟件,仍然是從國外引進的僅為執行文件COMET3D和COALG AS軟件。

在煤層氣資源開發過程中,儲層數值模擬是必不可少的重要環節之一。歷史擬合是整個數值模擬工作的基礎,通過歷史擬合,可以檢驗所建立的煤層氣儲層地質模型是否合理,包括煤層氣儲層參數和地質工程參數;可以找出儲層和過程描述資料的不足之處;可以對生產中出現的問題進行診斷,找出低產能并可能重新完井的井孔;能夠標出相對高殘余氣含量區域作為潛在開發區或找出鉆探靶區;可以得到與實際儲層比較接近的相關參數,而后利用這些參數能夠實現對儲層的較高精度的動態預測,更好地指導下一步的開采。

2 煤層氣井歷史擬合研究進程

從70年代國外就開始了煤層氣井歷史擬合研究,90年代進入了歷史擬合的成熟階段,進行了大量的煤層氣井歷史擬合分析,主要包括運用軟件進行產量模擬和產量預測,高精度的歷史擬合對煤層氣井的生產具有一定的指導意義。SheelyL.D在1994利用COMETPC軟件對鐵法盆地大興井田CW1井進行產量模擬,所預測的該井第一年內產量被后來實際生產所證實。1996年,原地礦部華北石油地質局通過煤層氣數值模擬軟件系統CMS對柳林試驗區的煤層氣井進行了歷史擬合研究,并做了產量預測。張遂安在1998年利用COALG AS模擬軟件對山西某煤層氣井進行了歷史擬合研究,估算出了未來15年內的單井氣產量。

隨著數值模擬的技術的進步和軟件的不斷開發,20世紀初期國內外進行了大量的煤層氣井歷史擬合分析,主要包括進行生產井氣、水產量數據的歷史擬合,分析獲取更為客觀的煤層氣儲層參數,預測井的長期生產動態和產量,為井網布置、完井方案、井的生產工作制度和氣藏動態管理的優化,以及最經濟、最有效的煤層氣項目開發方案的決策,提供科學依據。駱祖江于2003年在重點校正沁水盆地3號煤層的滲透率、孔隙度、相對滲透率、表皮系數等參數后,對日氣產量、日水產量、累積氣產量、累積水產量做了歷史擬合研究,得到了相對滲透率、孔隙度、表皮系數、含氣量等參數擬合值。王曉梅采用COMET-3D軟件,結合3口煤層氣井的生產數據,對淮南煤田新集礦區進行了歷史擬合研究,獲得了其中兩口井的歷史擬合氣產量、水產量曲線及相關參數值。要惠芳以河東煤田三交區塊煤層氣井生產資料為基礎,利用煤層氣地質學和地下水動力學原理對煤層氣井的生產曲線進行了擬合分析,并最終確定了兩口煤層氣井的水文地質參數。

未來的煤層氣井歷史擬合是以三孔隙、雙滲透率、全氣田范圍和多組分模擬的模型為基礎,進一步提高結果的穩定性和精度,對煤層氣井的生產具有更加重要的指導意義,歷史擬合工具會得到更廣泛應用。

3 COMET3在煤層氣豎井歷史擬合研究中的應用

3.1 COMET3軟件簡介

到目前為止歷史擬合最為廣泛使用的是由美國ARI公司研制的數值模擬軟件COMET3。該軟件為三孔、雙滲、三組分、兩相煤層氣數值模擬專業軟件。除了模擬非常規氣體,COMET3還可用以常規儲層的模擬以及黑油類型模擬。該軟件考慮了一些對煤層氣井產能有影響的特別的參數,比如孔隙收縮、煤基質壓縮、氣體重解吸、CO2注入以及水溶氣等。COMET3的一個顯著特征是可以通過自動的開關來將用戶所指定井的使用要求進行保存,這一特征出現在最大水產率的限制和井底流壓的控制中,或者在最小井底流壓的控制和水產率控制下。這一特征在對煤層中產水量有限的井的模擬時是非常有用的。

一般來說,煤層氣井歷史擬合工作的主要步驟有確定參數可調性→檢查模型數據→確定工作制度和擬合指標→動態指標擬合。其中歷史擬合調參是比較復雜和困難的過程(表1)。

表1 歷史擬合參數及可調性

3.2 COMET3軟件應用-以沁水盆地南部QN03井為例

以沁水盆地南部QN03排采歷史資料為基礎,根據歷史擬合的原則和流程進行單井歷史擬合計算擬計算結果與實際生產數據接近,擬合了產能曲線的總體趨勢,只是對產氣峰值的反映不明顯,考慮峰值兩端的擬合情況,認為參數擬合值可以接受,可以用來做產能預測(圖1)。

圖1 QN03井日產氣量歷史擬合曲線

經過歷史擬合得到的儲層參數(表2),能更真實客觀地反映煤儲層的自然特征和煤層氣生產能力,據此可以對煤層氣儲層和煤層氣井產能進行更準確、合理的評價。由表2看出,初始值與擬合值之間存在著不同程度的差異。比如儲層滲透率增加了0.11倍,儲層壓力增加了0.73倍,含氣量增加了0.17倍,解吸時間縮短了14%,割理孔隙率減少了71%,表皮系數減少了69%,朗格繆爾體積幾乎沒變。

在歷史擬合的基礎上,采用校正后新的儲層參數以及定產水量的工作制度,對QN03井進行了20年的產量預測,不同時間的產氣量、產水量預測結果。QN03井排采到第40天的時候產氣量達到最高峰,為3067.6m3/d,之后產量快速下降,接著有小幅度的增長期,在第1695天時出現第二個高峰,這個高峰比較緩,峰值為1634.3m3/d,之后產氣量一直緩慢降低,到第20年的產氣量為655m3/d,20年的累計產氣量為878.32×104m3,平均日產氣量為1199.1m3/d。產水量很小,日產水量不高于5m3/d,20年的累計產水量為4202m3。

表2 QN03井初始參數值及歷史擬合值對比

產能預測除用于預計產氣量和產水量外,還可以用于發現不適合的儲層管理程序并找出改善的方法,發現歷史擬合儲層描述中的短處,監測整個氣田壽命期間的儲層動態,對以后的煤層氣井產能排采工藝優化,提高單井產量具有重要的意義。

4 結論

(1)國外煤層氣數值模擬的研究工作發展迅速,從簡單的經驗模型、一維單孔隙氣相產量預測模型、二維單孔隙氣、水兩相產量預測模型到現在的三孔、雙滲、三組分、兩相模型COMET軟件。國內煤層氣儲層的數值模擬仍然是從國外引進的僅為執行文件COMET3D和COALG AS軟件。

(2)據近幾十年歷史擬合發展歷程,隨著軟件的發展和模擬經驗的豐富,歷史擬合結果越來越準確,對煤層氣井的生產具有重要的指導意義,歷史擬合工具會得到更廣泛的應用。

(3)運用COMET3對沁水盆地南部QN03井進行了20年的產量預測,QN03井20年的累計產氣量為878.32×104m3,平均日產氣量為1199.1m3/d。產水量很小,日產水量不高于5m3/d,20年的累計產水量為4202m3。

[1] 張群.國外煤層氣儲層數值模擬技術的現狀及發展趨勢[J].煤田地質與勘探,2004,Z(1):18-25.

[2] K ing C.R.,Ertekin T.M.Asurvey of mathematical models related to methane production from coal seams,Part I:Empirical&equilibrium sorption models[C].Proceedings of the 1989 Coalbed Methane Symposium,the Universityof Alabama/Tuscaloosa,1989:125-138.

[3] Airey E.M.Gasemission from broken coal:an experimental and theoretical Investigation[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining sciences,1968;5:475-494.

[4] Price H.S.,Mc CullochR.C.etal.A computer model study of methane migration incoalbeds[C].The Canadian Mining and Metallurgical Bulletin,1973;66(737):103-112.

[5] Kevin K ostuik.自動歷史擬合動態[J].國外石油動態,2007,2:12-15.

[6] JohnR.Fanchi.油藏模擬基礎與方法[M].北京:中國石化出版社,2001.

[7] 李斌.煤層氣非平衡吸附的數學模型和數值模擬[J].石油學報,1996,17(4):42-49.

[8] 張遂安.煤層氣模擬原理及其應用[J].中國煤層氣,1998,1:34-36.

[9] 張亞蒲.煤層氣數值模擬技術應用研究.中國科學院研究生院[D],2006.

[10] 駱祖江.煤層甲烷運移動力學模型研究[D].北京:煤炭科學研究總院,1997.

[11] 駱祖江,楊錫祿.煤層甲烷氣藏數值模擬[J].煤田地質與勘探,1997,2(25):28-30.

[12] 王曉梅,張群,張培河,等.煤層氣井歷史擬合方法探討[J].煤田地質與勘探,2003,31(1):20-22.

[13] SheehyL.D.,Stevens S.,Boyer C.M..中國東北沈陽地區煤層氣勘探總結[J].煤層氣,1994(1):43-54.

[14] 葉建平,郭海林,武強,等.鐵法盆地煤層氣成藏模式及產能預測[J].中國礦業大學學報,2002,31(2):204-207.

[15] 張遂安.煤層氣模擬原理及其應用[J].中國煤層氣,1998,1:34-36.

History Matching Comments about Coalbed Methane Wells

Zhao Wen1,Zhu Y anming1,Zhang Xiaoli2,Wang Huaimeng1,Cao Xinkuan1,Wang Daohua1,FangJunhua1
(1.China University of Mining&Technology,School of Resource&Earth Science,Coaled methane resources&Reservoir formation process,Jiangsu 221008;2.Fujian Entry-Exit Inspection and Quarantine Technology Center,Fujian 350001)

國家自然科學重點基金項目(No:40730422);國家科技重大專項(2008ZX05-034-04)。

趙雯,女,湖南省懷化市人,碩士研究生,從事礦產普查與勘探專業學習研究。

(責任編輯 黃 嵐)