低滲非達西煤層氣井滲流數學模型建立與應用

陳建華，王新海，劉 洋，成雙華，吳 劍

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

低滲非達西煤層氣井滲流數學模型建立與應用

陳建華，王新海，劉 洋，成雙華，吳 劍

(中國石油大學(北京)，北京 102249)

低滲透煤層氣藏中的氣體滲流存在非達西效應，使用常規方法對其進行產量預測與計算時易出現誤差。為有效解決該問題，在考慮啟動壓力梯度影響的條件下，建立了低滲煤層氣藏氣、水兩相滲流數學模型。利用有限差分法進行了數值求解，編制煤層氣直井開采數值模擬計算程序進行了產能預測，并分析了煤層參數對產量變化的影響。研究表明:①煤層氣井生產時，存在氣產量迅速升高、水產量迅速降低的階段;②吸附時間越短，氣產量越早到達高峰期，一定時間內產量也越高;啟動壓力梯度越大，高峰期后產量下降越快，最終產量也越小;③吸附氣超飽和煤層氣產量＞飽和煤層氣產量＞欠飽和煤層氣產量。

煤層氣藏;啟動壓力梯度;數學模型;產能預測;滲流數學模型

引言

國內外學者對于煤層氣流動規律已進行了大量研究。早在1947年，前蘇聯學者Кринчевский P.M.O開創性地應用達西定律來描述煤層氣流動并建立了相應的流動方程。1987年孫培德在冪定律推廣形式的基礎上，建立了均質和非均質煤儲層中氣體非線性流動模型［1］。2006年鄧英爾等采用實驗、理論與計算相結合的方法，建立了低滲透煤層中氣體非線性滲流的運動方程［2］。煤層屬于低滲透儲層，在中國更是存在低壓、低滲、低吸附氣飽和度的特性［3］。因此，在煤層中的滲流過程應該考慮啟動壓力梯度的影響。

1 數學模型的建立

在建立氣、水兩相滲流數學模型時，存在以下基本假設:①煤層視為基質微孔－裂縫雙重介質;②原始狀態裂縫中由水充滿或含少量的游離氣，大量氣體以吸附形式存在于基質中;③氣體為真實氣體，水是微可壓縮流體，煤基質中僅含氣;④氣體解吸擴散到裂縫的過程為擬穩態過程;⑤煤層內的流動為等溫流動，忽略重力和毛管力的影響。

1.1 煤層氣、水兩相滲流方程

裂縫中水相、氣相滲流速度可分別表示為［4－5］:

式中:vw、vg分別為水相、氣相滲流速度，m/d;K為裂縫絕對滲透率，μm2;Krw、Krg分別為水相、氣相相對滲透率;μw、μg分別為水、氣體黏度，mPa·s;p為裂縫壓力，MPa;Df為裂縫中氣體擴散系數，m2/d;Cf為裂縫中氣體濃度，kg/m3，Cf=ρgφfSg(ρg為氣相密度，kg/m3;φf為裂縫孔隙度;Sg為含氣飽和度);βw、βg分別為水相、氣相達西定律修正系數。

裂縫中水相連續性方程:式中:Sw為含水飽和度;ρw為水相密度，kg/m3。

將不斷擴散到裂縫中的氣體流量作為氣相流動的源，裂縫中氣相的連續性方程可表示為:

式中:qm為基質塊流出的流量，kg/(m3·d);FG為幾何因子;t為流動時間，h;Cm(t)為基質中吸附氣平均含量，kg/m3。

將式(1)代入式(3)，得到水相滲流方程:

式中:Bw為水相體積系數。

將式(2)代入式(4)，得到氣相滲流方程:

式中:Z為氣體偏差因子;R為氣體常數，kPa·m3/(mol·K);T為煤層溫度，K;Mg為氣體摩爾質量，kg/mol。

1.2 煤層氣解吸、擴散方程

煤層氣是1種以吸附態為主的天然氣，目前國內外學者一致認為煤對煤層氣的吸附符合朗格繆爾方程［6］，即:

式中:VE(p)為煤層氣吸附量，kg/m3;VL為朗格繆爾體積，kg/m3;pL為朗格繆爾壓力，MPa。

將氣體從基質中解吸流向裂縫系統過程視為擬穩態擴散，滿足Fick第一定律［7］，即:

式中:τ為吸附時間常數，h。

初始時刻基質中氣體濃度與煤層的吸附氣飽和度有關，有:

式中:pd為臨界解吸壓力，MPa;pi為煤層初始壓力，MPa。

1.3 煤層裂縫孔隙度和滲透率的壓力敏感性模型

氣體解吸使基質塊收縮，而有效應力增加使孔隙度減小，兩者綜合作用可能使滲透率增加也可能使其減小，此時孔隙度和滲透率隨應力變化可表示為［8］:

式中:Ki為裂縫初始滲透率，μm2;φi為裂隙初始孔隙度;psc為標準狀況壓力，MPa;cp為裂縫孔隙體積壓縮系數，MPa－1;cm為基質骨架收縮系數，MPa－1。

2 數值模型及求解

對相對滲透率、黏度、氣體偏差因子取其平均值，將壓力及其函數取為隱式，氣相飽和度及其函數取為顯式，消去飽和度得到關于壓力的差分方程:

當考慮內邊界(i=1)、外邊界(i=N)條件時，式(14)需要進行修正。

式(14)方程組為非線性方程組，采用牛頓－拉夫松方法將其線性化，得(k為迭代步數):

求出地層網格點處壓力后，代入水相滲流差分方程計算地層網格點處的含氣飽和度。求出每一時刻地層中各點的壓力和含氣飽和度之后，可用以下兩式計算產水量和產氣量。

3 煤層氣直井開采產能預測

模擬基本參數如下:煤層初始壓力為8.42 MPa，煤層溫度為304 K，井底壓力為3.14 MPa，朗格繆爾壓力為0.97 MPa，臨界解吸壓力為8.42 MPa，朗格繆爾體積為28.7 kg/m3，裂縫初始含氣飽和度為0.08，裂縫初始孔隙度為0.01，裂縫初始絕對滲透率為0.83×10－3μm2，裂縫孔隙體積壓縮系數為5.9×10－2MPa－1，基質骨架收縮系數為8.7 ×10－5MPa－1，裂縫中氣體擴散系數為0.016 m2/d，吸附時間常數為1 500 h，煤層厚度為4.2 m，為煤層半徑400 m，井半徑為0.12 m，甲烷氣摩爾質量為20 g/mol，氣體臨界壓力梯度為0.01 MPa/m，水臨界壓力梯度為0.03 MPa/m。

3.1 產量預測

圖1是煤層氣開采氣、水產量預測圖。與常規氣井生產曲線不同，煤層氣井生產有以下基本特點:①在開井后較短時間內，氣產量迅速升高，水產量則迅速降低;②氣產量達到峰值后開始下降，一段時間后開始回升，水產量降到最低值后略有回升，隨后開始下降。

隨著煤層氣井排水降壓生產，壓力低于臨界解吸壓力的區域逐漸增大，氣體解吸形成的兩相滲流區不斷擴大，造成氣產量先升高而后降低。之后由于氣相相對滲透率逐漸增大，水相相對滲透率逐漸減小，導致氣產量開始回升，水產量開始下降。

圖1 煤層氣開采氣、水產量預測

3.2 煤層參數對產量變化的影響

(1)吸附時間對產量變化的影響。吸附時間分別為200、720、1 000、1 500、3 000 h的模擬結果見圖2。如圖2所示，開井后一定生產時間內，吸附時間越短的煤層氣產量越大，氣產量達到高峰期的時間越短，高峰期產量也越大。吸附時間決定著煤基質中氣體解吸的快慢，氣體解吸越快，基質向裂縫供應氣體速度越快，因此吸附時間對產量的變化有著重大影響。

圖2 吸附時間對產量變化的影響曲線

(2)啟動壓力梯度對產量變化的影響。模擬計算當啟動壓力梯度分別為0.00、0.10、0.15 MPa/m時煤層氣產量的變化結果見圖3。啟動壓力梯度越大，達到高峰期的時間越長，高峰期過后產量下降越快，最終產量將越小。啟動壓力梯度的存在使得煤層氣藏排水降壓受阻，整個區域氣體解吸形成兩相滲流區時間變長，導致氣產量達到高峰期的時間變長。同時，啟動壓力梯度越大，附加阻力也越大，最終氣產量將越小。

圖3 啟動壓力梯度對產量變化的影響曲線

(3)吸附氣飽和度對產量變化的影響。分別計算超飽和煤層、飽和煤層以及不飽和煤層產氣量隨時間的變化，模擬結果如圖4所示。對于超飽和

圖4 不同飽和類型煤層的氣產量變化曲線

煤層，由于有部分游離氣存在，使整個區域初始含氣飽和度大于殘余氣飽和度，解吸出來的氣體立即可以流動，氣產量相對較高。而欠飽和煤層在壓力低于臨界解吸壓力的區域沒有氣體解吸，導致含氣量偏低，產量相對較低。

4 結論

(1)與常規氣井生產曲線不同，煤層氣井生產時，存在氣產量迅速升高、水產量迅速降低的階段。

(2)吸附時間越短，氣體解吸越快，氣產量越早到達高峰期，一定時間內氣產量也越高。

(3)啟動壓力梯度越大，達到高峰期的時間越長，其后下降越快，最終氣產量也越小。

(4)超飽和煤層氣產量＞飽和煤層氣產量＞欠飽和煤層氣產量。

(5)本文建立的考慮啟動壓力梯度影響的煤層氣藏氣、水兩相滲流數學模型，為以后研究低滲煤層氣藏提供了可靠方法。

［1］孫培德.煤層瓦斯流場流動規律的研究［J］.煤炭學報，1987，12(4):74－82.

［2］鄧英爾，謝和平，黃潤秋，等.低滲透孔隙－裂隙介質氣體非線性滲流運動方程［J］.四川大學學報:工程科學版，2006，38(4):1－4.

［3］張冬麗，王新海，宋巖.考慮啟動壓力梯度的煤層氣羽狀水平井開采數值模擬［J］.石油學報，2006，27(4): 89－92.

［4］王新海，張冬麗，宋巖.低滲非達西滲流煤層氣羽狀井開發機理研究［J］.地質學報，2008，82(10):1437－1442.

［5］戴強，段永剛，陳偉，等.低滲透氣藏滲流研究現狀［J］.特種油氣藏，2007，14(1):11－14.

［6］張冬麗，王新海.煤層氣單井開采數模研究［J］.江漢石油學院學報，2004，26(1):76－77.

［7］麻翠杰，郭大浩，鄧英爾，等.致密煤層氣運移的數值模擬［J］.大慶石油學院學報，2005，29(3):13－15.

［8］許衛，崔慶田，顏明友，等.煤層甲烷氣勘探開發工藝技術進展［M］.北京:石油工業出版社，2001:158－234.

Establishment and application of mathematical model for non－Darcy flow in low permeability coalbed methane wells

CHEN Jian－hua，WANG Xin－hai，LIU Yang，CHENG Shuang－hua，WU Jian
(China University of Petroleum，Beijing102249，China)

Gas flow in low permeability coalbed methane reservoir has non－Darcy effect.Using conventional method to predict and calculate production tends to lead to error.In order to effectively tackle this problem，a mathematical model of gas/water two－phase flow has been established for low permeability coalbed methane reservoir by taking account of threshold pressure gradient effect.The model is solved by using finite difference method.A computer program is developed for numerical simulation of vertical CBM well productivity prediction.The impact of coal seam parameters on production is analyzed.The results show that in the process of CBM well production，there exists a stage during which gas production increases quickly and water production decreases quickly;the shorter the adsorption time is，the earlier the peak production is seen;the greater the threshold pressure gradient is，the faster the production decline is after peak production，and the lower the ultimate production is;CBM production of supersaturated adsorbed gas＞saturated gas＞undersaturated gas.

coalbed methane;threshold pressure gradient;mathematical model;productivity prediction;percolation mathematical model

TE312;TE132.2

A

1006－6535(2012)03－0097－04

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.025

20110930;改回日期20120125

國家油氣重大科技專項“低滲、特低滲透油氣田經濟開發關鍵技術”(2011ZX013)

陳建華(1986－)，男，2009年畢業于長江大學石油工程專業，現為中國石油大學(北京)油氣田開發工程專業在讀碩士研究生，主要從事油藏數值模擬和試井分析研究工作。

編輯周丹妮