煤層氣水平井筒加熱煤層溫度變化規律實驗研究

劉立磚，周勁輝，冷 炎，馮 雷，馬成明，陳 鑫

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；3.中國石油（中國）有限公司非常規油氣分公司，山西壽陽 045400）

中國煤層氣資源十分豐富，據國際能源機構IEA統計，我國煤層氣資源量位列俄羅斯、加拿大之后，居世界第三。而煤層氣是一種潔凈的能源，我國煤層氣資源的開發對煤礦生產安全、環境保護和緩解中國能源緊張局勢具有重要意義。我國煤層氣一般具有三低（低孔、低滲和低飽和度）特征，導致煤層氣產量較小，采出程度低。提高煤層氣產能的主要途徑是利用水平井、多分支井等鉆井技術來擴大煤層的解吸面積，通過水力壓裂、注氣等增產措施提高煤層滲透率。在一些特殊的區塊，盡管利用先進的鉆完井技術和采用常規的增產改造措施，產氣效果仍然不理想，因此很有必要探索新的煤層氣增產措施。研究表明[1-5]，煤層溫度的變化對煤層氣的吸附和解吸有一定的影響，煤層氣的解吸量隨溫度的變化呈現一定的變化規律。因此研究煤層氣水平井筒加熱煤層溫度的變化規律對于了解煤層氣的解吸規律具有重要的意義。

1 國內外研究現狀

對地層進行加熱進行稠油熱采是比較成熟的技術，高溫助排技術廣泛應用到超稠油開發中[6]。對地層加熱的方法有高溫蒸汽以及電加熱等[7，8]。并建立了過熱蒸汽吞吐水平井加熱半徑計算模型、稠油熱采地層溫度控制模型和水平井蒸汽吞吐三維靜態溫度分布計算模型等對地層溫度進行預測[8-10]。針對稠油熱采，建立了水平井蒸汽吞吐產能預測模型對產能進行預測[11]。對水平井筒加熱煤層溫度的變化規律的研究未見報道。

2 煤層氣水平井筒加熱實驗裝置研制

2.1 實驗方案

總體方案（見圖1），用厚度100 mm 的水泥砂漿將一整塊煤巖包裹體，水平井筒位于煤巖端部，在煤層中間，垂直于煤層鉆取6 個煤層溫度測量孔，將溫度傳感器插入測量孔，周圍用80 目煤粉搗實，溫度傳感器與多通道數據采集裝置連接，該裝置與電腦連接，電腦中安裝有數據采集軟件對溫度進行實時采集。

圖1 實驗裝置示意圖

2.2 井筒加熱與煤層溫度測量裝置

將銅管插入水平井筒，周圍用80 目煤粉搗實，加熱棒放置在銅管中，銅管中注入導熱油，通過對導熱油加熱，熱量傳遞到銅管，再由銅管傳遞煤巖。溫度傳感器與溫控器連接，油溫達到設計溫度則停止加熱（見圖2）。

圖2 水平井筒加熱和煤層溫度測量示意圖

2.3 數據采集與溫控系統

數據采集系統由電腦主機1 臺、多通道數據采集儀1 臺、數據采集軟件1 套、溫控器1 臺、加熱棒1 根、交流接觸器1 個、溫度傳感器7 個、直流電源1 臺組成。

2.4 試件制作

將煤巖包裹在一定厚度的水泥砂漿中，養護一段時間即可用于實驗。用電鉆鉆出加熱水平井筒和溫度測量孔，對溫度傳感器編號1、2、3、1'、2'、3'，將傳感器與數據采集系統連接。

3 煤層氣水平井筒加熱煤層溫度的變化規律

3.1 水平井筒加熱煤層溫度的變化規律

水平井筒加熱溫度分別為110 ℃，120 ℃，130 ℃，140 ℃，150 ℃，160 ℃，170 ℃時，煤層中各測點的溫度（見圖3～圖9）。

從圖3～圖9 可以看出：

（1）離水平井筒越遠，煤層加熱效果越差。

圖3 水平井筒加熱溫度110 ℃溫度變化

圖4 水平井筒加熱溫度120 ℃溫度變化

圖6 水平井筒加熱溫度140 ℃溫度變化

圖7 水平井筒加熱溫度150 ℃溫度變化

圖8 水平井筒加熱溫度160 ℃溫度變化

圖9 水平井筒加熱溫度170 ℃溫度變化

表1 不同井筒溫度下升溫和降溫幅度對比

圖10 不同井筒溫度下升溫和降溫幅度對比

（2）煤層溫度的變化隨加熱時間的增加呈現不規律變化，加熱初始階段煤層溫度變化較慢；當加熱一段時間后，煤層溫度上升速度加快；隨著加熱的進行，煤層溫度上升速度趨緩。

（3）水平井筒溫度越高，加熱的效果越好。

3.2 水平井筒加熱溫度優化分析

不同井筒溫度下升溫和降溫幅度對比（見表1、圖10）。圖10 表明：當井筒溫度為110 ℃～130 ℃時，煤層升溫幅度平緩，當井筒溫度為140 ℃以上時，煤層升溫幅度明顯增加。

4 結論

（1）研制的煤層氣水平井筒加熱實驗裝置，可以實時測量距離水平井筒不同位置的煤層溫度。

（2）揭示了不同水平井筒溫度下煤層溫度變化規律，離水平井筒越近，水平井筒溫度越高，加熱的效果越好，反之煤層加熱效果越差；煤層溫度的變化隨加熱時間的增加呈現不規律變化，加熱初始階段煤層溫度變化較慢；當加熱一段時間后，煤層溫度上升速度加快；隨著加熱的進行，煤層溫度上升速度趨緩。

（3）優化了水平井筒加熱溫度，當井筒溫度140 ℃以上時，煤層加熱效率較高。

（4）提供了煤層氣高溫排采技術實驗方法和參考依據。