瓦斯地面安全高效抽采井網優化數值仿真研究

汪 漫，許漢華，李長俊

(1.武漢商學院信息工程學院，湖北 武漢 430056；2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.浙江省規劃設計研究院，浙江 杭州 310012)

瓦斯是賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。我國瓦斯藏儲層的滲透率、原始儲層壓力偏低，瓦斯的抽采必須利用井群排采形成很大的壓力降落，從而達到產氣量商業化的效果[1-2]。因此，針對我國復雜地質條件下瓦斯藏井群排采展開研究對我國瓦斯開發具有重要的理論意義和應用價值。瓦斯抽采需要進行區塊整體排水降壓，而井間干擾使得相鄰井的泄流區域重疊，從而形成疊加的壓降漏斗[3]，迅速降低地層壓力，從而使更多的瓦斯解吸出來。井群間距對井間干擾的形成至關重要，不同井距井群抽采時抽采井瓦斯產氣速率、累計產量、儲層壓降以及儲層瓦斯濃度均隨之變化，影響抽采井的使用壽命以及使用壽命期間的瓦斯產量。

國外瓦斯儲層普遍具有較高的滲透率，瓦斯抽采井網間距較大，關于瓦斯抽采井網布置的研究也相對較少[4]。一些學者針對國內低滲煤儲層的瓦斯抽采井網布置設計做了大量的研究[3-8]，但是針對低階煤田瓦斯抽采井網布置的研究并不多見。與高階煤相比，低階煤一般孔隙度較大，中孔-大孔分布較多，孔隙連通性好，滲流能力較強，吸附能力較低[9-11]。本文以中國吉林省的某低階煤田為例，系統地研究和分析了瓦斯抽采井網布置的特點，具有重要的研究價值。

瓦斯產出受煤基質中單相氣體解吸與割理、裂隙系統中氣、水兩相流動的綜合控制，預測和分析瓦斯的產出特征是個較為復雜和困難的過程[12]。煤儲層數值模擬技術是當前瓦斯開發過程中被廣泛采用的技術手段[13-17]，其主要以煤基質微孔隙和天然裂隙組成的孔隙系統為特點，在氣體吸附/解吸理論、擴散理論和流體滲流理論的指導下，通過建立數值計算模型，并通過計算機進行解算，以可視化形式輸出結果。煤儲層中瓦斯的運移一般遵循雙孔隙度單滲透率模型[14,18-23]，此模型由兩個互聯系統組成，即煤基質和裂隙，這兩部分的屬性是單獨賦予的，在割理、裂隙中為層流，而在基質孔隙中為擴散。與常規孔隙-裂隙油藏相比，煤的割理、裂隙系統發育，走向具有明顯的方向性，這樣抽象雙重介質模型更接近煤的自然特性。

本文采用雙孔隙度單滲透率模型對試驗井瓦斯抽采歷史產量進行擬合分析，并對深部瓦斯抽采井群布置進行系統的模擬計算，從而得到瓦斯抽采井網布置的優化結果。該研究成果可為同類型低階煤高瓦斯礦井瓦斯抽采提供理論依據和技術指導。

1 瓦斯地面井群抽采數值模型建立

1. 1 模型介紹

吉林省某煤田區域構造較簡單且規律明顯，全區廣泛發育有多層可采煤層。以26煤為例，煤類型以半亮型為主，半暗型次之；煤層顯微組分以鏡質組為主，含量為78.59%，惰質組和殼質組含量較少，分別為4.21%和1.25%，鏡質組最大反射率為0.567%。經分析，煤層現有賦存深度每增加100 m，其鏡質組反射率值增加0.05%。該煤田煤質化驗得到的主要指標參數如表1所示。

表1 某煤田煤質的主要指標參數

本文模擬煤層氣儲層范圍為2 525×2 525 m2，采用9井矩形井網井群抽采，瓦斯抽采井群布置及差分網格圖如圖1所示，其中P1～P9為抽采井編號。

圖1 煤層氣儲層瓦斯抽采井群布置及差分網格圖Fig.1 Coalbed gas extration well group layout and difference grid diagram

1. 2 模型參數

1.2.1 煤樣滲透率

所有煤樣統一做成Φ50 mm×100 mm 的圓柱形標準煤樣，測試方法采用氣體穩態法。進氣端的進氣壓控制閥可以控制試件上表面氣壓，出氣端與外界相連，使用皂泡流量計測定氣體流量；待試件上、下端面氣壓差形成穩態滲流后，出氣端測量的單位時間內的氣體流量即為氣體滲透速度。加載平均氣壓用進氣端和出氣端的氣壓計算，即p=(pin+pout)/2，其中pin和pout分別代表進氣端和出氣端的壓力，實驗室溫度為 27℃。在實驗室條件下維持煤樣圍壓為8 MPa不變，采用穩態法測試不同軸壓和平均氣壓下煤樣的滲透率，其試驗結果見圖2。

圖2 圍壓為8 MPa時煤樣滲透率隨平均氣壓的 變化曲線Fig.2 Variation curves of coal sample permeability with average air pressure under confining pressure of 8 MPa

由圖2可知：平均氣壓由0.25 MPa增加到1.45 MPa的過程中不同軸壓的煤樣滲透率呈指數型降低，損失率在0.46～0.50之間；當維持平均氣壓不變時，煤樣滲透率隨軸壓的升高也呈現降低的趨勢。

1.2.2 煤樣孔隙度

本文借助壓汞試驗研究了煤樣基質的孔徑分布特征，采用的試驗設備為美國康塔公司生產的Poremaster33高壓孔隙結構儀。測試分析系統利用汞對材料不浸潤的特性，采用人工加壓的方式使汞進入材料內部孔隙，通過高精度壓力傳感器和標準體積膨脹計測量試樣的注汞和退汞曲線，并結合結構分析模型計算試樣的孔徑結構、孔隙度及真密度等參數。壓力范圍為0.001 6～228 MPa，壓力傳感器精度為±0.11%，孔徑范圍為3.2～475 μm。

壓汞試驗試樣尺寸要求為最長邊小于1 cm的長方體煤樣，質量約1 g左右。用于壓汞試驗的煤樣照片如圖3所示。壓汞試驗測得的煤樣基質孔隙度平均值為φm= 0.11。

圖3 用于壓汞試驗的煤樣照片Fig.3 Photos of coal samples for mercury injection test

煤樣裂隙孔隙度通過密度試驗獲得，具體計算公式如下：

φc=[(ρt-ρa)/ρt]×100%

(1)

式中:φc為煤樣基質孔隙度；ρt為煤樣基質密度(kg/cm3)；ρa為煤樣表觀密度(kg/cm3)。

該煤田不同煤樣的裂隙孔隙度測定結果，見表2。

表2 某煤田不同煤樣的裂隙孔隙度測定結果

1.2.3 煤樣吸附性

將煤樣用研磨機粉碎，然后用篩子篩選出60～80目粒徑(0.18～0.25 mm)的煤粉(見圖4)分別在25℃和50℃溫度條件下進行甲烷吸附試驗，其中試驗壓力的變化范圍為0～80 bar(8 MPa)，其試驗結果見圖5。

圖4 用于甲烷吸附試驗的煤粉試樣照片(粒徑為 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)

圖5 煤樣等溫吸附曲線Fig.5 Isothermal adsorption curve of coal samples

由圖5可見，不同溫度下煤樣的等溫吸附曲線均屬于Ⅰ型等溫線。在煤樣孔徑較小的微孔中，孔壁對吸附分子的作用勢場發生重疊，使氣體分子的吸附能很大。煤樣在低壓區等溫吸附曲線迅速上升后逐漸接近平穩，說明煤樣中大量的微孔存在。本文采用Langmuir等溫吸附模型來描述瓦斯的吸附過程。

其他模型參數包括：煤樣密度為1.35 t/m3，地面條件下的甲烷密度為0.704 kg/m3，甲烷擴散系數為0.02 m2/d，原始地層壓力為3.96 MPa，等等。

1. 3 瓦斯抽采歷史產量擬合分析

為了增加模型計算結果的準確性，本文首先基于BLCX-1005試驗井瓦斯抽采歷史產量數據，對實際采出情況進行歷史擬合。BLCX-1005試驗井產氣量和產水量歷史擬合情況，見圖6和圖7。

圖6 BLCX-1005試驗井產氣量歷史擬合情況Fig.6 Historical fitting of gas production in test well BLCX-1005

圖7 BLCX-1005試驗井產水量歷史擬合情況Fig.7 Historical fitting of water yield of BLCX-1005 test well

由圖6和圖7可知：模擬計算得到的BLCX-1005試驗井產氣量和產水量均與實際產量相差不大；40 d前該試驗井產水量的擬合結果與實際產水量數據一致，然而40 d后兩者之間有些偏離，主要原因是實際地層地質條件相對復雜，地層界面、天然洞穴等都會造成試驗井產水量的部分缺失，此外試驗井實際產水量監測結果也具有一定的誤差。但綜合擬合結果已很理想，從而證明了本模型的準確性。

2 瓦斯地面井群抽采數值模擬分析

井群間距對井間干擾的形成至關重要，不同井距井群抽采時抽采井瓦斯產氣速率、累計產量、儲層壓降以及儲層瓦斯濃度均隨之變化。本文計算了井距分別為200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、550 m、600 m時井群抽采的瓦斯產氣速率、累計產量、儲層壓降以及儲層瓦斯濃度。以井距350 m為例，圖8和圖9分別展示了井群抽采5 a后的儲層瓦斯濃度和儲層壓力情況。圖10為儲層壓力仰視圖，由圖10可以清晰地看到儲層壓降重疊區域的井間干擾現象。圖11為不同井距井群抽采時9口抽采井中間位置的5號井的瓦斯產氣速率和累計產量。

圖8 井距為350 m時井群抽采5 a后的儲層瓦斯濃度Fig.8 Concentration of coalbed methane in the reservoir after pumping for 5 years with well spacing of 350 m

圖9 井距為350 m時井群抽采5 a后的儲層壓力Fig.9 Reservoir pressure after 5 years of pumping in well cluster with well spacing of 350 m

圖10 井距為350 m時井群抽采5 a后的儲層壓力 仰視圖Fig.10 Bottom view of reservoir pressure after 5 years of pumping in well cluster with well spacing of 350 m

圖11 不同井距井群抽采時5號井的瓦斯產氣速率 和累計產氣量Fig.11 Gas production of No.5 well pumped by well groups with different well spacing

由圖11可知：

(1) 井群抽采初期，即未形成井間相互影響之前，不同井距井群抽采的瓦斯產氣速率是相同的；隨著抽采的進行，相鄰井之間逐漸形成了井間相互影響的干擾區，造成相鄰井壓降漏斗的疊加。疊加的壓降漏斗可以使相鄰井中間區域的壓力很快降到臨界解吸壓力以下，瓦斯迅速解吸，可達到采收率最大化的目的。

(2) 井距越小形成井間干擾的時間越短，所以較小井距的井群抽采初期的瓦斯產氣速率要大于較大井距；隨著抽采的進行，較大井距的井群也逐漸形成了井間干擾，而且由于較大井距的井群單井控制面積和滲流補給面積較大，故瓦斯產氣速率和累計產氣量逐漸超越了較小井距。因此，在有限井距范圍內，井距越大，形成井間干擾的時間越長，井群抽采初期的瓦斯產氣量越小，后期的瓦斯產氣量越大。

然而由于單井控制面積有限(尤其低滲透率儲層)，如果井距過大，便不會形成較顯著的井間干擾。井群總產氣量相當于單井抽采產氣量的疊加，單井使用年限內的總產氣量也會隨之趨于平穩，故相鄰井之間區域內的煤氣資源將不會被有效地采出，從而造成儲層采收率的降低和資源的浪費。

3 井網抽采的最優井距選取

綜合考慮煤田抽采成本及技術經濟的合理性，認為單井日均產氣量小于900 m3/d時失去了抽采價值，即定義單井日均產氣量小于900 m3/d時對應的抽采時間作為抽采井的使用壽命。根據不同井距井群抽采時的瓦斯產氣量模擬數據，可得出不同井距井群抽采時單井的使用壽命和單井使用壽命期間的年均產氣量，并在模擬儲層區域內以最大抽采井數布井，可得出不同井距井網下儲層的采收率，見表3和圖12。

表3 不同井距井群抽采時單井的使用壽命、年均產氣量和儲層采收率

由圖12可知:單井使用壽命會隨著井距的增加而增加；而單井使用壽命期間的年均產氣量卻隨之減少，最后會趨于平緩，呈倒S型。這主要是由于不同井距的單井產氣量及使用壽命均受井間干擾、單井控制面積、滲流補給面積等綜合作用的影響；但當井距增大到一定程度時，尤其是低滲透率儲層短時間內不會形成井間干擾，而且由于單井控制面積等因素的制約，單井使用壽命期間年均產氣量會趨于平緩。

圖12 不同井距井群抽采時單井使用壽命、年均產 氣量和儲層采收率隨井距的變化曲線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，由圖12還可知：如果選取井距過小，單井使用壽命期間的年均產氣量會很大，但是單井使用壽命會很小，而且過多的抽采井數也會造成抽采成本的增加；相反，如果選取井距過大，單井使用壽命會隨之增加，抽采井數目減少，投資成本會降低，但單井使用壽命期間的年均產氣量卻很小。儲層采收率隨井距的增加呈先增大后減小的趨勢，極值點在280～300 m之間，故選取290 m作為該煤田矩形井網抽采的最優井距。

4 結 論

(1) 一定井距范圍內，井距越大，形成井間干擾的時間越長，井群抽采初期的瓦斯產氣量越小，后期的瓦斯產氣量越大。然而因為單井控制面積有限(尤其是低滲透率儲層)，如果井距過大，便不會形成較顯著的井間干擾。井群總產氣量相當于單井抽采產氣量的疊加，單井使用年限內的總產氣量也會隨之趨于平穩，故相鄰井之間區域內的煤氣資源將不會被有效地采出，從而造成儲層采收率的降低和資源的浪費。

(2) 根據單井產氣量的計算結果，可得出不同井距抽采時單井的使用壽命和單井使用壽命期間的年均產氣量。單井的使用壽命會隨著井距的增加而增加；而單井使用壽命期間的年均產氣量卻隨之減少，最后會趨于平緩。

(3) 儲層采收率隨井距的增加，呈現先增大后減小的趨勢，極值點在280～300 m之間，故選取290 m作為該煤田矩形井網抽采的最優井距。