煤层气开发――第6章 煤层气开采工程

一、煤层气开采方法与原理二、煤层气井排采工作制度三、煤层气增产措施四、煤层气田生产操作和管理第五章煤层气开采工程第一节煤层气开采方法与原理一、煤层气排水降压方法煤层气井的生产是通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，促使煤储层中吸附的甲烷解吸的全过程。即通过排水降压，使得吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口。因此，通过抽排地层中的承压水，暂时、相对地降低煤储层压力是煤层气井采气的关键。第一节煤层气开采方法与原理煤层气井排采过程：•煤层气井排采前，井中液面的高度即为煤层中地下水的水头高度，此时不存在压力差，地下水系统基本平衡，没有地下水的流动；•煤层气井开始排采后，井筒中的液面下降，在煤层气井筒和煤层中形成压力差，地下水从压力高的地方流向压力低的地方，因此煤层中的地下水就源源不断地流向井筒中，使得煤层中的压力不断下降，并逐渐向远方扩展，最终在以井筒为中心的煤层段形成一个水头压降漏斗，并随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深；•煤层的出水量和井口产水相平衡时，形成稳定的压力降落漏斗，降落漏斗不再继续延伸和扩大，煤层各点储层压力也就不能得以进一步降低，解吸停止，产气也就终止。第一节煤层气开采方法与原理1、煤层气排采基本理论（1）煤层气的储层特性煤层气是一种介于常规天然气与煤层之间的非常规性天然气资源，其主要成分是甲烷。在地层压力作用下，煤层中的甲烷分子大部分以单分子形式吸附于煤基质表面，只有很少部分以游离气的形式存储于孔隙或裂隙中，或以溶解气的方式存在于煤层水中。第一节煤层气开采方法与原理煤层气储层与常规天然气藏特性比较常规气藏煤层气储层气体在井筒的流动符合达西流动定律气体在微孔隙内的流动为扩散流动，在裂隙中的流动符合达西流动定律气体储存于宏观孔隙中气体以吸附的形式储存于微孔隙表面产量符合递减曲线初期产量低，中期产量高，后期递减通过测井可解释气层含量通过现场解吸可确定煤层气含量气水比随时间递减开采中期和后期，气水比随时间递增无机储集岩有机储集岩储集岩与源岩不同储集岩与源岩同层渗透率与应力无关渗透率与应力有很大关系井间干扰对生产有害井间干扰对生产有利煤层气井周围气水分布及流动状态径向剖面示意图第一节煤层气开采方法与原理（2）煤层气的排水降压煤层气主要以吸附状态存在于煤基质的微孔隙中，其生产过程就是先排水，后采气。煤层气的生产一般可分为三个阶段：从煤基质孔隙的表面解吸、通过基质和微孔隙扩散到裂隙中、以达西流方式通过裂隙流向井筒运移。1）煤储层原始渗透率与改造后渗透率差不大时，排采阶段划分为煤层有、无越流补给两种情况。①排采过程煤层无越流补给排采过程煤层无越流补给时，压力传播仅在煤层中发生，传播轨迹无串层现象，排采过程中地层供液能力与煤层渗透率变化、煤层中传播影响半径关系密切，与围岩关系较小，而排采过程中相态变化对水相渗透率的影响最大。第一节煤层气开采方法与原理第一节煤层气开采方法与原理②排采过程煤层有越流补给排采过程煤层有越流补给时，煤层气垂直井排采阶段可划分为5个阶段：•І饱和水单相流，压力仅在煤层中传递阶段。排采初期，煤层中的压力梯度大于围岩中的压力梯度，压力将在煤层中首先传递，煤层中裂隙中的水将逐渐被排出，随着压降漏斗的扩展延伸，煤层中的压力梯度逐渐减小，因围岩储层渗透率相对较大，直到围岩压力梯度大于煤层压力梯度时，将进入第二阶段。•Ⅱ饱和水单相流，压力仅在围岩中传递阶段。随着排采的进行，围岩中压力梯度逐渐大于煤层中的压力梯度，压力传递轨迹从煤层过渡到围岩中，压力将仅在围岩中传递，开始排采围岩中的水，此时，煤层中压力几乎不再发生变化。随着围岩中影响半径的增加，煤层中的压力梯度小于围岩中的压力梯度，在煤层中形成很小的压降漏斗后，压力将仅在围岩中进行传递，进入第二阶段。直到煤层中的压力梯度大于围岩中的压力梯度为止。第一节煤层气开采方法与原理•Ш饱和水单相流压力在煤层和围岩共同传递阶段。排采继续进行，围岩中压力影响半径增加，煤层中压力梯度逐渐等于甚至大于围岩中的压力梯度，压力将在煤层和围岩中共同传递，直到煤层中排采影响半径范围内压力达到临界解吸压力以下时，气体开始解吸，即进入非饱和两相流阶段。•Ⅳ非饱和流阶段排采继续进行，当煤层排采影响范围内压力达到临界解吸压力以下时，一定数量的煤层气开始解吸，并形成气泡，阻碍水的流动，水的相对惨透率开始下降，但此时气体的量较小，无论在基质孔隙中还是在裂隙系统中，气水都是孤立的，没有互相连接，不能流动，此阶段称为非饱和单相流阶段。•Ⅴ两相流阶段排采继续进行，压力进一步传递，煤层中有更多气体解吸出来，气体开始在裂隙系统中扩散，水相渗透率急剧下降，气相渗透率逐渐增大，产水量也随之下降，直至气泡相互连接，形成连续流线，产气量随之增多，进入两相流阶段。第一节煤层气开采方法与原理2）煤储层原始渗透率与改造后渗透率差到较大时，排采阶段划分为煤层有、无越流补给两种情况。①排采过程煤层无越流补给排采过程煤层无越流补给时，可分为以下四个阶段：•І饱和水单相流阶段煤层气井排采初期，井中液面开始下降，在几乎与水平最大主应力方向大致平行的方向上，煤储层改造效果较好，渗透率相对较高；而在几乎与水平最小主应力方向大致平行方向上，煤储层改造效果稍差些，渗透率相对较低。此时，可通过控制排采强度，使煤层气井在四周压力传递基本一致。在此阶段，煤层裂隙中的水开始流动，极少量游离气或溶解气在裂隙系统中处于运移状态，此阶段以饱和水单相流为表征。第一节煤层气开采方法与原理•Ⅱ非饱和水单相流阶段随着排采的进行，压降幅度的增大，井底压力下降，当储层中的压力降到临界解吸压力以下时，一定数量的煤层气开始解吸，并形成气泡，阻碍水的流动，水的相对渗透率开始下降，但此时气体的量较小，无论在基质孔隙中还是在裂隙系统中，气泡都是孤立的，没有互相连接，不能流动，此阶段称为非饱和单相流阶段。•Ш两相流阶段-井筒四周压力几乎平稳传递。排采继续进行，压力进一步传递，煤层中有更多气体解吸出来，气体开始在裂隙系统中扩散，水相渗透率开始下降，气相渗透率逐渐增大，产水量也随之下降，直至气泡相互连接，形成连续流线，产气量随之增多，此时，井筒四周压力改造几乎相等，压力传递速度几乎相等，此时处于两相流的井筒周围压力平稳传递阶段。第一节煤层气开采方法与原理•Ⅳ两相流阶段-压力仅在某些方向传递压裂储层改造的非均衡性，随着排采继续进行，在井筒某些方向上，压力传递到储层改造的边界，由于储层改造后的渗透率与储层原始渗透率差别较大，在未改造的储层方向上压力传递变慢甚至压力不再传递，而仅在压力改造较好的储层继续传递，此时压力传递在井筒周围发生变化，此阶段称为两相流的压力仅在某些方向传递阶段。②排采过程煤层有越流补给时排采过程有越流补给时，若煤层与围岩渗透率相差较大，在开始阶段将一直排采围岩中的水，直到形成井间干扰或出现补给边界，围岩中的水变得很少时，可把排采作为无越流补给看待。能否达到无越流补给状态与围岩供液能力、封闭边界、煤层与围岩渗透率关系、地应力、排采时间、经济效益等因素密切相关。第一节煤层气开采方法与原理（3）煤层气的生产特点煤层气的产出可分为三个阶段：•Ⅰ为排水降压阶段，主要产水，同时伴随有少量游离气、溶解气产出；当煤层压力降至临界解吸压力以下时，进入第二阶段。•II即稳定生产阶段，该阶段煤层甲烷分子迅速解吸，然后扩散到裂隙中，使气的相对渗透率增加，水的相对渗透率减小，表现为气产量逐渐增大，水产量逐渐减小；随着采出水量的增加、生产压差的进一步增大，煤层中含水饱和度相对降低，变为以产气为主，并逐渐达到产气高峰，水产量则相对稳定在一个较低的水平上。•Ⅲ为产量下降阶段，随着地层能量的衰竭，产气量下降，产少量水或微量水。第一节煤层气开采方法与原理煤层气生产井的气、水产量变化曲线第一节煤层气开采方法与原理（4）煤层气开发的认识•煤层气排水阶段水量的大小主要取决于煤层的地解比（地层压力与临界解吸压力之比）和地层的渗透率，地解比较大，所需的压降就较大，所要排的水量较多，地解比较小时，地层压力与临界解吸压力值接近，水量较少。•一定压力条件下，煤储层内气体的吸附与解吸处于动态平衡状态，压力的变化将破坏这种平衡，压力下降，解吸作用加强，气体得以解吸，但是压力的持续下降并未导致气体持续解吸，这与压差的有效传递有关。•在煤层气井排采初期，只出水不出气，因此在排采过程中，需要抽出大量的水，使煤储层的压力下降到煤层气的解吸压力以下，气体开始解吸，井口开始产气。第一节煤层气开采方法与原理2.煤层气井排采关键因素分析煤层气井生产控制的参数主要有：井底压力、套压、动液面、产气量、产水量等动态参数。（1）井底压力井底压力是指气井在正常生产时所测得的井筒中煤层中部的压力，是流体流经储层到达井底的剩余压力。井底流压是预测煤层气井生产的一个基本要素，是进行有效人工举升设计的一个关键参数，其重要性表现在以下两个方面：①煤层气井依靠排水降压采气，只有把井底压力降到临界解吸压力以下时，才会发生解吸。②动液面的下降幅度，排水量大小的控制，工作制度的调整都要由合理的井底流压来确定。第一节煤层气开采方法与原理（2）产气量产气量是生产监测的核心内容，主要表现在三个方面：①产气量是煤层气开发的最终目标，衡量煤层气井开发成败的重要指标，是计算经济效益的重要依据。②认识煤层气藏的生产能力，了解生产动态和开发过程中产气的变化规律，分析工艺技术措施效果。③分析产气特征，为单井配产、排水采气工艺设备设计、地面集输系统设计提供依据。（3）产水量煤层水的产出体现在两个方面：①煤层水的产出，给气体的解吸提供了一定的空间，保证了气体持续解吸；②煤层水的产水降低了煤储层的孔隙压力，使之低于解吸压力，为气体解吸提供了先天环境。第一节煤层气开采方法与原理3.煤层气井排采类型划分1）单井排采单井开采的产气机理是：开井排水形成压降漏斗，在井底压力大于临界解吸压力而小于原始地层压力时，只有水的单向流动。第一节煤层气开采方法与原理泄流半径继续增大，解吸漏斗继续增大，原解吸漏斗范围内早已解吸的煤层气开始渗流，形成气和水的两相渗流流动。第一节煤层气开采方法与原理最后形成的解吸漏斗开始解吸，出现水的非饱和流动，泄流半径以外的水不流动。第一节煤层气开采方法与原理根据地下水的流态和压力降落漏斗随时间延续的发展趋势，煤层气单井的排采状况可分为五种情况。煤储层存在补给边界煤储层存在越流补给煤储层存在阻隔边界煤储层无限边界煤层气井间干扰边界第一节煤层气开采方法与原理（1）煤储层存在补给边界压力降落漏斗随着排采的继续在上覆地层中不断扩展，当其遇到张性断层时，若该断层与地表水或其他地下水层相沟通，这些水系的水就会通过断层补给煤储层。当补给量与抽出量相当时，压力降落漏斗达到稳定，不再扩展，煤储层甲烷解吸停止，煤层气井不再产气。煤层气存在补给边界第一节煤层气开采方法与原理（2）煤储层存在越流补给煤储层的顶板或底板为弱透水层，且其相邻的地层为含水层，此时煤储层存在越流补给。煤储层中压力的降低使得邻近含水层中的地下水通过顶板或底板补给煤储层。压力降落漏斗的扩大使得补给量不断增加，当补给量与抽出量相当时，降落漏斗达到稳定，不再扩展，煤储层甲烷解吸停止，煤层气井产气终止。煤层气存在越流补给边界第一节煤层气开采方法与原理（3）煤储层存在阻隔边界当煤储层中存在隔水边界(如逆断层、推覆断层等)时，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展至隔水边界时，由于隔水边界无法补给或补给量小于抽出量，降落漏斗不再向远处发展，而迅速加深，煤储层压力快速下降，甲烷大量释放，井口表现为气产量大增。若煤层周围都为隔水边界且无越流补给，煤层压力将最终接近井底压力，整个系统压力平衡。（4）煤储层无限边界当煤层气井附近不存在断层、含水层时，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展一定程度，降落漏斗不再向远处发展，而降落漏斗也不明显加深，煤储层压力缓慢下降，甲烷少量缓慢释放，井口表现为气产量长期稳定低产。第一节煤层气开采方法与原理（5）煤层气井间干扰边