煤層氣井采氣機(jī)理及壓降漏斗講解

1、煤層氣井采氣機(jī)理煤層氣井的采氣方式由石油天然氣井的生產(chǎn)工藝演變而來，但因儲(chǔ) 層類型不同，煤層氣井的采氣機(jī)理完全不同于石油天然氣井，在時(shí)間 和空間上煤層氣井的產(chǎn)氣都是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程?？臻g上涉及煤儲(chǔ) 層、上覆頂板與下伏底板組成的三維地層，時(shí)間上涵蓋了煤層氣井壓 裂后排水采氣的整個(gè)過程。因此，煤層氣井的采氣過程和機(jī)理研究必 須采用系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)，分析整個(gè)系統(tǒng)在不同時(shí)問和不同情況的 排水過程和甲烷生產(chǎn)過程。煤層氣井的生產(chǎn)是通過抽排煤儲(chǔ)層的承壓水，降低煤儲(chǔ)層壓力，促 使煤儲(chǔ)層中吸附的甲烷解吸的全過程。即通過排水降壓，使得吸附態(tài) 甲烷解吸為大量游離態(tài)甲烷并運(yùn)移至井口。這是目前惟一可以來用的 方法，

2、因此，通過抽排地層中的承壓水，暫時(shí)、相對(duì)地降低煤儲(chǔ)層壓 力是煤層氣井采氣的關(guān)鍵。1煤層氣井采氣過程簡(jiǎn)析煤層氣井采氣前，井中液面高度為地下水頭高度，此時(shí)井筒與儲(chǔ)層之 間不存在壓力差，地下水系統(tǒng)基本平衡，屬于穩(wěn)定流態(tài)；當(dāng)煤層氣井 開始排采后，井筒中液面下降，井筒與煤儲(chǔ)層之間形成壓力差，地下 水從壓力高的地方流向壓力低的地方，地下水就源源不斷地流向井筒 中，使得煤儲(chǔ)層中的壓力不斷下降，并逐漸向遠(yuǎn)方擴(kuò)展，最終在以井 筒為中心的煤儲(chǔ)層段形成一個(gè)地下水頭壓降漏斗，隨著抽水的延續(xù)該 壓降漏斗不斷擴(kuò)大和加深；當(dāng)煤儲(chǔ)層的出水量和煤層氣井井口產(chǎn)水量 相平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的壓力降落漏斗，降落漏斗不再繼續(xù)延伸和擴(kuò) 大，

3、煤儲(chǔ)層各點(diǎn)壓力也就不能進(jìn)一步降低，解吸停止，煤層氣井采氣 也就終止。根據(jù)所形成的降落漏斗體積，結(jié)合朗格繆爾方程，即可求 出該井所能產(chǎn)出的甲烷氣總量。在地層穩(wěn)定、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的地區(qū)，煤層氣井的采氣可以看作是對(duì)承 壓含水層的抽水過程。根據(jù)地下水的流態(tài)和壓力降落漏斗隨時(shí)間延續(xù) 的發(fā)展趨勢(shì)，將煤層氣生產(chǎn)分為單并排采和井群排采。其中單井采氣 可以分為形成穩(wěn)定壓降漏斗、壓降漏斗不斷擴(kuò)展、壓降漏斗先擴(kuò)展后 穩(wěn)定3種情況，其理論意義最為重要。2穩(wěn)定壓力陷落漏斗的形成與擴(kuò)展當(dāng)煤儲(chǔ)層存在補(bǔ)給邊界或越流補(bǔ)給時(shí)，隨著抽水時(shí)間的延續(xù)，最終形 成穩(wěn)定的壓力降落漏斗。2.1煤儲(chǔ)層存在補(bǔ)給邊界壓力降落漏斗隨著排采的繼續(xù)在上覆

4、地層中不斷擴(kuò)展，當(dāng)其遇到張性 斷層時(shí)，若該斷層與地表水或其他地下水層相溝通，這些水系的水就 會(huì)通過斷層補(bǔ)給煤儲(chǔ)層。當(dāng)補(bǔ)給量與抽出量相當(dāng)時(shí)，壓力降落漏斗達(dá) 到穩(wěn)定，不再擴(kuò)展，煤儲(chǔ)層甲烷解吸停止（圖1,煤層氣井不再產(chǎn)氣匚BIM wellFig 】 bcwidny nists in wliwlFif -3bamiKrya&Ma込01昭2.2煤儲(chǔ)層存在越流補(bǔ)給煤儲(chǔ)層的頂板或底板為弱透水層，且其相鄰的地層為含水層，此時(shí) 煤儲(chǔ)層存在越流補(bǔ)給。煤儲(chǔ)層中壓力的降低使得鄰近含水層中的地下 水通過頂板或底板補(bǔ)給煤儲(chǔ)層。壓力降落漏斗的擴(kuò)大使得補(bǔ)給量不斷 增加，當(dāng)補(bǔ)給量與抽出量相當(dāng)時(shí)，降落漏斗達(dá)到穩(wěn)定，不再擴(kuò)

5、展，煤 儲(chǔ)層甲烷解吸停止（圖2,煤層氣井產(chǎn)氣終止。2.3降落漏斗的擴(kuò)展當(dāng)煤儲(chǔ)層中存在隔水邊界（如逆斷層、推覆斷層等時(shí)，隨著抽水時(shí) 間的延續(xù)，降落漏斗不斷擴(kuò)展。當(dāng)降落漏斗擴(kuò)展至隔水邊界時(shí)，由于 隔水邊界無法補(bǔ)給或補(bǔ)給量小于抽出量，降落漏斗不再向遠(yuǎn)處發(fā)展， 而迅速加深，煤儲(chǔ)層壓力快速下降，甲烷大量釋放，井口表現(xiàn)為氣產(chǎn) 量大增（圖3。CBMweU壓降斗不斷擴(kuò)展圖3降落SI斗不斷擴(kuò)展Fig* 3 The expanding of landing filler圖4 wW)與三關(guān)系曲線圖 Fig.4 The relation of w(u) and 丄3定流量排水與定陷深排水目前，在煤層氣勘探開發(fā)的初期階

6、段，隨著抽水時(shí)間的延續(xù)，降落漏斗不斷擴(kuò)展，并逐漸穩(wěn)定，煤儲(chǔ)層無越流補(bǔ)給且水平無限延伸（附近無補(bǔ)給邊界或給水邊界。排水降壓過程可分為初期定流量排水與定降深排水兩個(gè)階段。3.1初期定流量排水階段煤層氣井抽排初期，抽出的水量依泵的排量而定，當(dāng)抽出的水量一 定時(shí)，井簡(jiǎn)中的動(dòng)液面不斷下降。根據(jù)無補(bǔ)給承壓水完整井定流量非 穩(wěn)定流計(jì)算公式（Theis公式，抽水井影響范圍內(nèi)任一點(diǎn)任一時(shí)刻的 水位降為式中« =- E(* u) = j dy將上式改寫成無量綱降深形式，即14Ttw(u) = 4nTS/Qur2zzw( u )與丄關(guān)系曲線如圖4式中T為導(dǎo)水系數(shù)，T= KM表示水力坡度等于I時(shí)，通過整個(gè)含

7、水層 厚度上的單寬流量；卩為貯水系數(shù)，是衡量承壓含水層彈性釋水能力 的參數(shù)；S為煤層氣井影響范圍內(nèi)，任一點(diǎn)任一時(shí)刻的液面降深；Q為煤層氣井的產(chǎn)水量；r為計(jì)算點(diǎn)到煤層氣井的距離?？梢姡诙髁颗潘A段，在煤層氣井影響范圍內(nèi)的任一點(diǎn)，參數(shù)Q,T,卩，r是一定的，隨著抽水時(shí)間t的延續(xù)，該點(diǎn)(包括煤層氣井井中 的液面降深S不斷加大，但加大的速度逐漸降低。其物理意義是由于 壓力降落漏斗的擴(kuò)大，使得匯水面積增加。因此在煤層氣井生產(chǎn)初期 的定流量排水階段，煤儲(chǔ)層壓力降落漏斗的變化逐漸增大，但增大的 速度逐漸變緩。煤層氣井井口表現(xiàn)為產(chǎn)水量穩(wěn)定，產(chǎn)氣量逐漸增加。3.2定降深排水階段煤層氣井采氣時(shí)井中的液面是不能

8、無限下降的，當(dāng)液面降低到接近 抽排煤儲(chǔ)層時(shí)，降深就無法繼續(xù)，煤層氣井進(jìn)入定降深采氣階段。由 定流量階段轉(zhuǎn)入定降深階段的時(shí)間主要取決于煤儲(chǔ)層的滲透系數(shù)和井 壁的污染程度。滲透性差、井壁污染嚴(yán)重的煤層氣井采氣開始后很快 進(jìn)入定降深排水階段。根據(jù)無越流補(bǔ)給側(cè)向無限延伸承壓含水層定降深井流的流量函數(shù) G（入，并作出G（入與入關(guān)系曲線（圖5。Q =,其中 A = 一2VRf .l TlwninRd牝心on此階段，由于降落漏斗擴(kuò)展，匯水面積不斷增大，使得漏斗遠(yuǎn)處平 緩，即只有井口附近的煤儲(chǔ)層壓力降幅較大，而遠(yuǎn)離井口的大部分煤 儲(chǔ)層的壓力降幅較小。結(jié)合朗格繆爾曲線（圖6可以知道，煤儲(chǔ)層降壓初期的壓降引起的甲

9、烷解吸量遠(yuǎn)小于后期相同壓降所引起的甲烷解吸量。因此該階段雖然井口仍然產(chǎn)氣，但大部分煤儲(chǔ)層的甲烷并沒有被解吸出來，且存在解吸逐漸減緩的趨勢(shì)。4井群開發(fā)形成井間干擾煤層氣井的商業(yè)生產(chǎn)是利用井群抽水降壓，而不是單獨(dú)的一口或相距 甚遠(yuǎn)的幾口井來降壓的。一定范圍內(nèi)的兩口或兩口以上抽水生產(chǎn)井稱 為井群。當(dāng)井群中的井與井之間的距離小于各井的影響半徑時(shí)，彼此 之間的流量和降深都要發(fā)生干擾。在承壓含水層中，地下水的流動(dòng)方 程是線性的，可以直接運(yùn)用疊加原理，即當(dāng)兩口井的降落漏斗隨抽水 的延續(xù)不斷擴(kuò)展至兩個(gè)壓力降落漏斗相互交接、重疊時(shí)，重疊處的壓 力降等于兩個(gè)降落漏斗所形成的壓力降之和（圖7）。如果流場(chǎng)內(nèi)有多口井同

10、時(shí)抽水，貝澎響范圍內(nèi)任一點(diǎn)的壓力降為Si = £sFig. 7 Th* fluid arcs & disuvfaing in a gtuup d (he CBM w| rrunmf這種情況下，井間干擾對(duì)煤層氣井的采氣具有促進(jìn)作用。產(chǎn)氣速度上：煤層氣井兩井間的煤儲(chǔ)層壓力降幅由于壓降的疊加而 成倍提高，因此相對(duì)于單井來說，單位時(shí)間內(nèi)的壓力下降幅度大，煤 儲(chǔ)層甲烷的解吸速度快，井口表現(xiàn)為一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出的甲烷氣量多， 即氣產(chǎn)量高?？偖a(chǎn)氣量上：當(dāng)兩個(gè)降落漏斗相接時(shí)，雙方就相當(dāng)于分別遇到了前 述的隔水邊界，此時(shí)隨著抽水的延續(xù)，壓力降落漏斗不再在水平方向 上擴(kuò)大，而是在垂直方向上加深，最終

11、使得兩井間的煤儲(chǔ)層壓力可以 降低到很低的程度，根據(jù)前述，這將使得兩井間范圍內(nèi)的煤儲(chǔ)層中的 大部分甲烷氣都解吸出來，使煤層氣井的總產(chǎn)氣量增加很多。煤層氣井單井采氣過程可分為形成穩(wěn)定壓降漏斗、壓降漏斗不斷擴(kuò) 展、壓降漏斗先擴(kuò)展后穩(wěn)定幾種理論模型。在實(shí)際生產(chǎn)中，各單井的 情況可能相對(duì)復(fù)雜，空間上，地層形式可能是上述幾種情形的組合。 如：一側(cè)為補(bǔ)給邊界，另一側(cè)為無補(bǔ)給水平無限延伸的煤儲(chǔ)層；或一 側(cè)為補(bǔ)給邊界，另一側(cè)為隔水邊界等形式。在時(shí)間上，隨著抽水的延 續(xù)，煤儲(chǔ)層壓力逐漸降低，其與鄰近含水層的壓力差逐漸增大，原本 隔水的斷層可能發(fā)展成為弱透水?dāng)鄬踊蛲杆當(dāng)鄬?，原本無補(bǔ)給的鄰近 含水層也可能形成越流補(bǔ)給（隔水和透水，有或無越流補(bǔ)給