煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系_倪小明

第34卷第9期煤 炭 学 报Vol.34　No.9 2009年9月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY Sep.　2009　 文章编号:0253-9993(2009)09-1194-05煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系倪小明1,苏现波1,魏庆喜1,吴建光2(11河南理工大学能源科学与工程学院,河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室,河南焦作　454000;21中联煤层气有限责任公司,北京　100011)摘　要:根据岩石弹性理论分别建立了天然裂隙面上、最大水平主应力方向上形成裂隙的极限压力模型,绘制了压裂过程主裂隙延伸轨迹示意图;根据原始渗透率与改造后渗透率的关系,结合压裂主裂隙几何形态特征,绘制了不同渗透率关系下排采过程压力传播轨迹示意图;根据煤储层原始渗透率、压裂后渗透率不同情况下压力传播轨迹的不同,得出煤层气垂直井排采的“增—减—增”、“增—减”、“增—增”和“增—减—猛增”等4种典型排采曲线.关键词:渗透率;煤层气;垂直井;排采曲线中图分类号:P618111 文献标识码:AThe rel a ti on sh i p between the per m eab ility of coa l bed and producti oncurve about coa l2bed m ethane verti ca l wellsN I Xiao2m ing1,S U Xian2bo1,W E IQ ing2xi1,WU J ian2guang2(11School of Energy Science and Engineering,Key Laboratory of B iogenictrace Sand M ineralization P rocess of Henan Province,Henan Polytechnic U niver2 sity,J iaozuo　454000,China;21China U nited Coal2bed M ethane Co.L td.,B eijing　100011,China)Abstract:Based on the elasticity theory of the r ock,ulti m ate p ress models about the f or m of interstice were estab2 lished in the directi ons of the natural fractures and the maxi m al horiz ontal stress,the sketch map about interstice extended contrail in the p r ocess of the fracture was draen.According t o the relati on bet w een the original coal bed per meability and the transf or med per meability,combined with fractural mor phol ogy character,the sktech map s about the p ressure s p read contrail in the p r ocess of the drainage in the different per meability was dre w.According t o the different of the p ressure s p read contrail on the different original per meability and the per meability after fractu2 ring,f our kinds of drainage cruve about coal bed methane vertical wells were dra wn,there are“increasing2reduc2 ti on2increasing”,“increasing2reducti on”,“increasing2increasing”and“increasing2reducti on2ju mp”.Key words:per meability;coal bed methane;vertical well;p r oducti on curve 排采曲线是进行煤层气资源评价、产气潜力分析、排采工作制度调整的基础.国内外研究者根据煤层气运移产出机理及特点,应用数值软件模拟结果表明,煤层气垂直井排采曲线具有“先增后减”的基本特征,且被生产所证实[1-4].而我国沁水盆地现场排采井产气一段时间后或多或少出现多期产气高峰的事实显示了这一模拟结果的不精确性.查明煤层气垂直井排采过程中压力传递规律是准确预测煤层气垂直井收稿日期:2008-09-28 责任编辑:王婉洁 基金项目:河南省重大公益性科研项目(0811********);长江学者和创新团队发展计划(I RT0618);河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室开放基金资助项目(ot m p0804) 作者简介:倪小明(1979—),男,山西临汾人,讲师.E-mail:nx m1979@1261com第9期倪小明等:煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系排采曲线的关键.沁南地区煤储层“低渗透”的特点决定了煤层气的商业化开发必须进行储层改造.笔者从活性水压裂后主裂隙的几何形态特征入手,对高煤阶煤储层渗透率与排采曲线特征关系进行探讨.1　活性水压裂后主裂隙的几何形态沁南地区煤储层“低渗性”特点决定了要地面开采煤层气必须对储层进行强化改造.查明压裂后主裂隙延伸形态是进行排采过程压力传播规律分析的基础.本文从弹性力学角度结合Khristianovic 2Geerts ma 2Dekerk 模型即KG D 裂隙模型对活性水压裂后主裂隙几何形态进行分析.111　压裂后主裂隙的方位压裂是煤层克服挤聚力而张裂.相对分离的2个缝面移动方向必然与地层最弱挤聚力方向相反.因此,确定压裂位置处最小挤聚力方向成为确定裂隙延伸方位的关键[5-7].在无天然裂隙的地区,裂隙开启的最小挤聚力方向与现今最小水平主应力平行且相反,受力情况如图1所示,根据受力图可知,无天然裂隙时裂隙形成的外力为p fc ≥σm in +S t -p p ,(1)式中,p fc 为无天然裂隙时裂隙形成的外力,MPa;σm in 为最小水平主应力,MPa;S t 为煤岩抗拉强度,MPa;p p 为孔隙压力,MPa .煤中天然裂隙系统的存在增加了压裂裂隙延伸方位的复杂性.当最大水平主应力与天然裂隙面间夹角为α时(图2),根据弹性力学理论,裂隙面上的正应力[8]为σn =σmax +σm in 2+σmax -σm in 2cos 2α,(2)式中,σn 为裂隙面上的正应力,MPa;σmax 为最大水平主应力,MPa;α为天然裂隙面与最大水平主应力夹角,(°).裂隙面上抗张强度几乎为0,可忽略不计.因此,压裂时在裂隙面上张开的极限应力为p ff ≥σn -p p ,(3)式中,p ff 为裂隙面张开的极限应力,MPa .沁南地区煤岩的抗张强度一般小于1MPa,在构造较发育的矿区,最大水平主应力与最小水平主应力的差值一般大于2MPa,结合式(1)～(3)可得水力压裂时裂隙方位首先沿天然裂隙延伸,当裂隙延伸到天然裂隙末端时,煤岩体此时可看作均质体,裂隙将逐渐朝最大主应力方向延伸,当延伸到一定程度,又遇到天然裂隙时,则又逐渐过渡到天然裂隙方向,如此曲折前进,如图3所示. 112　压裂后主裂隙的形状沁南地区3号煤层的顶、底板一般为泥岩、炭质泥岩,其抗拉强度远远高于煤岩体,因此,可将其作为裂隙垂向延伸的阻挡层,假设裂隙缝高不变,且煤岩与顶、底面发生分离滑移.压裂初始,未达到破裂压力前,裂隙将在4个方向上延伸;达到破裂压力后,施工压力大于近最小水平主应力方向上裂隙张开的5911煤 炭 学 报2009年第34卷极限压力,裂隙将在此方向延伸一定距离,随后施工压力降低,逐渐低于近最小水平主应力方向上裂隙张开的极限压力,裂隙不再在这些方向延伸,将仅在近最大水平主应力方向延伸,最后形成横截面上呈矩形、平面上呈椭圆形的主裂隙形态,即KG D裂隙模型.2　储层渗透率与排采过程压力传播轨迹的关系排采过程中压力传播轨迹影响因素很多,对于单口煤层气井控制范围内的煤储层,本文研究基于以下假设:①煤层为等厚、均质储层,且储层压力、压力梯度相等;②地下水动力条件恒定,且排采强度合理.当原始储层渗透率低、不对储层改造、排采过程压力几乎不传递时,根据单相平面径向流压力分布特点[9]可知:压力未传递到几乎与最小水平主应力平行方向上裂隙延末端时,从井壁到供给边缘,压力随距离呈对数关系分布,压降面如同一个漏斗状的曲面(图4中pe 为煤储层压力,MPa;pw为井底压力,MPa;r w为井筒半径,m;r i为排采过程中压力传递动态变化半径,m;r e为压力影响半径,m)等半径的各点压力值相等,俯视为一以井筒为圆心的同心圆;当传递到几乎与最小水平主应力平行裂隙延伸边界(称为第一封闭边界)时,压力在这些方向不再传递,仅在其余2个方向传递,压力传播轨迹俯视图如图5(a)所示.当原始储层渗透率较大,即使不对储层改造,排采过程压力也可以传递时,传递到几乎与最小水平主应力平行方向上裂隙延伸边界前,压力俯视图为一个个以井筒为圆心的同心圆;当传递到第一封闭边界时,由于原始渗透率较大,若排采制度合理,则由于渗透率的改变,压力传递仅在速度上变化明显,而在传播轨迹上无明显变化,即仍几乎为同心圆,压力传播轨迹俯视图如图5(b)所示.3　煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线的关系煤层气垂直井产气量大小影响因素很多,但在同一地区,渗透率对其影响最大.因此,本文基于同一地区煤层含气量、含气饱和度、地下水补给情况、煤层厚度等基本相同的前提,对煤储层渗透率与垂直井排采曲线关系进行探讨.排采过程中压力传递轨迹是煤储层原始渗透率和改造后渗透率共同作用的结果,而压力传递路线从某种程度上决定了煤层气垂直井的产气量曲线.根据压裂后水平最小主应力、水平最大主应力方向渗透率与原始储层渗透率的大小关系,可将沁南地区煤层气垂直井的产气量曲线分为4种典型(表1、图6).4　应用评价笔者对沁南地区潘庄区块煤层气垂直井排采进行跟踪,实测结果与理论曲线有较好的一致性(图7). 4种典型曲线中3种曲线在排采第一封闭边界会出现产气量下降的情况,主要是因为我国煤原始储层渗透6911第9期倪小明等:煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系表1　煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系Table 1　The rel a ti on sh i p between the per m eab ility of coa l bed and producti on curve about CB M verti ca l wells原始渗透率K c 与改造后渗透率K g 的关系压力传递变化规律供气体积变化排采曲线特征K c νK g ,且K m in νK max 传递到第1封闭边界压力等值线由同心圆到椭圆,压力传递速度变快传递到第1封闭边界后不能平稳增加,出现拐点,随后逐渐恢复产气量先平稳,后陡然下降到几乎原来的一半,随后上升,最后恢复或略超过原来产气量并稳定K c νK g ,且K m in ≈K max 或Km in µK max 传递到第1封闭边界压力等值线由同心圆到椭圆,压力传递速度变慢传递到第1封闭边界后不能平稳增加,出现拐点,随后很难再恢复平稳增加产气量先平稳,后陡然下降到几乎原来的一半,很难再恢复到原产气量K c ≈K g ,且K m in νK max 压力传递几乎一直为同心圆第1封闭边界压力传递速度增加,原始渗透率大大改善后传递速度再次大幅度增加第1封闭边界出现第1增长点,原始储层渗透率大大改善后出现第2增长点后稳定K c ≈K g ,且K m in ≈K max或K m in µK max压力传递几乎一直为同心圆第1封闭边界压力传递速度增加变缓,随后平稳增加第1封闭边界产气量稍有波动,随后产气量大幅度增加后稳定7911煤 炭 学 报2009年第34卷率较低,压裂虽能改善煤原始储层的渗透率,但改造的范围有限,且在4个方向上改造后渗透率大小、裂隙延伸长度明显不同,造成压力传递速度、供气体积的不同,从而造成排采过程产气量的明显变化.第4种典型排采曲线的出现是原始储层渗透率较好,压裂改造对产气量的贡献相对不明显;且随着排采进行,煤基质正效应的存在,使煤渗透率得到大大改善,再加上排采制度的合理,从而使产气量逐步提高,且平均日产气量高.5　结 论(1)压裂后主裂隙方位是天然裂隙方向、现今水平最小和最大主应力大小和方向、煤岩抗拉强度共同影响的.(2)根据原始储层渗透率与压裂后渗透率是否具有可比性及原始储层渗透率是否能传递压力,将排采过程中等压线分为沿井筒的同心圆和同心圆与椭圆的结合体2种.(3)排采曲线是原始储层渗透率和压裂后渗透率共同作用的,但原始储层渗透率对产气量的贡献更大.本论文的完成得到中联煤层气有限责任公司现场工作人员的大力支持和协助,在此表示衷心的感谢!参考文献:[1]　Clarks on,Christ opher R.Pr oducti on 2data analysis of single 2phase (gas )coalbed 2methane wells [J ].SPE Reservoir Evalua 2ti on and Engineering,2007,10(3):312-330.[2]　Clarks on C R,Jordan C L,Gierhart R R,et al .Pr oducti on data 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