煤层气储层数值模拟(韦重韬[等]著)思维导图

卷(Volume)19,期(Number)1,总(Total)75矿物岩石 页(Pages )43-48,1999,3,(M ar ,1999)J M INE RAL PET ROL 煤层气藏三维数值模拟冯文光1　梅世昕2　侯鸿斌2　羊裔常1(1　成都理工学院石油系,成都　610059)(2　华北石油地质局,郑州　450007)【摘　要】　本文根据煤的储气特征、煤层气的吸附特征、排水降压解吸产气机理建立了煤层气藏数学模型和三维全隐式差分模型,采用最佳变松驰求解,收敛度快,稳定性好。

【关键词】　煤层气　解吸　数值模拟　最佳变松驰法　全隐式中图法分类号:T E 319ISSN 1001-6872(1999)01-0043-48;　C ODEN:KUYAE2收稿日期(M anuscript received):1998-12-10　改回日期(Accepted for publication):1999-02-05第一作者简介:冯文光　男　51岁　教授(博士导师)　油藏工程专业　研究方向:油气田开发、数值模拟,试井分析及煤层气藏0　引　言在地下煤层形成过程中,生成大量的天然气,一部分以游离状态通过运移、聚集形成常规天然气藏;另一部分以吸附状态为主储存在煤层的孔隙中,这种储存在煤层气中以甲烷为主的天然气称煤层气,或煤层瓦斯。

60年代和70年代初,美国矿业局为改善煤矿安全,对煤层气做了大量的研究工作。

70年代末,煤层气的开发利用还没有被引起重视,甚至把以煤层气作为商品的少数企业家视为“疯了”。

美国1977年开采煤气以来,开采井数成倍增加,年产煤层气产量倍增。

1989年美国已有400口井生产,年产量逾20×108m 3。

1992年美国煤层气年产量达200×108m 3。

我国煤层气蕴藏量十分丰富,与常规天然气蕴藏量相近,华北石油地质局自1986年以来,进行了多项攻关研究。

然而煤层气这一巨大而洁净的资源在我国至今尚未被开发和利用。

煤层气藏数值模拟By gulfmoon79@精准石油论坛目录1. 煤层气藏开发生产特点2. 煤层气流动机理3. 煤层气藏几个重要参数3.1 孔隙度3.2 煤层渗透率3.3 变煤层渗透率3.4 相对渗透率曲线3.5 煤层厚度3.6 煤层气连通性3.7 煤层气含量3.8 煤吸附能力4. 模拟煤层气藏4.1 变黑油模型4.2 单孔介质模型4.3 双孔介质模型4.4 多孔介质模型4.5 黑油模型4.6 组分模型前言煤层气藏与常规气藏的最主要区别在于煤层气是以吸附状态吸附在煤基质微孔隙的表面，在生产过程中，当气藏压力下降到临界解析压力，煤层气从煤基质解析出来，通过煤基质扩散到煤裂缝，然后从煤裂缝流入到生产井。

煤裂缝通常初始充满地层水，其中可能存在自由气，但一般不会超过储量的1％。

而常规气藏气体是以自由气状态储存在气藏孔隙，气体在孔隙间的流动是达西渗流。

煤层气藏数值模拟模型需要模拟煤层气从煤基质解析然后扩散到煤裂缝的流动机理，这是与常规模拟模型的主要不同。

常规模拟模型只描述流体在储层中的渗流，而煤层气模型需要描述煤层气从煤基质解析，煤层气扩散到煤裂缝，煤层气在煤裂缝间渗流以及从裂缝流入到生产井。

煤层气数值模拟模型可以采用单孔介质模型，双孔介质模型以及多孔介质模型。

对流体的描述可以采用黑油模型或组分模型。

单孔介质模型一个网格中的孔隙部分代表煤裂缝，非孔隙部分代表煤基质，煤层气从煤基质实时解析，与煤裂缝自由气达到瞬间平衡。

双重介质模型包括基质网格以及基质网格对应的裂缝网格。

模型基质网格描述煤层基质，基质网格提供气源，在开采过程中随着压力下降，气体从基质网格解析然后扩散流动到裂缝网格。

模型裂缝网格描述煤层裂缝，流体在煤层裂缝渗流，然后流入到生产井。

多孔介质模型可以将煤层基质划分为多个模型基质体系，然后模拟基质体系间的流动特征。

在实际工作中最常用的是双孔介质模型。

煤层气组分主要是甲烷，在我现在工作的煤层气藏，甲烷含量占98％以上，只含有很少量的氮气和二氧化碳。

CMG煤层气数值模拟软件介绍加拿大计算机模拟软件集团煤层气模拟的基本概念 层气模拟 本概2煤层构造和煤层气流动机理Š 原生孔隙：基质 Š 次生孔隙：割理（裂缝）3煤层中的流动状态CH4 CO2 N2ˆ ˆ ˆ ˆ煤层气 次开采 煤层气一次开采 CO2 提高采收率 (CO2-ECBM) N2 提高采收率 (N2-ECBM) 烟道气提高采收率4煤层气一次开采机理ˆ ˆ ˆ 通过排水降低割理压力 煤层气从基质中解吸附出来 扩散到节理/裂缝当中 煤层气从基质中解吸附出来，扩散到节理 煤层气和水流动到井筒 在裂缝中为达西流动 • 面割理和端割理 • 面割理和端割理的垂直连接部分 Š 在大型裂缝中的达西流动或者管流 • 大型节理 大型 • 次生裂缝z1ˆŠ 在生产油管和井筒中的管流 裂缝渗透率受基质影响CH4Coal Matrix煤层割理和裂缝CH4 CH4 H2O CH45CH4CH4Slide 5 z1zll, 2012-3-14提高煤层气采收率机理ECBM烟道气CO2分离 注入N2N2 CH4 出售煤 深部煤层绿色电厂CO2CH4CH4CH4• 提高煤层气采收率 • 温室气体( (GHG) )封存6煤层属性：多重孔隙度系统ˆ 原生孔隙度系统（煤层基质）Š 微孔隙度 (< 2 nm) Š 中孔隙度 (2 – 50 nm)+ Š 非常低的流通能力：渗透率在微达西范围 Š 只有扩散流动ˆ 次生孔隙度系统（煤层节理）Š 宏观孔隙度 (> 50 nm) Š 天然裂缝 Š 更强的流通能力：渗透率在毫达西范围 Š 达西流动7在GEM中煤作为多重孔隙系统ˆ 需要多重孔隙度模型Š例如 DUALPOR SHAPE GK在裂缝（割理）系统中为标准的达西流动ˆ裂缝间距, I,J,K IJK例如 DIFRAC CON 0.2 或 DIFRAC ALL arrayŠ Š Š ŠMATRIX 表示基质系统 FRACTURE 表示裂缝系统 基质中允许非达西流动 煤层气从基质扩散到裂缝（注意：如果基质渗透率被指定为0，那么基质到裂缝之间没有流动。

第十章煤层气数值模拟技术与方法数值模拟技术在煤层气勘探开发中应用较广。

煤层气储层模拟是进行产量预测、地面开发前景评价和生产工艺优选等的重要手段；煤层气地史演化数值模拟则主要用于定量研究煤层气的生成、逸散和赋存的演化规律。

此外，数值模拟技术还被广泛应用于煤层气储层研究和储量计算等方面。

第一节煤层气储层模拟技术一、概述煤层气储层模拟（reservoir simulation）又称为产能模拟（coalbed methane production modeling），无论是在常规油气还是在煤层气勘探开发过程中，通常都需要进行这项工作。

储层模拟是将地质、岩石物性和生产作业集于一体的过程，在此过程中使用的工具就是储层模拟软件。

储层模拟实际上是在生产井的部分参数已知的条件下，解算描述储层中流体流动的一系列方程，通过历史匹配，对井的产油量、产气量和产水量等参数及其变化规律进行预测的工作。

预测的时间可在几个月、几年甚至几十年。

产能参数是选择开采工艺、开采设备的重要依据，同时，还可根据产能参数，对生产井的经济价值进行评价。

随着煤层气开发试验的相继实施和实践经验的积累，科技工作者对煤层气的生气、储集和运移规律有了更深入的理解，同时，也意识到需要有一个有效的工具，来进行生产井气、水产量数据的历史拟合，以便获取更为客观的煤层气储层参数，预测煤层气井的长期生产动态和产量。

同时为井网布置、完井方案、生产工作制度、气藏动态管理，煤层气开发方案等提供科学依据。

正是在这种背景下，煤储层数值模拟研究工作，在继续围绕煤矿瓦斯研究的同时，借鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法，扩展到地面煤层气资源勘探、开发领域。

1981年，由美国天然气研究所（GRI）主持，美国钢铁公司（US Steel）和宾州大学等承担了煤层气产量模拟器与数学模型开发项目（Development of Coal Gas Production Simulators and Mathematical Models for Well Test Strategies）。

焦作工学院学报(自然科学版),第23卷,第4期,2004年7月Jour nal of Jiaozuo I nstitute of T echnolog y(Natur al Science),Vol 23,No 4,Jul.2004煤层气储层几何模型及其应用韩月旺,苏现波(河南理工大学化石燃料所,河南焦作 454010)摘要:根据对煤体的宏观与微观观测,对原有煤层气储层几何模型进行了修正和完善,并建立了针对构造煤的储层几何模型,将原有的单一直径球形基质孔隙模型扩展为双直径球形孔隙模型,同时对两类几何模型的适应条件进行了论述,最后指出的双直径球形孔隙内煤层气的扩散方程揭示了构造煤储层煤层气运移产出机理.关 键 词:煤层气;储层几何模型;双直径球形孔隙模型;构造煤储层中图分类号:T D712+ 61 文献标识码:A 文章编号:1007 7332(2004)04 0251 040 引 言煤层气储层几何模型是一种概念模型,表达了煤中裂隙、煤基质、基质孔隙的形态特征及他们之间的组合关系.储层几何模型是煤层气地质学的核心研究内容,是定性评价煤层气储层非均质性的直观模型,是建立煤层气储层数值模型的必备环节和基础.建立的煤层气储层几何模型应具有高度的概括性,能最大限度地表达自然界中煤层气的储层特征,继而在其基础上建立的数值模型才能客观地反映储层流体的赋存、运移、产出规律.自然界中的煤储层特征受煤岩组成、变质程度和煤体破坏程度等因素的影响,难以用统一的几何模型来表达.Warrenh和Root把油气储层的双孔隙模型引入到煤层气储层中来[1],已被广大煤层气工作者所采用[2-9],并以此为基础开发了几套比较成熟的煤层气储层数值模拟软件,如美国的COM ETPC 3和COALGAS,我国的CM S等软件[4,9,10].该模型将煤体理想化为被面割理和端割理切割成的若干个规则立方体基质块,煤层气主要赋存于基质孔隙中,在降压排采过程中煤层气由基质孔隙表面解吸并扩散到割理系统中,然后沿割理以达西流形式进一步运移至煤层气井产出.1 储层几何模型的建立由Warrenh和Root的几何模型可知,割理控制着煤储层的渗透率,是煤层气井产能的主要贡献者.这一观点被以往的煤层气井基本上集中在割理比较发育的中煤级煤储层所支持.由该模型进一步可知割理不发育的低煤阶和高煤阶煤储层不具备煤层气开发潜力,为煤层气开发的禁区.但中国山西晋城无烟煤发育区和美国粉河盆地、中国阜新盆地低煤阶煤发育区的煤层气勘探表明了这些地区也存在商业性开发潜力,甚至存在高产井[12~14].这就突破了把无烟煤和低煤阶煤发育区作为煤层气开发禁区的传统观念,同时也说明了原有几何模型存在不足之处.山西晋城无烟煤发育区施工的40多口煤层气井中,煤层气井试井渗透率在0 1~5 0md,经强化处理后单井产量一般在2000m3/d以上[15].经岩心和井下对煤层观测发现,该煤发育有三组外生收稿日期:2004 03 17; 修回日期:2004 04 10基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2002CB211705);河南省自然科学基金项目资助项目(021*******).作者简介:韩月旺(1978 ),男,山西临汾人,在读硕士研究生,主要从事煤层气地质学与勘探开发研究.裂隙,以一组SSE NW 走向为主,每个裂隙各有两个走向近似垂直的裂隙组,每组裂隙基本互相平行[12].割理多为孤立状,仅发育面割理,且被方解石完全充填(图1,晋城寺河矿3号煤),可以说割理对渗透率几乎没有影响,而外生裂隙才是决定储层渗透性的因素.美国粉河盆地和中国阜新盆地的低煤阶煤的割理不发育,但原生的粒间孔发育,渗透性很好,且生物成因气所占比例大,含气饱和度很高,同样也可实现商业化开发.中国柳林地区的中煤阶煤,割理多发育在镜煤和亮煤条带和线理中,遇丝质体尖灭,延伸距离有限,通常垂向为厘米级,侧向延伸一般在数米范围内,割理的连通性非常有限.所以把割理作为储层渗透性的主要影响因素难以成立.柳林地区的外生裂隙目前保存下来的主要有两组,其中一组切穿整个煤层延伸数十米,甚至上百米,为主外生裂隙;另一组延伸有限,仅限于相邻两条或数条主外生裂隙之间,为次外生裂隙.这两组外生裂隙将煤体切割成大小不一的立方体或长方块体(图2,Fa 为垂向的一组主外生裂隙,Fb 为水平方向的一组次外生裂隙,柳林庙湾矿4号煤).Warrenh 和Root 几何模型对基质孔隙采用的是单一直径球形孔隙模型,不能真正反映煤体基质孔隙的孔径分布[16].通过上述4个方面的分析研究,作者对先前的储层几何模型进行了如下的修改和补充(图3).252 焦作工学院学报(自然科学版) 2004年第23卷该模型认为煤储层被与层面垂直或高角度斜交的外生裂隙切割成一系列立方体,气体分别由基质微孔隙和基质大孔隙表面解吸.对于光亮煤而言,煤层气由基质孔隙扩散到割理内,然后由割理直接运移至井筒产出或运移至外生裂隙,继而由外生裂隙以达西流形式运移至井筒产出(见图3,ef d b a 或ef d b c a);对于暗淡煤而言,煤层气由基质孔隙扩散至外生裂隙,并由外生裂隙以达西流形式运移至井筒产出(见图3,ef d c a).由该模型可知煤储层渗透性的主要影响者为外生裂隙,在无烟煤中更是如此,割理的主要作用是沟通了基质块与外生裂隙的联系.该模型适用于煤体破坏程度较低、各种煤级的原生结构煤和碎裂煤.受构造破坏严重的煤(碎粒煤和糜棱煤),煤体被破碎成粒状、鳞片状或土状,煤颗粒从纳米级到厘米级不等[17].碎粒煤的各类裂隙的延伸距离一般为厘米级,连通性差.糜棱煤特别是土状煤中几乎没有裂隙.这类储层难以用图2所示的几何模型表达.为此作者新建立了图4所示的几何模型.该模型将储层中的小直径球形孔隙视作基质微孔隙,大直径球形孔隙代表基质块之间的孔隙、延伸在厘米级的各类裂隙.煤层气由基质微孔隙表面解吸扩散至基质大孔隙中,继而由基质大孔隙扩散至井孔产出.即在这类储层内不存在达西流.2 储层几何模型的应用煤层气储层几何模型I 相对全面地反映了构造破坏程度较低的煤储层的特征,但对煤层气储层模拟的数值方程影响不大.新建立的几何模型II 对于解释碎粒煤和糜棱煤储层内煤层气的运移产出具有重要意义.假设:在t =0时,大孔隙和微孔隙中的游离态和吸附态气体浓度相等,且大孔隙和微孔隙内边界上无气体流动.当t >0时,赋存在小颗粒空隙间的气体变化量与大颗粒边界上的气体流量相等,且小颗粒边界上气体浓度与大颗粒中的相等.则煤层气的运移产出机理的数值表达如下:(1)微孔隙扩散模型:D i r 2i r ir 2i r i ( i i )= t ( i i +C s ),该方程表达了微孔隙边界的扩散量与微孔隙内气体变化量相等.(2)大孔隙扩散模型:D a r 2a r a r 2a r a ( a a )= t ( a a )+3(1- a ) i R i a D i i R i a r i =R i ,该方程表达了大孔隙边界的扩散量和大孔隙气体变化量与微孔隙向大孔隙的扩散量之和相等.初始条件: a (0,r a )= 0= i (0,r i ),C S (0,r i )=C S 0;边界条件: r a ( a a )=0, r i( i i )=0,t =0, V V a t =-N 4 R 2a D a a a r ar a =R a , i (t ,R i )= a (t ,r a ),t >0.式中:C 为气体浓度,kg/m 3;D 为扩散系数,m 2/s;r 为半径,m; 为孔隙度; 为气体密度,kg/m 3;N 为煤颗粒数量;R a 为大球体或颗粒半径,m ;R i 为小球体半径,m;V 为吸附气体体积,m 3;t 为时间,s;a 为大孔隙,i 为微孔隙;v 为空隙;s 为煤表面.3 讨 论作者将煤储层基质孔隙视为双直径球形孔隙,据此新建立了几何模型II.该模型能很好地描述低253第4期 韩月旺等:煤层气储层几何模型及其应用渗、特低渗构造煤储层的特征.将双直径球形孔隙内煤层气的扩散方程作为这类储层内煤层气的运移产出方程,从理论上分析是可行的,但在实践中能否得到验证还需进做一步研究.参考文献:[1] W ar renh J E,R oo t P J.T he behav ior of naturally fractured reservoirs [J].Society of Petroleum Eng ineers Jour nal,1963.245-255.[2] 苏现波,陈江峰,孙俊民,等.煤层气地质学与勘探开发[M ].北京:科学出版社,2001.[3] K ing C R,Ertekin T M.A Survey of M athematical M odels Related to M ethane P roduction fro m Co al Seams [J],P ar tI:Empir ical &Equilibrium Sorption M odels.Proceedings of the 1989Coalbed M ethane Symposium,1989.125-138.[4] K ing C R,Ertekin T M.A Survey of M athematical M odels Related to M ethane P roduction fro m Co al Seams [J],P ar tII:Non_Equilibr ium So rption M odels.Proceedings of the 1989Coalbed M et hane Symposium,1989.139-155.[5] 李 斌.煤层气非平衡吸附的数学模型和数值模拟[J].石油学报,1996,17(4):42-49.[6] K ing C R.N umerical Simultaneous Flow of M ethane and Water T hroug h Dual_Porosit y Coal Seams [D].Ph D.dissertation,T he PennsylvaState U niversity,1985.65-78.[7] P avo ne,A M ,Schwerer F C.Development o f Coal Gas Production Simulators and M athematical M odels for W ell T estStrategies [J].Final Report under G RI Contract Number 5081 321 0457,1984.235-251.[8] K ing G R,Ertekin T ,Schwerer F C.Numer ical Simulation of the T ransient Behavior of Coal Seam Degasification Wells[J].F ormation Evaluat ion,1986.165-183.[9] P rice H S,A bdalla A A.M athematical M odel Simulating Flow of M ethane and W ater in Coal M ine Systems [J].F inalReport under U.S.Bureau of M ines Contr act Number S0110752,1972.89-95.[10]Clar kson C R,Bustin R M .T he effect of pore structure and gas pr essure upon the transport properties of coal:a laboratory and modeling study , 1.Iso therms and pore volume distr ibut ions [J].Fuel,1999.1333-1344.[11]Clar kson C R,Bustin R M .T he effect of pore structure and gas pr essure upon the transport properties of coal:a laboratory and modeling study , 2.Adsorption rate mo deling [J].Fuel,1999.1345-1362.[12]文国忠.晋城矿区(新区)煤层气地质与资料初步评价[J].中国煤田地质,1999,11(3):28-30.[13]Osmonson L M ,Rohrbacher T J.Coal r ecoverability in the Hilight quadr angle,Powder River Basin,Wyoming:a prototype study in a w estern coal field [J].U.S.Geolog ical Sur vey Open_File Report ,2000.23-36.[14]龚建明,温珍河,戴春山.阜新盆地的储层特征及其勘探方向[J].海洋地质与第四纪地质,1998,18(2):81-90.[15]孙粉锦,赵庆波,邓 攀.影响中国无烟煤区煤层气勘探的主要因素[J].石油勘探与开发,1998.25(1):32-34.[16]Warrenh J E,Root P J.T he behav ior of naturally fractur ed reservoirs [J].Society of Petroleum Engineers Jour nal,1963.245-255.[17]周世宁,林伯泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M ].北京:煤炭工业出版社,1999.Geometrical models and applications of coalbed methane reservoirsHAN Yue _wang ,SU Xian_bo(Fossils &Research Institu te o f HNP U,Jiaozu o 454010,China)Abstract:Coalbed methane reservoir geometrical model is a conceptual model w hich ex presses coalbed methane reservoir characteristics qualitatively,and is premise of building numerical simulation model.In v iew of the previous reservoir geometrical model s lim itation,the previous model is revised and perfected throug h macroscopic and microscopic observations.A new reservoir model is built w hich is suitable for deformed coal.U ni_diameter spherical matrix pore model is expanded to bi _diameter spherical matrix pore model.Coalbed methane diffusion equations in bi_diam eter spherical matrix pore will ex press the migration regime of coalbed methane in deformed coal reservoir.Key words:coalbed methane;reservoir geometrical model;bi _diameter spherical matrix pore model;deformed coal (本文责任编校 李文清)254 焦作工学院学报(自然科学版) 2004年第23卷。