当前我国煤层气采收率估算方法及存在问题

周尚忠 张文忠

(中联煤层气有限责任公司, 北京 100011)

煤层气是煤在煤化作用过程中生成, 主要以吸附状态赋存于煤层内的以CH4为主要成分的非常规天然气。煤层气是优质的能源和基础化工原料,是石油和天然气等常规地质能源的重要补充; 煤层气同时又是一种有害的危险气体, 煤层气中CH4的温室效应约是CO2的21 倍, 对大气臭氧层造成的破坏是CO2的7 倍,对生态环境破坏性极强;煤层气的易燃易爆性也严重危及着煤矿的安全生产。因此, 对煤层气有效利用, 对于缓解我国能源供应的紧张局面、减少温室气体排放、提高煤矿的安全生产及拉动其它相关产业的发展具有重要的意义。

据2006 年“新一轮全国煤层气资源评价”结果, 我国埋深2000m 以浅的煤层气地质资源量为36．81 万亿m3, 如果采收率取50%, 其技术可采资源量相当于184 亿t 原油, 按目前我国原油开采速度可供开采近100 年, 这无疑是一巨大的战略性“接替能源”。

煤层气可采资源量是指在特定的时间估算的已经探明 (包括已经采出) 和尚未探明的、在未来可预见的经济技术条件下可以采出的煤层气资源总量。煤层气可采资源量既是判断煤层气田是否具有经济价值的重要物质基础, 也是下一步编制开发方案和确定投资规模的重要依据。因此, 对煤层气可采资源量进行合理估算是煤层气勘探工作的一项重要内容。

煤层气可采资源量由煤层气地质资源量乘以采收率计算所得, 当前我国煤层气的采收率基本上是通过估算得到的。估算采收率的主要方法有等温吸附曲线法、解吸法、类比法、动态法, 当前最常用的是等温吸附曲线法和动态法中的数值模拟法。每一种方法都存在着局限性, 求取采收率时, 需要考虑相关影响因素, 综合估算采收率, 使估算结果更加合理、科学和准确。

1 采收率估算方法简介

1．1 等温吸附曲线法

在缺乏煤层气井生产资料的情况下, 利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系, 估算出煤层气临界解吸压力, 然后结合煤层气井的废弃压力, 估算出煤层气采收率。该方法具有较强的理论性, 其难点在于如何确定废弃压力, 目前我国还没有已经枯竭或濒临枯竭的煤层气藏资料, 在利用等温吸附曲线估算煤层气采收率过程中, 废弃压力一般根据美国的经验, 取0．70MPa 进行计算。单独应用该法估算煤层气采收率的可靠性比较低, 最好是配合其他方法综合求取采收率。

1．2 解吸法

直接法测定的煤层气含量包括： 解吸气、损失气和残余气三部分。理论上, 解吸气和损失气在自然条件下可以解吸出来, 认为可以从气藏中开采出来。因此, 煤层气的采收率可以认为是解吸气与损失气之和占总气含量的百分比, 间接地估算采收率。实际上, 解吸气和损失气能否采出来受制于煤的变质程度、煤岩组成、煤质特征、煤体结构、煤层渗透性等诸多地质因素和钻井、完井、储层改造及排采等工艺技术的影响。这些因素的存在直接影响了采收率估算结果的实用性。

1．3 类比法

类比法是一种比较简单的采收率估算方法, 通过与地质条件相似的地区进行类比, 从而获得煤层气采收率。适用于研究程度比较高的地区。一般限于同一盆地的含气区带或地质条件类似、地理位置相邻的含气区带。这种方法不仅要求类比区与被类比区的地质条件相近, 而且要求二者的开发技术、开采工艺、井网形态等方面基本一致。其结果的准确性取决于地质资料的可靠性、对类比区与被类比区的地质认识程度及研究者的技术水平和工作经验等。

1．4 动态法

动态法是证实已开发储量评估的最为常用的方法, 主要包括数值模拟法、产量递减曲线分析法和物质平衡法等。

1．4．1 数值模拟法

数值模拟法是将计算机模拟用于煤层气藏中流体流动的描述。应用煤层气地质学、地球物理学、岩石物理学、煤层气藏工程学和渗流力学等学科的理论和方法, 运用数值方法研究煤储层中煤层气的生成、储集、运移和产出机理, 估算煤层气采收率的重要方法。通过建立地质模型、进行储层敏感性分析和历史拟合等工作对已获得的储层参数和早期的试采数据进行匹配拟合, 最终获得煤层气井的产能和采收率。该方法估算结果实用性比较好, 但是需要实际的生产数据和储层参数, 这些参数在煤层气井生产初期往往比较缺乏, 因此在运用数值模拟方法进行采收率估算时, 对参数的选择应特别慎重。

1．4．2 产量递减曲线分析法

产量递减曲线分析法是利用煤层气井实际生产历史资料的生产规律和开发趋势, 对过去生产动态趋势进行外推来估算地质储量、剩余生产期限和产量预测。常用的产量递减曲线分析法包括产量与时间关系法、月产量与累积产量关系法和平均单井产量关系法。煤层气井投入开发生产阶段, 至少连续生产5 年后才能使用这种方法估算采收率。一般是煤层气井经历了产气高峰开始稳产并出现递减后,利用递减曲线对未来产量进行计算, 进而获得估算采收率。

1．4．3 物质平衡法

物质平衡法是物质守恒定律在可采储量计算中的具体运用。其实质是假定某个煤层气藏的原始储量等于采出量与地下剩余储量之和。物质平衡法适用于煤层气开发阶段已完成排采过程的气井, 不适用于边缘井。其缺点是需要的参数多, 包括煤储层的静态地质参数、煤层含气量、等温吸附数据、煤层中各种流体的PTV 分析数据、各种流体在地面条件下的物性分析数据及储层动态参数 (包括投入开发时的气水产量数据和压力变化数据) 。物质平衡法估算结果的可靠性比较高。

2 煤层气采收率估算实例

2．1 数值模拟法

运用数值模拟法对沁水盆地南部A 区块3#煤进行了煤层气采收率估算, 通过建立模型 (包括地质模型、确定边界条件、煤层气的流动状态、源汇项及井的工作状态、数学模型) 、敏感性分析 (包括产气量与含气量、表皮系数、孔隙度、渗透率、兰氏体积、吸附时间、井底压力等参数的敏感性分析) 和历史拟合 (获得产气量、水、压力等拟合曲线) 等工作, 最终获得了井网中心井的单井累积产气量预测曲线, 根据预测曲线求取井网中心井的累计产气量。然后再用模拟预测的井网中心井的累计产气量与其控制的泄气面积内的煤层气储量相比,求出了预测的煤层气采收率。其计算公式：

据此估算的A 区块3#煤煤层气采收率为54．30%。

图1 沁水盆地南部A 区块直井预测产量曲线

2．1．1 直井采收率数值模拟预测

预测模型中采用5 点法300m×300m 的井网,预测煤层气直井服务年限为15 年, 平均日产气量可达到2139．9m3, 单井平均年产量可达70．61 万m3, 单井累计产量可达1059．25 万m3, 累计采收率可达53．87% (图1, 表1) 。

表1 沁水盆地南部A 区块直井预测产量和采收率数据表

2．1．2 水平井采收率数值模拟预测

预测模型中水平井水平段为3000m, 预测煤层气水平井服务年限为8 年, 平均日产气量可达到14553．75m3, 单井平均年产量可达480．27 万m3,单井累计产量可达3842．19 万m3, 累计采收率可达64．03% (图2, 表2) 。

2．2 等温吸附曲线法

图2 沁水盆地南部A 区块水平井预测产量曲线

表2 沁水盆地南部A 区块水平井预测产量和采收率数据表

利用等温吸附曲线估算煤层气采收率有两种方法： 等温吸附曲线图解法和等温吸附曲线公式法。笔者采用等温吸附曲线公式法对沁水盆地南部A区块3#煤煤层气采收率进行了估算。

等温吸附曲线公式法主要是通过等温吸附数据根据公式计算出理论最大采收率, 计算公式如下：

式中 PL——兰氏压力, MPa;

Pcd——临界解吸压力, MPa;

Pad——煤层气井的废弃压力, MPa;

η——煤层气理论最大采收率,%。

以A 区块的主要可采煤层3#煤层为计算对象,仔细分析煤储层的吸附- 解吸特征, 并对00X 井采集的样品进行等温吸附试验, 00X 井3#煤的兰氏压力为1．92MPa, 临界解吸压力为2．40MPa, 煤层气井的废弃压力取0．70MPa ,据公式 (1) 估算的A 区块3#煤煤层气采收率为51．91%。

3 煤层气开采实践

00Y井为A 区块的一口煤层气生产试验井。该井3#煤埋深495．6m, 厚度6．3m, 3#煤煤层气资源丰度为1．69 亿m3/km2, 00Y 井与周围生产试验井平均井距约374m (图3) , 控制地质储量约2363．64万m3。按照54．30%的采收率 (数值模拟法估算结果) 计算, 该井技术可采储量约为1283．46 万m3;按照51．91%的采收率 (等温吸附实验法估算结果) 计算, 该井技术可采储量约为1226．97 万m3。

该井自2000 年12 月6 日产气以来, 最高日产气量13638m3, 截至2011 年4 月9 日已累计产气9214542m3, 平均日产气2440m3, 实际采收率已达到38．98%。该井目前生产稳定, 日产气量在5000m3以上, 处于较高水平, 随着生产的继续进行, 采收率将在2～3 年达到估算的采收率, 根据煤层气井生产规律, 预计最终采收率将远大于估算的采收率。

图3 沁水盆地南部A 区块00Y井相对位置示意图

4 当前煤层气采收率估算存在的问题探讨

通过对00Y 井估算的采收率和开采中的实际采收率进行对比, 结合煤层气井常规生产特征分析可以得出, 该井在实际生产中的采收率将远大于估算的采收率, 笔者经过分析认为, 当前煤层气采收率估算主要存在以下两个方面的问题。

(1) 废弃压力值的选择值得商榷

废弃压力是指煤层气开采过程中所能降到的最低储层压力, 根据等温吸附法煤层气采收率计算公式, 废弃压力越低, 煤层气采收率越高, 美国目前常用的废弃压力是0．70MPa, 我国目前排采的煤层气井普遍时间较短, 还没有煤层气井因生产结束而弃井, 我国目前在预测煤层气采收率过程中对废弃压力赋值时多参考美国的数值, 此数值值得商榷。

(2) 预期的生产年限和稳定生产时间需进一步探讨和修正

煤层气初期产量低, 但生产周期长, 可达20～30 年, 也有人认为煤层气的生产周期为15～20年, 当前我国在估算煤层气采收率时多以15 年为直井的生产年限进行数值模拟, 这与实际生产情况存在较大差距。00Y 井到目前生产时间已超过10年, 产气量仍保持在较高的稳定水平, 排采曲线(图4) 与A 区块直井预测产量曲线 (图1) 存在较大差异, 因此预期的生产年限和稳定生产时间需进一步探讨和修正。

5 结论

(1) 我国有关专业技术人员在进行煤层气采收率估算时普遍比较谨慎, 估算值偏低, 为煤层气开发项目的整体规划和经济评价带来一定的影响。

(2) 当前我国煤层气采收率估算主要存在两个方面的问题： 一是废弃压力值的选择值得商榷, 二是预期的生产年限和稳定生产时间需进一步探讨和修正。

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