煤层气气水运动理论与应用

穆福元

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 065007)

煤层气气水运动理论与应用

穆福元

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 065007)

为了引导煤层气的高效开发，本文采用理论与实践相结合的方法，探讨了煤层气气水运动的理论与应用。提出煤层气虽然是吸附气，但其开发后，气和水是运动的，气往上部运移，水往下部运移。受其影响顶部的井往往高产、腰部低产、翼部不产，生产中也出现了自给性(平缓部位)、外输性(构造翼部)和输入性(构造顶部)等三种产气曲线类型。建议开发布井优化时考虑煤层局部构造的影响，在其顶部少布井、翼部多布井、鞍部不布井，实现少井高产，达到合理开发的目的。

煤层气 气水运动 高效开发

1 煤层气开发理论现状与存在问题

1.1 现状

传统的煤层气开发理论将煤层甲烷气的产出机理分为解吸→扩散→渗流等三个阶段。煤层气井生产后随着井筒附近地层压力的下降，起初只有水产出；当井筒附近的储层压力小于吸附压力之后，就有一定数量的甲烷从煤的表面“解吸”，形成气泡，阻碍水的流动，但此时气没有互相连接，尚不能流动；随着储层压力的进一步下降，就有更多的气解吸出来，“扩散”到煤储层的其它区域，气泡互相连通形成连续的流线，气开始在地层“渗流”和产出；随着压力的进一步降低，煤层气产量逐渐增加。这就是煤层气解吸→扩散→渗流理论的精髓，是指导煤层气开发的理论经典。

1.2 存在问题

在我国常规天然气藏的开发实践中，采取了一套采用集中高渗透区布开发井原则，取得了少井高产的开发效果；如四川平落坝香二气藏应用该布井原则，减少钻井6口，同时延长稳产期2年以上。而纵观我国煤层气的开发方案，大多采用均匀布井的开发方式，即使采用数值模拟进行模拟分析，也没有相关的理论进行指导。这种均匀布井的布井方式，不但不能增加气田的采收率，反而浪费了煤层气权益人的开发投资，使得其收益下降，因此需要一套煤层气“少井高产”的理论，指导我国煤层气开发方案的编制，这正是本文所探讨气水运动理论的目的之所在。

2 气水运动理论的探讨与应用

2.1 理论探讨

煤层里的煤层气未开发前，绝大部分吸附在煤岩里，煤层的的流体(吸附气、煤层里的游离气和煤层里的水)处于相对静止状态；当煤层的开发井网形成且气井投产后，其压力漏斗逐渐形成，使得煤层中的流体受重力分异作用的影响进行二次运移；煤层里的水逐渐由高势能区向低势能区运移，而气则从低势能区向高势能区运移，构造高部位形成了高产区，低洼区形成了低产区(图1)。该理论的公式推导如下：

图1 “气水运动理论”示意图

假设图1中的A、B、C三点分别代表顶部、翼部、鞍部的三口井，假设煤层中没有游离气，则A、B、C三点的地层压力的关系是：

PB=PA+0.01h1

(1)

PC=PA+0.1(h1+h2)=PB+0.01h2

(2)

A井的气水产量分别为：

(3)

(4)

同理B井与C井的气水产量分别是：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：qg——气产量；

k——有效渗透率，mD；

Krw——水相相对渗透率，f；

Krg——水相相对渗透率，f；

Pwf——井底流压；

μg——气体粘度，mPa.s；

μw——地层水粘度，mPa.s；

re——井距之半，m；

rw——井底半径，m；

S——表皮系数，f；

m——系数，国际单位下为0.02728；

脚标A、B、C分别代表A、B、C三井。

假设A、B、C三井的k、Pwf、μg、μw、re、rw、S等参数一致，则影响A、B、C三井气水产量的因素主要有两个：

一个是地层压力，从(1)和(2)可知，受重力的影响，C点的地层压力大于B点，B点大于A点，换句话说，当顶部A点附近的煤层气解析时，B点和C点附近的煤层气尚未解析，A、B、C三井附近煤层气的解析顺序是A→B→C。据此可知，A、B、C三井的出气顺序是A→B→C。

另一个是相对渗透率krw和krg，国内外众多学着将煤层划归为双重或者是多重介质，其典型的相对渗透率曲线见图2。由图可见，决定相对渗透率krw和krg的关键因素是煤层中的地层水饱和度Sw或者是气体的饱和度Sg，在煤层降压初期，假设煤层中没有游离气，则A、B、C三井的气产量为0。

图2 煤层气相对渗透率曲线(单位：f)

随着排水工作的开展，A、B、C三井的地层压力均要有所下降，但受地层水重力作用的影响，A井的压力降得最快，C井的压力降得最慢，当A井出现两相流时，B井和C井仍处于单相水流阶段，A井、B井和C井出现两相流、且气体饱和度增大的顺序依次为A→B→C。由此可知，A、B、C三井气产量由高到低的顺序是A→B→C，水产量高到低的顺序是C→B→A。

2.2 应用

(1)生产曲线的分类

根据煤层气的气水运动理论，可以将目前的煤层气生产曲线归为以下三类：

① 自给型

这类井往往处于构造相对平缓的区域，其特点是只有一个稳产期，单井产量较高，稳产期较长，井的开发寿命中等。典型井的例子是铁法地区的DT-4井， 2006年底达到产量高峰，最高日产气12442m3/d，10年后的产量尚有3200m3/d。

② 外输型

这类井位于构造腰部，井水大气小，稳产期短，递减也快。典型井的例子是沁水盆地位于局部构造腰部的蒲南2-5井，该井2012年10月前不产气，产气后产气量也很少，仅47m3/d，远低于该区的平均产气水平，日产水7.2m3/d，却高于该区的平均水平。

③ 输入性

这类井位于构造顶部，单井产量高，产量高峰可能不止一个，稳产期长，采出程度有可能超过100%，典型井的例子是沁水盆地的蒲1-2井，该井位于构造的局部高点，有3个高峰期，分别是2007年7月21日、2009年3月9日和2011年11月5日，日产气高峰分别为2368m3/d、3374m3/d和7596m3/d，第一个高峰是煤层里的游离气产出的结果，第二个是该井“排水采气”的结果，第三个是“气水运动”的结果。

(2)开发井距的优化

① 构造顶部：该部位的气为“输入型”，水为“输出型”，气产量高，单井控制面积大，建议在地质条件如储层厚度、含气量等参数一致的条件下，该区的开发井距应该放大一些；

② 构造翼部：该部位的井气为“输出型”，水为“输入型”，产水量高，产气量低，建议该区的开发井距应该放小一些；

③ 构造鞍部：该部位的水为“输入型”，气的产量很低，建议该部位应该尽可能不布井。

2.3 应用前景预测

气水运动理论开创了煤层气开发后气与水运动的先河，将在煤层气开发动态分析、可采储量分析等方面注入活力；预计与早期精细构造解释结合后，将在开发井距优化部署发挥积极的作用，引领煤层气的高效开发。

3 结论

煤层气虽然是吸附气，但其开发后，气和水运动的的方向是相反的，气往上部运移，水往下部运移，受其影响出现了三种产气曲线类型。建议开发布井优化时考虑煤层局部构造的影响，在其顶部少布井、腰部多布井、翼部不布井，实现少井高产。

[1] 苏现波,陈江红,孙俊民,程昭斌.煤层气地质学与勘探开发[M].北京：科学出版社，2001.

[2] 穆福元,仲伟志,赵先良,车长波,陈艳鹏,朱杰,等.中国煤层气产业发展战略思考.天然气工业[J]. 2015,35(6):110-116.

(责任编辑 丁 聪)

Theories and Practice of CBM Gas-water Moving

MU Fuyuan

(Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Hebei 065007)

For leading CBM effective development, the theories of gas-water moving have been discussed in this paper with the method of integrating theory with practice. Results show that:Although CBM is the adsorbed gas, it will be moving after development, and gas will be moving to the upper position and water to the lower. The well production rate is often higher in the top of structure, middle in waist, and low in saddle, and three production curer types, that is self (gentle), transportation (waist) and input (top), were appeared in CBM development practice.In order to develop CBM reasonably, it is suggested to consider the influence of the structure of local coal seam when placing of wells, which is less on the top, more on the waist, and no wells on the saddle.

CBM; gas-water moving; effective development

国家科技重大专项 “我国煤层气发展战略和政策研究”(2011ZX05043-006)

穆福元，高级工程师，长期从事煤层气开发与政策研究工作。