基于数值模拟方法的煤储层参数敏感性分析

茹 婷

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077)



基于数值模拟方法的煤储层参数敏感性分析

茹 婷

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077)

为了提高彬长矿区大佛寺井田地面直井开发煤层气的产能和经济效益，利用煤储层数值模拟方法对孔隙度、煤层厚度、渗透率以及气含量等煤储层参数进行产能敏感性分析。研究表明：对于大佛寺井田煤层特征来讲，直井累计产气量和稳产期平均日产气量对气含量的敏感性最大，其次是孔隙度和渗透率，对煤层厚度的敏感性最小。煤储层参数敏感性的认识对该区煤层气开发布井、选层具有一定的指导意义。

数值模拟；煤储层参数；敏感性；直井

0 引言

影响煤层气地面直井产能的主要煤储层参数包括孔隙度、煤层厚度、渗透率以及气含量等，不同参数对产能的影响各异。对煤储层参数进行敏感性分析，并对不同参数的敏感性进行对比分析，确定不同参数敏感性的大小，对煤层气开发布井、选层具有指导意义。

敏感性分析就是假设模型表示为y=f(x1，x2，……，xn) (xi为模型的第i个属性值)，令每个属性在可能的取值范围内变动，研究和预测这些属性的变动对模型输出值的影响程度。我们将影响程度的大小称为该属性的敏感性系数。敏感性系数越大，说明该属性对模型输出的影响越大。敏感性分析的核心目的就是通过对模型属性进行分析，得到各属性敏感性系数的大小，在实际应用中根据经验去掉敏感性系数很小的属性，重点考虑敏感性系数较大的属性。这样就可以大大降低模型的复杂度，减少数据分析处理的工作量，在很大程度上提高了模型的精度，同时研究人员可利用各属性敏感性系数的排序结果，解决相应的问题[1]。

1 敏感性参数取值

煤层气单井产能差异受区域地质条件与工程参数的影响，不同的煤储层参数组合造就了不同产能级别的煤层气井[ 2]。根据彬长矿区大佛寺井田的地质条件和储层特征，对敏感性参数：孔隙度、煤层厚度、渗透率以及气含量等进行取值，如表1，考虑了参数值数值能够代表大佛寺井田煤层特征， 最大最小值也在合理范围内，尽量接近大佛寺井田煤层气生产的地质条件。

表1 储层敏感性参数数据表

2 敏感性分析

利用煤储层数值模拟软件(CBM-SIM)模拟彬长矿区大佛寺井田煤层气垂直井10a的产气情况，分析各储层参数的敏感性，并对不同参数的敏感性进行对比分析，确定不同参数敏感性的大小。

2.1 孔隙度

在其他参数不变的情况下，煤层裂缝孔隙度设计了1%，2%，3%，4%的4套方案，分别模拟煤层气直井的产能变化情况，如图1、图2所示，裂缝孔隙度对直井产能的影响非常明显。由于裂缝孔隙度的大小决定了煤层中水的储量，孔隙度越小，煤层中裂缝含水量越少，因此相同的工作制度和地质条件下，裂缝孔隙度越小，相同的排水量，会导致地层压力下降速度快，使得煤层具有更大的解吸量，日产气量相对较高，累计产气量较高。

图1 不同孔隙度直井日产气量的变化情况Figure 1 Vertical well daily output variation under different porosities

图2 不同孔隙度直井10a累计产气量情况Figure 2 Vertical well 10 years cumulative output under different porosities

2.2 煤层厚度

考虑到煤层的实际厚度，设计了5m、10m、15m、20m的4套对比方案，对比结果如图3、图4所示。随着煤层厚度的增加，垂直生产井的日产气量、最大产气量、稳产时间都在增加，这是因为在其他地质条件一致的情况下，煤层厚度越大，煤层气的地质储量越大，单井控制储量越大，开发潜力越大。

图3 不同煤厚直井日产气量的变化情况Figure 3 Vertical well daily output variation underdifferent coal thicknesses

图4 不同煤厚直井10a累计产气量情况Figure 4 Vertical well 10 years cumulative output under different coal thicknesses

2.3 渗透率

本次模拟设计了煤层绝对渗透率1mD、3mD、5mD、7mD4套方案，分别模拟煤层气直井的产能变化情况。煤层中发育的2组垂直裂隙交错形成网格，是煤储层渗透率的主要贡献者。储层裂隙中面割理连续性较强、延伸较远，渗透性最优；端割理高角度穿插于相邻两条面割理之间、断续分布，渗透性较差[ 3-4]。2组垂直割理形成的方向性渗透率共同控制着储层渗透性的优劣[ 5]。控制其它储层参数不变，仅调整储层面割理方向渗透率进行煤层气井产能数值模拟，模拟结果如图5、6所示，当渗透率过低，煤储层泄压速率和煤层气解吸速率较低，压降漏斗扩展范围有限， 导致产气量较低。随着绝对渗透率的增加，气体流动阻力减小，日产气量、最高日产气量、累计产气量都会增加。

图5 不同渗透率直井日产气量的变化情况Figure 5 Vertical well daily output variation under different permeabilities

图6 不同渗透率直井10a累计产气量情况Figure 6 Vertical well 10 years cumulative output under different coal permeabilities

2.4 气含量

由于大佛寺井田气含量相对较低，因此煤层气垂直井的初始气含量设计了1m3/t、2 m3/t、3m3/t、4m3/t的4套对比方案，模拟结果如图7、图8所示，随着气含量的增加，日产量、日产气量峰值是逐渐增加。由于兰氏体积和兰式压力是确定的，初始气含量决定了临界解吸压力的大小，初始气含量越高，临界解析压力越高，降低相同的压力，解吸量越多，气产量越大，累计气产量越高。煤层厚度一定条件下，气含量越大，可抽采的资源量越大，产气量越高。

图7 不同含气量的直井日产气量变化情况Figure 7 Vertical well daily output variation under different gas contents

图8 不同含气量的直井累计产气量变化情况Figure 8 Vertical well 10 years cumulative output under different gas contents

2.5 不同参数敏感性对比分析

(1)直井累计产气量与不同参数敏感性对比

根据前面直井对不同参数敏感性的分析，统计数据如表2，画出直井10a累计产气量与孔隙度、煤层厚度、渗透率和气含量的曲线图(图9)，利用线性回归分析累计产气量(y)与各参数(x)之间的关系，建立了数学模型，如表3。

图9 直井10a累计产气量与煤储层各参数的关系曲线Figure 9 Vertical well 10 years cumulative output-coal reservoir parameters relation curves

孔隙度/%10a累计产气量/104m3厚度/m10a累计产气量/104m3渗透率/mD10a累计产气量/104m3气含量/m3t-110a累计产气量/104m313053857507110000117907223095101501431823923426431971715225205257333399374177462030027733025454513

表3 累计产气量与各参数的数学模型统计表Table 3 Mathematical model statistics of cumulative output and parameters

以上公式的相关系数都大于0.96，曲线拟合的很好，说明累计产气量与孔隙度、煤层厚度、渗透率和气含量满足线性关系。各直线的斜率分别为-41.76、15.01、38.28、115.49，斜率表示一条直线相对于横坐标轴的倾斜程度，斜率的绝对值越大说明x的变化引起的y值变化就越大，所以说直井累计产气量对于气含量的敏感性最大，其次是孔隙度、渗透率，对煤层厚度的敏感性最小。

(2)直井稳产期平均日产气量与不同参数敏感性对比

根据前面直井对不同参数敏感性的分析，统计数据如表4，画出直井稳产期平均日产气量与孔隙度、煤层厚度、渗透率和气含量的曲线图(图10)，利用线性回归分析稳产期平均日产气量(y)与各参数(x)之间的关系，建立了数学模型，如表5。

表4 直井10a累计产气量与各参数统计表

图10 直井稳产期平均日产气量与煤储层各参数的关系曲线Figure 10 Vertical well stabilized production period average daily output-coal reservoir parameters relation curves

参数稳产期平均日产气量与各参数的数学模型相关系数孔隙度y=-39422x+27729098煤层厚度y=12632x+062099渗透率y=39236x+20069099气含量y=66188x+85787098

以上公式的相关系数都大于0.98，曲线拟合的很好，说明稳产期平均日产气量与孔隙度、煤层厚度、渗透率和气含量满足线性关系。各直线的斜率分别为-394.22、126.32、392.36、661.88，斜率表示一条直线相对于横坐标轴的倾斜程度，斜率的绝对值越大说明x的变化引起的y值变化就越大，所以说直井稳产期平均日产气量对于气含量的敏感性最大，其次是孔隙度、渗透率，对煤层厚度的敏感性最小。

3 结论

根据前面对彬长矿区大佛寺井田煤储层参数敏感性分析可知：

(1)对大佛寺井田煤层特征来说，直井累计产气量和稳产期平均日产气量对气含量的敏感性最大，其次是孔隙度和渗透率，对煤层厚度的敏感性最小。

(2)在煤层气井排采的过程中，气含量、渗透率和孔隙度都会随着煤层气和煤层水的产出而发生变化的，鉴于累计产气量和稳产期平均日产气量对气含量、孔隙度和渗透率的敏感性较强，所以在制定排采制度时要稳定降压使各参数变化缓慢，这样才会提高煤层气井的产量。

[1]蔡毅，邢岩，胡丹.敏感性分析综述[J].北京师范大学学报(自然科学版) ， 2008，44( 1)：9-15.

[2]马东民.煤层气井采气机理分析[J].西安科技学院学报，2003，23(2):156-159.

[3]蔡东梅，孙立东，赵永军.基于煤演化程度的煤储层渗透率发育机理初探[J].山东科技大学学报(自然科学版)，2009，28(2)：22-27.

[4]孙立东，赵永军，蔡东梅.应力场、地温场、压力场对煤层气储层渗透率影响研究：以山西沁水盆地为例[J].山东科技大学学报(自然科学版)，2007，26(3)：12-14.

[5]桑浩田，桑树勋，周效志，等.沁水盆地南部煤层气井生产历史拟合与井网优化研究[J].自然科学学报，2011，30(4)：58-65.

doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.07

文章编号：1674-1803(2017)04-0035-05

Coal Reservoir Parameters Sensitivity Analysis Based on Numerical Simulation

Ru Ting

(Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an, Shaanxi 710077)

To improve surface vertical well CBM exploitation capacity and economic effect in the Dafosi minefield, Binchang mining area, through coal reservoir numerical simulation carried out coal reservoir parameters including porosity, coal seam thickness, permeability and gas content carried out exploitation capacity sensitivity analysis. The study has shown that to the coal seam features in Dafosi minefield, the vertical well cumulative gas output and stabilized production period average daily output have largest sensitivity to gas content, followed by porosity and permeability, while the least is coal seam thickness. The knowledge from coal reservoir parameters has certain guiding significance on CBM exploitation well layout and horizon selection.

numerical simulation; coal reservoir parameters; sensitivity; vertical well

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.06

1674-1803(2017)04-0031-04

国家油气重大专项(2016ZX05045-002)、国家自然科学基金项目(41302132)，中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2016XAYQN10)

茹婷(1981—)，陕西咸阳人，工程师，主要从事煤层气地质与开发相关研究工作。

2017-01-17

文献标识码：A

责任编辑：宋博辇