煤层气单井排采水压传播动态研究

潘海洋， 殷榕蔚

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

煤层气单井排采水压传播动态研究

潘海洋， 殷榕蔚

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

以泰斯公式为基础，通过修正与概化煤层气单井排采的产水量，将煤层视为含水层，建立煤层气单井排采水压传播数值模型。以沁水盆地ZX井为例，利用建立的模型计算排采过程中水压传播范围，并采用COMET3数值模拟软件模拟ZX井排采过程中的压力传播动态，对比二者结果，认为建立的煤层气单井排采水压传播数值模型计算结果可靠，方法较为合理。

煤层气；压力传播；数值建模

0 前言

煤储层压力，是指作用于煤孔隙-裂隙空间上的流体压力(包括水压和气压)，又称为孔隙流体压力[1]。煤储层中的甲烷气体及其它气体所形成的压力称为气体压力，简称气压；孔隙-裂隙中的水所形成的压力，称为水压；气压和水压二者共同构成了储层压力[2]。储层压力是煤层气运移的能量基础，直接决定着煤层对甲烷等气体的吸附能力，是控制煤层吸附气量的最关键因素。储层压力的降低是煤层甲烷解吸、运移的直接原因。储层压力降低至临界解吸压力时，吸附的甲烷解吸进入煤层裂隙系统，并向井筒运移最终产出。

煤层气井在生产过程中通过抽排目的煤储层中的承压水，降低煤储层压力，促使煤储层中吸附的甲烷解吸。煤层气井的排采一般经历抽水降压阶段、稳定生产阶段、产量下降阶段。压力传递范围影响煤层气井产量与产气速率。当压力未传递到与最小水平主应力平行方向上裂隙延末端时，从井壁至供给边缘压力随距离成对数关系分布，形成一个以井筒为圆心的同心圆状压力分布；当传递到几乎与最小主应力平行方向上裂隙末端时，压力将在这些方向上不再传递，仅在其中两个方向上传递，压力以井筒为圆心的椭圆分布[3-4]。定产量排采阶段随着排采时间的延续观测点压降不断加大，加大的速率减小；定压降排采阶段，压降漏斗的扩展速度减小，并趋于稳定[5-6]。本文以此为基础，基于泰斯公式建立煤层气单井排采水压传播数值模型，研究煤层气排采的压降动态过程。

1 数值模型

1.1 煤层气单井排采地质模型

煤储层和顶板含水层构成一个完整的地下水系统[7]。煤层气井产出的水主要来自煤层临近含水层与煤层内部[8]。因煤层的致密、低渗等特点使煤层常被视作隔水层，但根据沁水盆地含水层分布条件，为研究煤层气井排水降压过程中产水量、水压影响范围、水压降、渗透率等参数之间的关系，本文作如下假设：

①煤层在煤层气排采过程中当成含水层；

②含水层(煤层)均质各项同性、等厚、水平无限延伸；

③排水降压前，含水层(煤层)的水力坡度为零；

④含水层中水流运动服从达西定律，水头下降引起的地下水从储层中的释放是瞬时完成的。

通过以上假设，根据研究区的地质条件与水文条件建立煤层气直井、单井、单煤层排采的地质模型。假设煤层气井径无限小，在煤层气排水降压排采过程中，煤层顶底板完好，未发生含水层破损导致煤层中的补给水量增加情况。同时在排采井的周围无其它排采井干扰，无断层、褶皱等地质构造，煤层的产水量主要来自煤层侧向补给(图1)。

图1 煤层气单井排采地质模型Figure 1 CBM single well drainage geological model

1.2 煤层气单井排采水压传播数值模型

其中，

式中：W(u)为井函数，Q产水量，m3/d；r为距离井中心距离，m；s为r处的水压压降，m；t为抽水延续时间，d； 为贮水系数；T为含水层(煤层)导水系数，m2/d；

1.3 模型产水量的概化

泰斯公式适合均质各向同性、等厚、水平无限延伸符合达西定律的含水层定产水量抽水[9]。因煤层气井的排水过程中非定产水量抽水，因此通过概化产水过程曲线将产水量过程近似的概化成折线，把一个时间段内看成是定产水量抽水(图2)。为保证计算精度，本文以天为单位，将产水量进行概化。应用泰斯公式将各个阶段的压降进行累加得到总压降，如下式

ti-1

式中：n为概化段数(即抽水天数)；Qi为第i个概化段数期间的产水量，m3；其余变量含义同前。上式是变产水量条件下，t时，煤层气井外围不同点压降的计算公式。

1.4 煤层气井产水量的修正

由于煤层气排采过程中的产水量相对于抽水井来说较小，如果忽略井筒内存留的水，可能给计算产水量Q带来不可忽略的误差。例如煤层气井井筒液面降低10m，井筒中水量减少(以最小产气井径139.7mm估算)0.15m3，假设平均产水量为3m3/d，则在计算储层产水量时误差5%。所以，需对排采过程总产水量进行修正。

图2 产水量概化示意[9]Figure 2 A schematic diagram of water yield generalization[9]

井筒中液面高度的动态变化导致井筒内水量的变化。井筒内水的变化量与地表实际测的产水量共同构成了煤层产水量。以此为依据，对煤层气井产水量进行校正，具体方法如下式，

Qi=Q测+Qw

其中，

Qw=πR2ΔHi/Ti

ΔHi=Hi-Hi-1

式中，Qi为第i段井筒较正后的产水量，Q测为实际测量的产水量，m3/d；R为井筒半径，m；Hi为i阶段液面高度，Hi-1为i-1阶段液面高度，m；Ti为第i概化段的时间长度，d。

2 实例研究

2.1 工程背景

研究区位于沁水盆地南段翘起端的中东部，总体构造形式为一个北倾的单斜。地层出露由老到新依次为下古生界奥陶系中统下马家沟组(O2x)、中统上马家沟组(O2s)、峰峰组(O2f)，上古生界石炭系上统本溪组(C2b)、石炭系上统-二叠系下统太原组(C2-P1t)，二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、中统上石盒子组(P2s)、上统石千峰组(P3sh)，第四系(Q)。

该区区主要发育煤层为3#、9#和15#煤层，本文选取3#煤层为研究对象，3#煤层为研究区域内煤层气井排采的主采煤层。该煤层厚度稳定、变化范围5.07～7.22m，平均煤层厚6.03m，煤层的厚度呈带状的展布，埋深变化较大，从50～700m均可见3#煤层，煤层含气量总体呈现环带状分布，最高值约为30m3/t。

该区在研究煤层气井排水降压过程时，水压传播机理及范围不清，导致对煤层气解吸范围不明确，导致产能及采收率预测存在较大误差。为研究煤层气井排水降压过程中水压动态传播规律与传播范围，在该区选择一口前期产水稳定的煤层气井进行研究。

2.2 煤层气单井的选取

以沁水盆地潘庄区块内的ZX井为例，基于建立的煤层气单井排采地质模型，研究其在排采过程中压力的传播范围及其变化规律。该井选择前期排水降压时间大于30d，平均产水量高于3m3/d，井排采范围内构造简单，煤储层近似水平，井参数如表1所示。

ZX井位于沁水盆地南部潘庄，该井的排采分为两个阶段。在第一阶段仅对3#煤层进行了压裂排采，第二阶段，2009年6月封闭3#煤层，对15#煤进行了压裂，本文仅对第一阶段排采过程进行计算。第一阶段对3#煤排采206d中有产水资料206d，其中74d为单相水流，132d为气水共产，最高产气量为269.60 m3/d，最高产水量4.44 m3/d(图3)。

表1 ZX井储层参数

图3 ZX井排采生产曲线Figure 3 Well ZX drainage production curve

2.3 煤层气井的压降漏斗的计算

根据ZX井资料，采用前述煤层气单井排采水压传播数值模型计算ZX井的传播范围及压降数据。计算结果显示，该井在206d的生产中，74d单相排水形成的水压传播半径为212m，最大压降142.75m(图4)。通过206d产水量数据，计算得出排采结束时水压传播半径为235m，最大压降188.7m(图5)，其中压力降低到临界解吸压力以下的半径为8m。

图4 ZX井排水压降Figure 4 Well ZX drainage hydraulic pressure dropping

图5 ZX井排采结束水压降Figure 5 Well ZX drainage terminal hydraulic pressure dropping

2.4 验证

为了验证前述模型的准确性，采用COMET3储层数值模拟软件模拟排水阶段的储层压力传播(即水压传播，下同)，结果如图6所示(每个网格代表40m，下同)。由图6可知，在74d的排水过程中，储层压力下降200m，近似等于212m，由此可见，模型计算与储层模拟软件相比，吻合度较高。

对整个排采过程的水压变化进行模拟，结果如图7所示(每个网格代表40m，下同)。由图可知，水压传播范围为280m，因COMET3储层数值模拟软件在影响范围上随着时间增加半径无收敛性(无限扩大)，因此模拟值在后期高于产水引起水压传播范围。由此可见，模型对水压变化和影响范围的预测具有较高的可信度。

图6 ZX井排水阶段储层压力传播Figure 6 Well ZX drainage stage reservoir pressure propagation

图7 ZX井排采结束后水压传播Figure 7 Hydraulic pressure propagation after well ZX drainage termination

3 结论

利用泰斯公式，通过概化、修正煤层气井产水量，建立了煤层气单井排采水压传播数值模型。以沁水盆地南部3#煤层为主排采煤层的ZX井为例，采用建立的模型计算煤层气排采过程中排水降压阶段的压降动态研究，并采用COMET3数值模拟软件对该井排采过程中的压力传播进行模拟及验证。可知，煤层气单井排采水压传播数值模型计算煤层气井在排水降压阶段的影响范围方法也较为合理。

[1]秦勇. 中国煤层气地质研究进展与述评[J].高校地质学报,2003,(03):339-358.

[2]张培河. 沁水煤田煤储层压力分布特征及影响因素分析[J].煤田地质与勘探,2002,(06):31-32.

[3]倪小明,苏现波,魏庆喜,等. 煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系[J].煤炭学报,2009,34(09):1194-1198.

[4]倪小明, 苏现波, 王延斌. 煤层气垂直井排采控制决策系统的开发[J].煤田地质与勘探, 2009, 37(4): 22-25.

[5]田永东. 沁水盆地南部煤储层参数及其对煤层气井产能的控制[D].中国矿业大学(北京),2009.

[6]李金海, 苏现波, 林晓英，等. 煤层气井排采速率与产能的关系[J].煤炭学报, 2009, 34(3): 376-380.

[7]叶建平, 武强. 水文地质对煤层气赋存的控制作用[J].煤炭学报, 2001, 5(26): 459-462.

[8]孟召平, 田永东, 李国富. 煤层气开发地质学理论与方法[M].科学出版社,2010:189-200.

[9]薛禹群,等.地下水动力学[M].北京：地质出版社,1997.

StudyonHydraulicPressurePropagationDynamicsinCBMSingleWellDrainage

Pan Haiyang, Yin Rongwei

(Geological Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

Based on the Theis formula, through revision and generalization of CBM single well drainage water yield, taking the coal seam as an aquifer, established CBM single well drainage hydraulic pressure propagation numerical model. Taking the well ZX in the Qinshui Basin as example, through the established model computed hydraulic pressure propagation range during the drainage process. Using the COMET3 numerical simulation software simulated pressure propagation dynamics during the well ZX drainage process, comparing the two results have considered that the result from CBM single well drainage hydraulic pressure propagation numerical model is more reliable and reasonable.

CBM; pressure propagation; numerical modeling

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.10

1674-1803(2017)11-0050-04

A

中国煤炭地质总局勘查研究总院青年科技创新基金项目：利用废弃煤层气井网开展无井式煤炭地下气化方案设计(ZGMDKZ-Y-201513(Z))

潘海洋(1986—)，男，硕士研究生，工程师，主要从事地质勘查、地质科技创新与管理等方面的研究工作。

2017-08-08

樊小舟