低渗透煤层气藏直井开采数值模拟研究

建立了非均质各向异性双重介质煤层气储层直井井组开采的数学模型,模型中考虑了我国低压、低渗地质条件下的三维气、水两相渗流以及裂缝中气体的扩散。即考虑裂缝系统气体除存在达西渗流外,还存在煤层气气体的扩散。利用全隐式法对数学模型进行求解,完成了煤层气藏直井井组数值模拟,计算并分析了不同渗透率条件下煤层气井的产能。结果表明,所建立的模型是正确的。考虑裂缝中煤层气气体扩散的数值模拟程序更加符合我国的生产实际。     

煤层气的开采机理研究

煤层气为自生自储型非常规天然气资源。为了更好地开发煤层气,需要深入研究煤层气的开采机理。煤层气赋存于煤岩层的割理和基质孔隙中,以吸附状态为主,且与地层水共存。煤层气从孔隙壁面上解吸下来之后,才能被开采。开采地层水导致地层压力下降,进而导致煤层气解吸成为自由气,解吸后的煤层气沿割理渗流至井底后被采出地面。煤层气的开采过程包括脱气、解吸和渗流3个阶段。扩散不是煤层气的开采机理。     

地面井卸压的煤层气开发新模式

中国煤层气资源丰富,分布广泛,勘探开发利用前景广阔。为了增强煤层气开发技术与我国复杂煤层气地质条件的匹配性,提高煤层气单井产量,在深入分析我国煤层气产量低的普遍性和差异性地质制约因素的基础上,对煤层气开发模式进行了研究,并提出了一种地面井卸压的煤层气开发新模式。研究结果表明：(1)地面排水降压采气开发模式对浅部硬煤层及含水煤层具有良好适应性,煤层气与煤炭协调开发模式仅适用于煤矿区煤层气开发;(2)基于煤层切割卸压原理,综合地面煤层气开发方式与矿井下瓦斯抽采方式,创新提出了地面井卸压的煤层气开发模式,该模式在地面进行定向钻孔并沿井筒创造卸压空间,充分改变地应力状态进而诱导岩层移动,改善储层渗流条件,提高储层压降传递效率,促进煤层气解吸、运移和产出;(3)地面井卸压开发模式可适用于松软破碎煤层以及高地应力的深部煤层气开发,具有良好的技术基础以及广泛地质适应性等优势;(4)在地面井卸压开发模式基础上,提出了针对我国不同煤层地质条件的煤层气开发模式布局。结论认为,地面井卸压的煤层气开发模式在定向井分段切割卸压开发煤层气以及大直径定向井卸压联合垂直井开发煤层气方面具有较好的应用前景,该煤层气开发...     

中国煤层气产业新进展

据最近一轮煤层气资源评价结果，我国埋深2000 m以浅的煤层气资源总量为36.81×10¹² m³，与陆上常规天然气资源量相当，位列世界前三甲。中国地面开发煤层气经过十余年的发展，在政府的高度重视和支持下，在煤层气基础理论研究、煤层气勘探开发技术、煤层气商业化生产等方面都取得了突破性进展，为煤层气产业规模化生产奠定了基础。截至2006年底，全国共施工地面煤层气井1573口。我国煤层气井主要分布在晋、陕、蒙地区，其钻井数量占全国钻井总数的80%以上。我国已探明煤层气储量1130.29×10⁸ m³，约占煤层气资源总量的0.3%，其中地面开采探明煤层气地质储量861.65×10⁸ m³，矿井抽放探明煤层气地质储量268.64×10⁸ m³。中国煤层气产业不仅煤层气自营勘探开发实现了跨越式发展，而且对外合作开发煤层气也取得了累累硕果，并逐步形成了一套适合中国煤层气地质特点的煤层气地质评价和常规勘探开发工艺技术。     

煤层气-水两相三孔介质渗流规律研究

我国煤层气资源丰富,为研究煤层气开采机理,探讨了煤层气基质孔隙及裂缝系统的双孔孔渗动态变化规律,建立气-水两相渗流模型。气体在基质微孔中的吸附遵循Langmuir定律,由基质微孔向基质孔隙中的扩散视为拟稳态并服从Fick第一定律。应用COMSOL Multiphysics进行数值模拟研究,并进行参数敏感性研究,同时研究开采过程中基质及裂缝系统孔渗的变化规律。本研究对煤层气储层结构孔隙认识及煤层气开采具有重要意义。     

煤层气开采过程中储层压力变化预测

以分析煤层气开采过程中流体在基质和割理中的运移规律为基础,建立煤层气在不同地层环境下运移的数学物理方程,并采用古典隐式差分法求解煤层气平面径向一维渗流方程式。根据山西延川南工区实际生产数据,用所建模型预测储层压力变化,计算结果表明模型可以模拟煤层气开采中在某一产量下不同生产时间段储层压力变化规律,为生产中工作制度的制定提供了科学依据,研究对煤层气开采有参考意义。     

煤层气数值模拟的二维交替隐式求解

数值模拟是确定煤层气开发方案和评价采收率的有效方法,目前广泛应用的三维全隐式差分法求解难度大,计算复杂。根据煤层气的储气特征、吸附特征和解吸机理建立了反映煤层气解吸、扩散及渗流过程的气、水两相耦合流动三维数学模型,模型考虑了煤层非均质各向异性的影响,运用块中心差分格式,对气、水相偏微分方程进行空间差分和时间差分,采用二维交替隐式求解,实现了煤层气数值模拟计算。在此基础上开发出煤层气井数值模拟软件,适用于煤层气整个开采期,可以对煤层气生产进行预测,以此制定合理的开发方案,优化煤层气开采。     

川南古叙煤田煤层气藏先导开采技术途径选择

四川地区的煤层气地质储量高达 35 0 0× 10 4m3 以上 ,尤其古叙煤田煤层气资源最丰富、分布面积最集中、煤层气藏埋藏深度很浅、开发条件最好。文中阐明古叙煤层气藏开采的经济意义 ,并从煤层气藏特征中获得重要启示。针对开采中的技术难题、提出相应的技术对策 ,为科学决策提供依据 ,促使更广泛的专业学术交流。     

煤层气定向羽状水平井数值模拟技术应用

定向羽状水平井技术是近几年兴起的一项煤层气的增产技术。目前，在煤层气数值模拟的研究方面国内外已经作了大量的工作，但数学模型多为直井压裂井，没有专门描述煤层气定向羽状水平井开采特征的数学模型。对渗流所编制的定向羽状水平井开采煤层气数值模拟软件做了进一步的改进，首先介绍了定向羽状水平井数值模拟软件的数学模型，然后利用该软件对大宁DNP02井进行了产能预测，并计算得出最佳的排采压力。分析预测结果证明，该软件用于煤层气产能预测是可靠的。通过产能预测量化了该地区煤层气勘探开发的前景，最佳井底压力的确定可以对煤层气开发方案设计提供参考，实现了煤层气数值模拟的目的。软件的应用对这一项新技术在我国的推广应用和煤层气的大规模开采能够起到重要的指导作用，并取得较好的经济效益。     

煤层气两相流阶段的热流固耦合渗流数学模型

我国煤层气资源相当丰富，如何有效地开发是当今面临的一个难题。由于煤岩的特殊性，煤层气在煤层中赋存的状态和流动机理与常规砂岩储层中不同，其开采过程是一个流体渗流、多孔介质弹塑性变形与温度场耦合作用极强的过程。考虑煤层气渗流场、温度场、变形场耦合关系，根据多相流体达西渗流定律、质量守恒定律、多孔介质弹塑性理论、有效应力原理、传热学理论建立了煤层气的气、水两相流阶段渗流方程、变形方程及温度场方程，给出了数值求解渗流方程的定解条件，从而得到煤层气在气、水两相流阶段热流固渗流数学模型，为改进和完善煤层气开采方法、技术提供了理论依据。     

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西北地区侏罗系中、下统含煤盆地多 ,煤层累计厚度 15 .15～ 16 9.2m ,一般厚度 30～ 80m ,埋藏深度2 0 0 0m以浅区残留面积约 90 0 0 0km2 左右 ,煤层气资源总量达 74 5 6 4 .6 5× 10 8m3 ,有着十分广阔的煤层气勘探开发前景。研究认为 ,煤岩中镜质组含量较高 ,灰分含量较低 ,煤级以长焰煤为主 ,有利于储层中割理和裂隙的生成 ,增加储层渗透性。导致煤层含气性变化的主要地质因素是煤层埋藏深度和演化程度 ,随着埋藏深度的增大和煤级的增高 ,含气量有逐渐增加趋势。通过对比煤层含气性、资源量和煤层气赋存地质条件认为 ,煤层气资源勘探开发前景有利区有吐哈和焉耆含煤区 ;较有利区有准南、准北、准东、伊犁、塔北、尤尔都斯、羊不拉克和三塘湖含煤区 ;不利区有乌恰、昆仑、阿尔金、塔东、柴北、祁连和靖远含煤区     

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文章采用数值模拟方法，从煤层甲烷的流动机理入手，利用朗格缪尔等温吸附方程描述甲烷从煤表面解吸过程，利用Fick定律描述甲烷从煤基质和微孔隙中的扩散，综合考虑了煤层甲烷的解吸附、扩散、渗流三个过程，并考虑了水力压裂产生高渗透裂缝对渗流场的影响，在煤层理想化等七个假设条件下，建立了煤层甲烷的非平衡拟稳态吸附扩散模型，利用该模型编制了煤层气井产能预测软件，并进行了模拟计算，给出了计算实例。结果表明：煤层在没有经过水力压裂处理时，煤层的气、水产量是很小的；经过水力压裂处理后，由于煤层的排水降压效果，煤层气井气、水产量有明显的增加，具有经济开采的产量规模。     

应力敏感性复合煤层气压力动态特征

煤层气采出有扩散和渗流两个过程，比常规天然气层中的渗流方程复杂。针对煤层气井在钻井、完井、开采过程中井周围产生污染带以及地层本身的非均质情况，采用非平衡态吸附模型，研究应力敏感性复合煤层气藏的流动规律、在拟稳态流的数学模型假设下，用气体拟压力代替Langmuir吸附公式中的压力，得到气层中拟压力所满足的方程组，并采用正则摄动法和Laplace变换法进行求解，最后通过拉氏数值反演得倒0阶摄动解。分析了参数变化时压力动态的变化规律，这些结果为煤层气藏开发提供了理论依据和新的试井模型。     

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王营子煤层气藏位于辽宁省西部阜新市王营子煤矿。该矿在建矿掘进北翼大巷时发生天然气涌出,因涌出量大而封闭并开发利用,产气量平均达5000m^3/d以上,至今已十多年。为了探明天然气藏的成因类型及资源前景,作对气藏气体的地球化学特征、产出特征及赋存地质条件进行了综合研究。通过研究认为,气藏气体主要来自阜新组煤层。从历年来气产量变化曲线形态分析,具有煤层气井生产曲线特征,但是也有区别。原因主要是受建矿早期的排水、降压作用、煤层气解吸并富集在裂隙中的结果。从王营子煤层气赋存地质条件分析,煤层厚度大、资源丰度及渗透率高等,反映该区煤层气有较好的勘探前景。     

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近年的煤层气勘探开发工作中，主要从热成气角度考虑煤层甲烷的气源，而煤能否被厌氧菌降解生成次生生物气则一直是人们所关心的问题。采用“悬浮接种物”作为接种源，对山西柳林庙湾矿石炭、二叠系的两个煤样进行了不同温阶下的生物降解产气模拟实验。实验表明：温度超过７５℃停止产气；所产气体为甲烷和二氧化碳，其中甲烷具有轻碳同位素值的特征，δ１３Ｃ１为－４９．１６‰，从气体组成和δ１３Ｃ１值来看，模拟实验所产气体属生物气。结果认为，煤可以被厌氧生物降解生成次生生物气；这种二次成气或叠加成气作用可以增加浅煤层中煤层甲烷的绝对含量，相应提高煤层甲烷的勘探成功率；厌氧环境的存在从另一个侧面也反映煤层甲烷的保存条件较好；存在煤层二次生物气是寻找煤层甲烷气藏的一个标志。     

煤层气多分支井身结构设计模型研究

煤层裂缝系统由众多不同类型的裂纹组成,原始裂纹与应力变化产生的新裂纹形成网状结构。煤层气多分支井增产机理在于实现广域面的效应,可以大范围地沟通煤层裂隙系统,扩大煤层降压范围,降低煤层水排出时的摩阻,大幅度提高单井产量和采收率。根据流体管路串联和并联原理,建立了层流和紊流条件下的分支井眼长度与直径的约束方程,推导出多分支井身结构协调方程,建立了多分支井身结构设计的理论基础。根据不同的煤层地质条件,设计出2类紊流型和3类层流型的多分支井身结构模型,可用于煤层气田多分支井优化设计。     

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吴堡地区是中国石油天然气集团公司评价筛选出的煤层气勘探开发有利地区之一。该区位于鄂尔多斯盆地东部斜坡带,主要发育有下二叠统山西组和上石炭统太原组两套 含煤地层。区内钻孔煤层气显示十分活跃,所钻十几个煤孔均见气喷。吴试1井是该地区完钻的一口煤层气评价井,曾开展了近6个月的压后试采工作,录取了丰富的测试资料,试采最高日产煤层气1129m^3。文章通过总结分析吴堡地区煤层地质、煤层流体性质及吴试1井的试采动态特征,认为吴试1井试采动态基本上反映了煤层气井的典型动态特征;煤层压力低、供液能力差、压裂规模不足,是影响该地区煤层降压脱附的主要因素。同时,结合国外实例,分析认为除煤层厚度、渗透率、孔隙度等内在因素外,煤层伤害、完井质量是影响煤层气井排采效果的主要因素;煤层气井重新实施压裂及对裸眼井段重钻或侧钻是改善煤层气井产能的重要措施。在此基础上,提出了改善煤层气开发效果的措施及吴堡地区煤层气井的排采设想。     

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煤层甲烷在煤储层中的储集及渗流与常规天然气大不相同，其影响因素多样而复杂。 影响煤层气产量的主要因素是煤层渗透率、煤层厚度及含气量。大量煤层气井生产实践证明，含气量是影响产量的物质基础，而渗透率是影响产量大小的控制性因素。煤层含气量与煤层厚度及埋深一般有正相关关系，而渗透率一般随埋深增加而减小。用产气潜能与产气能力将更全面地反映含气量及渗透率对煤层气井产量的影响。把含气量引入达西流产量公式也许能更真实地反映甲烷气体在煤储层中流动产出的特征。     

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中国的煤层大多具有致密、低渗透率特性，煤层气解吸、渗流困难，影响煤层气产量的因素较多且复杂。文章系统地分析和总结了煤层介质的低渗透率特性、煤层气的解吸扩散渗流特性、煤层与围岩的组合方式、含气饱和度对煤层气产量的影响，并用R/S分析方法研究了煤层气不稳定渗流产量的变化趋势，在此基础上，用灰色GM(1，1)模型预测了煤层气产量的变化规律，进行了实例分析。结果表明：煤层渗透率中等、含气饱和度在78%以上、压裂等措施是获得高产量煤层气的关键因素；R/S分析方法和GM(1，1)模型相结合是预测煤层气不稳定渗流产量变化的有效方法；根据上述关键因素和分析及预测的方法，科学预测煤层气不稳定渗流产量变化规律，有利于合理开发煤层气资源，提供洁净的能源，有效地保护大气环境，并从根本上改善煤矿安全生产条件，减少瓦斯爆炸事故。     

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我国大部分煤田属高瓦斯煤气田,在煤炭开采时,煤层中的煤层气（瓦斯）将大量释放到开采空间,造成严重的安全隐患,因此,煤层气抽放是高瓦斯矿井解决煤炭开采时瓦斯超限的主要技术措施。我国很多矿井建立了地面永久煤层气抽放系统,以解决煤炭开采安全问题,同时,又可将抽放出来的煤层气作为化工原料和燃气用于居民。本文在理论分析局部煤层煤层气抽放与地面永久抽放系统并网时管道煤层气流动规律的基础上,提出了局部抽放系统与永久抽放系统有效并网的和技术关键,分析了局部煤层气抽放与永久抽放实施有效并网的技术措施和效果,为今后煤层气局部抽放的合理利用提供了有益的途径。