煤层甲烷气储量评估的多种技术

煤层内气体生产机理与常规气藏有着明显的差异，因此人们把煤层气看着一种非常规的气体资源。本文叙述了甲烷气在煤层中的储存、释放和流动，气体解吸机理受含水层静水压力的控制。应用本文给出的吸附／解吸等温线可得出每吨煤中含气量与煤层中地下压力的关系。解吸释放的气体通过煤层扩散，扩散作用受斐克定律所控制，最后根据达西定律扩散到煤裂隙内，并与水一起流动。煤层的厚度、解吸等温线、解吸压力、储层静力压力、固有渗透率     

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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。     

煤层气资源储量评估基础参数研究

煤层甲烷在煤层中有3种赋存状态,即游离态、吸附态和溶解态。煤层甲烷以自由状态存在于煤的割理和其他裂缝孔隙中,可以自由运移,运移的动力是地层水压力和气体浮力。煤层甲烷绝大多数是以吸附状态存在于煤层中,一般可占煤层甲烷总量的70%～95%。天然气在煤层中的储集主要依赖吸附作用,而不依赖于是否有储集气体的常规圈闭存在。煤层中还有一小部分气体以溶解的方式存在于煤层地层水中。这3部分气体构成了煤层气中全部气体总量,理论上计算煤层气储量,应该分别计算相应的气体量。根据煤层气的赋存状态,提出了煤层气资源储量计算参数的确定原则及要求。通过对3种气体富集方式的实际测算,提出了我国目前煤层气资源储量评估的优化方法。     

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针对不同饱和类型煤层的特点及临界解吸压力在地层压力上升、下降过程中的不同作用，建立了煤层气解吸过程的数学模型。模型能够反映气体解吸的真实情况。利用此数学模型，编制了计算程序，通过实例，计算分析了煤层气解吸的主要机理：超饱和煤层是游离气和气体解吸的累加作用；饱和、欠饱和煤层在开采过程中控制区域内两相区逐渐扩大；欠饱和煤层高于临界解吸压力的区域没有解吸，造成产量低下。     

注气驱替煤层气的三维多组分流动模型

中国煤层气具有低压、低渗和低饱和的特点,采用常规技术开发效果不理想,注气增产法可使采收率达到90%以上,单井产量提高5倍以上,是一种具有发展前途的增产技术。指出注气后煤层中存在多元气体的相互作用,用常规的二相流动方程不能有效地模拟煤层气注气(N2,CO2)开采过程,这个过程需要煤层气多组分流动方程来描述;在注气驱替过程中还会发生新气体组分的出现和原有组分消失,当注入储层中不存在的气体组分时,新的气体组分就会出现,原先存在于煤层中的某些气体组分可能被完全分离出来而消失。在研究煤层气渗流机理的基础上并考虑这些因素,建立了一个注气驱替煤层气的三维、两相、双孔、全隐式、多组分流动模型。更多还原     

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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。煤层气由煤层流入井筒的过程为：随着煤层中水的不断采出，地层压力下降，吸附在煤层中的煤层气被解吸出来，并扩散至割理，割理中的气体渗流到达井筒。采用非平衡态吸附模型，研究单相煤层气在煤体和割理中的流动规律。在拟稳态流和不稳态流的数学模型假设下，用气体标准压力代替Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附公式中的压力，得到气层中标准压力所满足的方程。如果考虑无限大地层或有界圆形封闭和定压地层，最终得到井底无量纲准压力及其导数的解。     

我国首口煤层气井二氧化碳压裂成功

目前,国内煤层气储层改造基本采用水基压裂液携砂的压裂工艺,但该工艺裂对煤层气储层伤害较严重。二氧化碳伴注压裂液携砂压裂技术通过向煤层内注入二氧化碳,以降低煤储层中甲烷的分压以加快甲烷的解吸,有效将甲烷从煤层中置换出来;注入气体还增加了煤层气向井筒流动的推动力,有利于压力封闭型煤层气藏克服存低渗透煤层中的流动阻力,从而增加了煤层气井的产量,而且对煤层气储层伤害较轻微。     

超破裂压力注气开发煤层甲烷探讨

中国大多数煤层气藏具有低压、低渗、低饱和等特点，采用常规增产改造和降压开发技术难于奏效。文章提出了超破裂压力注气技术开发该类低渗煤层气藏的设想，将一次开采与增产改造、提高采收率紧密结合，在开发初期即实施提高采收率措施。研究表明，煤层甲烷解吸-扩散-渗流过程受多种因素影响，在煤层气开发中，一方面需要提高煤层渗透率，另一方面还必须促进甲烷高效快速解吸。超破裂压力注气开发煤层甲烷的机理主要包括降低甲烷分压诱发甲烷解吸，通过竞争吸附置换解吸甲烷，诱发微裂隙形成和天然裂缝延伸，补充能量，防止裂缝闭合和水相圈闭，降低应力敏感损害。超破裂压力注气方式包括注气吞吐和气驱，注气吞吐适用于单井开发，气驱则要形成注采井网。要针对注气开发煤层气特点，选用合理的注气和完井方式，形成注气开发煤层气配套技术，提高煤层甲烷产量和采收率。     

煤层气井突然产气机理分析

煤层气井开采时一般先排水后采气,且见气时的产量不是缓慢而是突然升高。为了弄清煤层气井突然产气的机理,从煤储层的结构、产气过程等方面进行了深入分析和研究。结果表明:煤岩储层微观上为双重介质,由割理(裂缝)和基质岩块2个系统组成;割理和基质孔隙中均充满了地层水,煤层气为赋存在基质中的吸附气,需排水降压解吸后才能被采出;刚解吸出的少量气体饱和程度较小,多以气泡的形式分散在基质孔隙水中,由于受到基质毛管压力的限制,这些气体无法流动;随着解吸气量增多,气泡逐渐变成连续相,气体的饱和程度增加,压力升高,流动性也有所增强,但是煤岩基质孔隙一般较小,毛管压力较高,很多气体仍被限制在基质孔隙中,只有当气体压力升高到突破毛管压力之后,大量的解吸气才会倾泻到割理中,致使煤层气井产气量突然升高。煤层气井的产气压力低于解吸压力,而煤层气的解吸压力其实就是地层水的饱和压力或泡点压力。在煤层气开采过程中,可以采取相应节流措施来控制煤层气井的产量变化,以达到稳产及保护煤层和生产管柱的效果。     

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。     

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煤层气主要以吸附状态赋存在煤岩基质中，只有当储层压力降低后才可以从基质中解吸出来，煤岩裂隙或割理中多被水充满，而裂隙与割理是煤层中的主要运移通道，煤层气需要通过排水（裂隙或割理）降压（煤岩储层）方式才得以采出，故煤层气的产量受煤岩性质、压力水平和两相渗流特征等多种因素的影响。文章分析认为，影响煤层气井单井产量的主要因素包括煤岩渗透率、孔隙度、吸附能力、含气量、临界解吸压力、相对渗透率等；为提高煤层气井单井产量，必须通过洞穴完井、压裂改造或水平井等方式，改善井底渗流条件，有效地降低井底流压，扩大压力波及范围，增加有效解吸区，扩展两相渗流区范围。为实现煤层气的规模开发，必须深化认识储层特征，结合地质实际，选择合适的开发技术。     

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。     

变形介质煤层气压力动态特征分析

在考虑煤层渗透率应力敏感性的基础上，采用非平衡态吸附模型，研究单相煤层气在煤体和割理中的流动规律。在拟稳态流数学模型假设条件下，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，并采用正则摄动法和Laplace变换法进行求解，通过拉氏数值反演，得到0阶摄动解。对渗透率变异系数和双重介质参数变化时压力的变化规律进行了分析，该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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割理是广泛存在于煤层中对煤层气的产出具有重要意义的内生裂隙系统,是煤层经过干缩作用、煤化作用、岩化作用和构造压力等各种过程形成的天然裂隙。由于在煤层气勘探中,割理及割理渗透率形成与保存对煤层气高富集区预测有着重要重要,所以了解割理的成因和分类及相应的研究方法对煤层气地质选区评价至关重要。本次研究结论如下：①割理形成既有外生成因,也有内生成因。煤层割理是干缩作用、煤化作用、成岩作用及古构造应用等内外     

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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。     

煤层气直井水力压裂裂缝起裂模型研究

煤岩内部存在大量割理、裂隙等结构弱面,水力压裂时裂缝起裂可能发生于煤岩本体或割理裂隙处,造成其裂缝起裂机理与常规砂岩储层有较大差别,需要建立新的适用于煤层气井的裂缝起裂压力计算模型。考虑煤岩割理系统交割网状分布特性以及割理的空间位置变化关系,基于岩石力学和断裂力学理论,推导了煤层裸眼井壁和射孔孔壁周围及割理壁面处的应力分布方程;基于张性和剪切起裂条件,建立了煤岩不同完井方式下的裂缝起裂压力计算模型。应用该模型对2口压裂井进行了计算,裸眼和射孔完井裂缝起裂压力计算值与实测值之间的误差分别为3.96%和4.72%,表明该模型的计算结果与实测结果吻合较好。研究结果表明,煤层压裂能够从割理处起裂,起裂压力与煤层割理倾角、割理壁面内摩擦系数以及煤层水平主应力差值等因素密切相关。      

中国低煤阶煤层气成藏模式研究

借鉴国外煤层气成藏理论研究的思路和方法,开展了中国低煤阶煤层气藏的地质特征和成藏模式研究.研究表明,中国低煤阶煤层气藏具有煤储层厚度大、含气量低、渗透率易改造、吸附时间短和两个解吸峰值的特征;存在深部承压式超压成藏模式、盆缘缓坡晚期生物气成藏模式及构造高点常规圈闭水动力成藏模式3种低煤阶煤层气成藏模式.在目前技术条件下,构造高点常规圈闭水动力煤层气藏和盆缘缓坡晚期生物煤层气藏是勘探开发的首选目标.     

地层水、煤层结构对煤层甲烷开采效率的影响

煤层甲烷是一类由煤层自生自储的非常规天然气,在中国具有巨大的资源前景;煤层中的天然气主要呈吸附状态储集,煤层甲烷的开发实贡上是如何有效地将天然气从煤层中解吸出来。地层水的静水压力控制了甲烷气的解吸作用,地层水的排出可为气体的解吸提供压力差和空间。煤层结构不仅影响煤层的孔渗性能,同时制约着其中天然气排出的难易程度。另外,在煤层甲烷地质评价中诸如物性、含气量等参数的求取亦需认真对待。