煤层气数值模拟

煤层气藏数值模拟By gulfmoon79@精准石油论坛目录1. 煤层气藏开发生产特点2. 煤层气流动机理3. 煤层气藏几个重要参数3.1 孔隙度3.2 煤层渗透率3.3 变煤层渗透率3.4 相对渗透率曲线3.5 煤层厚度3.6 煤层气连通性3.7 煤层气含量3.8 煤吸附能力4. 模拟煤层气藏4.1 变黑油模型4.2 单孔介质模型4.3 双孔介质模型4.4 多孔介质模型4.5 黑油模型4.6 组分模型前言煤层气藏与常规气藏的最主要区别在于煤层气是以吸附状态吸附在煤基质微孔隙的表面，在生产过程中，当气藏压力下降到临界解析压力，煤层气从煤基质解析出来，通过煤基质扩散到煤裂缝，然后从煤裂缝流入到生产井。

煤裂缝通常初始充满地层水，其中可能存在自由气，但一般不会超过储量的1％。

而常规气藏气体是以自由气状态储存在气藏孔隙，气体在孔隙间的流动是达西渗流。

煤层气藏数值模拟模型需要模拟煤层气从煤基质解析然后扩散到煤裂缝的流动机理，这是与常规模拟模型的主要不同。

常规模拟模型只描述流体在储层中的渗流，而煤层气模型需要描述煤层气从煤基质解析，煤层气扩散到煤裂缝，煤层气在煤裂缝间渗流以及从裂缝流入到生产井。

煤层气数值模拟模型可以采用单孔介质模型，双孔介质模型以及多孔介质模型。

对流体的描述可以采用黑油模型或组分模型。

单孔介质模型一个网格中的孔隙部分代表煤裂缝，非孔隙部分代表煤基质，煤层气从煤基质实时解析，与煤裂缝自由气达到瞬间平衡。

双重介质模型包括基质网格以及基质网格对应的裂缝网格。

模型基质网格描述煤层基质，基质网格提供气源，在开采过程中随着压力下降，气体从基质网格解析然后扩散流动到裂缝网格。

模型裂缝网格描述煤层裂缝，流体在煤层裂缝渗流，然后流入到生产井。

多孔介质模型可以将煤层基质划分为多个模型基质体系，然后模拟基质体系间的流动特征。

在实际工作中最常用的是双孔介质模型。

煤层气组分主要是甲烷，在我现在工作的煤层气藏，甲烷含量占98％以上，只含有很少量的氮气和二氧化碳。

因此煤层气模拟模型采用黑油模型。

有些煤层气藏氮气和二氧化碳含量很高，可以高达50％以上，而且分布不均匀，这时需要用煤层气组分模型。

如果采用注气提高煤层气产量的开采方法，也需要应用组分模型。

下面我们详细介绍煤层气藏开发生产特点，影响煤层气产能的几个重要参数，煤层气流动机理以及如何模拟煤层气藏。

1.煤层气藏开发生产特点煤层气藏开发一个最显著的特点是需要进行前期脱水降低煤层压力。

煤层气吸附在煤基质孔隙表面，只有当煤层压力低于临界解析压力，煤层气才会从煤层基质孔隙解析出来扩散到煤层裂缝。

煤层气饱和度定义为某压力下煤层气含量与该压力下煤层气吸附能力的比值。

饱和度为1的煤层气藏称为饱和气藏，饱和气藏煤层气随着煤层脱水而产出。

饱和度小于1我现在工作的煤层气藏，有些井脱水十几天后就开始产气，单井高峰日产气量能达到三万方以上。

有些井则需要一年甚至几年的脱水后才产气。

不同煤层气田以及同一煤层气田不同生产井的生产动态可能差别很大，煤层气田典型生产井产量可以分为三个阶段，第一阶段井只产水，不产气。

第二阶段井开始产气，一直到气量达到最高值，产水量逐渐下降。

第三阶段产气量和产水量一起下降。

由于煤层地质属性的不同，井的生产动态会变化很大。

比如有些低渗井产气量从开始就递减，而且递减缓慢。

有些井只生产干气，不产水。

煤层气井的生产动态主要受煤层含气量，煤层含气饱和度，煤层渗透率，相对渗透率，孔隙度等的影响。

煤层气是以吸附状态吸附在煤基质孔隙中，吸附量与煤的类型，煤灰含量，煤湿度以及煤层压力有关，在相同温度，煤灰含量和湿度条件下，压力越大，煤吸附的气量越多。

常规砂岩气藏中的气体储藏在砂岩孔隙中，在相同压力条件下，煤层储气量要大于砂岩储气量。

煤层气吸附能力与压力的关系曲线称为解析等温线。

每个压力点对应该压力下煤的最大吸附量，也称为饱和吸附量。

许多煤层吸附气处于未饱和状态，也就是说在初始压力条件煤的实际吸附气量小于该压力下的饱和吸附气量，煤层在生产时只产水，不产气。

只有当压力降到临界解析压力，气才会从煤基质中解析出来，煤层才开始产气。

（临界解析压力为煤的气吸附量与煤吸附能力相同时对应的压力）。

开发煤层气田需要将井的井底压力快速降低到最低值，这样才能快速降低地层压力，缩短脱水时间，提高产气量。

多数煤层气生产井都采用下泵开采的方式，尽量把水位降低到最低程度。

我工作的煤层气田井多数井采用螺杆泵生产,在一到两年内要将井底压力降到5,6个大气压，美国有的煤层气田把井底压力降到接近大气压。

2.煤层气流动机理煤层气主要存在以下三种流动机理：解析：吸附在煤基质表面上的煤层气解析出来扩散：解析出来的煤层气从高浓度煤基质扩散到低浓度煤裂缝渗流：煤层气在煤裂缝中进行达西渗流下面我们详细介绍这三种流动机理。

2.1 解析煤基质中存在微孔隙，煤层气分子吸附在煤基质微孔隙表面。

煤层气在地层压力的束缚下吸附在煤基质表面。

当煤层压力下降到低于临界解析压力，煤层气分子从煤基质微孔隙表面脱离出来进入煤裂缝，在裂缝中煤层气以自由气存在。

煤的解析受解析等温线控制，解析等温线是煤层气吸附能力与压力的关系曲线，解析等温线常用朗缪尔方程来描述。

2.2 扩散煤层气从高浓度煤层基质扩散到低浓度煤层裂缝。

扩散过程通常用菲克扩散定律来描述。

煤基质－裂缝扩散率可以由实验室测定煤层气的解析时间来得到。

2.3 渗流煤层裂缝内分布的地层水以及从煤基质解析的煤层气在裂缝内进行达西渗流。

裂缝内的流体流动可以直接用达西渗流方程。

3. 煤层气藏几个重要参数影响煤层气产能的最主要参数是煤层气渗透率和煤层气含量。

国内有很多煤层气含量很高，但渗透性差，没有经济开采价值。

我现在工作的煤层气田浅煤层有很好的渗透性，但气含量低，也没有经济开采价值。

煤层裂缝孔隙度影响产水和地层压力，未饱和煤层气只有在压力下降到一定程度才会产出，煤层孔隙度较高的化需要更长的脱水时间。

煤层气有效厚度和煤层气层连通性也是重要参数，在进行煤层气开发布井和完井时，要考虑煤层气层的有效厚度和连通性，在连通性差的煤层显然不适合打水平井。

当煤层压力低于临界解析压力，煤层气从煤层基质孔隙解析出来扩散到煤层裂缝，这时煤层气裂缝内存在气水两相流动，气水两相相对渗透率直接影响井的生产动态特征。

下面我们详细介绍各个参数的获取方法以及在数值模拟模型中的应用。

3.1 孔隙度煤的孔隙可以划分为大孔隙，中孔隙和微孔隙。

裂缝属于大孔隙，其中充满地层水，也可能存在游离气。

煤层气以吸附状态存在于中孔隙和微孔隙中。

在煤层气模拟模型中，我们需要的是裂缝孔隙度，裂缝孔隙度决定地层水的储量大小。

常规油气藏有成熟的孔隙度确定方法，通过岩芯测定和测井曲线可以得到可靠的地层孔隙度。

但目前并没有非常可靠的确定煤层孔隙度的方法，虽然可以采用同样的岩芯测定方法，但实际上很难取得有代表性的岩芯，而且煤的压缩系数较大，实验室压力条件下测定的孔隙度与地层压力下的孔隙度会有不小差别。

虽然有研究认为可以用双侧向测井曲线来计算裂缝孔隙度，但实际上很少用测井曲线得到煤层裂缝孔隙度。

有报道认为干扰试井是获取煤层裂缝孔隙度的比较可靠方法。

另外可以采用数值模拟历史拟合的方法，但由于历史拟合的多解性以及其他参数的不确定性，用数值模拟方法得到的孔隙度同样存在很大的不确定性，比如在我工作的煤层气田，采用计算机辅助历史拟合的方法可以得到上百个满足历史拟合的模型，这些模型的裂缝孔隙度变化范围可以从0.1％到2％。

不借用其他途径，用历史拟合得到的孔隙度是很不确定的。

有人建立了裂缝孔隙度与地层应力和煤成熟度的经验关系，地层应力越大，裂缝孔隙度越小。

相反煤成熟度越高，裂缝孔隙度越大。

不过在实际工作中这些参数的确定都不容易。

目前的共识是煤层裂缝孔隙度一般小于1％，最大不会大于3％。

在没有可靠的孔隙度情况下，模型一般可以采用1％孔隙度。

3.2 煤层渗透率渗透率是影响产能的最重要因数。

煤层渗透率主要是通过实验室岩芯测定，试井，井生产动态分析得到。

同孔隙度测定一样，实验室测定渗透率存在很大误差，这主要是由于一般很难获得有代表性的岩样，对渗透率贡献大的裂缝很难在岩样中得以保存，实验室得到的渗透率往往可以认为是低限值。

煤层渗透率受应力影响很大，实验室很难重现地层应力条件，这样实验室得到的渗透率不能代表地层条件下的渗透率。

虽然采用典型曲线分析方法也可以得到煤层渗透率，但最可靠的方法还是试井。

煤层气有独特的试井解释方法，在此我们不详细介绍。

常用的煤层气测试方法包括：钻杆测试段塞测试注入测试电缆地层测试（MDT）由于电缆地层测试的低成本和高效率，现在成为较常采用的测试方法。

不过电缆地层测试的探测半径通常小于钻杆测试。

利用井点各层位的试井解释渗透率，采用储层随机建模技术得到煤层气田渗透率的分布。

3.3 变煤层渗透率煤的压缩系数比常规砂岩高出两个数量级。

在煤层气开采过程中，随着地层压裂的下降，煤层有效应力增加，导致煤裂缝宽度缩小，煤裂缝渗透率降低。

地层压力下降也使原来吸附在煤基质表面的煤层气解析出来，导致煤基质收缩，煤裂缝宽度扩大，这样增加了煤裂缝渗透率。

在煤层气开采过程中这两个对渗透率作用相反的机理同时存在，在煤层气数值模拟模型中有时需要模拟这两种机理对渗透率的影响。

描述应力和解析对煤层渗透率影响的模型有很多，用的比较普及的模型是帕尔马－曼索里模型。

该模型适用于单轴向应变条件。

在模拟模型中直接应用应力和解析对煤层渗透率影响模型可能会影响模型的计算时间，因为模型在每一个时间步都需要计算新的孔隙度和渗透率，一个有效的方法是先手工应用变渗透率模型计算孔隙体积和传导率随压力的变化，然后将计算结果提供给模型。

下面的表为一个计算实例。

从表中可以看出，随着地层压力下降，一开始应力起主要作用，孔隙体积和传导率都在下降，当压力低于543psia后，煤基质收缩起主要作用，孔隙体积和传导率反弹，开始升高，而且可能会高于初始地层渗透率。

渗透率的反弹尺度取决于煤层初始孔隙度和杨式模量。

低孔隙度和高杨式模量会有明显反弹。

压力psia 孔隙体积乘积传导率乘积5 1.03 1.0969 0.97 0.9136 0.92 0.77223 0.87 0.66281 0.85 0.62322 0.84 0.59359 0.83 0.58396 0.83 0.56430 0.82 0.55467 0.82 0.55502 0.82 0.55543 0.82 0.54587 0.82 0.55644 0.82 0.55732 0.83 0.57821 0.84 0.6920 0.86 0.641047 0.89 0.711173 0.92 0.791289 0.96 0.881422 1 13.4 相对渗透率曲线相对渗透率曲线存在更大不确定性。