煤层气水平井井筒压力分布规律及其影响

煤层气水平井井筒压力分布规律及其影响

摘要:国内外大量相关研究表明若忽视水平井井筒中的压降,将给水平井的生产计算分析带来较大的误差。本文对煤层气水平井井筒压力分布规律进行了深入的研究,考虑到煤层气水平井井壁入流和井筒内流体变质量流动的实际情况,选取井筒中一微元段进行分析,通过结合质量守恒定律、动量守恒定律推导并建立了水平井的井筒压力分布模型。并利用所建立的压力分布模型对不同内径、不同产量、不同水平段长度的水平井井筒进行了实例计算,得到了三种情况下水平井井筒中的压力分布情况。并对结果进行了对比分析,结果表明井筒内径越小、产量越大时水平井井筒中的压力分布曲线越陡,井筒压力分布越不均匀。

关键词:煤层气水平井筒压力分布煤粉

近年来,水平井技术在煤层气田开发中得到了广泛的应用,对水平井技术的研究也越来越受到重视。国内外学者对常规油气藏的井筒压降情况已经进行了大量的研究[1～4],但是关于煤层气U型水平井井筒压力分布及对煤粉产出的影响分析方面的研究却很少见有文献报道。如果煤层气水平井井筒压降增大,将导致趾端气体锥进,出现部分水平井筒不产气的情况。对于水平井水平段长度较长和水平段井筒内径较小的井,在水平井筒跟端相对较容易出现不产气的井段。而趾端的气体快速突破将很大程度增加这部分井段的煤粉大量产出,从而会导致煤层的煤粉运移堵塞流动通道。

由于准确预测煤层气水平井井筒的压力分布情况对煤层气井的生产开发有较大的指导意义,故本文对此进行了深入的研究。

1 考虑井筒变质量流动的煤层气水平井井筒压力分布模型

1.1 物理模型及假设

本文研究的是现场常用的采用一口水平井连通一口直井,通过直井进行排水采气来进行生产作业的煤层气U型水平井。煤层气U型水平井示意图如图1。

假设条件如下。

(1)煤层气井水平段为裸眼完井。

(2)排水结束进入稳定生产,井筒中为单相气体流动。

(3)等温、稳态流动。

(4)忽略井壁入流引起的混合损失。

(5)煤层均质、各向同性。

(6)井筒径向无速度差异。

(7)流体与环境间无热交换。

1.2 井筒压力分布模型的建立

水平井井筒半径为r,水平段长度为L,与水平方向夹角为θ,在距水平井跟端处选取长度为的井筒微元体进行分析。储层通过井壁向井筒的入流速度为vr,微元体左端入口处井筒轴向速度为vw1、井筒流动压力为p1,微元体右端出口处井筒轴向速度为vw2、井筒流动压力为p2,微元体井壁的摩擦阻力为τw,如图2所示。

根据质量守恒定律,流入微元体的流体净流量为0,于是可以得到微元体的质量守恒方程为

另外,根据动量守恒定律,沿井筒方向微元体受到的外力有重力在水平方向的分力、两端的井筒流动压力和、井壁壁面的摩擦阻力,微元体在dt时间内沿井筒方向的动量变化为,从而有

以上即为煤层气水平井的井筒压力分布模型。

2 实例计算

以沁水盆地某区块为例,该区块煤层气藏埋藏深度558 m,煤层厚度6 m,储层压力4.8 MPa,临界解吸压力3.2 MPa,煤层平均渗透率为0.2×10-3 μm2,煤层温度为29.4 ℃,煤层气相对密度为0.55。煤层气水

平井水平段长度选取300 m、400 m、500 m三种,井筒内径选取10 cm、12 cm、15 cm三种,水平井水平段井斜角为90°,水平井筒趾端流压pwft 为0.7 MPa,产量选取10000 m3/d、12000 m3/d、15000 m3/d三种。

下面采用本文所建立的井筒压力分布模型,对其进行实际计算。

2.1 不同内径的水平井筒内压力沿水平段长度的分布

煤层气水平井水平段长度为500 m、产量为10000 m3/d时,根据本文建立的模型计算了井筒内径分别为10 cm、12 cm、15 cm的情况下沿水平井井筒长度的井筒压力分布,并绘出井筒流压沿井筒长度的分布曲线,如图3所示。

从图中可以看出,在井筒内径为10 cm时井筒的压力分布曲线最陡、压降最大,井筒内径为15 cm时井筒的压力分布曲线最平缓、压降最小。说明井筒内径对水平井井筒内的压力分布有明显的影响,随着井筒内径的减小,水平井井筒的压力降落越来越明显。这说明在钻井时适当增大水平井筒的内径可以较好地控制水平井筒的压力均匀分布,但是水平井钻井与常规的直井钻井不同,若水平段井筒内径钻得过大,有可能会造成井壁坍塌的发生,所以必须结合井壁的力学特征进

行优化。

2.2 不同产量下的水平井筒内压力沿水平段长度的分布

煤层气水平井水平段长度为500 m、内径为10 cm时,根据本文建立的模型计算了水平井产量分别为10000 m3/d、12000 m3/d、15000 m3/d的情况下沿水平井井筒长度的井筒压力分布,并绘出井筒流压沿井筒长度的分布曲线,如图4所示。

从图中可以看出,在产量为15000 m3/d时井筒的压力分布曲线最陡、压降最大,产量为10000 m3/d时井筒的压力分布曲线最平缓、压降最小。说明产量对水平井井筒内的压力分布有明显的影响,随着产量的增加,水平井井筒的压力降落越来越明显。这说明在煤层气水平井的生产过程中,把采气速度的控制在一个合理的水平,有利于煤层气井的生产。

2.3 不同水平段长度的水平井筒内压力沿水平段长度的分布

煤层气水平井内径为10 cm、产量为10000 m3/d时,根据本文建立的模型计算了井筒水平段长度分别为300 m、400 m、500 m的情况下沿水平井井筒长度的井筒压力分布,并绘出井筒流压沿井筒长度的分布曲线,如图5所示。

从图中可以看出,在三种不同的水平井水平段长度下,压力分布曲线的变化趋势基本是相同的,各位置的井筒压力对水平段长度的导数

基本相同,说明水平井水平段长度基本不会影响井筒压力分布曲线的形态,但是井筒压降会随着水平段井筒长度增加而增大。

3 结论

(1)用微元法对煤层气裸眼水平井的井筒压力分布规律进行了研究,根据煤层气水平井井筒内的实际流动特点,推导并建立了煤层气水平井的井筒压力分布模型。

(2)利用所建立的压力分布模型对不同内径、不同产量、不同水平段长度的水平井进行了实例计算,得到了各种不同情况下水平井井筒中的压力分布情况。

(3)井筒内径越小、产量越大时水平井井筒中的压力分布曲线越陡,井筒压力分布越不均匀;而井筒内径越大,曲线越平缓。在实际生产时,适当增大井筒内径同时控制合理的产量水平可以使水平井筒中的压力分布更加均匀,降低水平井的井筒压降,避免气体锥进现象的出现,利于煤层气井的生产;使井壁的入流更加均匀,减少煤粉产出及其对煤层和井筒的堵塞程度。

(4)在三种不同的水平井水平段长度下,压力分布曲线的变化趋势均一致,说明水平井水平段长度不会影响井筒压力分布曲线的形态,但是水平段井筒长度越大,相应的井筒压降越大,水平井的长度存在一个最优值。