煤层气储层数值模拟(韦重韬[等]著)思维导图
煤层气主要储层参数测试
流。无限作用径向流是试井解释技术的基础。
在半对数座标中，无限作用径向流的压力响应为一 条直线。除早期响应以外，径向流的压力响应与时间的 对数呈比例关系。
4．储层边界响应
实际上，储层并不真正是无限大的。因此，无限作用径 向流阶段不可能一直持续下去，最终在测试的井中将会感觉 到储层边界的作用。 ①闭合边界 ②断层边界 ③常压边界
CH4
Coal Matrix
Coal Cleats
CH4 CH4 H2 O
CH4
CH4
CH4
3.2、煤层气产出三个阶段
阶段Ⅰ：压力下降比较少，井附近只有单相水流动。属于单相流阶段。 阶段Ⅱ：储层压力进一步下降，井筒附近有一定数量的甲烷从煤的表 面解吸，开始形成气泡，阻碍水流动，水的相对渗透性下降，但气泡是 孤立的，没有互相连接。这一阶段叫做非饱和单相流阶段。
阶段Ⅲ ：储层压力进一步下降，
有更多的气解吸出来，则井筒附近 水中含气已达到饱和，气泡互相连 接形成连续的流线，气的相对渗透 率大于零。随着压力下降和水饱和 度降低，气的相对渗透率逐渐上升，
气产量逐渐增加。这一阶段叫做两
相流阶段。
3.3、试井机理
煤层气田大规模开发需要大量的初始投资，因此，在开发煤层 气田之前首先要查清煤层气储层的特性，并对煤层气井的长期产能 和最终采收率进行预测。
由于试井时间很短，所以在分析时，可以简化为两种模 型：描述径向流的模型和描述水力压裂井的模型。 径向流模型描述的是裸眼井或未经水力压裂激化的套管 井中的水流。 线性流模型用来描述水力压裂井中的流动状态，因为水 力压裂改变了近井地带的水流状态，形成了较强的线性水流。
径向流储层模型
第三章煤层气储层压力和赋存状态
第三章煤层气储层压力和赋存状态
第一节 煤储层压力
一、定义
指作用于煤孔隙—裂隙空间上的流体压力（包括水 压和气压），故又称为孔隙流体压力。
1、开放体系 储层压力等于静水压力
2、封闭体系 储层压力等于上覆岩层压力
3、半封闭体系 上覆岩层压力由储层内孔隙流体和煤基质块共
Collions提出的煤层气在煤层中存在的四种赋存 状态：煤层气在煤中处于平衡状态时，在煤孔隙 中由表面向外依次为孔隙表面的单分子吸附相、 类液态相、孔隙气态相和游离态相。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
一、 溶解态
对天然气而言，在高压条件下甲烷在水中的溶解 度可达到数十m3(气)/m3(水) 。
第三章煤层气储层压力和赋存状态
Van Bergen等认为在煤层中煤层气有四种赋存 状态：（1）吸附在微孔隙中；（2）被包裹在煤 基质孔隙中；（3）游离在煤中割理和裂隙中； （4）溶解在煤中的裂隙水中。
Crosdale等人认为在煤中煤层气的赋存状态也有 四种：（1）压缩在孔隙中的游离态气体；（2） 浓缩为固相或液相；（3）溶解在煤结构中；（4） 吸附在煤内表面上。
通常用亨利定律描述煤层气在水中的溶解度，利 用气体逸度和亨利常数的不同可以更加合理地解 释气体在水中的溶解现象。
亨利定律最初表达式为 ： pi Hici
式 中 ： p i — 气 体 组 分 i 所 受 到 的 压 力 ， M P a ； H i — 气 体 组 分 i 的 亨 利 常 数 ， M P a ； c i — 气 体 组 分 i 在 溶 剂 中 的 摩 尔 分 数 ， m o l / m o l
600 700 800 900 1000 1100 煤层埋深／m
第三讲 煤层气资源储量计算
注:极复杂构造只宜边探边采,线距不做具体规定.
煤层稳定程度类型钻探工程基本线距表
各种查明程度对煤层控制的基本线距(m) 煤层稳定程度 探 明 的 稳 定 较稳定 不稳定 500～1 000 200～500 控 制 的 1 000～2 000 500～l 000 375a 250
注:极不稳定煤层只宜边探边采,线距不做具体规定. *只适合:煤层厚度变化很大,且突然增厚,变薄现象,全区可 采或大部分可采;
只进行了地质评价和初步经济评价开发是有经济价值的各级煤层气储量勘查程度和认识程度要求构造复杂程度储层稳定程度基本井距km宽缓的褶皱构造第一型煤层稳定煤厚变化很小或沿一定方向逐渐发生变化3040第二型煤层厚度有一定变化但仅局部地段出现少量的减薄没有尖灭2030第三型煤层不稳定煤层厚度变化很大且具有明显的变薄尖灭和分叉现象1520煤系地层产状平缓但具有波状起伏煤系地层呈简单的褶皱构造两翼倾角较陡并有稀疏断层煤系地层呈简单的褶皱构造但具有较多断层对煤层有相当的破坏作用第一型煤层稳定煤厚变化很小或沿一定方向逐渐发生变化2030第二型煤层厚度有一定变化但仅局部地段出现少量的减薄没有尖灭1020第三型煤层不稳定煤层厚度变化很大且具有明显的变薄尖灭和分叉现象0510煤系地层呈紧密复杂褶皱并伴有较多断层产状变化剧烈褶皱虽不剧烈但具有密集的断层煤层遭受较大破坏煤层受到火成岩体侵入使煤层受到严重破坏第一型煤层稳定煤厚变化很小或沿一定方向逐渐发生变化1020第二型煤层厚度有一定变化但仅局部地段出现少量的减薄没有尖灭0510第三型煤层不稳定煤层厚度变化很大且具有明显的变薄尖灭和分叉现象05附表煤层气探明地质储量计算关于储层的基本井孔控要求煤层气资源储量计算构造复杂程度各种查明程度对构造控制的基本线500100000020002505005001000250500注
第三节 煤层气储层压力
00
SMU
0 70 0
T 13 N Wyoming州 Colorado州 T 11 N
CA 60 6 5 0 0 00 7000 55 00 3
?
700 0
2
N
T 9 N
UU
e n河
盆
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界
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80
Sn
ak
0 0 70 00 65 00 60
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6000
65 00
75
00
70
80
85
00
一、储层压力分类
储层压力梯度是指单位垂深内储层的压力增量，即随 着深度的增加储层压力的改变速度，常用kPa/m或者 MPa/100m来表示。 压力系数为实测地层压力与同深度静水压力之间的 比值。
当压力系数在0.9～1.1（约9.79~11.0 kPa/m）范围时，储层 压力处于正常状态；压力系数超过这一范围时，则为异常高 储层压力，即异常高压（或简称为高压）或异常超高压（简 称为超高压），低于此范围时，即储层压力低于静水压力， 为异常低储层压力。
第三节 煤层气储层压力
地层压力（geopressure或formation pressure）， 又称为地层孔隙压力，定义为作用于地层孔隙内 流体(油、气、水)上的压力。 煤层气储层压力是地层压力的一种，是指作用于 煤孔隙、裂隙内的水和煤层气上的压力，亦称煤 储层压力、煤层压力，与煤矿瓦斯灾害治理方面 的瓦斯压力是同一个概念。 煤层气储层压力是煤层能量的具体表现形式之一， 是煤层气运移、产出的动力。不仅影响着煤层的 含气能力、煤层气的赋存状态，也影响着煤层的 渗透性，从而制约着煤层气的开发。
1煤层气藏三维数值模拟_冯文光
卷(Volume)19,期(Number)1,总(Total)75矿物岩石 页(Pages )43-48,1999,3,(M ar ,1999)J M INE RAL PET ROL 煤层气藏三维数值模拟冯文光1 梅世昕2 侯鸿斌2 羊裔常1(1 成都理工学院石油系,成都 610059)(2 华北石油地质局,郑州 450007)【摘 要】 本文根据煤的储气特征、煤层气的吸附特征、排水降压解吸产气机理建立了煤层气藏数学模型和三维全隐式差分模型,采用最佳变松驰求解,收敛度快,稳定性好。
【关键词】 煤层气 解吸 数值模拟 最佳变松驰法 全隐式中图法分类号:T E 319ISSN 1001-6872(1999)01-0043-48; C ODEN:KUYAE2收稿日期(M anuscript received):1998-12-10 改回日期(Accepted for publication):1999-02-05第一作者简介:冯文光 男 51岁 教授(博士导师) 油藏工程专业 研究方向:油气田开发、数值模拟,试井分析及煤层气藏0 引 言在地下煤层形成过程中,生成大量的天然气,一部分以游离状态通过运移、聚集形成常规天然气藏;另一部分以吸附状态为主储存在煤层的孔隙中,这种储存在煤层气中以甲烷为主的天然气称煤层气,或煤层瓦斯。
60年代和70年代初,美国矿业局为改善煤矿安全,对煤层气做了大量的研究工作。
70年代末,煤层气的开发利用还没有被引起重视,甚至把以煤层气作为商品的少数企业家视为“疯了”。
美国1977年开采煤气以来,开采井数成倍增加,年产煤层气产量倍增。
1989年美国已有400口井生产,年产量逾20×108m 3。
1992年美国煤层气年产量达200×108m 3。
我国煤层气蕴藏量十分丰富,与常规天然气蕴藏量相近,华北石油地质局自1986年以来,进行了多项攻关研究。
然而煤层气这一巨大而洁净的资源在我国至今尚未被开发和利用。
第五章煤层气成藏机理
煤层 露头线
500
断层
地下水水 位等值线
水动力边界
水动力封堵边界是最常见的煤层气藏边界。 水动力封堵的机理为：要使储层内保存一定量的煤层气，就必须具备一
定的储层压力，即地下水静水位面（对应于储层压力）具有一定的高程。 这一高程可通过经济边界对应的含气量和兰氏方程计算的储层压力换算。
水动力边界
沁南煤层气藏的东部和南 部为水动力封堵边界，对于15 号煤而言，最大吸附容量为 39.91～46.84 m3/t，平均为 43.37 m3/t；兰氏压力为 3.034～3.184MPa，平均为 3.109MPa。如果取最大吸附量 46.84 m3/t，兰氏压力 3.184MPa，以8 m3/t为经济边 界则对应的极限储层压力在 1.3MPa 左右，即地下水的水 位高差最低应为130 m 左右 z
如对沁南煤层气藏的作图分析（图5.4），图中甲烷组分含量随 煤层埋藏深度的增加而增加，甲烷组分含量大于80%对应的煤层埋深 为180 m，即可确定风氧化带的深度为180 m 左右。
风氧化带边界
CH4含量(%)
120
3号煤
9号煤
100
15号煤
如果以甲烷
80
浓度80%为
风氧化带底
60
界，沁南煤
40
层气藏风氧
5. 断层边界
断层边界可以分为封闭性断层边界和开放性断层边界两类
1)封闭性断层边界
断层封闭性原理可用下列公式定量表达：
pc
2r
cos
R
式中：R-相互连通的孔喉半径；r-烃水界面张力；-润湿角。
被封烃类压力是指烃柱的浮力：
p w hgh
式中：w-储层内水的密度；h-储层内烃的密度；g-重力加速度；h储层内烃柱的高度。 当pc>p时，断层的封闭性好，反之差。
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。
第六章 煤层气藏数值模拟.
水的原始饱和度、水的地层体积系数、水的粘度和密度
II类
含气量、原始气饱和度、气体成分、气体在水中的溶解度、气体
地层体积系数、气体的粘度、气体密度
其它参数
III类
原应力、井底压力、储层压力、储层温度、表皮系数、压裂缝半
径、井孔半径与井间距、预测时间等
煤层气地质学
第二节: 煤层气藏数值模拟模型综述
该模型是从理论上导出的模型，它反映解吸/吸附过程的 物理现象。在这个方法中假设，当储层压力降低时，吸附气 体将瞬时进入天然裂隙系统，不考虑气体在基质孔隙中运移 所需要的时间（解吸时间），即吸附在微孔壁上的气体与宏 观孔隙中自由气体的压力是处于连续平衡的状态。 属于这类模型的有Airey第二模型、INTERCOMP第一模型、 Virozhtsov等模型、Bumb模型、Mckee-Bumb模型、 Gorbachev等模型、Nguyen模型以及Ediz & Edwards模型等。
煤层气地质学
煤层气藏数学模型概述：
从1958年以来，世界上先后已开发出约52个预测煤层 气产量的数学模型，大体可分为三种类型 组分模型 经验吸附模型
储层模型
气体吸附-扩散模型
平衡吸附模型
黑油模型
非平衡吸附模型
煤层气地质学
经验吸附模型（empirical sorption model）
煤层气开发数值模拟-CMG
CMG煤层气数值模拟软件介绍加拿大计算机模拟软件集团煤层气模拟的基本概念 层气模拟 本概2煤层构造和煤层气流动机理 原生孔隙：基质 次生孔隙：割理（裂缝）3煤层中的流动状态CH4 CO2 N2 煤层气 次开采 煤层气一次开采 CO2 提高采收率 (CO2-ECBM) N2 提高采收率 (N2-ECBM) 烟道气提高采收率4煤层气一次开采机理 通过排水降低割理压力 煤层气从基质中解吸附出来 扩散到节理/裂缝当中 煤层气从基质中解吸附出来，扩散到节理 煤层气和水流动到井筒 在裂缝中为达西流动 • 面割理和端割理 • 面割理和端割理的垂直连接部分 在大型裂缝中的达西流动或者管流 • 大型节理 大型 • 次生裂缝z1 在生产油管和井筒中的管流 裂缝渗透率受基质影响CH4Coal Matrix煤层割理和裂缝CH4 CH4 H2O CH45CH4CH4Slide 5 z1zll, 2012-3-14提高煤层气采收率机理ECBM烟道气CO2分离 注入N2N2 CH4 出售煤 深部煤层绿色电厂CO2CH4CH4CH4• 提高煤层气采收率 • 温室气体( (GHG) )封存6煤层属性：多重孔隙度系统 原生孔隙度系统（煤层基质） 微孔隙度 (< 2 nm) 中孔隙度 (2 – 50 nm)+ 非常低的流通能力：渗透率在微达西范围 只有扩散流动 次生孔隙度系统（煤层节理） 宏观孔隙度 (> 50 nm) 天然裂缝 更强的流通能力：渗透率在毫达西范围 达西流动7在GEM中煤作为多重孔隙系统 需要多重孔隙度模型例如 DUALPOR SHAPE GK在裂缝（割理）系统中为标准的达西流动裂缝间距, I,J,K IJK例如 DIFRAC CON 0.2 或 DIFRAC ALL array MATRIX 表示基质系统 FRACTURE 表示裂缝系统 基质中允许非达西流动 煤层气从基质扩散到裂缝（注意：如果基质渗透率被指定为0，那么基质到裂缝之间没有流动。
第二章 煤层气储层特征
§2.3 煤储层的孔隙与天然裂隙
一、煤储层的孔隙
煤中孔隙成因
煤层气开发 理论与技术
排水-降压-解吸-扩散-渗流-采气
§2.3 煤储层的孔隙与天然裂隙
一、煤储层的孔隙
煤中孔隙成因
煤层气开发 理论与技术
§2.3 煤储层的孔隙与天然裂隙
一、煤储层的孔隙
煤中孔隙成因
煤层气开发 理论与技术
煤的孔隙类型及其成因简述
燃矿产，包括有机和无机化合物，由于生物化学作用的不同 和地质化学因素的差异，使煤成为含有几十种煤岩显微组分 的复杂混合物。组成、结构非常复杂且不均一。
由于成煤物质和聚煤条件
的不同，煤分为： ☞ 腐植煤 ☞ 残植煤 ☞ 腐泥煤
§2.1 煤的化学组成、岩石学特征
一、成煤物质与聚煤作用
煤层气开发 理论与技术
+ +
注：+ + + 为作用大；+ + 为作用中等；+ 为作用小；空白为没有作用
§2.3 煤储层的孔隙与天然裂隙
一、煤储层的孔隙
煤层气开发 理论与技术
煤中孔隙尺度
§2.3 煤储层的孔隙与天然裂隙
一、煤储层的孔隙
煤的基质孔隙特征 与煤化程度有密切 关系。随煤化程度 升高，基质孔隙的 孔容和孔面积出现 有规律的变化
煤层气开发 理论与技术
煤中孔隙发育影响因素
§2.3 煤储层的孔隙与天然裂隙
煤储层的天然裂隙 割理概念及类型
煤层气开发 理论与技术
割理是内生裂隙，与构造作用形成的外生裂隙相对应， 是煤化过程中失水及烃类产生，煤基质收缩产生张力及 高流体压力引起，通常分为两组，面割理和端割理，互 相垂直，且垂直于层面方向
第10章 煤层气地质研究中的数值模拟技术【中国矿业大学《煤层气地质学》(傅教授课件)】
第十章煤层气数值模拟技术与方法数值模拟技术在煤层气勘探开发中应用较广。
煤层气储层模拟是进行产量预测、地面开发前景评价和生产工艺优选等的重要手段；煤层气地史演化数值模拟则主要用于定量研究煤层气的生成、逸散和赋存的演化规律。
此外，数值模拟技术还被广泛应用于煤层气储层研究和储量计算等方面。
第一节煤层气储层模拟技术一、概述煤层气储层模拟（reservoir simulation）又称为产能模拟（coalbed methane production modeling），无论是在常规油气还是在煤层气勘探开发过程中，通常都需要进行这项工作。
储层模拟是将地质、岩石物性和生产作业集于一体的过程，在此过程中使用的工具就是储层模拟软件。
储层模拟实际上是在生产井的部分参数已知的条件下，解算描述储层中流体流动的一系列方程，通过历史匹配，对井的产油量、产气量和产水量等参数及其变化规律进行预测的工作。
预测的时间可在几个月、几年甚至几十年。
产能参数是选择开采工艺、开采设备的重要依据，同时，还可根据产能参数，对生产井的经济价值进行评价。
随着煤层气开发试验的相继实施和实践经验的积累，科技工作者对煤层气的生气、储集和运移规律有了更深入的理解，同时，也意识到需要有一个有效的工具，来进行生产井气、水产量数据的历史拟合，以便获取更为客观的煤层气储层参数，预测煤层气井的长期生产动态和产量。
同时为井网布置、完井方案、生产工作制度、气藏动态管理，煤层气开发方案等提供科学依据。
正是在这种背景下，煤储层数值模拟研究工作，在继续围绕煤矿瓦斯研究的同时，借鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法，扩展到地面煤层气资源勘探、开发领域。
1981年，由美国天然气研究所（GRI）主持，美国钢铁公司（US Steel）和宾州大学等承担了煤层气产量模拟器与数学模型开发项目（Development of Coal Gas Production Simulators and Mathematical Models for Well Test Strategies）。
CBMRS_6
历史拟合技术 历史拟合的一般步骤
• 确定历史拟合工作制度和拟合指标
定日气产量//定日水产量//定井底流压 定日气产量//定日水产量//定井底流压
6 煤层气储层模拟技术
层开采--3种工作制度均可以采用，例如可以选定日水产量(或定日气产量) 单层开采--3种工作制度均可以采用，例如可以选定日水产量(或定日气产量)， 拟合压力和日气产量(或日水产量) 拟合压力和日气产量(或日水产量)。 -- 当井在垂向上穿过多层互不连通的网 --当井在垂向上穿过多层互不连通的网 格时，一般采用定井底流压的工作制度。 格时，一般采用定井底流压的工作制度。 因为当垂向非均质较严重， 因为当垂向非均质较严重，尤其当层间 不相连通的情况下， 不相连通的情况下，压差的影响不能忽 略。在这种情况下，如果继续采用定产 在这种情况下， 量的工作制度， 量的工作制度，各层的产量分配就必须 考虑压差随时间的变化情况， 考虑压差随时间的变化情况，增加了历 史拟合的难度。 史拟合的难度。
历史拟合技术 历史Байду номын сангаас合的一般步骤
• 确定历史拟合工作制度和拟合指标
定日气产量//定日水产量//定井底流压 定日气产量//定日水产量//定井底流压
6 煤层气储层模拟技术
层开采--3种工作制度均可以采用，例如可以选定日水产量(或定日气产量) 单层开采--3种工作制度均可以采用，例如可以选定日水产量(或定日气产量)， 拟合压力和日气产量(或日水产量) 拟合压力和日气产量(或日水产量)。 --当1口井只穿过1个网格，即生产井 --当 口井只穿过1 是单层开采时，3 是单层开采时，3种工作制度均可以采 用，例如可以选定日水产量( 用，例如可以选定日水产量(或定日气 产量)，拟合压力和日气产量( 产量)，拟合压力和日气产量(或日水 产量) 产量)。的检查。
第五章 煤层气储集层
0.012 0.008 0.004
碎粒 煤
0.012 糜棱 煤 0.008 0.004 0.000 10 100 0.01 0.1 1 孔径D( µ m)
100
0.000 0.01 0.1
10 100 1 孔径D( µm)
糜棱煤与原生结构煤不同孔径孔的孔容也存在差异
20
(5) 断裂的影响
断裂作用对煤的孔隙特征的影响 采 样 点 断 距断层 总孔容 孔面积 层 距离 (cm3/g (m2/g) 性 (m) ) 质 上 10 正 盘 20 断 层 下 30 盘 30 0.053 0.047 0.049 0.042 13.87 17.28 16.44 16.84 孔 隙 体 积(cm3/g) 排驱压 力 (×105 Pa) 1.2 172.2 97.3 247.6
18
(4) 煤体结构的影响
煤体结构的分类
类 型 号 类 型 原 生 I 结 构 煤 碎 II 裂 煤 碎 III 粒 煤 糜 IV 棱 煤 层状、似层状透镜状， 煤 岩 类 型 界 限 清 与上下分层呈整合接 触 透镜状、团块状，与 上下分层呈构造不整 合接触 透镜状、团块状，与 上下分层呈构造不整 合接触 晰，原生条带结构 断续可见 光泽暗淡，原生结 构遭到破坏 光泽暗淡，原生结 构遭到破坏 呈现棱角状块体，但 块间已有相对位移 煤被揉捻碎，主要粒 级在 1 mm 以上 煤被揉搓捻碎得更 小，主要粒级在 1 mm 以下 构造、揉皱镜面发育 煤体被多组互相交切 的裂隙切割，未见揉 皱镜面 构造镜面发育 可捻搓成厘米、 毫米级或煤粉 易捻搓成毫米 级碎粒或煤粉 极易捻搓成粉 末或粉尘 层状、似层状与上下 分层整合接触 煤岩类型界限清 晰，原生条带状结 构明显 呈现较大的保持棱角 状的块体，块体间无 相对位移 内、外生裂隙均可辨 认，未见揉皱镜面 捏不动或成厘 米级块 赋存状态和 分层特点 光泽和层理 煤体的 破碎程度 裂隙、揉皱 发育程度 手试强度
煤层气数值模拟的地质模型与数学模型
数。 煤层气以吸附、游离、溶解 3 种状态赋存于煤层
中。煤层气的绝大部分呈吸附状态保存于煤的基岩 ( 质) 微孔的内表面上。煤层气在煤储层中的赋存状 态, 随着排采过程中的地层压力的改变而发生变化。
( 2) 煤的吸附机理 吸附是一种物理现象, 吸附能力与温度、压力有 关。当温度一定时, 随压力的升高吸附量增大; 当压 力达到一定程度时, 煤的吸附能力达到饱和。吸附 是百分之百的可逆过程。当压力降低时, 气体将解 吸出来。实验室可测定煤的等温吸附线。 煤的吸附作用有三类数学模型: 亨氏等温吸咐 模型( H enry) 、付氏等温吸附模型( F reudlich) 、兰氏 等温吸附模型( L angmuir) 。 对柳林杨家坪煤层气实验区 6 口井的 28 个煤 岩样品作等温吸附实验, 结论是: 93% 符合兰氏模 型, 7% 符合付氏模型, 无一符合亨氏模型。 压力降低到使吸附在煤层微孔隙表面上的气体 开始解吸的压力称之为解吸压力。当解吸压力等于 原始地层压力时, 这种煤层为饱和煤层; 当解吸压力 小于原始地层压力时, 这种煤层为欠饱和煤层。欠 饱和煤层往往在漫长的地质年代中由于地质运动造 成吸附气的散失而又未得到补充。解吸压力可由含 气量数据和等温吸附数据计算求得。
a 为割理孔隙度; S ag为气饱和度。 气体的体积流速由 Darcy 流速和滑动流速两项
合成, 再由真实气体定律得割理中的气相渗流方程:
g
Bg
P ag + D a
S ag Bg
+
q ai =
t
S ag a Bg
( 15) 其中:
30
qai = -
FG
dVi dt
( 19)
式中: V i 为基质单元内气体的平均浓度; V E 为基质 内表面气体浓度; F s 为基质单元形状因子; FG 为几
煤层气储层几何模型及其应用
焦作工学院学报(自然科学版),第23卷,第4期,2004年7月Jour nal of Jiaozuo I nstitute of T echnolog y(Natur al Science),Vol 23,No 4,Jul.2004煤层气储层几何模型及其应用韩月旺,苏现波(河南理工大学化石燃料所,河南焦作 454010)摘要:根据对煤体的宏观与微观观测,对原有煤层气储层几何模型进行了修正和完善,并建立了针对构造煤的储层几何模型,将原有的单一直径球形基质孔隙模型扩展为双直径球形孔隙模型,同时对两类几何模型的适应条件进行了论述,最后指出的双直径球形孔隙内煤层气的扩散方程揭示了构造煤储层煤层气运移产出机理.关 键 词:煤层气;储层几何模型;双直径球形孔隙模型;构造煤储层中图分类号:T D712+ 61 文献标识码:A 文章编号:1007 7332(2004)04 0251 040 引 言煤层气储层几何模型是一种概念模型,表达了煤中裂隙、煤基质、基质孔隙的形态特征及他们之间的组合关系.储层几何模型是煤层气地质学的核心研究内容,是定性评价煤层气储层非均质性的直观模型,是建立煤层气储层数值模型的必备环节和基础.建立的煤层气储层几何模型应具有高度的概括性,能最大限度地表达自然界中煤层气的储层特征,继而在其基础上建立的数值模型才能客观地反映储层流体的赋存、运移、产出规律.自然界中的煤储层特征受煤岩组成、变质程度和煤体破坏程度等因素的影响,难以用统一的几何模型来表达.Warrenh和Root把油气储层的双孔隙模型引入到煤层气储层中来[1],已被广大煤层气工作者所采用[2-9],并以此为基础开发了几套比较成熟的煤层气储层数值模拟软件,如美国的COM ETPC 3和COALGAS,我国的CM S等软件[4,9,10].该模型将煤体理想化为被面割理和端割理切割成的若干个规则立方体基质块,煤层气主要赋存于基质孔隙中,在降压排采过程中煤层气由基质孔隙表面解吸并扩散到割理系统中,然后沿割理以达西流形式进一步运移至煤层气井产出.1 储层几何模型的建立由Warrenh和Root的几何模型可知,割理控制着煤储层的渗透率,是煤层气井产能的主要贡献者.这一观点被以往的煤层气井基本上集中在割理比较发育的中煤级煤储层所支持.由该模型进一步可知割理不发育的低煤阶和高煤阶煤储层不具备煤层气开发潜力,为煤层气开发的禁区.但中国山西晋城无烟煤发育区和美国粉河盆地、中国阜新盆地低煤阶煤发育区的煤层气勘探表明了这些地区也存在商业性开发潜力,甚至存在高产井[12~14].这就突破了把无烟煤和低煤阶煤发育区作为煤层气开发禁区的传统观念,同时也说明了原有几何模型存在不足之处.山西晋城无烟煤发育区施工的40多口煤层气井中,煤层气井试井渗透率在0 1~5 0md,经强化处理后单井产量一般在2000m3/d以上[15].经岩心和井下对煤层观测发现,该煤发育有三组外生收稿日期:2004 03 17; 修回日期:2004 04 10基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2002CB211705);河南省自然科学基金项目资助项目(021*******).作者简介:韩月旺(1978 ),男,山西临汾人,在读硕士研究生,主要从事煤层气地质学与勘探开发研究.裂隙,以一组SSE NW 走向为主,每个裂隙各有两个走向近似垂直的裂隙组,每组裂隙基本互相平行[12].割理多为孤立状,仅发育面割理,且被方解石完全充填(图1,晋城寺河矿3号煤),可以说割理对渗透率几乎没有影响,而外生裂隙才是决定储层渗透性的因素.美国粉河盆地和中国阜新盆地的低煤阶煤的割理不发育,但原生的粒间孔发育,渗透性很好,且生物成因气所占比例大,含气饱和度很高,同样也可实现商业化开发.中国柳林地区的中煤阶煤,割理多发育在镜煤和亮煤条带和线理中,遇丝质体尖灭,延伸距离有限,通常垂向为厘米级,侧向延伸一般在数米范围内,割理的连通性非常有限.所以把割理作为储层渗透性的主要影响因素难以成立.柳林地区的外生裂隙目前保存下来的主要有两组,其中一组切穿整个煤层延伸数十米,甚至上百米,为主外生裂隙;另一组延伸有限,仅限于相邻两条或数条主外生裂隙之间,为次外生裂隙.这两组外生裂隙将煤体切割成大小不一的立方体或长方块体(图2,Fa 为垂向的一组主外生裂隙,Fb 为水平方向的一组次外生裂隙,柳林庙湾矿4号煤).Warrenh 和Root 几何模型对基质孔隙采用的是单一直径球形孔隙模型,不能真正反映煤体基质孔隙的孔径分布[16].通过上述4个方面的分析研究,作者对先前的储层几何模型进行了如下的修改和补充(图3).252 焦作工学院学报(自然科学版) 2004年第23卷该模型认为煤储层被与层面垂直或高角度斜交的外生裂隙切割成一系列立方体,气体分别由基质微孔隙和基质大孔隙表面解吸.对于光亮煤而言,煤层气由基质孔隙扩散到割理内,然后由割理直接运移至井筒产出或运移至外生裂隙,继而由外生裂隙以达西流形式运移至井筒产出(见图3,ef d b a 或ef d b c a);对于暗淡煤而言,煤层气由基质孔隙扩散至外生裂隙,并由外生裂隙以达西流形式运移至井筒产出(见图3,ef d c a).由该模型可知煤储层渗透性的主要影响者为外生裂隙,在无烟煤中更是如此,割理的主要作用是沟通了基质块与外生裂隙的联系.该模型适用于煤体破坏程度较低、各种煤级的原生结构煤和碎裂煤.受构造破坏严重的煤(碎粒煤和糜棱煤),煤体被破碎成粒状、鳞片状或土状,煤颗粒从纳米级到厘米级不等[17].碎粒煤的各类裂隙的延伸距离一般为厘米级,连通性差.糜棱煤特别是土状煤中几乎没有裂隙.这类储层难以用图2所示的几何模型表达.为此作者新建立了图4所示的几何模型.该模型将储层中的小直径球形孔隙视作基质微孔隙,大直径球形孔隙代表基质块之间的孔隙、延伸在厘米级的各类裂隙.煤层气由基质微孔隙表面解吸扩散至基质大孔隙中,继而由基质大孔隙扩散至井孔产出.即在这类储层内不存在达西流.2 储层几何模型的应用煤层气储层几何模型I 相对全面地反映了构造破坏程度较低的煤储层的特征,但对煤层气储层模拟的数值方程影响不大.新建立的几何模型II 对于解释碎粒煤和糜棱煤储层内煤层气的运移产出具有重要意义.假设:在t =0时,大孔隙和微孔隙中的游离态和吸附态气体浓度相等,且大孔隙和微孔隙内边界上无气体流动.当t >0时,赋存在小颗粒空隙间的气体变化量与大颗粒边界上的气体流量相等,且小颗粒边界上气体浓度与大颗粒中的相等.则煤层气的运移产出机理的数值表达如下:(1)微孔隙扩散模型:D i r 2i r ir 2i r i ( i i )= t ( i i +C s ),该方程表达了微孔隙边界的扩散量与微孔隙内气体变化量相等.(2)大孔隙扩散模型:D a r 2a r a r 2a r a ( a a )= t ( a a )+3(1- a ) i R i a D i i R i a r i =R i ,该方程表达了大孔隙边界的扩散量和大孔隙气体变化量与微孔隙向大孔隙的扩散量之和相等.初始条件: a (0,r a )= 0= i (0,r i ),C S (0,r i )=C S 0;边界条件: r a ( a a )=0, r i( i i )=0,t =0, V V a t =-N 4 R 2a D a a a r ar a =R a , i (t ,R i )= a (t ,r a ),t >0.式中:C 为气体浓度,kg/m 3;D 为扩散系数,m 2/s;r 为半径,m; 为孔隙度; 为气体密度,kg/m 3;N 为煤颗粒数量;R a 为大球体或颗粒半径,m ;R i 为小球体半径,m;V 为吸附气体体积,m 3;t 为时间,s;a 为大孔隙,i 为微孔隙;v 为空隙;s 为煤表面.3 讨 论作者将煤储层基质孔隙视为双直径球形孔隙,据此新建立了几何模型II.该模型能很好地描述低253第4期 韩月旺等:煤层气储层几何模型及其应用渗、特低渗构造煤储层的特征.将双直径球形孔隙内煤层气的扩散方程作为这类储层内煤层气的运移产出方程,从理论上分析是可行的,但在实践中能否得到验证还需进做一步研究.参考文献:[1] W ar renh J E,R oo t P J.T he behav ior of naturally fractured reservoirs [J].Society of Petroleum Eng ineers Jour nal,1963.245-255.[2] 苏现波,陈江峰,孙俊民,等.煤层气地质学与勘探开发[M ].北京:科学出版社,2001.[3] K ing C R,Ertekin T M.A Survey of M athematical M odels Related to M ethane P roduction fro m Co al Seams [J],P ar tI:Empir ical &Equilibrium Sorption M odels.Proceedings of the 1989Coalbed M ethane Symposium,1989.125-138.[4] K ing C R,Ertekin T M.A Survey of M athematical M odels Related to M ethane P roduction fro m Co al Seams [J],P ar tII:Non_Equilibr ium So rption M odels.Proceedings of the 1989Coalbed M et hane Symposium,1989.139-155.[5] 李 斌.煤层气非平衡吸附的数学模型和数值模拟[J].石油学报,1996,17(4):42-49.[6] K ing C R.N umerical Simultaneous Flow of M ethane and Water T hroug h Dual_Porosit y Coal Seams [D].Ph D.dissertation,T he PennsylvaState U niversity,1985.65-78.[7] P avo ne,A M ,Schwerer F C.Development o f Coal Gas Production Simulators and M athematical M odels for W ell T estStrategies [J].Final Report under G RI Contract Number 5081 321 0457,1984.235-251.[8] K ing G R,Ertekin T ,Schwerer F C.Numer ical Simulation of the T ransient Behavior of Coal Seam Degasification Wells[J].F ormation Evaluat ion,1986.165-183.[9] P rice H S,A bdalla A A.M athematical M odel Simulating Flow of M ethane and W ater in Coal M ine Systems [J].F inalReport under U.S.Bureau of M ines Contr act Number S0110752,1972.89-95.[10]Clar kson C R,Bustin R M .T he effect of pore structure and gas pr essure upon the transport properties of coal:a laboratory and modeling study , 1.Iso therms and pore volume distr ibut ions [J].Fuel,1999.1333-1344.[11]Clar kson C R,Bustin R M .T he effect of pore structure and gas pr essure upon the transport properties of coal:a laboratory and modeling study , 2.Adsorption rate mo deling [J].Fuel,1999.1345-1362.[12]文国忠.晋城矿区(新区)煤层气地质与资料初步评价[J].中国煤田地质,1999,11(3):28-30.[13]Osmonson L M ,Rohrbacher T J.Coal r ecoverability in the Hilight quadr angle,Powder River Basin,Wyoming:a prototype study in a w estern coal field [J].U.S.Geolog ical Sur vey Open_File Report ,2000.23-36.[14]龚建明,温珍河,戴春山.阜新盆地的储层特征及其勘探方向[J].海洋地质与第四纪地质,1998,18(2):81-90.[15]孙粉锦,赵庆波,邓 攀.影响中国无烟煤区煤层气勘探的主要因素[J].石油勘探与开发,1998.25(1):32-34.[16]Warrenh J E,Root P J.T he behav ior of naturally fractur ed reservoirs [J].Society of Petroleum Engineers Jour nal,1963.245-255.[17]周世宁,林伯泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M ].北京:煤炭工业出版社,1999.Geometrical models and applications of coalbed methane reservoirsHAN Yue _wang ,SU Xian_bo(Fossils &Research Institu te o f HNP U,Jiaozu o 454010,China)Abstract:Coalbed methane reservoir geometrical model is a conceptual model w hich ex presses coalbed methane reservoir characteristics qualitatively,and is premise of building numerical simulation model.In v iew of the previous reservoir geometrical model s lim itation,the previous model is revised and perfected throug h macroscopic and microscopic observations.A new reservoir model is built w hich is suitable for deformed coal.U ni_diameter spherical matrix pore model is expanded to bi _diameter spherical matrix pore model.Coalbed methane diffusion equations in bi_diam eter spherical matrix pore will ex press the migration regime of coalbed methane in deformed coal reservoir.Key words:coalbed methane;reservoir geometrical model;bi _diameter spherical matrix pore model;deformed coal (本文责任编校 李文清)254 焦作工学院学报(自然科学版) 2004年第23卷。
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。