瓦斯地面安全高效抽采井網(wǎng)優(yōu)化數(shù)值仿真研究

汪 漫，許漢華，李長(zhǎng)俊

(1.武漢商學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.浙江省規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310012)

瓦斯是賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。我國瓦斯藏儲(chǔ)層的滲透率、原始儲(chǔ)層壓力偏低，瓦斯的抽采必須利用井群排采形成很大的壓力降落，從而達(dá)到產(chǎn)氣量商業(yè)化的效果[1-2]。因此，針對(duì)我國復(fù)雜地質(zhì)條件下瓦斯藏井群排采展開研究對(duì)我國瓦斯開發(fā)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。瓦斯抽采需要進(jìn)行區(qū)塊整體排水降壓，而井間干擾使得相鄰井的泄流區(qū)域重疊，從而形成疊加的壓降漏斗[3]，迅速降低地層壓力，從而使更多的瓦斯解吸出來。井群間距對(duì)井間干擾的形成至關(guān)重要，不同井距井群抽采時(shí)抽采井瓦斯產(chǎn)氣速率、累計(jì)產(chǎn)量、儲(chǔ)層壓降以及儲(chǔ)層瓦斯?jié)舛染S之變化，影響抽采井的使用壽命以及使用壽命期間的瓦斯產(chǎn)量。

國外瓦斯儲(chǔ)層普遍具有較高的滲透率，瓦斯抽采井網(wǎng)間距較大，關(guān)于瓦斯抽采井網(wǎng)布置的研究也相對(duì)較少[4]。一些學(xué)者針對(duì)國內(nèi)低滲煤儲(chǔ)層的瓦斯抽采井網(wǎng)布置設(shè)計(jì)做了大量的研究[3-8]，但是針對(duì)低階煤田瓦斯抽采井網(wǎng)布置的研究并不多見。與高階煤相比，低階煤一般孔隙度較大，中孔-大孔分布較多，孔隙連通性好，滲流能力較強(qiáng)，吸附能力較低[9-11]。本文以中國吉林省的某低階煤田為例，系統(tǒng)地研究和分析了瓦斯抽采井網(wǎng)布置的特點(diǎn)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

瓦斯產(chǎn)出受煤基質(zhì)中單相氣體解吸與割理、裂隙系統(tǒng)中氣、水兩相流動(dòng)的綜合控制，預(yù)測(cè)和分析瓦斯的產(chǎn)出特征是個(gè)較為復(fù)雜和困難的過程[12]。煤儲(chǔ)層數(shù)值模擬技術(shù)是當(dāng)前瓦斯開發(fā)過程中被廣泛采用的技術(shù)手段[13-17]，其主要以煤基質(zhì)微孔隙和天然裂隙組成的孔隙系統(tǒng)為特點(diǎn)，在氣體吸附/解吸理論、擴(kuò)散理論和流體滲流理論的指導(dǎo)下，通過建立數(shù)值計(jì)算模型，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算，以可視化形式輸出結(jié)果。煤儲(chǔ)層中瓦斯的運(yùn)移一般遵循雙孔隙度單滲透率模型[14,18-23]，此模型由兩個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)組成，即煤基質(zhì)和裂隙，這兩部分的屬性是單獨(dú)賦予的，在割理、裂隙中為層流，而在基質(zhì)孔隙中為擴(kuò)散。與常規(guī)孔隙-裂隙油藏相比，煤的割理、裂隙系統(tǒng)發(fā)育，走向具有明顯的方向性，這樣抽象雙重介質(zhì)模型更接近煤的自然特性。

本文采用雙孔隙度單滲透率模型對(duì)試驗(yàn)井瓦斯抽采歷史產(chǎn)量進(jìn)行擬合分析，并對(duì)深部瓦斯抽采井群布置進(jìn)行系統(tǒng)的模擬計(jì)算，從而得到瓦斯抽采井網(wǎng)布置的優(yōu)化結(jié)果。該研究成果可為同類型低階煤高瓦斯礦井瓦斯抽采提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 瓦斯地面井群抽采數(shù)值模型建立

1. 1 模型介紹

吉林省某煤田區(qū)域構(gòu)造較簡(jiǎn)單且規(guī)律明顯，全區(qū)廣泛發(fā)育有多層可采煤層。以26煤為例，煤類型以半亮型為主，半暗型次之；煤層顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量為78.59%，惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量較少，分別為4.21%和1.25%，鏡質(zhì)組最大反射率為0.567%。經(jīng)分析，煤層現(xiàn)有賦存深度每增加100 m，其鏡質(zhì)組反射率值增加0.05%。該煤田煤質(zhì)化驗(yàn)得到的主要指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 某煤田煤質(zhì)的主要指標(biāo)參數(shù)

本文模擬煤層氣儲(chǔ)層范圍為2 525×2 525 m2，采用9井矩形井網(wǎng)井群抽采，瓦斯抽采井群布置及差分網(wǎng)格圖如圖1所示，其中P1～P9為抽采井編號(hào)。

圖1 煤層氣儲(chǔ)層瓦斯抽采井群布置及差分網(wǎng)格圖Fig.1 Coalbed gas extration well group layout and difference grid diagram

1. 2 模型參數(shù)

1.2.1 煤樣滲透率

所有煤樣統(tǒng)一做成Φ50 mm×100 mm 的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)煤樣，測(cè)試方法采用氣體穩(wěn)態(tài)法。進(jìn)氣端的進(jìn)氣壓控制閥可以控制試件上表面氣壓，出氣端與外界相連，使用皂泡流量計(jì)測(cè)定氣體流量；待試件上、下端面氣壓差形成穩(wěn)態(tài)滲流后，出氣端測(cè)量的單位時(shí)間內(nèi)的氣體流量即為氣體滲透速度。加載平均氣壓用進(jìn)氣端和出氣端的氣壓計(jì)算，即p=(pin+pout)/2，其中pin和pout分別代表進(jìn)氣端和出氣端的壓力，實(shí)驗(yàn)室溫度為 27℃。在實(shí)驗(yàn)室條件下維持煤樣圍壓為8 MPa不變，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試不同軸壓和平均氣壓下煤樣的滲透率，其試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 圍壓為8 MPa時(shí)煤樣滲透率隨平均氣壓的 變化曲線Fig.2 Variation curves of coal sample permeability with average air pressure under confining pressure of 8 MPa

由圖2可知：平均氣壓由0.25 MPa增加到1.45 MPa的過程中不同軸壓的煤樣滲透率呈指數(shù)型降低，損失率在0.46～0.50之間；當(dāng)維持平均氣壓不變時(shí)，煤樣滲透率隨軸壓的升高也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

1.2.2 煤樣孔隙度

本文借助壓汞試驗(yàn)研究了煤樣基質(zhì)的孔徑分布特征，采用的試驗(yàn)設(shè)備為美國康塔公司生產(chǎn)的Poremaster33高壓孔隙結(jié)構(gòu)儀。測(cè)試分析系統(tǒng)利用汞對(duì)材料不浸潤的特性，采用人工加壓的方式使汞進(jìn)入材料內(nèi)部孔隙，通過高精度壓力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)體積膨脹計(jì)測(cè)量試樣的注汞和退汞曲線，并結(jié)合結(jié)構(gòu)分析模型計(jì)算試樣的孔徑結(jié)構(gòu)、孔隙度及真密度等參數(shù)。壓力范圍為0.001 6～228 MPa，壓力傳感器精度為±0.11%，孔徑范圍為3.2～475 μm。

壓汞試驗(yàn)試樣尺寸要求為最長(zhǎng)邊小于1 cm的長(zhǎng)方體煤樣，質(zhì)量約1 g左右。用于壓汞試驗(yàn)的煤樣照片如圖3所示。壓汞試驗(yàn)測(cè)得的煤樣基質(zhì)孔隙度平均值為φm= 0.11。

圖3 用于壓汞試驗(yàn)的煤樣照片F(xiàn)ig.3 Photos of coal samples for mercury injection test

煤樣裂隙孔隙度通過密度試驗(yàn)獲得，具體計(jì)算公式如下：

φc=[(ρt-ρa(bǔ))/ρt]×100%

(1)

式中:φc為煤樣基質(zhì)孔隙度；ρt為煤樣基質(zhì)密度(kg/cm3)；ρa(bǔ)為煤樣表觀密度(kg/cm3)。

該煤田不同煤樣的裂隙孔隙度測(cè)定結(jié)果，見表2。

表2 某煤田不同煤樣的裂隙孔隙度測(cè)定結(jié)果

1.2.3 煤樣吸附性

將煤樣用研磨機(jī)粉碎，然后用篩子篩選出60～80目粒徑(0.18～0.25 mm)的煤粉(見圖4)分別在25℃和50℃溫度條件下進(jìn)行甲烷吸附試驗(yàn)，其中試驗(yàn)壓力的變化范圍為0～80 bar(8 MPa)，其試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖4 用于甲烷吸附試驗(yàn)的煤粉試樣照片(粒徑為 0.18～0.25 mm)Fig.4 Photo of the pulverized coal sample used for me- thane adsorption test (particle size 0.18～0.25 mm)

圖5 煤樣等溫吸附曲線Fig.5 Isothermal adsorption curve of coal samples

由圖5可見，不同溫度下煤樣的等溫吸附曲線均屬于Ⅰ型等溫線。在煤樣孔徑較小的微孔中，孔壁對(duì)吸附分子的作用勢(shì)場(chǎng)發(fā)生重疊，使氣體分子的吸附能很大。煤樣在低壓區(qū)等溫吸附曲線迅速上升后逐漸接近平穩(wěn)，說明煤樣中大量的微孔存在。本文采用Langmuir等溫吸附模型來描述瓦斯的吸附過程。

其他模型參數(shù)包括：煤樣密度為1.35 t/m3，地面條件下的甲烷密度為0.704 kg/m3，甲烷擴(kuò)散系數(shù)為0.02 m2/d，原始地層壓力為3.96 MPa，等等。

1. 3 瓦斯抽采歷史產(chǎn)量擬合分析

為了增加模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文首先基于BLCX-1005試驗(yàn)井瓦斯抽采歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際采出情況進(jìn)行歷史擬合。BLCX-1005試驗(yàn)井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量歷史擬合情況，見圖6和圖7。

圖6 BLCX-1005試驗(yàn)井產(chǎn)氣量歷史擬合情況Fig.6 Historical fitting of gas production in test well BLCX-1005

圖7 BLCX-1005試驗(yàn)井產(chǎn)水量歷史擬合情況Fig.7 Historical fitting of water yield of BLCX-1005 test well

由圖6和圖7可知：模擬計(jì)算得到的BLCX-1005試驗(yàn)井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量均與實(shí)際產(chǎn)量相差不大；40 d前該試驗(yàn)井產(chǎn)水量的擬合結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)水量數(shù)據(jù)一致，然而40 d后兩者之間有些偏離，主要原因是實(shí)際地層地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，地層界面、天然洞穴等都會(huì)造成試驗(yàn)井產(chǎn)水量的部分缺失，此外試驗(yàn)井實(shí)際產(chǎn)水量監(jiān)測(cè)結(jié)果也具有一定的誤差。但綜合擬合結(jié)果已很理想，從而證明了本模型的準(zhǔn)確性。

2 瓦斯地面井群抽采數(shù)值模擬分析

井群間距對(duì)井間干擾的形成至關(guān)重要，不同井距井群抽采時(shí)抽采井瓦斯產(chǎn)氣速率、累計(jì)產(chǎn)量、儲(chǔ)層壓降以及儲(chǔ)層瓦斯?jié)舛染S之變化。本文計(jì)算了井距分別為200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、550 m、600 m時(shí)井群抽采的瓦斯產(chǎn)氣速率、累計(jì)產(chǎn)量、儲(chǔ)層壓降以及儲(chǔ)層瓦斯?jié)舛?。以井?50 m為例，圖8和圖9分別展示了井群抽采5 a后的儲(chǔ)層瓦斯?jié)舛群蛢?chǔ)層壓力情況。圖10為儲(chǔ)層壓力仰視圖，由圖10可以清晰地看到儲(chǔ)層壓降重疊區(qū)域的井間干擾現(xiàn)象。圖11為不同井距井群抽采時(shí)9口抽采井中間位置的5號(hào)井的瓦斯產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)量。

圖8 井距為350 m時(shí)井群抽采5 a后的儲(chǔ)層瓦斯?jié)舛菷ig.8 Concentration of coalbed methane in the reservoir after pumping for 5 years with well spacing of 350 m

圖9 井距為350 m時(shí)井群抽采5 a后的儲(chǔ)層壓力Fig.9 Reservoir pressure after 5 years of pumping in well cluster with well spacing of 350 m

圖10 井距為350 m時(shí)井群抽采5 a后的儲(chǔ)層壓力 仰視圖Fig.10 Bottom view of reservoir pressure after 5 years of pumping in well cluster with well spacing of 350 m

圖11 不同井距井群抽采時(shí)5號(hào)井的瓦斯產(chǎn)氣速率 和累計(jì)產(chǎn)氣量Fig.11 Gas production of No.5 well pumped by well groups with different well spacing

由圖11可知：

(1) 井群抽采初期，即未形成井間相互影響之前，不同井距井群抽采的瓦斯產(chǎn)氣速率是相同的；隨著抽采的進(jìn)行，相鄰井之間逐漸形成了井間相互影響的干擾區(qū)，造成相鄰井壓降漏斗的疊加。疊加的壓降漏斗可以使相鄰井中間區(qū)域的壓力很快降到臨界解吸壓力以下，瓦斯迅速解吸，可達(dá)到采收率最大化的目的。

(2) 井距越小形成井間干擾的時(shí)間越短，所以較小井距的井群抽采初期的瓦斯產(chǎn)氣速率要大于較大井距；隨著抽采的進(jìn)行，較大井距的井群也逐漸形成了井間干擾，而且由于較大井距的井群?jiǎn)尉刂泼娣e和滲流補(bǔ)給面積較大，故瓦斯產(chǎn)氣速率和累計(jì)產(chǎn)氣量逐漸超越了較小井距。因此，在有限井距范圍內(nèi)，井距越大，形成井間干擾的時(shí)間越長(zhǎng)，井群抽采初期的瓦斯產(chǎn)氣量越小，后期的瓦斯產(chǎn)氣量越大。

然而由于單井控制面積有限(尤其低滲透率儲(chǔ)層)，如果井距過大，便不會(huì)形成較顯著的井間干擾。井群總產(chǎn)氣量相當(dāng)于單井抽采產(chǎn)氣量的疊加，單井使用年限內(nèi)的總產(chǎn)氣量也會(huì)隨之趨于平穩(wěn)，故相鄰井之間區(qū)域內(nèi)的煤氣資源將不會(huì)被有效地采出，從而造成儲(chǔ)層采收率的降低和資源的浪費(fèi)。

3 井網(wǎng)抽采的最優(yōu)井距選取

綜合考慮煤田抽采成本及技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性，認(rèn)為單井日均產(chǎn)氣量小于900 m3/d時(shí)失去了抽采價(jià)值，即定義單井日均產(chǎn)氣量小于900 m3/d時(shí)對(duì)應(yīng)的抽采時(shí)間作為抽采井的使用壽命。根據(jù)不同井距井群抽采時(shí)的瓦斯產(chǎn)氣量模擬數(shù)據(jù)，可得出不同井距井群抽采時(shí)單井的使用壽命和單井使用壽命期間的年均產(chǎn)氣量，并在模擬儲(chǔ)層區(qū)域內(nèi)以最大抽采井?dāng)?shù)布井，可得出不同井距井網(wǎng)下儲(chǔ)層的采收率，見表3和圖12。

表3 不同井距井群抽采時(shí)單井的使用壽命、年均產(chǎn)氣量和儲(chǔ)層采收率

由圖12可知:單井使用壽命會(huì)隨著井距的增加而增加；而單井使用壽命期間的年均產(chǎn)氣量卻隨之減少，最后會(huì)趨于平緩，呈倒S型。這主要是由于不同井距的單井產(chǎn)氣量及使用壽命均受井間干擾、單井控制面積、滲流補(bǔ)給面積等綜合作用的影響；但當(dāng)井距增大到一定程度時(shí)，尤其是低滲透率儲(chǔ)層短時(shí)間內(nèi)不會(huì)形成井間干擾，而且由于單井控制面積等因素的制約，單井使用壽命期間年均產(chǎn)氣量會(huì)趨于平緩。

圖12 不同井距井群抽采時(shí)單井使用壽命、年均產(chǎn) 氣量和儲(chǔ)層采收率隨井距的變化曲線Fig.12 Variation curves of service life,annual gas production and recovery factor of a single well with well spacing during pumping production of group wells with different well spacing

此外，由圖12還可知：如果選取井距過小，單井使用壽命期間的年均產(chǎn)氣量會(huì)很大，但是單井使用壽命會(huì)很小，而且過多的抽采井?dāng)?shù)也會(huì)造成抽采成本的增加；相反，如果選取井距過大，單井使用壽命會(huì)隨之增加，抽采井?dāng)?shù)目減少，投資成本會(huì)降低，但單井使用壽命期間的年均產(chǎn)氣量卻很小。儲(chǔ)層采收率隨井距的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，極值點(diǎn)在280～300 m之間，故選取290 m作為該煤田矩形井網(wǎng)抽采的最優(yōu)井距。

4 結(jié) 論

(1) 一定井距范圍內(nèi)，井距越大，形成井間干擾的時(shí)間越長(zhǎng)，井群抽采初期的瓦斯產(chǎn)氣量越小，后期的瓦斯產(chǎn)氣量越大。然而因?yàn)閱尉刂泼娣e有限(尤其是低滲透率儲(chǔ)層)，如果井距過大，便不會(huì)形成較顯著的井間干擾。井群總產(chǎn)氣量相當(dāng)于單井抽采產(chǎn)氣量的疊加，單井使用年限內(nèi)的總產(chǎn)氣量也會(huì)隨之趨于平穩(wěn)，故相鄰井之間區(qū)域內(nèi)的煤氣資源將不會(huì)被有效地采出，從而造成儲(chǔ)層采收率的降低和資源的浪費(fèi)。

(2) 根據(jù)單井產(chǎn)氣量的計(jì)算結(jié)果，可得出不同井距抽采時(shí)單井的使用壽命和單井使用壽命期間的年均產(chǎn)氣量。單井的使用壽命會(huì)隨著井距的增加而增加；而單井使用壽命期間的年均產(chǎn)氣量卻隨之減少，最后會(huì)趨于平緩。

(3) 儲(chǔ)層采收率隨井距的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，極值點(diǎn)在280～300 m之間，故選取290 m作為該煤田矩形井網(wǎng)抽采的最優(yōu)井距。