煤层气渗流机理及产能评价研究

煤层气是赋存于煤层及其围岩中的一种自生自储的非常规天然气,是一种新型的清洁能源和优质化工原料。开发利用煤层气不仅可以提高煤矿的安全生产水平,而且在充分利用不可再生资源、缓解常规油气供应紧张状况、保护大气环境等多方面均有十分重要的意义。 本文基于国内外文献调研,分析了煤层气的储集、运移和产出机制,建立了非稳态和拟稳态情况下煤层气单相运移方程,并利用解析方法进行求解。通过分析结果,进一步认识了煤层气开采所经历的解吸、扩散和渗流一系列过程,在此基础上建立了双重孔隙度介质下的三维两相数学模型和数值模型,并分别推导出了直井和水平井生产煤层气时的产能公式。模型中引入了Langmuir等温吸附定律、Fick定律来描述煤层气的解吸和扩散行为,并借助计算机技术,利用有限差分方法实现了数学模型的数值求解,同时编制了计算机模拟程序,开发出具有友好操作界面的煤层气数值模拟软件。 获得的主要研究结论如下: (1)利用解析方法对非稳态和拟稳态两种模型煤层气的单相运移方程进行了求解和分析。通过分析煤层气产量和地层压力变化,发现在煤层气生产前期(约30天),两种模型有较大差异。非稳态结果能够较好的反映煤层气产量及地层压力变化;中后期两种模型的结果基本趋于一致。因此在煤层气中后期开采预测中可以使用拟稳态模型; (2)直井生产条件下,通过分析煤层厚度、渗透率、孔隙度、扩散系数、等温吸附常数等9项敏感参数对产能的影响,发现煤层厚度、割理渗透率和等温吸附常数对煤层气产量影响较为明显; (3)水平井生产条件下,通过分析煤层厚度、渗透率、孔隙度、等温吸附常数、水平井开采层位等11项敏感参数对产能的影响,发现对直井产能影响明显的因素对水平井产能仍具有显著影响,并且在相同地质条件下,水平井产能比直井提高20%以上。另外水平井长度和开采层位对水平井产能也有显著影响; (4)通过对比直井和水平井产量曲线,发现水平井在开采煤层气方面具有很大优势,因此在相同条件下,应优先考虑选用水平井开采。