《煤层气井采气技理讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤层气井采气技理讲解（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、煤层气井排采理论与技术煤层气井排采理论与技术 1.1.煤层气的产出煤层气的产出机理机理 2.2.排采过程中的产层伤害与保护排采过程中的产层伤害与保护 3.3.煤层气井排采工艺煤层气井排采工艺 4.4.煤层气井排采工作制度煤层气井排采工作制度 事实上，在原地储层条件下的煤层气主要呈吸附态赋存于煤层孔隙内 表面被大量的等温吸附实验和煤层气开发实践所证实。 煤层气产出机理煤层气产出机理 煤层气赋存状态： (1) 通过将实测煤层气含量数据与等温吸附实验所获得的理论吸附 量进行对比发现，绝大多数样点的煤层气吸附饱和度处于吸附欠饱和或 接近吸附饱和状态，很少有吸附过饱和状态。这一事实充分证明煤层气 的赋存
2、状态以吸附为主。 证据有三： 煤层气产出机理煤层气产出机理 煤层气赋存状态： (2) 煤层气开发实践进一步证实，煤层气以吸附为主的赋存特点。 几乎所有煤层气井都是在排水降压之后才开始产气的，不具备游离气产 出的特征。 证据有三： 煤层气产出机理煤层气产出机理 煤层气赋存状态： (3) 尽管煤层孔隙及裂隙中充满了水，但水溶甲烷量相对实测煤层 气含量值而言是微不足道的。 甲烷水溶实验表明，在通常煤储层温度、压力和矿化度条件下，每 升水所能溶解的甲烷也不过0.05 3.11升。若煤层孔隙按30%（此假 设值远大于实际情况）计算，每吨煤最多也只有0.25m3的水；用最大 溶解度 3 L/L计算，每吨煤
3、最多溶解甲烷只不过是0.75m3 证据有三： 煤层气产出机理煤层气产出机理 煤层气赋存状态： 经典的经典的3D3D理论：理论： 煤层气产出机理煤层气产出机理 解吸扩散渗流 解吸模型Langmuir方程 式中：C(p) 吸附量，m3/t； VL 兰氏体积，m3/t ； P 地层压力,MPa； PL 兰氏压力,MPa。 经典的经典的3D3D理论：理论： 煤层气产出机理煤层气产出机理 式中：qm 为煤基质中甲烷扩散量，m3/day； D 为扩散系数，m2/day； 为形状因子，m-2； g 为甲烷的密度，t/m3； Vm 为煤基质块的体积，m3; C(t) 为煤基质中甲烷的平均浓度，m3/t; C(
4、P) 为基质-割理边界上的平衡甲烷浓度，m3/t。 扩散模型Fick定律 经典的经典的3D3D理论：理论： 煤层气产出机理煤层气产出机理 渗流模型Darcy定律 式中： Vl为l相的渗流速度，m/s； l 为l相的粘滞系数，Mpas； Pl为l相的压差，MPa； L 为渗流途径的长度，m； Kl为l相的有效渗透率，10-3m2； K 为多孔介质的绝对渗透率，10-3m2； Krl为l相的相对渗透率，10-3m2。 Kl = K Krl 经典的经典的3D3D理论：理论： 煤层气产出机理煤层气产出机理 煤层气物理吸附煤层气物理解吸 作用过程 吸附偶于煤的热演化生烃、排烃过程之中 （是一种“自发过程
5、”） 人为的排水-降压-解吸过程 （是一种“被动过程”） 作用时间 吸附是一个漫长的过程 以百万年计 解吸是一个相对较快的过程 以天、以小时计 作用条件 煤具有很强的吸附能力 煤热演化生成的煤层气足以满足煤的吸附 煤层在演化中逐步脱水、升温、增压 煤具有更强的吸附能力 有限的降压和极有限的基质孔隙空间 几乎是恒定的温度 影响因素煤质、基质孔隙内表面积等解吸为游离态的煤层气逸散速度等 解吸与吸附的差异：解吸与吸附的差异： 煤层气产出机理煤层气产出机理 大量的实验研究表明，煤层气吸附/解吸具有一定的可逆性并且解吸 表现出一定的滞后性，这是一个问题的两个方面，是物理吸附客观本质 的体现。 解吸与吸附
6、的差异：解吸与吸附的差异： 煤层气产出机理煤层气产出机理 根据煤层气解吸条件和解吸特征（物理），将其解吸分为 ： 降压解吸 置换解吸 扩散解吸 升温解吸 等四个亚类。 当然，在这四类解吸作用中降压解吸是其中最主要的也是 对煤层气产出贡献最大的。 解吸动力学特征及解吸类型：解吸动力学特征及解吸类型： 煤层气产出机理煤层气产出机理 （1）降压解吸 降压解吸是一种最特征的物理解吸作用过程，也是煤层气开采过程中 最最主要的一种解吸作用。降压解吸的基本特征是，被吸附在煤基质孔隙 内表面的煤层气分子由于“外界压力”的降低而变得更为活跃，以致于解脱 了范德华力的束缚，由吸附态变为游离态。根据目前对降压解吸的
7、基本认 识，其解吸行为基本服从朗缪尔方程。 解吸动力学特征及解吸类型：解吸动力学特征及解吸类型： 煤层气产出机理煤层气产出机理 （2 2）置换解吸）置换解吸 置换解吸的本质是未被吸附的其他气体分子或水分子为而置换了处于 吸附态的甲烷分子的位置，从而使原呈吸附态的甲烷分子变为游离态，故 普遍存在于煤层气开采过程之中。事实上，置换解吸是“优胜劣汰的自然法 则”的具体体现。一方面，未被吸附的其他气体分子和水分子，在普遍存在 于各种原子、分子之间的范德华力作用下在不停地争取被吸附的机会，以 力图达到动态平衡状态；另一方面，气体分子的热力学性质决定了这些被 吸附的气体分子在不停地争脱范德华力束缚，变吸附
8、态为游离态。 解吸动力学特征及解吸类型：解吸动力学特征及解吸类型： 煤层气产出机理煤层气产出机理 （3 3）扩散解吸）扩散解吸 根据分子扩散理论，只要有浓度差存在，就有分子扩散运动，这是气 体分子热力学性质所决定的。研究表明，甲烷气体分子在煤的孔隙内表面 得以高度富集，这就与孔隙、裂隙内的流体构成了高梯度的浓度差，这种 浓度差迫使甲烷分子扩散，从而造成非常规解吸。基于扩散的普遍存在性 ，因此扩散解吸也是煤层气开采过程中煤层气解吸的重要的一种作用类型 。鉴于扩散解吸的实质是由于浓度差造成的扩散而导致的“解吸”，因此这 种扩散的本身是偶于“解吸作用”之中的，是解吸作用与扩散作用的耦合。 从解吸的角
9、度，称之为“扩散解吸”。 解吸动力学特征及解吸类型：解吸动力学特征及解吸类型： 煤层气产出机理煤层气产出机理 （4 4）升温解吸）升温解吸 据现代物理化学研究表明，吸附剂对吸附质的吸附量是吸附质、吸附剂的性质及其相互 作用、吸附平衡时的压力和温度的函数。温度与吸附量呈负相关，与解吸量呈正相关。温度 升高，加速了气体分子的热运动，使其具有更高的能力可以逃逸范德华力的束缚而被解吸。 有人将温度对解吸速率和解吸量的影响归于影响因素，我们认为温度与压力一样，都是引起 解吸的一种动力，应将其定为一种解吸类型。这一类型在煤层气含量测定实验中早已得到证 实。我们可以发现，在煤层气含量测定过程中，当解吸罐放入
10、恒温水箱时，即使解吸罐内的 压力在升高，煤层气解吸也会加速。 在煤层气开采过程中，其温度往往几乎是“恒定的”。这是因为在煤层气开采过程中，无 论是煤层气解吸、扩散还是渗流甚至水的渗流，均没有条件引起煤层温度发生重大变化。即 使大量产水需要运距离的水源补给，也会在渗流过程中使其温度均衡。 解吸动力学特征及解吸类型：解吸动力学特征及解吸类型： 煤层气产出机理煤层气产出机理 煤层气吸附饱和度 是指煤层在一定的 温度、压力和湿度 等条件下对甲烷的 吸附饱和程度，实 际气含量与理论吸 附量之比，一般用 百分比表示。吸附 饱和度是评价煤层 气富集程度和可采 性的重要综合指标 。 常规油气饱和度常规油气饱和
11、度 是指孔隙体积比是指孔隙体积比 吸附饱和度及物理意义：吸附饱和度及物理意义： 煤层气产出机理煤层气产出机理 废 弃 压 力 临 界 解 吸 压 力 实 测 储 层 压 力 理论吸附量 实测气含量 残余气含量 临界产气压力（井底流压) 吸附饱和度及物理意义：吸附饱和度及物理意义： 煤层气产出机理煤层气产出机理 废 弃 压 力 临 界 解 吸 压 力 实 测 储 层 压 力 理论吸附量 实测气含量 残余气含量 临界产气压力（井底流压) 饱和煤层（A）含有最大的气含量，这 在理论上是可能的，如由实验室确定的 等温吸附曲线所定义的。在开始脱水和 压力下降时，气生产立即开始。 欠饱和煤层（B）含有比煤
12、层可能吸附 量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事 件。为了使气产气甚至需要几年的时间 进行脱水和降压，而最终的储量减少。 饱和的 欠饱和的 吸附饱和度及物理意义：吸附饱和度及物理意义： 煤层气产出机理煤层气产出机理 气含量气含量 测定误差测定误差 吸附饱和度吸附饱和度 误差误差 等温吸附曲线等温吸附曲线 实验误差实验误差 地层压力地层压力 测试误差测试误差 吸附饱和度及物理意义：吸附饱和度及物理意义： 煤层气产出机理煤层气产出机理 在煤层气开采过程中，随着排水降压，煤层中流体的压力将逐步降低，煤层气 开始解吸时刻对应的压力则被称之为“煤层气临界解吸压力”，一般用MPa表示。临 界解吸压力是评价煤
13、层气可采性的重要指标。 临界解吸压力及物理意义：临界解吸压力及物理意义： 煤层气产出机理煤层气产出机理 废 弃 压 力 临 界 解 吸 压 力 实 测 储 层 压 力 理论吸附量 实测气含量 残余气含量 临界产气压力（井底流压) 临储压力比为临界解吸 压力与储层压力之比， 临储压力比越大，表明 越易于排采。 临储压力比及物理意义：临储压力比及物理意义： 煤层气产出机理煤层气产出机理 废 弃 压 力 临 界 解 吸 压 力 实 测 储 层 压 力 理论吸附量 实测气含量 残余气含量 临界产气压力（井底流压) 在煤层气开采过程中 ，煤层气开始大量产 出时刻的井底流压则 被称之临界产气压力 。 临界
14、产气压力临界产气压力( (井底流压井底流压) ) 及物理意义：及物理意义： 煤层气产出机理煤层气产出机理 废 弃 压 力 临 界 解 吸 压 力 实 测 储 层 压 力 理论吸附量 实测气含量 残余气含量 临界产气压力（井底流压) * 中国石油大学（北京）煤层气研究中心中国石油大学（北京）煤层气研究中心24 压降漏斗与产出特征：压降漏斗与产出特征： 煤层气产出机理煤层气产出机理 井间干扰对煤层气生产是一项最有效的实现稳定高产的技术措施。井间干扰对煤层气生产是一项最有效的实现稳定高产的技术措施。而对常规天然气生而对常规天然气生 产却恰恰相反，井间干扰会导致常规天然气产量大幅度锐减。井间干扰促进煤
15、层气井稳定产却恰恰相反，井间干扰会导致常规天然气产量大幅度锐减。井间干扰促进煤层气井稳定 高产的原理在于，在储层条件下煤层气是呈吸附态存在的，煤层气产出需要通过排水高产的原理在于，在储层条件下煤层气是呈吸附态存在的，煤层气产出需要通过排水- -降降 压使其从煤的基质孔隙内表面解吸下来，因此井间干扰是造成有效降压的技术手段。压使其从煤的基质孔隙内表面解吸下来，因此井间干扰是造成有效降压的技术手段。 区域压力降、井间干扰与产气特征：区域压力降、井间干扰与产气特征： 煤层气产出机理煤层气产出机理 95年 1月，9口 95年 7月，7口，共16 口 95年12月，5口，共21口 96年5月，10口，共
16、31口 96年10月，10口，共41口 97年 1月，12口，共53口 井网排采有利于提高煤层气产量 拉顿盆地井网排采增 加煤层气产量的成功实例 区域压力降、井间干扰与产气特征：区域压力降、井间干扰与产气特征： 煤层气产出机理煤层气产出机理 排采过程中的产层伤害与保护排采过程中的产层伤害与保护 煤层气井排采过程中产层伤害的主要原因与伤害机理： 1. 排采过快带来的伤害 （应力敏感伤害、气锁水锁伤害、吐粉伤害等） 2. 修井作业带来的伤害 （外来物质伤害） 3. 关井带来的伤害 （煤粉堵塞伤害、气锁水锁伤害等） 排采过程中的产层伤害与保护排采过程中的产层伤害与保护 无因次渗透率与围压和有效压力的关系 排采过程中的产层伤害与保护排采过程中的产层伤害与保护 煤层气储集特征（吸附） 煤层气产出的先决条件是降压解吸 煤层气开采工艺煤层气开采工艺 排水降压解吸产气 煤层气井排采工艺煤层气井排采工艺 项目条件有杆泵电潜泵水力泵气举螺杆泵射流泵 排量 m3/d 正常范围11008070030600303005250103
