CN105205279B - 一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法，其特征在于，包括：根据煤层初始状态参数和煤层气排采模型计算所述煤层排采过程中的煤层实时状态参数，根据固体颗粒物状态变化将所述排采过程划分为4个排采控制阶段，根据所述煤层实时状态参数和所述煤层排采模型计算获得所述排采控制阶段的产水量边界；其中，所述排采控制阶段从排采开始依次包括第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段。本方法建立了煤层气井排水定量化方法，从而可以减少排采过程中煤储层的伤害，保持煤层气井的稳产。

Description

一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法

技术领域

本发明涉及煤层气排采控制领域，具体地，涉及一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法。

背景技术

煤层气产出过程是排水-降压-产气的过程，传统模式的煤层气排采控制依托煤层气运移动力学方程进行计算和判断。由于上述方法仅考虑了储层压力对基质孔隙度、渗透率的影响，忽略了固体颗粒物迁移对基质孔隙度、渗透率的影响。实际煤层气开采过程中固体颗粒物(煤粉、砂粒)的迁移不可避免，固体颗粒物的迁移必将导致孔隙率的变化，由于孔隙率与渗透率呈现三次方的关系，所以固体颗粒物的迁移状态对煤层气排采会产生重大的影响。现场排采经常凭经验通过控制产水量控制排采进程，无具体的量化的手段和方法指导生产，造成了控制的随意性，发生了煤层气井排采不当，造成停井现象。

目前的煤层气排采控制制度主要依托煤层气水气运移动力学方程进行模拟运算，得出其运移过程的整体表现。由于理论方程采用了较理想的条件，所以导致了理论与实际较大的偏差。由于理论与实际的偏差，现场工作人员尚无好的办法判定煤层气井的合理排采制度，只能采用经验判断的方式进行排采制度的控制。现阶段既无定量化理论也无手段对煤层气井生产中控制制度进行评估。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法。

根据本发明提供的一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法，包括：

根据煤层初始状态参数和煤层气排采模型计算所述煤层排采过程中的煤层实时状态参数；

根据固体颗粒物状态变化将所述排采过程划分为4个排采控制阶段，根据所述煤层实时状态参数和所述煤层排采模型计算获得所述排采控制阶段的产水量边界；

其中，所述排采控制阶段从排采开始依次包括第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段，

煤粉启动的临界状态下，对应为所述第一阶段与所述第二阶段的产水量边界：q₁＝2πr_ehv_l，

煤基质破坏从而开始煤粉脱落的临界状态下，对应为所述第二阶段与所述第三阶段的产水量边界：q₂＝2πr_ehv_t，

开始吐沙的临界状态下，对应为所述第三阶段与所述第四阶段的产水量边界：q₃＝2πr_ehv_s；

其中h为煤层厚度，r_e为等效供给半径，v_l为煤粉启动临界出水速度，v_t为煤粉脱落临界出水速度，v_s为吐沙临界出水速度。

作为一种优化方案，所述煤层初始状态参数包括：渗透率、储层压力、粘滞系数、煤粉颗粒半径、煤层厚度、井筒半径。

作为一种优化方案，所述煤粉启动的临界状态下的煤粉启动临界出水速度为：

式中v_l为煤粉启动临界出水速度，r_s为煤粉颗粒半径，k为渗透率，μ为粘滞系数。

作为一种优化方案，所述煤基质破坏从而开始煤粉脱落的临界状态下的煤粉脱落临界出水速度为：

v_t＝R²(F_G+F_A)cosθ/{9πμr_s′²A_s(H+1)[F₁(H)Rsin²θ+r′_s(H+1)F₂(H)cos²θ]}

式中v_t为煤粉脱落临界出水速度，r′_s为煤粉颗粒的等效半径；F_G为重力；A_s为常数，θ为水平方向力与径向轴方向夹角。

作为一种优化方案，开始吐沙的临界状态下的吐沙临界出水速度为：

其中，v_s为吐沙临界出水速度，A₁为颗粒截面，μ为粘滞系数。

作为一种优化方案，所述煤层气排采模型为：

其中，b_g为气体的体积系数，b_w为水的体积系数，K为水平方向平均渗透率，P为储层压力，μ_g为气体粘滞系数，μ_w为水粘滞系数，t为时间，q_g为产气量，q_w为产水量，

K_rw为水相的相对渗透率；P_w为初始水相的储层压力，单位兆帕；P_wf为煤层气井井底流压，单位兆帕；r_w为井筒半径，单位米；S为表皮系数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明融合固体颗粒物动态和煤层气运移动力学方程，建立一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采控制制度建立算法，建立起了一种在生产过程中评估煤层气排采控制合理性的算法。该方法的建立将改变现场排采工人凭经验随意控制煤层气井的现状。

本发明将煤层气运移动力学与固体颗粒物状态判断相结合，建立起了一种在生产过程中评估煤层气排采控制合理性的算法，依据结果选择建立适合在生产过程的煤层气井排采制度。

首先通过煤层气运移过程，模拟计算特定条件下的地下煤储层状态(气、水、煤结构等)，获得地下排采过程中的实时储层状态，依据储层实时状态变量，计算固体颗粒物状态，划定实时状态下的煤层气排采控制参数边界，为选择合适的煤层气排采控制参数建立排采控制制度提供支持。

本发明考虑了煤基质中颗粒物的迁移对煤层气运移过程的影响，依据其状态建立排采控制优化算法；

本发明是限定了实时排采控制参数范围，为排采工人分阶段排采提供参数指导，而不是仅凭经验的估算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是可选实施例中的一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法流程；

图2是另一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法流程；

图3是考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段划分。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明提供的一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法的实施例中，如图1所示，包括：

根据煤层初始状态参数和煤层气排采模型计算所述煤层排采过程中的煤层实时状态参数；

根据固体颗粒物状态变化将所述排采过程划分为4个排采控制阶段，根据所述煤层实时状态参数和所述煤层排采模型计算获得所述排采控制阶段的产水量边界；

其中，所述排采控制阶段从排采开始依次包括第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段，

煤粉启动的临界状态下，对应为所述第一阶段与所述第二阶段的产水量边界：q₁＝2πr_ehv_l，

煤基质破坏从而开始煤粉脱落的临界状态下，对应为所述第二阶段与所述第三阶段的产水量边界：q₂＝2πr_ehv_t，

开始吐沙的临界状态下，对应为所述第三阶段与所述第四阶段的产水量边界：q₃＝2πr_ehv_s；

其中h为煤层厚度，r_e为等效供给半径，v_l为煤粉启动临界出水速度，v_t为煤粉脱落临界出水速度，v_s为吐沙临界出水速度。

所述考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段的划分见图3。

本实施例如图2所示，主要由三个大的步骤构成：

1)由煤层裂隙系统中气、水两相渗流的基本微分方程实现煤储层在排采过程各阶段实时状态的确定；

2)利用裘皮公式实现井口气水产出状态的确定；

3)确定固体颗粒物迁移的临界状态下的出水情况，从而得到各排采阶段的边界条件。

煤储层状态的实时运算

裂隙系统中气、水两相渗流的基本微分方程(1)和(2)：

公式中b_g为气体的体积系数，b_w为水的体积系数，K为水平方向平均渗透率，单位毫达西，P为储层压力，单位兆帕，μ_g为气体粘滞系数，单位厘泊，t为时间，单位天，q_g为产气量，单位立方米，q_w为产水量，单位立方米。

裂隙系统中的气体是自由气体，基质微孔隙中的气体则主要是吸附气体。在基质中，只有靠近裂隙面的基质微孔隙中的气体，解吸作用足够快，与自由气体处于平衡状态；而远离裂隙的基质微孔隙中气体与裂隙中的自由气体处于非平衡状态。

井口气水产出状态计算

煤层气井的产水量和储层压降之间的关系前人已证明其满足裘皮公式，如下所示，

式中，h为产层厚度,单位米；K_rw为水相的相对渗透率；K为绝对渗透率,单位毫达西；P_w为初始水相的储层压力，单位兆帕；P_wf为煤层气井井底流压，单位兆帕；r_e为等效供给半径，单位米；r_w为井筒半径，单位米；S为表皮系数。

煤层气排采受到排水的影响，其产气量与产水量间存在函数关系如式(4)。因此探索产水量的变化对于煤层气的产出状态认识有重要意义。

上述公式(1)、(2)、(3)、(4)共同构成了本实施例中的所述煤层气排采模型。

基于固体颗粒迁移的临界状态下的煤层排采阶段划分

根据水流对固体物的作用原理，沙粒的刚刚产出即为煤层气排水上限，所述煤粉启动的临界状态下的煤粉启动临界出水速度为：

式中v_l为煤粉启动临界出水速度，r_s为煤粉颗粒半径，单位米，k为渗透率，单位毫达西，μ为粘滞系数，单位厘泊。则煤粉启动流速下，对应所述第一阶段与所述第二阶段的产水量边界为式(6)

q₁＝2πr_ehv_l (6)

式(6)中h为煤层厚度，单位米；q₁为产水量，单位立方米；r_e为井筒半径。

如果持续保持增大产水量，必然导致煤基质的破坏，产生新的煤粉。所述煤基质破坏从而开始煤粉脱落的临界状态下的煤粉脱落临界出水速度为：

v_t＝R²(F_G+F_A)cosθ/{9πμr′_s ²A_s(H+1)[F₁(H)Rsinn²θ+r′_s(H+1)F₂(H)cos²θ]} (7)

式中v_t为煤粉脱落临界出水速度，r′_s为煤粉颗粒的等效半径；F_G为重力；A_s为常数，θ为水平方向力与径向轴方向夹角。

则该出水速度v_t下，对应所述第二阶段与所述第三阶段的产水量边界为式(8)

q₂＝2πr_ehv_t (8)

式(8)中h为煤层厚度，单位米；q₂为产水量，单位立方米；r_e为等效供给半径。

当流速增多到吐沙，开始吐沙的临界状态下的吐沙临界出水速度为：

式(9)中，v_s为吐沙临界出水速度，A₁为颗粒截面，μ为粘滞系数。

则该速度v_s下，对应所述第三阶段与所述第四阶段的产水量边界为(10)

q₃＝2πr_ehv_s (10)

式(10)中h-煤层厚度，单位米；q₂-产水量，单位立方米；井筒半径。

依据煤层气排采控制中水流速的大小，将排采控制划分四个阶段，即第一阶段A、第二阶段B、第三阶段C、第四阶段D阶段，四个阶段的产水量边界如(11)式所示。依据本实施例划分的排采阶段安排煤层气排采的进程，适当选择排采控制阶段和参数。

该四阶段划分方法，与传统煤层气排采阶段(饱和单相流、非饱和单相流、气水两相流阶段)依据原理不同，传统排采阶段侧重煤层气产出过程原理的解释，不能提供排采过程中水的定量控制评估，不能定量指导生产。本划分方法建立了煤层气井排水定量化方法，从而可以减少排采过程中煤储层的伤害，保持煤层气井的稳产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法，其特征在于，包括：

根据煤层初始状态参数和煤层气排采模型计算所述煤层排采过程中的煤层实时状态参数，

通过煤层气运移过程，模拟计算特定条件下的地下煤储层状态，获得地下排采过程中的实时储层状态，依据储层实时状态变量，计算固体颗粒物状态，根据固体颗粒物状态变化将所述排采过程划分为4个排采控制阶段，

根据所述煤层实时状态参数和所述煤层排采模型计算获得所述排采控制阶段的产水量边界；

其中，所述排采控制阶段从排采开始依次包括第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段，

煤粉启动的临界状态下，对应为所述第一阶段与所述第二阶段的产水量边界q₁：q₁＝2πr_ehv_l，

煤基质破坏从而开始煤粉脱落的临界状态下，对应为所述第二阶段与所述第三阶段的产水量边界q₂：q₂＝2πr_ehv_t，

开始吐沙的临界状态下，对应为所述第三阶段与所述第四阶段的产水量边界q₃：q₃＝2πr_ehv_s；

其中h为煤层厚度，r_e为等效供给半径，v_l为煤粉启动临界出水速度，v_t为煤粉脱落临界出水速度，v_s为吐沙临界出水速度；

所述煤层气排采模型为：

其中，b_g为气体的体积系数，b_w为水的体积系数，K为水平方向平均渗透率，P为储层压力，μ_g为气体粘滞系数，μ_w为水粘滞系数，t为时间，q_g为产气量，q_w为产水量，

K_rw为水相的相对渗透率；P_w为初始水相的储层压力，单位兆帕；P_wf为煤层气井井底流压，单位兆帕；r_w为井筒半径，单位米；S为表皮系数。

2.根据权利要求1所述的一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法，其特征在于，所述煤层初始状态参数包括：渗透率、储层压力、粘滞系数、煤粉颗粒半径、煤层厚度、井筒半径。

3.根据权利要求1所述的一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法，其特征在于，所述煤粉启动的临界状态下的煤粉启动临界出水速度为：

式中v_l为煤粉启动临界出水速度，r_s为煤粉颗粒半径，k为渗透率，μ为粘滞系数。

4.根据权利要求1所述的一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法，其特征在于，所述煤基质破坏从而开始煤粉脱落的临界状态下的煤粉脱落临界出水速度为：

式中v_t为煤粉脱落临界出水速度，r_s为煤粉颗粒的等效半径；F_G为重力；A_s为常数，θ为水平方向力与径向轴方向夹角，μ为粘滞系数。

5.根据权利要求1所述的一种考虑固体颗粒迁移的煤层气排采阶段评估方法，其特征在于，开始吐沙的临界状态下的吐沙临界出水速度为：

其中，v_s为吐沙临界出水速度，A₁为颗粒截面，μ为粘滞系数。