CN110805438A - 一种确定煤层气临界解吸压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定煤层气临界解吸压力的方法，包括：收集、测试煤层气临界解吸压力计算的基本参数和煤层气井的原始地层数据；考虑煤层中液相水的影响，利用Gibbs自由能理论及储层孔喉分布曲线计算并绘制煤层气等温吸附解吸曲线；根据所述煤层气等温吸附解吸曲线获取煤层含气量对应的临界解吸压力，然后用计算得到的基质孔隙到割理毛管压降和/或割理到压裂裂缝达西流动压降来修正获得的解吸压力。本发明引入了储层中液相水对计算结果影响以及解吸产气与井底见气之间产生的额外压降消耗，解决了目前常用的临界解吸压力的确定方法所获得的数值与实际现场存在较大差异的问题。

Description

一种确定煤层气临界解吸压力的方法

技术领域

本发明涉及气藏工程领域，具体涉及一种确定煤层气临界解吸压力的方法。

背景技术

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源。煤层气燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气井临界解吸压力的确定是煤层气开采中最为重要的环节。煤层气临界解吸压力原则上是指解吸与吸附达到平衡时对应的压力，即压力降低使吸附在煤微孔隙表面上的气体开始解吸时的压力。对于不饱和煤层气藏，只有在煤储层压力下降到临界解吸压力之后，吸附在煤基质中的煤层气才能够解吸出来。

目前获得临界解吸压力的方法主要包括利用等温吸附曲线的图版法，和通过统计现场实际生产井见气时的井底压力的直接法。图版法可以简便的获得临界解吸压力的具体数值，但从机理上说存在两个主要问题：一是针对等温吸附解吸曲线而言，曲线的测定未考虑实际储层中水的影响造成误差；二是针对解吸曲线与储层含气量的耦合方式上，没有考虑纳米孔隙解吸产气与井底见气之间由于扩散、渗流产生的额外压降消耗。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种确定煤层气临界解吸压力的方法，以便解决或者至少部分解决上述存在的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种确定煤层气临界解吸压力的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、收集或测试煤层气临界解吸压力计算的基本参数和煤层气井的原始地层数据；

步骤2、考虑煤层中液相水的影响，利用Gibbs自由能理论及储层孔喉分布曲线计算并绘制煤层气等温吸附解吸曲线；

步骤3、根据所述煤层气等温吸附解吸曲线获取煤层含气量对应的临界解吸压力。

进一步的，本方法所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤201、假设解吸气体不影响压力和气体体积，通过如下公式式计算解吸气体的量；

V＝α(V_max-V_L(p))+(1-α)(V_max-V(p)) (1)

式(1)中：V_L(p)为压力为p时的Langmuir吸附量，V_max为最大Langmuir 吸附量，V(p)为压力为p时的固液界面吸附量，α为气相孔隙所占总煤岩孔隙的体积；

α的计算公式为：

式(2)中：S_w为含水饱和度，r为平均孔喉半径，r_c为参与渗流的最小孔隙直径，f(r)为煤岩孔喉分布曲线；

步骤202、比较上述气体体积V与气体在孔隙中最大储存体积大小，取较小的气体体积作为新的气体体积V_d：

式(3)中：r为平均孔喉半径，V₀为初始条件下充满气相的空隙体积， f(r)为煤岩孔喉分布曲线，r_p为压力为p时由于气水毛管力导致所能发生驱替流动的最小毛管半径；

r_p的计算公式为：

r_p＝2σ/p (4)

式(4)中：σ为甲烷与地层水间的表面张力，p为气相压力；

步骤203、利用所述新的气体体积V_d通过如下公式计算新的气相压：

式(5)中，p₀为初始计算条件下的压力，V₀为初始条件下充满气相的孔隙体积；

V₀的计算公式为：

步骤204、用所述新的气体体积V_d和所述新的对应压力通过如下公式计算新的解吸气体体积：

式(7)中，α为气相孔隙所占总煤岩孔隙的体积，f(r)为煤岩孔喉分布曲线，r为平均孔喉半径，r_c为参与渗流的最小孔隙直径，V_max为最大Langmuir 吸附量，V_L(p)为压力为p时的Langmuir吸附量，V(p)为压力为p时的固液界面吸附量；

步骤205、重复步骤202～步骤204直至计算结果稳定，最终计算结果为考虑液相水影响下的煤层气等温解吸量；

步骤206、分别对不同压力下的Langmuir吸附量进行计算，获得该压力下所对应的煤层气等温解吸量，并绘制曲线。

进一步的，所述煤岩孔喉分布曲线f(r)通过如下任一种或几种方式获得：利用压汞实验测定、利用液氮吸附实验测定、利用分形理论获得。

进一步的，所述参与渗流的最小孔隙直径r_c由努森数确定。

进一步的，所述方法还包括对所述煤层气等温吸附解吸曲线进行修正的步骤，所述修正考虑解吸气体从基质孔隙到割理毛管产生的压降，和/ 或，考虑解吸气体从割理到压裂裂缝达西流动产生的压降。

进一步的，所述解吸气体从基质孔隙到割理毛管产生的压降ΔP_r由如下公式计算：

式(8)中，σ为甲烷与地层水间的表面张力，r为平均孔喉半径。

进一步的，所述平均孔喉半径r由储层孔喉分布测试结果确定。

进一步的，所述解吸气体从割理到压裂裂缝达西流动产生的压降ΔP_d利用达西渗流方程计算得到：

式(9)中，Q为气体产量，μ为流体黏度，L为割理平均长度，k为割理相渗，A为割理平均横截面积。

本发明的有益效果是：

本发明引入了储层中液相水对计算结果影响以及解吸产气与井底见气之间产生的额外压降消耗，解决了目前常用的临界解吸压力的确定方法所获得的数值与实际现场存在较大差异的问题。该方法在计算临界解吸压力，进而评价煤储层特征，优化开发方案具有重要意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为考虑不同含水修正后的等温吸附解吸曲线图版。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的技术构思包括：根据煤储层中甲烷产出的过程可分为三个阶段：甲烷气从基质中解吸阶段、基质孔隙向割理窜流阶段、割理向压裂裂缝/井筒达西渗流阶段；根据第一阶段确定考虑水影响下的解吸曲线，然后分别考虑第二和第三阶段的压降后确定修正后的解吸压力。

本发明实施例公开一种确定煤层气井临界解吸压力的方法，包括以下步骤：

步骤1、收集、测试煤层气临界解吸压力计算的基本参数和煤层气井的原始地层数据；煤层气井的原始地层数据包括：平均孔喉半径r、煤岩孔喉分布曲线f(r)、参与渗流的最小空隙半径r_c、气体产量Q和割理平均横截面积A。

步骤2、考虑煤层中液相水的影响，利用Gibbs自由能理论及储层孔喉分布曲线计算并绘制煤层气等温吸附解吸曲线；气体进行解吸时，气体分子要达到一定的活跃度，由于Gibbs自由能，就需要额外的能量给系统做功，来使气体分子活跃度提高，进而使气体达到解吸的状态。

步骤3、根据所述煤层气等温吸附解吸曲线获取煤层含气量对应的临界解吸压力。

由于在煤储层中含有液相水，则应该基于固液系统吸附特征去研究，溶解态甲烷在转化为自由态甲烷的过程中必须经历气体分子成核的阶段，该阶段需要消耗额外的能量，固液系统下的气体解吸除了需要Gibbs自由能还需要额外的气体分子成核的能量。在甲烷气从基质中解吸的阶段，考虑到煤储层含水对解吸的影响，利用Gibbs自由能理论及储层孔喉分布曲线建立不同含水对储层解吸的影响关系方程，认为该阶段储层含水为主要的影响因素。

进一步的，步骤2具体包括如下步骤：

步骤201、假设解吸气体不影响压力和气体体积，通过如下公式计算解吸气体的量：

V＝α(V_max-V_L(p))+(1-α)(V_max-V(p)) (1)

式(1)中：V_L(p)为压力为p时的Langmuir吸附量，V_max为最大Langmuir 吸附量，V(p)为压力为p时的固-液界面吸附量，α为气相孔隙所占总煤岩孔隙的体积；

α的计算公式为：

式(2)中：S_w为含水饱和度，r为平均孔喉半径，r_c为参与渗流的最小孔隙直径，f(r)为煤岩孔喉分布曲线；

步骤202、比较上述气体体积V与气体在孔隙中最大储存体积大小，取较小的气体体积作为新的气体体积V_d：

式(3)中：r为平均孔喉半径，V₀为初始条件下充满气相的空隙体积， f(r)为煤岩孔喉分布曲线，r_p为压力为p时由于气水毛管力导致所能发生驱替流动的最小毛管半径；

r_p的计算公式为：

r_p＝2σ/p (4)

式(4)中：σ为甲烷与地层水间的表面张力，p为气相压力；

步骤203、利用所述新的气体体积V_d通过如下公式计算新的气相压：

式(5)中，p₀为初始计算条件下的压力，V₀为初始条件下充满气相的孔隙体积；

V₀的计算公式为：

步骤204、用所述新的气体体积V_d和所述新的对应压力通过如下公式计算新的解吸气体体积：

式(7)中，α为气相孔隙所占总煤岩孔隙的体积，f(r)为煤岩孔喉分布曲线，r为平均孔喉半径，r_c为参与渗流的最小孔隙直径，V_max为最大Langmuir 吸附量，V_L(p)为压力为p时的Langmuir吸附量，V(p)为压力为p时的固-液界面吸附量；

步骤205、重复步骤202～步骤204直至计算结果稳定，最终计算结果为考虑液相水影响下的煤层气等温解吸量；

步骤206、分别对不同压力下的Langmuir吸附量进行计算，获得该压力下所对应的煤层气等温解吸量，并绘制曲线。

其中，煤岩孔喉分布曲线f(r)通过如下任一种或几种方式获得：利用压汞实验测定、利用液氮吸附实验测定、利用分形理论获得。

本实施例中，参与渗流的最小孔隙直径r_c由努森数确定。

在一个优选的实施例中，本方法还包括对煤层气等温吸附解吸曲线进行修正的步骤，修正考虑解吸气体从基质孔隙到割理毛管产生的压降，和 /或，考虑解吸气体从割理到压裂裂缝达西流动产生的压降。修正的具体方式是通过从等温吸附解吸曲线上获得地层含气量对应的解吸压力加上基质孔隙到割理毛管压降和/或割理到压裂裂缝达西流动压降得到修正后的临界解吸压力。在基质孔隙向割理窜流阶段，考虑到基质孔隙较小的孔喉半径，气相运移时势必存在由于毛管力造成的压降损耗，因此该阶段储层本身性质中的孔喉半径大小，或储层热成熟度为主要影响因素。在割理向压裂裂缝/ 井筒达西渗流阶段，考虑到割理较高的渗透率和较大的孔喉尺度，可采用达西渗流方程近似描述该阶段的流动规律，此处压降可由达西公式进行计算。根据达西公式，一定产量下，压降损耗与渗流距离及渗透率有关，因此该阶段储层中割理和人工裂缝的尺度及渗流能力为主要的影响因素。

在本实施例中，解吸气体从基质孔隙到割理毛管产生的压降ΔP_r由如下公式计算：

式(8)中，σ为甲烷与地层水间的表面张力，r为平均孔喉半径。

其中，平均孔喉半径r由储层孔喉分布测试结果确定。

在本实施例中，解吸气体从割理到压裂裂缝达西流动产生的压降ΔP_d利用达西渗流方程计算得到：

式(9)中，Q为气体产量，μ为流体黏度，L为割理平均长度，k为割理相渗，A为割理平均横截面积。

综上，本发明公开的一种确定煤层气井临界解吸压力的方法，包括以下步骤：首先，收集、测试煤层气临界解吸压力计算的基本参数和煤层气井的原始地层数据；然后，考虑煤层中液相水的影响，利用Gibbs自由能理论及储层孔喉分布曲线计算并绘制煤层气等温吸附解吸曲线；最后，根据所述煤层气等温吸附解吸曲线获取煤层含气量对应的临界解吸压力。用计算的到的基质孔隙到割理毛管压降和/或割理到压裂裂缝达西流动压降来修正获得的解吸压力。本发明引入了储层中液相水对计算结果影响以及解吸产气与井底见气之间产生的额外压降消耗，解决了目前常用的临界解吸压力的确定方法所获得的数值与实际现场存在较大差异的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种确定煤层气临界解吸压力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、收集或测试煤层气临界解吸压力计算的基本参数和煤层气井的原始地层数据；

步骤2、考虑煤层中液相水的影响，利用Gibbs自由能理论及储层孔喉分布曲线计算并绘制煤层气等温吸附解吸曲线；

步骤3、根据所述煤层气等温吸附解吸曲线获取煤层含气量对应的临界解吸压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤201、假设解吸气体不影响压力和气体体积，通过如下公式计算解吸气体的量：

V＝α(V_max-V_L(p))+(1-α)(V_max-V(p)) (1)

式(1)中：V_L(p)为压力为p时的Langmuir吸附量，V_max为最大Langmuir吸附量，V(p)为压力为p时的固液界面吸附量，α为气相孔隙所占总煤岩孔隙的体积；

α的计算公式为：

式(2)中：S_w为含水饱和度，r为平均孔喉半径，r_c为参与渗流的最小孔隙直径，f(r)为煤岩孔喉分布曲线；

步骤202、比较上述气体体积V与气体在孔隙中最大储存体积大小，取较小的气体体积作为新的气体体积V_d：

式(3)中：r为平均孔喉半径，V₀为初始条件下充满气相的空隙体积，f(r)为煤岩孔喉分布曲线，r_p为压力为p时由于气水毛管力导致所能发生驱替流动的最小毛管半径；

r_p的计算公式为：

r_p＝2σ/p (4)

式(4)中：σ为甲烷与地层水间的表面张力，p为气相压力；

步骤203、利用所述新的气体体积V_d通过如下公式计算新的气相压：

式(5)中，p₀为初始计算条件下的压力，V₀为初始条件下充满气相的孔隙体积；

V₀的计算公式为：

步骤204、用所述新的气体体积V_d和所述新的对应压力通过如下公式计算新的解吸气体体积：

式(7)中，α为气相孔隙所占总煤岩孔隙的体积，f(r)为煤岩孔喉分布曲线，r为平均孔喉半径，r_c为参与渗流的最小孔隙直径，V_max为最大Langmuir吸附量，V_L(p)为压力为p时的Langmuir吸附量，V(p)为压力为p时的固液界面吸附量；

步骤205、重复步骤202～步骤204直至计算结果稳定，最终计算结果为考虑液相水影响下的煤层气等温解吸量；

步骤206、分别对不同压力下的Langmuir吸附量进行计算，获得该压力下所对应的煤层气等温解吸量，并绘制曲线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述煤岩孔喉分布曲线f(r)通过如下任一种或几种方式获得：利用压汞实验测定、利用液氮吸附实验测定、利用分形理论获得。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述参与渗流的最小孔隙直径r_c由努森数确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述煤层气等温吸附解吸曲线进行修正的步骤，所述修正考虑解吸气体从基质孔隙到割理毛管产生的压降，和/或，考虑解吸气体从割理到压裂裂缝达西流动产生的压降。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述解吸气体从基质孔隙到割理毛管产生的压降ΔP_r由如下公式计算：

式(8)中，σ为甲烷与地层水间的表面张力，r为平均孔喉半径。

7.根据权利要求2或6所述的方法，其特征在于，所述平均孔喉半径r由储层孔喉分布测试结果确定。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述解吸气体从割理到压裂裂缝达西流动产生的压降ΔP_d利用达西渗流方程计算得到：

式(9)中，Q为气体产量，μ为流体黏度，L为割理平均长度，k为割理相渗，A为割理平均横截面积。