CN115270559B - 浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，包括：1）建立有限元数值计算分析模型，在模型中设置两个排气井；2）在井底处设置含水饱和度监测点，井口处设定流量边界，获取在井口流速下的淹井时间和剩余气藏厚度；3）分别获取在不同井口流速下以及不同井间距的淹井时间和剩余气藏厚度；4）得到不同井口排气速率下不同井间距与淹井时间的关系曲线、以及不同井口速率下不同井间距与剩余气藏厚度的关系曲线；5）选取同时满足同一井口排气速率下淹井时间极大值和剩余气藏厚度极小值时的井间距，作为最优井间距。本发明提供了一种客观合理以及可避免投资浪费的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法。

Description

浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法

技术领域

本发明属于岩土工程地质灾害防治技术领域，涉及一种排气井井间距确定方法，尤其涉及一种浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法。

背景技术

浅层气多分布于我国东南沿海、长江中下游沿江、沿海地区，在内陆湖泊也有一定分布。沉积环境多为湖相、河流相及海相(海-陆过渡相)沉积。随着我国工程建设的深入发展，城市轨道交通、海底管线、跨海大桥、过江隧道、钻井平台等建设项目中经常遭遇到含浅层气地质。由于浅层气的主要成分为CH₄，属易燃、易爆气体，埋深浅(一般10～50m)，且气压力高(0.1～0.5MPa)，容易诱发工程灾害，甚至酿成工程事故，造成重大经济损失。含浅层气地质灾害的防治已成为遭遇浅层气的工程建设中迫切需要解决的难题之一。

目前，布设超前排气井进行有控排气已成为针对浅层气地质灾害防治的共识性措施。有控排气即在富浅层气区布设超前排气井，井筒一般选择直径Φ100mm的钢制圆管或PVC圆管，在排气井井口安装水气分离器、压力表、减压阀以及流量计等配件，通过监测井口气压、控制气体瞬时流量的方法对浅层气进行人为有控制性的排放。对浅层气进行超前有控排气的目的是尽可能多的将有害气体排出、降低气压力，避免后期的工程建设中遭遇浅层气危害。但迄今为止，超前排气井的井间距设置无依据可依，工程实践中一般基于现场钻探孔的气体喷发剧烈程度，人为经验性设定排气井的间距和数量，如：超前排气井间距取15～20m，以气藏中心沿两侧呈“梅花形”布置。这种人为主观性设置方法带有很大的盲目性。对地铁等“线性工程”而言，常需要布设大量的超前排气井，从而导致工程投资大幅增加。如何客观科学地确定超前排气井的最优井间距，减少不必要的超前气井数量，避免投资浪费，是岩土工程地质灾害防治领域中尚待解决的问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种客观合理以及可避免投资浪费的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法包括以下步骤：

1)通过数值计算分析软件，针对抽象概化后的浅层气地质区域的地质模型建立有限元数值计算分析模型，在有限元数值计算分析模型中设置两个排气井，两个排气井竖直设置；依据现场地质勘察资料，设定有限元数值计算分析模型中各土层的初始土层参数；

2)在有限元数值计算分析模型的两个排气井的井底处设置含水饱和度监测点M，井口处设定流量边界q₁模拟不同的排气速率，基于多孔介质两相流原理和方程，进行不同排气时间下的气水运移模拟计算分析，直至淹井时刻计算结束，获取在井口流速q₁下的淹井时间T₁和剩余气藏厚度H₁；

3)改变井口流速以及两个排气井的井间距，分别获取在不同井口流速q_i下以及不同井间距Z_i的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i；

4)根据步骤3)所获取得到的数据，得到不同井口排气速率q_i下不同井间距Z_i与淹井时间T_i的关系曲线、以及不同井口速率q_i下不同井间距Z_i与剩余气藏厚度H_i的关系曲线；

5)选取同时满足同一井口排气速率下淹井时间T_max极大值和剩余气藏厚度H_min极小值时的井间距，作为最优井间距Z_mum。

作为优选，本发明所采用的步骤1)的具体实现方式是：通过数值计算分析软件，针对抽象概化后的浅层气地质区域的地质模型建立有限元数值计算分析模型，在有限元数值计算分析模型中设置两个排气井，两个排气井竖直设置；对有限元数值计算分析模型进行网格划分，在网格中设定相应的边界条件，构建双井数值计算分析模型；依据现场地质勘察资料，设定双井数值计算分析模型中各土层的初始土层参数。

作为优选，本发明所采用的步骤1)中，初始情况下，两个排气井之间的井间距Z₁＝5.0m。

作为优选，本发明所采用的步骤2)中是在双井数值计算分析模型的两个排气井的井底处设置含水饱和度监测点M。

作为优选，本发明所采用的淹井时间T_i是排气时刻起至井底监测点M处的含水饱和度为1.0时的总历时，所述淹井时间T_i反映了排气井的有效工作时长；所述剩余气藏厚度H_i是气藏内部含水饱和度S_w为85％时的底水水平界面到气藏顶面之间的垂直距离，所述剩余气藏厚度H_i反映了气体排出量多少和排气效果。

作为优选，本发明所采用的多孔介质两相流方程的表达式是：

其中：

所述K为土体绝对渗透率，μm²；

所述D为标高，m；

所述n为孔隙率；

所述ρ_w和ρ_a分别为水和气的密度，kg/m³；

所述B_w和B_a分别为水和气的体积系数，B_w＝ρ_w0/ρ_w，B_a＝ρ_a0/ρ_a，ρ_w0和ρ_a0为标准状态下(20℃，1标准大气压)的水和气的密度，kg/m³；

所述k_rw和k_ra分别为水和气的相对渗透系数；

所述μ_w和μ_a分别为水和气的粘滞系数，mPa·s；

所述u_w和u_a分别为孔隙水压力和孔隙气压力，kPa；

所述q_w和q_a分别为水和气的汇源强度，m³/m³■day。

作为优选，本发明所采用的步骤3)的具体实现方式是：

3.1)维系井口流速为q₁，依次扩大井间距，分别获得在q₁井口流速下，不同井间距Z_i下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i，其中，i≥4。

作为优选，本发明所采用的步骤3)在步骤3.1)之后还包括：

3.2)改变井口流速为q_i，重复步骤3.1)，分别获得在不同井口流速q_i下，不同井间距Z_i下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i，其中i≥4。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，包括：通过数值计算分析软件，针对抽象概化后的浅层气地质区域的地质模型建立有限元数值计算分析模型，在有限元数值计算分析模型中设置两个排气井，两个排气井竖直设置；依据现场地质勘察资料，设定有限元数值计算分析模型中各土层的初始土层参数；在有限元数值计算分析模型的两个排气井的井底处设置含水饱和度监测点M，井口处设定流量边界q₁模拟不同的排气速率，基于多孔介质两相流原理和方程，进行不同排气时间下的气水运移模拟计算分析，直至淹井时计算结束，获取在井口流速q₁下的淹井时间T₁和剩余气藏厚度H₁；改变井口流速以及两个排气井的井间距，分别获取在不同井口流速q_i下以及不同井间距Z_i的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i；根据前面所获取得到的数据，得到不同井口排气速率q_i下不同井间距Z_i与淹井时间T_i的关系曲线、以及不同井口速率q_i下不同井间距Z_i与剩余气藏厚度H_i的关系曲线；选取同时满足同一井口排气速率下淹井时间T_max极大值和剩余气藏厚度H_min极小值时的井间距，作为最优井间距Z_mum。本发明基于浅层气区的概化地质模型和有限元数值计算分析技术，开展不同井口排气速率下的气藏内部水气运移规律仿真试验，合理地确定工程超前排气井的最优井间距，为浅层气地质灾害防治中的超前排气井井间距设计提供客观合理的确定方法。

附图说明

图1是现场浅层气区域的概化地质模型；

图2是本发明所采用的有限元双井数值计算分析模型；

图3是含气层土体的水气两相相对渗透系数曲线；

图4是不同井口流速下监测点M处的含水饱和度变化；

图5是不同排气速率下淹井时刻气藏中的含水饱和度分布与剩余气藏厚度图(qi＝0.01cm/s)；

图6是不同井间距下淹井时刻含水饱和度分布与剩余气藏厚度图；

图7是不同井口速率下井间距Z与淹井时间T的关系曲线；

图8是不同井口速率下井间距Z与剩余气藏厚度H的关系曲线；

图9是井口不同流速下的最优井间距确定。

具体实施方式

本发明提供一种浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，具体为：

(1)根据杭州湾地区某场地的现场勘察资料，获取浅层气的气藏分布范围近100m、气藏赋存于③粉细砂层中，砂层厚度约10m，气藏压力为350kPa，静水头埋深接近地表，将该区域的地层从上至下抽象概化为四层，分别为①素填土层，约厚13.5m；②淤泥质粉质黏土层，约厚13.5m；③粉细砂层(含气层)，约厚10m；最下部未揭穿，④圆砾层，约厚5m。淤泥质粉质黏土层为生气层和盖层，孔渗性差；粉细砂层孔渗性好，有利于气体赋存，是浅层气的主要储集层。经过概化后，现场浅层气区域的地质模型如图1所示。

(2)对③粉细砂层(含气层)进行土体取样，通过室内常规土工试验，获取粉细砂土的相关参数如表1所示。

表1粉细砂土相关参数

(3)非饱和渗水系数可通过van-Genuchten和Mualem模型方程(1980)给出，非饱和渗气系数由Parker模型方程(1987)给出，即

k_a＝k_d(1-S_e)^1/2(1-S_e ^1/m)^2m (1-2)

其中：k_u为非饱和渗水系数，k_w为饱和土渗水系数，cm/s；S_e为有效饱和度，S_e＝(S_w－S_r)/(1－S_r)，S_w为含水饱和度，S_r为残余水饱和度。k_a为非饱和渗气系数，k_d为干土渗气系数，cm/s；m值对于砂土，一般取0.5。

在粉细砂层中的流体，水相以润湿相流体赋存于孔隙中，气相作为非润湿相流体流动，不考虑水的汽化和气体溶解、吸附，当流体全部填满砂土的孔隙时，水气两相饱和度满足如下关系：

S_a+S_w＝1 (1-3)

其中：S_a为含气饱和度；S_w为含水饱和度。

其中，式(1-1)和(1-2)即为粉细砂层(含气层土体)的水气两相相对渗透系数方程，式(1-1)为水相的相对渗透系数方程，式(1-2)为气相的相对渗透系数方程，由表1参数和式(1-1)和(1-2)可获得粉细砂层(含气层土体)水气相对渗透系数曲线，如图3所示。

(4)借助FLAC^2D通用商业软件，基于图1，建立经抽象概化后地质模型的有限元数值计算分析模型，并设置两个排气井(井间距Z₁＝5.0m)，气井深度取27.0m，直径Φ100mm，并根据现场地质勘察资料设置各土层的初始地层参数，见表2。

表2有限元模型的地层参数

表中：k_w为饱和渗水系数，μ为泊松比，γ为天然重度，γ_d为干重度，e₀为天然孔隙比，E_s为土体压缩模量，G_s为比重，c为有效凝聚力，为摩擦角。

对有限元数值计算分析模型进行网格划分，并设定相应的边界条件，建立如图2所示的双井数值计算分析模型。

(5)基于图1所示，在双井数值计算分析模型的井底处设置含水饱和度监测点M，两个排气井井口处设定流量边界q_i来模拟不同的排气速率。基于多孔介质两相达西渗流原理和两相流方程，方程如下式：

其中：K为土体绝对渗透率，μm²；D为标准高程；μ_w和μ_a分别为水和气的粘滞系数，mPa·s；u_w和u_a分别为孔隙水压力和孔隙气压力，MPa；q_w和q_a分别为水和气的汇源强度。

借助FLAC^2D通用商业软件的多孔介质两相流分析模块，进行不同排气时间下的气水运移模拟分析，直至淹井时计算结束。分别获得不同井口排气速率q_i(示例性的，本发明中的q_i的取值分别是0.01cm/s，0.03cm/s，0.05cm/s)下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i。淹井时间T_i的获取结果如图4所示。

不同井口排气速率下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i具体获取方式是：

按照步骤(4)重新构建有限元数值计算分析模型，依次扩大井间距至Z_i(示例性的，本发明中的Z_i取值分别是10m，15m，20m或25m)，设置井口排气速率q₁的取值是0.01cm/s，按照步骤(5)重新计算，获得在Z_i分别为10m、15m、20m和25m井间距下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i。如图5为数值计算获得的井口排气速率q₁＝0.01cm/s下，井间距分别为10m、15m、20m和25m淹井时刻含水饱和度分布与剩余气藏厚度图，由此可获得相应条件下的淹井时间和剩余气藏厚度数据。

改变井口流速为q_i(q_i分别为0.005cm/s，0.05cm/s，0.1cm/s)，重复前述步骤，依次获得在不同井口流速q_i下，不同井间距下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i。如图6为数值计算获得的不同排气速率(q_i分别为0.005cm/s，0.01cm/s，0.05cm/s，0.1cm/s)下淹井时刻气藏中的含水饱和度分布与剩余气藏厚度图，由此可获得相应条件下的淹井时间和剩余气藏厚度数据。

(6)将前面所获得的淹井时间和剩余气藏厚度数据绘制成图，可得到不同井口排气速率下井间距Z_i与其对应淹井时间T_i的关系曲线，以及不同井口速率下井间距Z_i与剩余气藏厚度H_i的关系曲线。如图7为计算得出的不同井口速率q_i下(q_i分别是0.005cm/s，0.01cm/s，0.05cm/s，0.1cm/s，)井间距Z与淹井时间T的关系图；由图可看出，淹井时间T随井间距Z变化均会出现峰值极大值。图8为计算得到的图8不同井口速率q_i下(q_i分别是0.005cm/s，0.01cm/s，0.05cm/s，0.1cm/s)井间距Z与剩余气藏厚度H关系图；由图8可看出，剩余气藏厚度H随井间距Z变化均会出现峰值极小值。

(7)将图7和图8放在一起，可以获得不同井口速率q_i下(q_i分别是0.005cm/s，0.01cm/s，0.05cm/s，0.1cm/s)同时满足淹井时间T_max极大值和剩余气藏厚度极小值H_min时的井间距，即最优井间距Z_mum确定为20m，从而达到高效排气，减少排气井设置数量、避免投资浪费的目的。如图9所示。

Claims (8)

1.一种浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法包括以下步骤：

1)通过数值计算分析软件，针对抽象概化后的浅层气地质区域的地质模型建立有限元数值计算分析模型，在有限元数值计算分析模型中设置两个排气井，两个排气井竖直设置；依据现场地质勘察资料，设定有限元数值计算分析模型中各土层的初始土层参数；

2)在有限元数值计算分析模型的两个排气井的井底处设置含水饱和度监测点M，井口处设定流量边界q₁模拟不同的排气速率，基于多孔介质两相流原理和方程，进行不同排气时间下的气水运移模拟计算分析，直至淹井时计算结束，获取在井口流速q₁下的淹井时间T₁和剩余气藏厚度H₁；

3)改变井口流速以及两个排气井的井间距，分别获取在不同井口流速q_i下以及不同井间距Z_i的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i；

4)根据步骤3)所获取得到的数据，得到不同井口排气速率q_i下不同井间距Z_i与淹井时间T_i的关系曲线、以及不同井口速率q_i下不同井间距Z_i与剩余气藏厚度H_i的关系曲线；

5)选取同时满足同一井口排气速率下淹井时间T_max极大值和剩余气藏厚度H_min极小值时的井间距，作为最优井间距Z_mum。

2.根据权利要求1所述的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：通过数值计算分析软件，针对抽象概化后的浅层气地质区域的地质模型建立有限元数值计算分析模型，在有限元数值计算分析模型中设置两个排气井，两个排气井竖直设置；对有限元数值计算分析模型进行网格划分，在网格中设定相应的边界条件，构建双井数值计算分析模型；依据现场地质勘察资料，设定双井数值计算分析模型中各土层的初始土层参数。

3.根据权利要求2所述的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述步骤1)中，初始情况下，两个排气井之间的井间距Z₁＝5.0m。

4.根据权利要求3所述的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述步骤2)中是在双井数值计算分析模型的两个排气井的井底处设置含水饱和度监测点M。

5.根据权利要求4所述的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述淹井时间T_i是排气时刻起至井底监测点M处的含水饱和度为1.0时的总历时，所述淹井时间T_i反映了排气井的有效工作时长；所述剩余气藏厚度H_i是气藏内部含水饱和度S_w为85％时的底水水平界面到气藏顶面之间的垂直距离，所述剩余气藏厚度H_i反映了气体排出量多少和排气效果。

6.根据权利要求5所述的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述多孔介质两相流方程的表达式是：

其中：

所述K为土体绝对渗透率，μm²；

所述D为标高，m；

所述n为孔隙率；

所述ρ_w和ρ_a分别为水和气的密度，kg/m³；

所述B_w和B_a分别为水和气的体积系数，B_w＝ρ_w0/ρ_w，B_a＝ρ_a0/ρ_a，ρ_w0和ρ_a0为标准状态下(20℃，1标准大气压)的水和气的密度，kg/m³；

所述k_rw和k_ra分别为水和气的相对渗透系数；

所述μ_w和μ_a分别为水和气的粘滞系数，mPa·s；

所述u_w和u_a分别为孔隙水压力和孔隙气压力，kPa；

所述q_w和q_a分别为水和气的汇源强度，m³/m³·day。

7.根据权利要求1-6任一项所述的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)维系井口流速为q₁，依次扩大井间距，分别获得在q₁井口流速下，不同井间距Z_i下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i，其中，i≥4。

8.根据权利要求7所述的浅层气地灾防治超前排气井的最优井间距确定方法，其特征在于：所述步骤3)在步骤3.1)之后还包括：

3.2)改变井口流速为q_i，重复步骤3.1)，分别获得在不同井口流速q_i下，不同井间距Z_i下的淹井时间T_i和剩余气藏厚度H_i，其中i≥4。