煤层气与天然气区别

第23卷　第5期　　　　　　　　　Vol.23　No.5西南石油学院学报　　　　　　　　　　2001年　10月　　　　　　　JournalofSouthwestPetroleumInstitute　　　　　　　　　Oct　2001　

　　文章编号:1000-2634(2001)05-0029-04

煤层气藏与常规天然气藏地质及开采特征比较

任冬梅1,张烈辉1,陈军1,张明2

(1.西南石油学院石油工程学院,四川南充637001;2.华北油田公司,内蒙古锡林浩特)

Ξ

摘要:煤层气是一种与煤岩同生共体以甲烷为主要成分、主要以吸附状态赋存在沉积盆地煤层之中的可燃气体,也就是煤矿生产中有名的瓦斯气。煤层气藏作为一种非常规气藏,从地质成因与特征、储集与开采特征以及储量评价等多个方面,与常规气藏有着不同之处,因此对两种类型的气藏进行详细的比较与总结十分必要,同时也为煤层甲烷气开发与开采中的各项研究如煤层气藏工程、煤层气井试井、完井、煤层气藏模拟等奠定了基础。关键词:煤层气藏;特性;对比;成因;开采;储量评价中图分类号:TE122.33　　　　　　　　　文献标识码:A

引　言

我国是世界上煤炭资源量最丰富的国家之一,,,我,实践证明在我国应用煤层气接替常规天然气具有现实性和可行性。

为在我国大规模高效开发煤层气田,必须建立一套适合于我国煤层气藏特点的开采理论及工艺体系。然而与常规天然气储层不同,煤层是典型的双重介质,煤是有很强吸附能力的大分子结构,煤层的孔隙和割理都很发育。这类气藏的开发与常规气藏的开发有较大区别,为使我们能更清楚地认识气体在煤层中储集与运移规律,合理科学地开发煤层气藏,针对煤层气藏与常规气藏的不同之处进行研究与总结有着重要意义。

水充填与孔隙和微裂缝中,。与

。它一,。岩石成分及组成

煤层气与常规天然气具有不同岩石成分。常规天然气的岩石成分是矿物质,而煤是由有机残渣经过化学蚀变和热蚀变所形成的富碳物质,煤层气作为煤的一种副产物,主要是通过生物降解作用和热解作用形成的。煤层气的主要成分是甲烷,还含有少量重烃、CO2、N2和He等,其热值比常规天然气的要低。113　储层特征

对于常规储层,仅仅是天然气的储集层。而煤层不仅是煤层气的源岩,也是煤层气的储集层。这一特性主要表现在4个方面。

(1)孔隙系统。煤的孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙,是一种双重孔隙系统。其特征为:煤基质被天然裂隙网分成许多方块(基质块体)。基质是主要的储气空间,裂隙是主要的渗流通道。裂隙孔隙主要包括独特的割理系统和其它天然裂隙,后者与割理系统相比,受局部构造等因素控制,重要性小得多。煤层割理主要是由煤化作用过程中的煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙。根据在层面上的形态和特征,可以将割理分为面割理与端割理。面

1　地质成因与特征上的差异

111　地质成因

煤层气藏属于流体圈闭气藏,可分为水压圈闭和气压圈闭气藏。水压圈闭分布在单斜和向斜部位,位于水动力保存的区带。气体吸附于煤基质中,

Ξ收稿日期:2001-02-12

基金项目:

“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室开放基金项目资助(PLN0111)。作者简介:任冬梅(1977-),女(满族),黑龙江人,在读硕士,油气田开发专业。

割理一般呈板状延伸,连续性好,形成煤层中的主要

割理。端割理只发育于两条面割理之间,一般连续性差,缝壁不规则,形成煤层中的次要割理。两组割理与层理面正交或陡角相交,从而把煤体分割成一个个长斜方形的基质块体。常规储层与煤层的孔隙结构差异详见图1

。

图1　常规储层与煤层孔隙结构

(2)孔隙度。与一般岩石孔隙结构不同的是,

2211　煤层的孔隙大都是煤层本身整体结构的一部分,在煤层的微孔中常填充不同的物质,相比,,一般仅为1%～5%;2%。同时煤岩孔隙体积压缩率一般比砂岩大1～2数量级,使得煤岩孔隙度随压力的变化比砂岩更明显。随上覆地层压力增加,煤层的孔隙度急剧减小。

(3)渗透率。煤层的基质孔隙渗透率极低,因此煤层渗透率主要指煤层割理渗透率。其原始渗透

μm2,煤层渗透率伴随埋藏深率一般小于10×10-3

度的增加而降低。煤储层的渗透性具有强烈的非均质性,因为煤层中渗透率在很大程度上受裂隙控制,在裂隙发育且延伸较长的方向,煤往往具有较高的渗透率,这一方向的渗透率要比垂直方向高出几倍甚至一个数量级。由于面割理的连通性、密度等大于端割理,因而其渗透率也大于端割理。通常面割理方向渗透率是其它方向的3～10倍,与端割理渗透率之比可以高达17/1。

(4)相对渗透率。煤层流体的相对渗透率一般由历史拟合的方法求取。由于煤层大部分孔隙空间是半径小于0.02μm的孔隙,比常规砂岩具有更高的毛细管压力。煤层的毛细管压力使煤层具有高束缚水饱和度,同时也使水的相对渗透率急剧下降。由于水的饱和度总是保持在较高的水平,所以其相对渗透率也处于较低的水平。即使煤层的绝对渗透率较高,其性质也只是和致密储层相当。

烷不是以简单的游离状态储集于煤岩的孔隙中。煤层气以三种状态赋存于煤层中:游离状态、吸附状态和溶解状态。在一定压力与温度下,这三种状态的气体处于同一的动态平衡体系之中。其中90%以上均是以吸附状态保存在基质的孔隙表面上,少量

的煤层气是以游离状态存于煤岩的割理、裂缝和孔隙中,还有部分煤层气是以溶解状态储存于煤层水中。

天然气在煤层中的储集依赖于吸附作用,而不依赖于是否有油气储集的圈闭存在,这与常规砂岩中天然气的储集有着本质区别。煤层的吸附可用等温吸附曲线来表示。

煤层甲烷由于分子力的作用而吸附于煤体的孔隙表面,形成煤层甲烷薄膜。由于煤的内表面积非常大,一般为10%～40%m3/g,而且甲烷分子可以以大分子层紧密地排列,因此煤层可以容纳大量的甲烷,比同一体积的常规气藏储层的储气量高2～3倍。212　流动机理

煤化作用在煤层裂缝系统中所产生的水提供了煤层初始储层压力,因此在开采初期一般要进行“脱水”处理。水的采出使煤层压力降低。当煤层压力降低到一定程度时,煤中被吸附的气体开始从微孔隙表面分离,即解吸。煤层气解吸后,由于解吸面附

近甲烷浓度较高,而割理系统中的浓度较低,所以煤层气会在浓度梯度的驱动下向割理系统扩散,在裂缝系统中与水形成两相流,在经裂缝网络流向井筒。煤层气的运移示意见图2

。

图2　煤层气的运移

　　煤层甲烷与常规天然气的产出不同,煤层甲烷

的产出受渗透率和扩散(或解吸作用)的控制,而在某一特定时间内渗透率和扩散都是限制性因素。开始产气量受渗透率制约,当到一定时间之后,即当浓度梯度降低到使解吸速率小于裂缝流动能力时,扩散便成为制约因素,需提高扩散的作用。

研究资料表明,要是遵循Fick)[rD(]=r5rrt

其中:D为扩散系数,指单位面积、单位浓度梯度下气体的扩散速率;r为割理间距;C为基质中的气体浓度。

气和水在裂缝系统中的流动可用达西定律描述。

一旦煤层甲烷流入井筒,井中煤层甲烷产出情况可分为三个阶段。随着井筒附近压力下降,首先只有水产出,因为这时压力下降比较少,井附近只有单相流;当储层压力进一步下降,井筒附近开始进入第二阶段,这时,有一定数量的甲烷从煤表面解吸,开始形成气泡,阻碍水的流动,水的相对渗透率下降,但气不能流动,无论在基岩孔隙中还是在割理中,气泡都是孤立的没有相互连接。这一阶段叫做非饱和单相流阶段。虽然出现气、水两相,但只有水相是可动的;储层压力进一步下降,有更多的气解吸出来,则井筒附近进入第三阶段。水中含气已达到饱和,气泡相互连接形成连续的流线,气的相对渗透率大于零。随着压力下降饱和度降低,在水的相对渗透率不断下降的条件下气的相对渗透率逐渐上升,气产量逐渐增加,如图3所示。

213　开采过程

大多数煤层气藏初始含水量很高,

储层压力为

水压力,。因此,煤层气的,。当地层,气体开始解吸并,,,一般经过三至五,在达到最高产量稳产一段时间后,产量平稳下降,这时的产量曲线与常规气藏的产量曲线相似。煤层气井的生产时间可以持续10年到20

年,最多可达30年。但对于常规砂岩气井而言,煤层气井的产气量一般比较低。

图3　煤层甲烷产出的三个阶段

煤层气在排水阶段主要取决于煤层的地解比

(地层压力与临界解吸压力之比)和地层的渗透率。地解比较大,所需的压降就较大,所要排的水量较多,地解比较小时,地层压力与临界压力值接近,排

水量比较少。渗透率影响排水速度,渗透率较大时,

排水速度较快,压降漏斗在储层内传播较远,煤井的控制面积也较大。

由于煤层气的生产动态受煤层的吸附特性和扩散作用控制,其动态规律比常规砂岩气井的要复杂得多。在气产量上升和稳定阶段,其产量随时间的变化规律也与常规气井的不同,很难用一个简单的动态模型说明其生产动态过程,一般需要使用在常规黑油裂缝模型上改进的煤层气藏模型。

当煤井进入递减阶段,地层中的水接近束缚水饱和度,产水量很少,可以看成是一口产少量水的干气井。从而一些常规气井的分析方法可以用于计算煤层气井的产气量。

储层则一般都需要压裂,使得原有裂缝变宽,其处理压力较高,压裂液滤失量也较大。314　井间干扰

在常规砂岩气藏中,井间干扰表现为通过邻井注气,保持地层压力以达到稳产。而煤层气藏的井间干扰主要表现为通过邻井排水加速压力均衡下降,产出更多的气。

另外,泥浆和水泥对煤储层的伤害要比常规储层严重得多,应尽力避免。

4　结　论

煤层气藏与常规气藏有许多不同之处,对上述比较总结可以得出以下认识:

(1)地质特征差异较大闭气藏,,且为双重孔、完(2)储层特征参数较低。渗透率、孔隙度等与常规颀长相比很低,参数煤储层的储气能力小,这对煤储层的开采方式以及在气藏工程研究提供了更多的理论依据。

(3)煤层气具有特殊的运移机理。煤层气主要以吸附方式存储于煤层;以扩散形式进入微裂缝;在自然裂缝中流动遵循达西定律。这为煤层气藏的数值模拟进一步研究奠定了基础。

因此,在以后的勘探开发中需要不断的改进和开发新技术,以使煤层开采获得更好的效益。

3　其它方面的差异

311　储量评价

煤层气储量是煤层气藏勘探开发的基础,存储于煤中,于煤层气藏的储量计算。煤层气和煤资源的估计直接与净煤厚度、含气量、煤密度、和灰分量有关,而与煤阶、结构、水文和地形有间接关系。储量计算可采用下面的Scott公式

ρOGIP=(h×A×Fc)×c×Vm×C

其中:OGIP为原始地质储量;Vm为无烟煤含气量;ρc为无灰分煤密度;

ρ×Fc为校正系数,Fc=

ρfc×a+fρac其中:fc为无灰煤的质量分数;fa为灰分的质

量分数;ρa为灰分密度;ρc为无灰分煤密度。312　生产曲线

参考文献:

[1]　张彦平译.国外煤层甲烷气开发技术译文集[M].北

京:石油工业出版社,1996.

[2]　李明潮编.煤层气及其勘探开发[M].北京:地质出版

与常规砂岩储层的下降曲线有所不同,煤储层的生产曲线为负下降曲线,即产气量先上升,达到高峰后再缓慢下降,可持续很长的开采期。313　压裂

社,1996.

[3]　陈伟,段永刚.煤层气有限导流压裂井的压力动态分析

[J

]1西南石油学院学报,2000,22(1):47-49.[4]　王兴志,刘仲宣1四川资阳及邻区震旦系灯影组储层

对于常规砂岩储层,只有当渗透率很低时,才需进行压裂,从而产生新的裂缝,处理压力也较低;煤

段沉积及层序地层学特征[J]1西南石油学院学报,

1996,18(3):1-5.

(编辑　罗先碧)

No5　　　　　　　　　　　　　　　　JournalofSouthwestPetroleum

Institutedamentals,theTCPSistreatedasaparallelconnectionoftub2ingandcasingproduction.Basedonthewellborepressurecalcu2lationmethodforthecasesoftubingproductionsystemandthesystemofproductionfromtheannulspacebetweenthecasingandthetubing,weobtainedanequationdescribingtheallocatedproductionfromthecasingandthetubing.Byanalyzingtheweightedimportanceofeachitemintheequation,asimplifiedproductiondistributionequationisobtained,whichtranslatethewellborepressurecalculationfortheTCPSintoonefortubingand(or)casingproductionsystem.Anexampleisgivenwhichshowsthattherelativeerrorbetweentheresultobtainedbyus2ingtheproposedequationandthatbyusingtheaccurateproduc2tiondistributionequationisverysmall,indicatingthatproposedmethodisreliableandapplicable.

KeyWords:gaswell;tubing;casing;commingledproduc2tion;bottomholepressure

APPLICATIONOFBLACKOILMODELTOCOALBEDMETHANERESERVOIR

ZHANGLie2hui(S,Sichuan637001,,etal.　JOURNALOFSOUTTPETROLEUMINSTITUTE,VOL.23,NO.5,26-28,2001(ISSN1000-2634,INCHINESE)

Ⅲ

ANDCONVENTIONALNATURALGASRESERVOIR

RENDong2mei(SouthwestPetroleumInst,NanchongSichuan637001,China),ZHANGLie2hui,CHENJun.　JOURNALOFSOUTHWESTPETROLEUMINSTITUTE,VOL.23,NO.5,29-32,2001(ISSN1000-2634,INCHINESE)

Coalbedgasiscombustibleandprimarilyadsorbedontheinternalsurfaceofcoalmatrix,whosemaincomponentismethanewhichcoexistswithcoalpetroloy.Asanunconvention2algasreservoir,therearemanydifferencesbetweencoalbedgasandconventionalgasreservoirs.Inthispaper,comparisonandsummarizationofthesetwogasreservoirsaremadefromthepointsoftheirgeologicalreasonsandcharacteristics,andtheiraccumulationandexploitaiontogas-in-placecalculation,whichlayasoundfoundationforcoalbedgasreservoirengineer2ing,welltesting,completionandcoalbedgasreservoirsimulationetc.

:;compari2evaluation

THEORYANALYSISOFPRESSUREDISTRIBUTIONINTHETHREE-LAYEREDRESERVIOR

LIShun2chu

(Southwest

Petroleum

Inst,Nanchong

Sichuan637001,China),HUANGBing2guang,WANGNu2tao,etal.　JOURNALOFSOUTHWESTPETROLEUMINSTITUTE,VOL.23,NO.5,33-34,2001(ISSN1000

Thetransportofgasthroughacoalseamisgenerallycon2sideredatwo-stageprocess.Gasdesorptionfromthecoalma2trixfollowedbyitsflowalongthefractures.Ifthereleaserateofgasfromthematrixtothecleatsisfasterthantheflowrateofgasandwaterinthecleats,thedesorptionkineticsarerela2tivelylessimportantinmodellingcoalbedmethaneproduction.Underthisassumption,thegasheldbythecoalissimilartothatdissolvedintheblackoilatagivenpressure.Thesolutiongas-oilratioofthisimmobileoiliscalculatedfromtheLang2muiradsorptionisothermcurve.Aconventionalblackoilsimu2latorcanbeusedtosimulatecoalbedgasreservoirbytreatinggasadsorbedtothesurfaceofcoalblockasgasdissolvedintheimmobileoil.Basedontheideasabove,acoalbedmethanereservoirhasbeenstudiedbyusingblackoilsimulator,andtheresultsareveryclosetothosefromacoalbedmethanereservoirsimulator(COMETPC).

KeyWords:blackoilmodel;coalbedgas;desorption;simu2lation;cleat

COMPARISONOFGEOLOGICALCHARACTERISTICS

AND

PRODUCTIONMETHANE

-2634,INCHINESE)

Tosatisfythedemandoftheoreticalstudyandactualappli2cation,amathematicsmodelofpressuredistributionofthree-layeredreservoir(matrix+fracture+matrix)withthefrac2turedformationwaspresented.Inaddition.TheexactsolutioninLaplacespacewasfoundout.Thismodelcanalsobeusedinthedynamicpressureanalysisforsimilarreservoirs.Itmadethewelltestanalysistheorymoreperfect,andprovidedthetheoret2icalsupportfortheactualapplication.

Keywords:three-layeredreservoir;Laplacespace;mathe2maticsmodel;pressuredistribution.

CALCULATIONONTHECRITICALPRODUCTIONOFBOTTOMWATERCONINGINHORIZONTALWELL

LIULiang2yue(TianjinBranchCompanyofCNOOC,TangguTianjin300452,China),YUEJiang2he,XIONGYou2ming,etal.　JOURNALOFSOUTHWESTPETROLEUMINSTITUTE,VOL.23,NO.5,35-37,2001(ISSN1000

BETWEENCOALBED-2634,INCHINESE)