基于数值模拟评价煤层渗透率方法研究

基于数值模拟评价煤层渗透率方法研究

刘佳 杜希瑶 李娜

中海油研究总院有限责任公司，北京， 10028

摘要：为定量评价煤储层渗透率大小，本文基于渗流力学理论和物质平衡原理，结合拟稳定流时地层各点压降速度相等，推导得到基于平均地层压力、井底流压、产水量等数据计算煤层渗透率的计算方法，并对该方法的优点及适用性进行论述。以A区块一口典型井参数为例，对比稳定流法和数值模拟方法的渗透率计算结果。结果表明，拟稳定流法优于稳定法，且与数值模拟历史拟合计算结果一致，本文提出的拟稳定流法适用于煤储层渗透率计算。

关键字：煤层气；渗透率；拟稳定渗流；储层评价

0 引言

煤层渗透率是煤层气开发过程中至关重要的一个影响因素，决定了煤层气的渗流能力，也是煤层气井产量及后期煤层气开发方案调整等的重要依据^[1]。在此背景下，基于煤层气井生产数据反算煤层渗透率逐渐受到研究人员认可与重视^[19-20]，且对于煤层气井，该方法比上述方法具有更高可信度。目前已有多篇文献研究了煤层气井产能方程以及渗透率求解模型，但大部分研究均基于稳定渗流模型。煤层气储层属于衰竭开发，无能量供给，与稳定渗流差异较大。

本文从煤层气井单相排水阶段时的压降规律出发，建立不稳定渗流模型下渗透率计算方法。本文旨在为煤储层物性和煤层气开发方面提供较为详尽的理论依据。

1 煤层气数值模拟技术

ECLIPSE数值模拟软件提供了煤层气储层模拟模块，ECLIPSE将煤层气藏处理为一个双孔模型，能能够模拟煤层中甲烷气体的产出并显示气和水在煤层裂缝中的扩散和流动过程。其模型基于Warren-Root双孔模型用于描述煤层介质，气体赋存于煤基质块体内，利用Langmuir等温吸附模型，通过扩散进入裂缝系统产出^[5,6]。系统含有包括Palmer-Mansoori模型在内的多种模拟压实效应模型来模拟排采过程中渗透率的物性变化，同时能够进行N2或CO2-ECBM模拟计算。

进行煤层气数值模拟软件时准备所需参数，其中煤层厚度、压力、气水PVT参数均可通过现场测试进行准确测量，等温吸附曲线、含气量、孔隙度主要通过取芯进行室内实验。但实验中测得的孔隙度为总孔隙度，数值模拟中所需要的孔隙度为割理的孔隙度，故实际使用时，往往将实验所测孔隙度的10%作为割理的孔隙度使用。

目前在进行煤层数值模拟工作时，往往煤层渗透率、扩散系数、裂缝半长缺乏取值依据。此时应当依靠历史拟合方法对参数进行进一步确定。历史拟合时煤层气数值模拟的基础。通过历史拟合可以检验所建立的储层地质模型是否合理；找出储层和过程描述资料的不足之处；对生产中存在的问题进行诊断并找出低于经济产能并可能重新完井的井；标出相对高残余气含量区域作为潜在开发区或找出钻探靶区；还可以得到与实际储层比较接近的相关参数，再利用这些参数能够实现对储层的较高精度的动态预测，更好地指导下一步的开采。

进行煤层气井历史拟合工作时，可以依据其开发特征将历史拟合分为两个阶段进行，第一阶段对产水量进行拟合，通过拟合产水量，对煤层孔隙度、渗透率、岩石压缩系数进行确定。第二阶段对产气量进行拟合，通过拟合产气量，对煤层扩散系数进行确定，并进一步确定渗透率大小。

采用调整后的数值模型可以进行煤层气勘探开发研究，数值模拟技术可用于考察煤层气井排采过程中各种地质参数的动态变化，如含气量、含气饱和度、储层压力等；还可研究煤层气井排采制度对开发效果的影响，指导现场进行排采制度的优化工作。

2 实例分析

A区块位于沁水盆地东南部，隶属山西省晋城市管辖，是我国煤层气勘探程度较高的区块之一。典型井L1井于2010年7月26日压开3^#煤层并排采，并于2010年10月7日开始产气，目前该井峰值产气量为2356m³/d，平均日产气1426m³/d。

理想数值模型通过ECLIPSE数模软件建立，根据实际测试资料，本区域煤层气井的烃类气体为CH4，不含C2+等组分，本模型中的流体定义为甲烷和水，采用黑油模型进行计算。根据L1井井距大小和煤层厚度（6m），建立一个尺寸为300m×300m×6m的数值模型，模型边界为封闭边界。X方向网格步长均为10m，Y方向为了模拟人工裂缝，在煤层气井周围对网格进行加密处理，且模拟人工裂缝网格步长为0.1m。实际人工裂缝宽度2.3mm，导流能力250mD•m，模型中设置裂缝渗透率为250mD•m/0.1m=2500mD。Z方向设置1层网格，网格步长为6m。如图1所示，煤层气井位于模型中心。

数值模型中所采用的储层参数均来自L1井实际测试参数，如表2所示。其中裂缝半长、裂缝导流能力通过压裂软件模拟得到，兰氏压力与兰氏体积通过室内实验测试得到，临界解吸压力通过见气时井底流压判断得到，结合兰氏曲线则可得到该井含气量。但该井未进行煤层渗透率、孔隙度、扩散系数的测量及测试，初始模型中的煤层割理渗透率、孔隙度与实际地层可能不相符。

通过数值模拟研究，采用历史拟合手段对模型参数进行验证与修改，最终通过多项开采指标的历史拟合使单井数值模型更接近气藏实际地质情况，更准确地反映地下气、水分布和运移规律。采用定井底流压的方法，对煤层气井的产气量、产水量进行拟合。最终拟合结果如图2-图3所示，拟合结果较好。拟合后地层渗透率为2.5mD，孔隙度为0.6%，扩散系数为0.08m

²/d。

图2 L1产水量拟合结果 图3 L1产气量拟合结果

Fig.2 The fitting result of water production Fig.3 The fitting result of gas production

5 结论

（1）根据煤层气井压降规律，结合物质平衡原理、渗流力学等方法，建立煤层渗透率拟稳定计算方法，并形成相应的计算流程，分析本方法优缺点及适用性。

（2）以沁水盆地A区A1井为例，分别通过拟稳定流法、稳定流法和数值模拟方法计算得到煤层渗透率。结果表明，与稳定渗流法相比，拟稳定流法计算结果波动较小，规律性更强，精确度更高；与数值模拟方法相比，拟稳定流法计算过程简便，大大缩短了计算时间。

参考文献

[1] 吴信波,李贵红,刘钰辉,朱文侠.低阶煤煤体变形特征及渗流规律实验研究[J].科学技术与工程,2021,21(03):906-910.

[2] 张洲,王生维,粟冬梅,等.新疆库拜煤田煤储层孔-裂隙系统及有利储层优选[J].科学技术与工程,2016,16(9):149-154.

[3] 卢海兵,吴建军,姜伟,曲喜墨,王杰.煤岩渗透特性实验研究[J].能源与环保,2021,43(01):108-112.

[4] 刘世奇，王鹤，王冉，高德燚，Ashutosh Tripathy.煤层孔隙与裂隙特征研究进展[J].沉积学报,2021,39(01):212-230.

[5] 宋晓夏,唐跃刚,李伟,等.基于显微CT的构造煤渗流孔精细表征[J].煤炭学报,2013,38(3): 435-440．

作者姓名：刘佳

性别： 男

学历：研究生

籍贯：湖北

出生年月：1988.11

现有职称：高级工程师

研究方向：油气田开发工程