基于“三场”耦合的煤层气井排采控制理论与应用

摘要

我国地面煤层气开发经过了30多年的发展，在地质评价、钻井完井、水力压裂等方面基本建立了与地质条件相适应的开发理论与技术体系，而排采控制优化，特别是排采过程中的压力场、应力场、裂隙场耦合关系及其对煤层气井产能的控制机理仍需深入研究。本文通过理论分析，建立了基于水力压裂施工曲线获取水力裂缝几何尺寸和导流能力的计算模型，并在此基础上构建了煤储层的“基质孔隙—天然裂隙—水力裂缝”三元孔隙几何模型；以排采过程中煤层的“压力场—应力场—裂隙场”的耦合关系为基础，建立了由动态渗透率模型、煤体变形控制方程、煤层气和水的流动控制方程构成的基于三场耦合的煤层气排采控制数理模型。通过室内实验，测试煤芯渗透率和启动压力梯度以及水力裂缝导流能力，揭示了煤层气、水在煤层天然裂隙中的低速非线性渗流和水力裂缝中的线性渗流机理，完善了煤层气解吸、扩散、渗流的运移产出理论；查明了排采过程中应力敏感和速敏对水力裂缝导流能力伤害与控制机理。应用Comsol Multiphysics多物理耦合软件，建立了基于三场耦合的煤层气井排采控制数值模型，通过模拟结果与沁水盆地潘庄和柿庄南的现场排采资料对比分析，印证了该理论模型的正确性。在此基础上，给出了基于三场耦合排采控制理论制定排采工作制度的通用方法和步骤，提出了根据储层压力与临界解吸压力制定排水降压速率的一般标准，保证产气前的排采时间不低于3个月，液面降至煤层以下的时间不低于9~10个月。对于埋深大于700 m的低渗煤层，排采过程中有效应力对渗透率负效应更明显，煤层供水量相对偏小，易出现井底流压的突变，引起煤层压力激动和渗透率下降的恶性循环，采用井底流压计和智能排采设备是实现排采精细控制的前提。煤层气井三场耦合数值模型与计算方法在制定排采制度、储层参数拟合和井网间距优化方面得到了应用。

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1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状与存在问题

1.3 研究内容和方法

2 煤储层三元孔隙模型及煤层气运移产出机理

2.1 煤储层孔隙发育特征及煤层气解吸、扩散机理

2.2 煤储层裂隙发育特征及煤层气、水的渗流机理

2.3 水力裂缝展布特征及煤层气、水的渗流机理

2.4 煤层三元孔隙几何模型

2.5 本章小结

3 基于三场耦合的煤层气井排采控制理论

3.1 煤层气井排采过程中的三场耦合关系

3.2 排采控制方程

3.3 排采工作制度

3.4 本章小结

4 基于三场耦合的煤层气井排采控制数值求解

4.1 数值求解软件

4.2 煤层气垂直井排采控制数值求解

4. 3 煤层气水平井排采控制数值求解

4.4 本章小结

5 基于三场耦合的煤层气井排采控制理论应用

5.1 制定合理的排采工作制度

5.2 排采数据历史拟合

5.3 井网间距优化

5.4 本章小结

6 结论

6.1 结论

6.2 本研究的创新之处

参考文献

作者简历

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