低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用

摘要

我国煤层普遍渗透率低、吸附强、解吸速度慢而导致绝大多数煤层试验井产量低、衰减快、难以形成稳定的工业性气流,同时低渗透煤层甲烷运移过程表现出相互制约和非达西渗流及排采降压流固耦合作用的突出特点,低渗透煤层气开采遇到挑战。因此,进行低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用的研究,具有十分重要的理论意义和应用价值。在低渗透煤层气开采流固耦合方面完成的主要研究内容和结果如下:(1)根据煤层特性和煤层甲烷运移属性,将煤层抽象为双重介质模型,并建立了反应解吸、扩散、渗流过程的低渗透双重介质气、水两相流流固耦合模型和注气增产煤层气多组分流体流固耦合模型;详细推导了双重介质气、水两相流流固耦合模型和煤基质系统扩散项的数值解法,并开发了三维、双重介质气、水两相流、拟稳态非平衡吸附流固耦合模拟程序。(2)利用开发的模拟程序和现场试验井资料对煤层气生产动态参数进行模拟,模拟结果与现场试验井结果相吻合。得到如下结论:①通过单井开采过程中的储层压力下降幅度、气–水产能大小、压降漏斗、水饱和度和甲烷浓度变化范围和下降幅度的模拟结果表明:考虑耦合作用的模拟结果与实际更为吻合,耦合时的结果比不考虑耦合时的结果偏小。对导致其差异根源的耦合机理分析表明:煤层气开采尽可能保证由于耦合作用而导致储层渗透性受弱化程度最小;②井群间距对煤层气开采至关重要,井群间距对产能等参数的影响,与储层的渗透率密切相关,渗透率较高储层比渗透率较低储层井群干扰出现的时间早,开采初期小井群间距的气–水产能大于较大井群间距的气–水产能;③通过渗透率、扩散系数对产能影响的研究表明:煤储层渗透率的大小直接控制着煤层气产能的大小,拟稳态扩散系数越大,煤层气井的早期产量上升越快,产气量高峰期到来越早。这说明煤层气的开采运移过程同样受到扩散过程的影响,揭示了煤层瓦斯解吸、扩散和渗流互为条件、互相联系和互相约束的运移机制;④在低速低渗透情况下,通过对启动压力产生的机理分析和模拟结果表明:开发低渗透煤层气藏,应采用小井距、较大压差开发方案;考虑低渗透气体渗流的滑脱效应时,气–水产能比不考虑滑脱效应时高;⑤注气模拟结果表明:注气增产机理主要是注入的二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压,加速了煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,大量的煤层甲烷解吸进入割理裂隙系统,从而提高了煤层气产量。因此,注气开采是低渗透煤层气增产的有效途径。