煤层气数值模拟技术应用研究
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摘要
定向羽状水平井和直井压裂是两种有效的煤层气增产措施。本文采用数值模拟的方法为这两种增产措施开采方案的设计提供了理论依据和指导方案。围绕这一研究内容完成了以下工作：
1、本论文首先完善了渗流所编制的煤层气定向羽状水平井数值模拟软件，并利用该软件对已打羽状水平井进行产量模拟及预测，验证了软件的可靠性。
2、对比分析了羽状水平井和直井压裂增产效果以及地层压力变化的情况，得出了定向羽状水平井的增产机理。定向羽状水平井的分支在地层中广泛均匀延伸，使地层压力均匀、快速下降，增大了气体解吸扩散的机会，使被动用的区域大大增加，从而促使煤层气产量大大提高。
3、通过分析储层参数及井身结构参数对产气量的影响，提出了选区评价的重要依据以及井身结构优化的方法。分支呈非对称、发散均匀分布的多个主支的井身结构产气效果较好；渗透率、储层压力等储层参数是影响产气效果的重要因素。
4、建立了反映煤层气藏各向异性严重特点的地质模型，分析了各向异性对产能的影响，提供了直井压裂井网部署方案的设计方法及思路。
5、分析了压裂参数对产能的影响，当渗透率和裂缝长度一定时，累积产量并不是随导流能力的增大而线性增加。储层渗透率越低，采用直井压裂措施相对增产倍数越大。
Pinnate horizontal multilateral well and vertical well fracturing are efficient technology which can increase coalbed gas recovery rate. In this dissertation, the numerical simulation technique is used providing necessary theory basis and guidance scheme for the implement of these two technology. The main research as follows:
1 、 The software of Pinnate horizontal multilateral well is consummated. With a coalbed gas Pinnate horizontal multilateral well as an example, the productivity is forecasted. It is proved that the software is suitable for numerical simulation.
2、 The effect of increase and the stratum pressure is compared between the pinnate horizontal multilateral well and the vertical hydraulic fracturing well. The main lateral and side laterals extending widely in stratum makes the stratum pressure drow down rapidly and uniformly in controlled area, which facilitates the desorption and diffusion of adsorbed gas.
3 、 The effect of formation parameters and wellbore structures parameters on the gas production rate of pinnater horizontal multilateral well are analyzed. We gain the according of electing and evaluating good reservoir and the priciples on designing wellbore structure. The recovery effectiveness of multi-main lateral distributing uniformly is superior to single main lateral. There exists the optimal value of space between side laterals. The formation parameters are the prime factor which can effect the gas production.
4、 The geological model is developed which can effect the heterogeneous reservoir characteristic. The effect of heterogeneous on the gas production is analyzed. The method of
1、本论文首先完善了渗流所编制的煤层气定向羽状水平井数值模拟软件，并利用该软件对已打羽状水平井进行产量模拟及预测，验证了软件的可靠性。
2、对比分析了羽状水平井和直井压裂增产效果以及地层压力变化的情况，得出了定向羽状水平井的增产机理。定向羽状水平井的分支在地层中广泛均匀延伸，使地层压力均匀、快速下降，增大了气体解吸扩散的机会，使被动用的区域大大增加，从而促使煤层气产量大大提高。
3、通过分析储层参数及井身结构参数对产气量的影响，提出了选区评价的重要依据以及井身结构优化的方法。分支呈非对称、发散均匀分布的多个主支的井身结构产气效果较好；渗透率、储层压力等储层参数是影响产气效果的重要因素。
4、建立了反映煤层气藏各向异性严重特点的地质模型，分析了各向异性对产能的影响，提供了直井压裂井网部署方案的设计方法及思路。
5、分析了压裂参数对产能的影响，当渗透率和裂缝长度一定时，累积产量并不是随导流能力的增大而线性增加。储层渗透率越低，采用直井压裂措施相对增产倍数越大。
Pinnate horizontal multilateral well and vertical well fracturing are efficient technology which can increase coalbed gas recovery rate. In this dissertation, the numerical simulation technique is used providing necessary theory basis and guidance scheme for the implement of these two technology. The main research as follows:
1 、 The software of Pinnate horizontal multilateral well is consummated. With a coalbed gas Pinnate horizontal multilateral well as an example, the productivity is forecasted. It is proved that the software is suitable for numerical simulation.
2、 The effect of increase and the stratum pressure is compared between the pinnate horizontal multilateral well and the vertical hydraulic fracturing well. The main lateral and side laterals extending widely in stratum makes the stratum pressure drow down rapidly and uniformly in controlled area, which facilitates the desorption and diffusion of adsorbed gas.
3 、 The effect of formation parameters and wellbore structures parameters on the gas production rate of pinnater horizontal multilateral well are analyzed. We gain the according of electing and evaluating good reservoir and the priciples on designing wellbore structure. The recovery effectiveness of multi-main lateral distributing uniformly is superior to single main lateral. There exists the optimal value of space between side laterals. The formation parameters are the prime factor which can effect the gas production.
4、 The geological model is developed which can effect the heterogeneous reservoir characteristic. The effect of heterogeneous on the gas production is analyzed. The method of
引文
1 李在民译．世界煤层气开发现状．天然气工业，1994，14(1)：79～80
2 Charles D.Masters.世界天然气资源综述．天然气地球科学，1996，7(3)：35～41
3 杨陆武，孙茂远．中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求．天然气工业，2002，21(6)：17～19
4 宋生印，韩宝山．新集煤层气开发试验井水力压裂增产改造．煤田地质与勘探，2003，31(1)：27～31
5 赵阳升，杨栋，胡耀青等．低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究．煤炭学报，2001，26(5)：455～458
6 吴世跃，郭勇义．关于注气开发煤层气机理的探讨．太原理工大学学报，2000，31(4)：361～363
7 HallFE, ZhouChunhe. Adsorption of pure methane, nitrogen, nitrogen, and carbon dioxide and their binary mixtures on wet Fruitland coal[A].The 1994 Eastern Regional conferences and exhibition held in china ieston[C],WVUSA, 1994
8 GreavesKH, OwenLB, McLenmanJD, etal. Muli-compoent gas adsorption-desorption behavior of coal[A].Proceedings of the 1993 International Coalbed Methane Symposium[C],1993
9 张力，何学秋等．煤吸附特性的研究．太原理工大学学报，2001，32(4)：449～451
10 唐书恒，韩德馨．煤对多元气体的吸附与解吸．煤炭科学技术，2002，30(1)：58～60
11 吴世跃，郭勇义．注气开采煤层气增产机制的研究，煤炭学报，2001，26(2)：199～203
12 江山，王新海等．定向羽状分支水平井开发煤层气现状及发展趋势．钻采工艺，2004(2)：4～6
13 Ertekin, T. and King, G.R. Development of coal gas production simulators and mathematical models for well test strategies. Topical report under contract number 5081-321-0457, July, 1983
14 Pavonc, A. M. and Schwerer, F.C. Development of coal gas production simulators and mathematical models for well test strategies. Final Report under GRI Contract Number 5081-321-0457, April, 19984
15 King, GR. and Ertekin, T.M. A survey of mathematical models relatedto methane production from coal seams, Patr Ⅱ:Non-equilibrium sorption models. Proceedings of the 1989 Coalbed Methane Symposium, the University of Alabama/Tuscaloosa, April 17-20,1989:139-153.
16 Paul, G.W, Sawyer, W.K, Dean, R.H. Validation of 3D coalbed simulators. Paper SPE20733, presented at the 65th SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, LA, sept. 23-26,1990:203-210
17 Advanced Resources International, Inc. COMMETPC 3-D user' s guide. January 1994
18 S.A. Holditch&Associates, Inc. User' guide for SABRETM and COALGASTM petroleum reservoir simulators. Oct. 1993
19 Advanced Resources International, Inc. COMET2 version 2.1 user' s guide, Sept. 2000
20 冯文光，梅世昕等．煤层气藏三维数值模拟．物矿岩石，1999，19(1)：43～48
21 冯文光．煤层气藏三维数值模型．矿物岩石，1999，17(4)：42-49
22 岳晓燕．煤层气数值模拟的地质模型和数学模型．天然气工业，1998，18(4)：28-31
23 周生田，张琪，李明忠．水平井变质量流研究进展．力学进展，2002，32(1)：119～127
24 Dikken B.J.. Pressure drop in horizontal wells and its effect on production performance. Journal of Petroleum Technology, 1990, 42(11):1426～1433
25 周生田，张琪．水平井水平段压降的一个分析模型．石油勘探与开发，1997，24(3)：49～52
26 苏付义．煤层气储集层评价参数及其组合．天然气工业，1998，18(4)：16～21
27 李宝芳．煤层气及生储原理略述．中国煤田地质，1996，8(1)：89-94
28 唐修义．有关煤层气几个基本问题的认识．天然气工业，1996(6)：20～26
29 徐龙君，刘成伦，鲜学福．注入增产法提高煤层气采收率的理论探讨．重庆大学学报，2000，2(6)：42～44
30 张国璧，张蕙蓉．煤层气勘探开发和增产技术．新疆石油地质，1994，15(1)：87～91
31 鲍清英，鲜保安．我国煤层气多分支井钻井技术可行性研究．天然气工业，2004，24(5)：54～60
32 刘贻军．中国中阶煤和高阶煤的储层特征及提高单井产量主要对策．天然气工 业，2005，25(6)：72～74
33 黄洪春，卢明，申瑞臣．煤层气定向羽状水平井钻井技术研究．天然气工业，2004，24(5)：76～78
34 HarpalaniS, ParitiUM. Study of coal sorption isotherm using a multicomponent Gas mixture[A].International Coalbed Methane Symposium[C],1993.
35 吴晓东，张迎春，李安启．煤层气单井开采数值模拟研究．石油大学学报，2000，24(2)：47～53
36 韩大匡等．油藏数值模拟基础．北京：石油工业出版社
37 张群．国外煤层气储层数值模拟技术的现状及发展趋势．煤田地质与勘探，2004，32(9)：18～24
38 唐书恒，陈彤．煤层甲烷气藏的数值模拟技术．中国煤田地质，1998，10(增刊)：44～46
39 张冬丽，江山，王新海．定向羽状水平井开采煤层气的数学模型．中国煤层气勘探与开发，徐州，中国矿业大学出版社，2003
40 鲜保安，陈彩虹等．多分支水平井在煤层气开发中的控制因素及增产机理分析．中国煤层气，2005，2(1)：14～17
41 王宪花，卢霞等．沁水煤层气田樊庄区块煤层气开发经济评价．天然气工业，2004，24(5)：137～139
42 张群．国外煤层气储层数值模拟技术的现状及发展趋势．煤田地质与勘探，2004，8
43 司淑平，李文峰等．煤层气井产能影响因素分析及对策．断块油气田，2001，8(5)：50～53
44 王小泉，陈作，姚飞．水力压裂技术现状及发展展望．钻采工艺，1998，21(2)：28～32
45 杨陆武，孙茂远，胡爱梅等．适合中国煤层气藏特点的开发技术．石油学报，2003，23(4)：46～50
46 姚艳芳，李新春，姚小勤．煤层气井排采试气技术．油气井测试，2001，10(4)：70～72
47 杨锡禄．煤层气勘探开发进展．煤田地质与勘探，1995，24(1)：29～32
48 张烈辉，杨兆中，陈军等．煤岩气藏数值模拟参数准备．天然气勘探与开发，2001，24(2)：57～60
49 刘洪林，王红岩等．煤层气吸附时间计算及其影响因素分析．石油实验地 质，2000，22(4)：365～367
50 苏现波，刘保民．煤层气的赋存状态及其影响因素．焦作工学院学报，1999，18(3)：157～160
51 王利，蔡云飞．储集层参数对煤层气产出的影响．石油勘探与开发，1997，24(3)：74～77
52 李延祥，马财林等．数值模拟软件在大宁地区煤层气勘探中的应用．天然气工业，2004，24(5)：100～103
53 樊明珠，王树华．影响煤层气可采性的主要地质参数．天然气工业，1996，16(6)：53～57
54 王晓梅，张群等．煤层气储层数值模拟研究的应用．天然气地球科学，2004，15(6)：664～668
55 郭肖，付玉．一个煤层气储层数值模拟器．天然气工业，2003，23(1)：75～77
56 李明宅，胡爱梅，孙晗森等．煤层气储量计算方法．天然气工业，2002，22(5)：32～35
57 陈晓东．对中国煤层气勘探开发现状的思考与建议．天然气工业，2002，22(5)：35～39
58 钟玲文．中国煤储层压力特征．天然气工业，2003，23(5)：132～134
59 鲜成钢，程浩等．低渗透油田井网模式研究．石油大学学报(自然科学版)，1999，23(2)：51～54
60 鲜保安，高德利，李安启等．煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析．天然气工业，2005(1)：114～116
61 万玉金，曹雯．煤层气单井产量影响因素分析．天然气工业，2005(1)：124～126
62 V.A, Kuuskraa, D.E, Wicks. Geologic and Reservoir Mechanisms Controlling Gas Recovery From the Antrim Shale. SPE24883:209～224
63 G.B.C, Young, G.W, Paul, J.E, McEIhiney. A Parametric Analysis of Fruitland Coalbed Methane Reservoir Producibility. SPE24903:461～473
64 R.D. Roadifer, T.R. Moore, K.T. Raterman, R.A. Farman and B.J. Crabtree. Coalbed Methane Parametric Study: Whats Really Important to Production and When? SPE84425:1～11
65 Xiao Guo, Zhimin Du, Shilun Li. Computer Modeling and Simulation of Coalbed Methane Reservoir. SPE84815:1～11
66 T.L. Hower. Coalbed Methane Reservoir Simulation: An Evolving Science. SPE84424:1～11
67 张群．煤层气储层数值模拟模型及应用研究．煤炭科学研究总院博士学位论文
68 张冬丽．煤层气定向羽状水平井开采数值模拟方法研究．中国科学院研究生院博士学位论文
2 Charles D.Masters.世界天然气资源综述．天然气地球科学，1996，7(3)：35～41
3 杨陆武，孙茂远．中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求．天然气工业，2002，21(6)：17～19
4 宋生印，韩宝山．新集煤层气开发试验井水力压裂增产改造．煤田地质与勘探，2003，31(1)：27～31
5 赵阳升，杨栋，胡耀青等．低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究．煤炭学报，2001，26(5)：455～458
6 吴世跃，郭勇义．关于注气开发煤层气机理的探讨．太原理工大学学报，2000，31(4)：361～363
7 HallFE, ZhouChunhe. Adsorption of pure methane, nitrogen, nitrogen, and carbon dioxide and their binary mixtures on wet Fruitland coal[A].The 1994 Eastern Regional conferences and exhibition held in china ieston[C],WVUSA, 1994
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9 张力，何学秋等．煤吸附特性的研究．太原理工大学学报，2001，32(4)：449～451
10 唐书恒，韩德馨．煤对多元气体的吸附与解吸．煤炭科学技术，2002，30(1)：58～60
11 吴世跃，郭勇义．注气开采煤层气增产机制的研究，煤炭学报，2001，26(2)：199～203
12 江山，王新海等．定向羽状分支水平井开发煤层气现状及发展趋势．钻采工艺，2004(2)：4～6
13 Ertekin, T. and King, G.R. Development of coal gas production simulators and mathematical models for well test strategies. Topical report under contract number 5081-321-0457, July, 1983
14 Pavonc, A. M. and Schwerer, F.C. Development of coal gas production simulators and mathematical models for well test strategies. Final Report under GRI Contract Number 5081-321-0457, April, 19984
15 King, GR. and Ertekin, T.M. A survey of mathematical models relatedto methane production from coal seams, Patr Ⅱ:Non-equilibrium sorption models. Proceedings of the 1989 Coalbed Methane Symposium, the University of Alabama/Tuscaloosa, April 17-20,1989:139-153.
16 Paul, G.W, Sawyer, W.K, Dean, R.H. Validation of 3D coalbed simulators. Paper SPE20733, presented at the 65th SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, LA, sept. 23-26,1990:203-210
17 Advanced Resources International, Inc. COMMETPC 3-D user' s guide. January 1994
18 S.A. Holditch&Associates, Inc. User' guide for SABRETM and COALGASTM petroleum reservoir simulators. Oct. 1993
19 Advanced Resources International, Inc. COMET2 version 2.1 user' s guide, Sept. 2000
20 冯文光，梅世昕等．煤层气藏三维数值模拟．物矿岩石，1999，19(1)：43～48
21 冯文光．煤层气藏三维数值模型．矿物岩石，1999，17(4)：42-49
22 岳晓燕．煤层气数值模拟的地质模型和数学模型．天然气工业，1998，18(4)：28-31
23 周生田，张琪，李明忠．水平井变质量流研究进展．力学进展，2002，32(1)：119～127
24 Dikken B.J.. Pressure drop in horizontal wells and its effect on production performance. Journal of Petroleum Technology, 1990, 42(11):1426～1433
25 周生田，张琪．水平井水平段压降的一个分析模型．石油勘探与开发，1997，24(3)：49～52
26 苏付义．煤层气储集层评价参数及其组合．天然气工业，1998，18(4)：16～21
27 李宝芳．煤层气及生储原理略述．中国煤田地质，1996，8(1)：89-94
28 唐修义．有关煤层气几个基本问题的认识．天然气工业，1996(6)：20～26
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35 吴晓东，张迎春，李安启．煤层气单井开采数值模拟研究．石油大学学报，2000，24(2)：47～53
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39 张冬丽，江山，王新海．定向羽状水平井开采煤层气的数学模型．中国煤层气勘探与开发，徐州，中国矿业大学出版社，2003
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46 姚艳芳，李新春，姚小勤．煤层气井排采试气技术．油气井测试，2001，10(4)：70～72
47 杨锡禄．煤层气勘探开发进展．煤田地质与勘探，1995，24(1)：29～32
48 张烈辉，杨兆中，陈军等．煤岩气藏数值模拟参数准备．天然气勘探与开发，2001，24(2)：57～60
49 刘洪林，王红岩等．煤层气吸附时间计算及其影响因素分析．石油实验地 质，2000，22(4)：365～367
50 苏现波，刘保民．煤层气的赋存状态及其影响因素．焦作工学院学报，1999，18(3)：157～160
51 王利，蔡云飞．储集层参数对煤层气产出的影响．石油勘探与开发，1997，24(3)：74～77
52 李延祥，马财林等．数值模拟软件在大宁地区煤层气勘探中的应用．天然气工业，2004，24(5)：100～103
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54 王晓梅，张群等．煤层气储层数值模拟研究的应用．天然气地球科学，2004，15(6)：664～668
55 郭肖，付玉．一个煤层气储层数值模拟器．天然气工业，2003，23(1)：75～77
56 李明宅，胡爱梅，孙晗森等．煤层气储量计算方法．天然气工业，2002，22(5)：32～35
57 陈晓东．对中国煤层气勘探开发现状的思考与建议．天然气工业，2002，22(5)：35～39
58 钟玲文．中国煤储层压力特征．天然气工业，2003，23(5)：132～134
59 鲜成钢，程浩等．低渗透油田井网模式研究．石油大学学报(自然科学版)，1999，23(2)：51～54
60 鲜保安，高德利，李安启等．煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析．天然气工业，2005(1)：114～116
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63 G.B.C, Young, G.W, Paul, J.E, McEIhiney. A Parametric Analysis of Fruitland Coalbed Methane Reservoir Producibility. SPE24903:461～473
64 R.D. Roadifer, T.R. Moore, K.T. Raterman, R.A. Farman and B.J. Crabtree. Coalbed Methane Parametric Study: Whats Really Important to Production and When? SPE84425:1～11
65 Xiao Guo, Zhimin Du, Shilun Li. Computer Modeling and Simulation of Coalbed Methane Reservoir. SPE84815:1～11
66 T.L. Hower. Coalbed Methane Reservoir Simulation: An Evolving Science. SPE84424:1～11
67 张群．煤层气储层数值模拟模型及应用研究．煤炭科学研究总院博士学位论文
68 张冬丽．煤层气定向羽状水平井开采数值模拟方法研究．中国科学院研究生院博士学位论文
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