1、煤層氣開發井網部署與優化方法楊秀春1葉建平2(1.中國礦業大學,北京100083; 2.中聯煤層氣有限責任公司,北京100011摘要:煤層氣井網優化是煤層氣開發的重要環節,井網部署的合理與否,不僅關系到單井產量的大小,而且直接影響到煤層氣開發項目的成敗。本文對井網部署原則以及優化方法進行了探討,給出了井距優選的多種方法,并把這些方法應用于山西煤層氣某區塊的開發井網優化,為該區的煤層氣開發方案設計提供了合理依據。關鍵詞:煤層氣開發井型井網優化井距Well Pattern Optimization Design for C BM DevelopmentY ang X iuchun 1and Y e

2、 Jianping 2(1.China University of Mining and T echnology ,Beijing 100083;2.China United C oalbed Methane C orporation ,Beijing 100011Abstract :C BM well pattern optimization is the key issue for C BM development.Proper well pattern can have a g ood effect on well productivity.But bad well pattern ca

3、n make a C BM project ineffective.This article pro 2vides the principles and methods ,of well pattern optimization ,lists exam ples to calculate well spacing ,on the basis of Shanxi Block ,gives optimization design to guide C BM development.K eyw ords :C BM development ;well pattern ;well pattern op

4、timization ;well spacing煤層氣井網優化與部署是煤層氣開發方案的重要組成部分,也是開發工程中的關鍵環節,科學、合理的井網部署可以不僅保障煤層氣開發的順利實施,而且可以有效利用煤層氣資源,提高煤層氣采收率與經濟效益。我國地面煤層氣開發的主要井型仍以垂直井為主,垂直井開發在前期的勘探開發實踐中取得了一定的成功,目前已成為沁南地區煤層氣規模化商業開發的主體技術。潘河示范工程一期的生產試驗證實,采用直井開發方式,平均單井產量可達3400m 3/d 以上。根據近幾年實踐和認識,本文主要探討的是垂直井的井網優化技術。1國內外煤層氣開發井網根據國內外煤層氣開發過程中井網的特點,煤層氣井

5、網系統主要采用矩形、菱形等,單井控制面積在01090164km 2之間,如表1所示。國內外主要煤層氣田的開發井網情況如下。(1圣胡安盆地位于美國科羅拉多州西南部和新墨西哥州的西北部,煤層厚而廣、中-高的氣體含量、中-低的煤階、適度的煤層滲透率、中-高的水產量、煤層超高壓、煤層上下巖層的封閉性好。該盆地開發井距為0165km 2(160英畝,井距相對較大,這是由于該盆地煤儲層滲透率較高,泄作者簡介楊秀春,女,地質工程師,中國礦業大學(北京博士研究生,主要從事煤層氣勘探開發領域的研究工作。第5卷第1期中國煤層氣V ol 15N o 112008年1月CHI NA C OA LBE D METH A

6、NE Jan 12008氣面積相應較大,因此,采用較大井距不會導致采收率降低,同時可以達到降低費用的目的。(2粉河盆地位于美國懷俄明州東北部和蒙大拿州東南部,早期的煤層氣井的單井控制面積為0116km2(40英畝。隨著開發程度提高,對井網做出相應的調整,0132km2(80英畝變成了標準控制面積。該盆地煤層滲透率很高,一般為10 500md,部分地區試井滲透率甚至高到1000md,因此,有學者認為0164km2(160英畝應該是最佳控制面積。(3黑勇士盆地位于美國阿拉巴馬州,煤層的單層最大厚度為214m,單井最大總煤層厚度為716m,煤階最高為低揮發分煙煤,煤層為常壓或欠壓狀態,含氣量約為62

7、0m3/t。其中的橡樹林(Oak G rove煤層氣田,以25英畝(011km2的井距生產,生產10多年后,中心井煤層氣采收率為73%。在0116km2(40英畝井網的條件下,中心井生產10年以后可采出60%的地質儲量,0132km2 (80英畝井網,則采收率為50%,0164km2(160英畝井網,則采收率為29%。(4加拿大阿爾伯塔煤層含氣量約為2 14m3/t,滲透率2030md,實際生產采用井距為3 4口井/km2。(5國內煤層滲透率普遍相對較低,因此煤層氣井距比國外要小。沁南棗園試驗井組,采用400m450m的井網;目前已經生產近十年,其中的T L2003井產氣量仍然維持在2000m

8、3/d;沁南潘河先導性試驗工程采用300m300m的井網,生產效果良好,目前平均單井產氣量為3400m3/d;潘莊項目煤層氣開發井網采用300m350m的井網。表1國內外煤層氣盆地儲層特征以及開發井網對比盆地開采深度(m滲透率(md含氣量(m3/t井距(m采收率(%圣胡安150450305012172080080065粉河15050010500016540040060060070尤因塔400137052041380080050拉頓150120011031480080055黑勇士50012006206204004006006005060阿爾伯特200800203021460080055蘇拉特20

9、080010253960080050沁水25010000101352730030040040054阜新55085001472131612500450/2開發井網部署的原則煤層氣井網的部署與常規天然氣井網有許多共性,但由于兩者賦存機制的差異,又有不少差別?？茖W、合理、經濟、有效的井網部署應以提高煤層氣動用儲量、采收率、采氣速度、穩產年限和經濟效益為目標。煤層氣開發的井網部署應考慮三個方面的因素:地質因素、經濟效益、開發要素1。211地質因素不同的煤層氣地質條件下,井網部署特點不同,主要考慮的煤儲層因素是:裂縫發育特征和方位、滲透率、煤層氣含量、煤層氣資源豐度等。構造走向和裂縫發育方位決定井網方位

10、;資源豐度和滲透率條件決定不同的井網密度,應尋找煤層氣含量高的地區,進行井網部署。212開發要素(1分步實施、均衡開采在平面上,井網部署應有計劃地按階段分步實施,滾動開發,實現氣藏的均衡開采。與常規天然氣開發中盡量避免井間干擾效應產生的原則不同,煤層氣開發井網則要求盡快實現井間壓力干擾效應,才能充分動用儲量,提高采收率。先導性試驗階段,井網部署的原則,應該使試驗井組的各井之間,在盡量短的生產試驗期內,達到最大井間干擾程度。一般理想的先導性試驗階段為412個月。因此先導性試驗階段井組的井距以41中國煤層氣第1期小于規模生產井為宜,用儲層模擬軟件作為輔助依據,確定井距。較小的井距可以使各井間產生更

11、強烈干擾效應,可以盡快觀察到試驗效果2。全面開發階段,生產井網的井距應大于先導性試驗階段。這樣,單井可以控制更大的面積,即控制更多的儲量,使單井總產量增大,降低投資,從而獲得更大的經濟效益。(2開發層系有效組合各層系應做到整體規劃、立體開發。層系劃分和井網部署上既要考慮每套層系各自開發的要求,又要綜合考慮層系接替和一井多層開采的方式。(3合理采氣速度煤層氣田開發設計一般要求在15年左右采出可采儲量的50%60%,初期采氣速度應達到3 4%以上,井網密度必須滿足這一基本要求。213經濟效益要求單井控制儲量不能低于單井經濟極限控制儲量。井網密度應小于經濟極限井網密度,在最優井網密度與經濟極限井網密

12、度之間選擇合理值。因此,合理的井網井距需要綜合各項研究成果確定,既要滿足采氣速度的要求,經濟上還要可行。在上述綜合分析的基礎上,借助現代化數值模擬手段,確定具體的井距。3開發井網優化的要素與方法煤層氣開發井網優化要素通常包括:井網樣式(井間平面幾何形態、井網方位和井網密度等。井網密度大小是井網優化過程中需要反復論證的,其方法也有多種。根據國內煤層氣開發的實際情況,并借鑒常規油氣井網優化的一些算法,本文選取了適宜煤層氣井網優化的一些方法:合理控制儲量法、經濟極限井距法、模擬法、規定產能法等。311井網樣式合理的井網布置樣式,可以大幅度地提高煤層氣井產量,降低開發成本。煤層氣井井網布置樣式通常有:

13、矩形井網、五點式井網等。矩形井網:要求沿主滲透和垂直于主滲透兩個方向垂直布井,且相鄰的四口井呈一矩形。矩形井網規整性好,布置方便,多適用于煤層滲透性在不同方向差別不大的地區;矩形井網布井的主要缺陷表現在相鄰4口井的中心位置,壓力降低的速度慢、幅度小,導致排水采氣的效率低,可能造成該區域的煤層氣資源無法采出。正方形井網屬于矩形井網的一種特殊形式。菱形井網:該井網類型要求沿主滲透方向和垂直于主滲透兩個方向垂直布井,在四口井中心的位置,加密一口煤層氣開發井,使相鄰的四口井呈一菱形,主要是針對矩形井網的一種補充或者完善形式。該布井形式的最大優點是在煤層氣開發排水降壓時,在井與井之間的壓力降低比較均勻,

14、可以達到開發區域同時降壓的目的。312井網方位井網方位的確定通常根據壓裂裂縫方位和主導天然裂隙方位,將矩形井網的長邊方向與天然裂隙主導方向平行或與人工壓裂裂縫方向平行。煤層中的天然裂隙是影響煤層滲透性的重要因素,因此煤中裂隙的主要延伸方向往往是滲透性較好的方向;人工壓裂裂縫可以改善天然裂縫,使其更好的溝通,壓裂裂縫主導方位多沿垂直于現今最小主應力方向延伸。313井網密度井網密度涉及到氣田開發指標和經濟效益的評價,是氣田開發的重要參數,其大小與井型和井間距大小有關。井網密度的大小取決于儲層的性質和生產規模對經濟性的影響以及對采收率的要求,當它與資源條件、裂縫長度等相匹配時,才能獲得較高的效益。因

15、此產生了極限井網密度、合理井網密度以及最優井網密度的概念:經濟極限井網密度:總產出等于總投入,總利潤為零時的井網密度。超過此密度界限,則發生虧損。最優井網密度:當總利潤最大時的井網密度。合理井網密度:實際井網部署應在最優井網密度與經濟極限井網密度之間選擇一個合理值。比較實用的預測與計算煤層氣井網密度的方法主要有以下幾種:(1單井合理控制儲量法3開發井距的確定應當考慮單井的合理控制儲量,使高豐度區單井控制儲量不會過大,而低豐度區單井控制儲量應大于經濟極限儲量。在此基礎上,根據資源豐度,進一步求取井距或井網密度。Gg=dqtNEr(1式中:Gg單井控制地質儲量,m3;q穩產期內單井平均產能,m3/

16、d;d每年產氣天數取330天;51第1期煤層氣開發井網部署與優化方法t氣藏穩年限,年;N穩產期末可采儲量采出程度;Er氣藏采收率。(2經濟極限井距單井經濟極限控制儲量一口煤層氣井從鉆井到廢棄時支出的總費用包括:鉆井、儲層改造、地面建設、采氣成本等方面。要想取得經濟效益,其總費用應該大于銷售收入,這要求具備足夠的儲量,即單井控制經濟極限儲量,它是選擇合理井距的一個重要經濟指標。Gg=C+TPAgEr(2式中:Gg單井控制經濟極限儲量,m3;C單井鉆井和氣建合計成本(包括鉆井、儲層改造、地面建設系統工程投資分攤,元/井;P單井年平均采氣操作費用,元/年井;T開采年限,年;Ag煤層氣售價,元/m3。

17、經濟極限井距由于經濟極限井距的大小同時受資源豐度的影響很大,在不考慮井網密度對于采收率的影響時,根據單井控制經濟極限儲量,可以算出經濟極限井距。經濟極限井距如下式:D=GgF(3式中:D經濟極限井距,m;F資源豐度,億m3/km3。(3規定單井產能法設一個氣藏地質儲量,規定了一定的產能,則可以求得單位面積上的井數:n A =GV330q(4式中:G氣藏地質儲量,億m3;A含氣面積,km2;Vg平均年采氣速度;q單井平均產能,m3/d;氣井綜合利用率;n氣藏開發所需要的井數。(4經濟極限-合理井網密度法當資金投入與產出效益相同時,即氣田開發總利潤為0時,對應的井網密度計為經濟極限井網密度:S P

18、 AC min=aG(1-Ta(ErAg-PAC(1+RT/2(5式中:S P AC min經濟極限單位含氣面積上的井數;A含氣面積,km2;G煤層氣探明地質儲量,億m3;Ag煤層氣售價,元/m3;C單井鉆井和氣建總投資,萬元/井:(包括鉆井、儲層改造、地面建設系統工程等分攤投資;Er煤層氣采收率;T評價年限,年;P平均采氣操作費用,元/m3;R貸款利率;A商品率;Ta稅收率。如果選用合理利潤LR=0115AgEr,考慮資金與效益產出因素,當經濟效益最大時的井網密度為氣田的最佳經濟井網密度:S P ACa=aG(1-Ta(ErAg-P-LRAC(1+RT/2(6氣田的實際井網密度應在最佳井網有

19、與極限井網密度之間,并盡量靠近最佳井網密度,可采用加三差分法:S P AC=S P ACa+(S P AC min-S P ACa3(7(5數值模擬法油藏數值模擬的基本原理是根據煤層氣賦存特征,以及生產排采過程中的滲流特征,建立合理的地質模型以及數學模型,煤層氣在煤儲層中的賦存可以用蘭氏等溫吸附模型來描述,在煤層微孔隙系統中的擴散是氣體遷移的主要方式,遵守Fick定律,煤層氣擴散進入割理孔隙系統,產生氣水兩相流動,符合達西流動。在綜合地質研究以及儲層評價的基礎上,利用先進的儲層數值模擬軟件,模擬多種不同井網的煤層氣產能動態,研究井距對于長期產期的影響。并根據模擬結果,綜合對比多個指標,如單井累

20、積產量、單井服務年限、高峰期、采收率等,在此基礎上,進行井距優選。4沁南煤層氣田潘河區塊井網優化設計411煤層氣地質特征61中國煤層氣第1期潘河區塊煤層氣目的層為3#煤層,厚度為6m 左右,埋深在300500m。區塊面積為30km2,氣藏探明地質儲量為45億m3,煤層氣資源豐度變化范圍1118m3/km2,平均為115m3/km2。開發方案初步設計的氣藏單井服務期15年,穩產期為8年,穩產期內單井平均日產量為2000m3/d,假設穩產期末可采儲量采出程度為6215%,氣藏采收率為54%。利用上述優化流程和方法手段,對沁南煤層氣田潘河進行了井網優化。412井網樣式該區具有構造簡單、地層平緩、煤層

21、埋藏淺、煤層厚度大、分布穩定、壓裂裂縫總體方向北北東和山地丘陵地貌等特點,適當考慮地形的影響,沿主要裂隙走向和垂直于主要裂隙走向兩個方向采用正方形井網布置。413井網方位從區塊的天然裂隙主導方向和人工壓裂裂縫延展方向看,基本呈北東向。煤礦井下煤層裂隙測量資料表明,煤層裂隙走向發育方向以150160為主,其次為110120和6070。壓裂人工裂縫優勢方位為60120。結合地形地貌走勢,本次實際井網方位確定為N60E方向和N30W,沿此方向進行布線、布井。414井間距優化分別利用五種方法進行計算:(1單井合理控制儲量法對于資源豐度、產能規劃不同的地區,井網部署存在三種變化:高產煤層氣井位于煤層氣資

22、源豐度高(116億m3/km2的地區,穩產期內單井產能為2500m3/ d,氣藏穩產期為8年,穩產期末可采儲量采出程度為6215%,氣藏采收率為54%,則單井控制地質儲量為01195億m3,可求得單井泄氣面積0112km2,以正方形井網進行開發部署,則井距為350m350m。對于低豐度高產井區,井距則應加大,資源豐度112m3/km2的地區,穩產期內單井產能為2500m3/d,則單井控制地質儲量為01195億m3,以正方形井網部署,井距為400m400m。對于低豐度較低產井區,資源豐度為019m3/km2的地區,穩產期內單井產能為2000m3/ d,則單井控制地質儲量為01157億m3,因此可

23、求得單井泄氣面積01175km2,以正方形井網部署,則井距為420m420m。(2經濟極限井距單井鉆井和氣建合計成本采用170萬元/井,單井年平均采氣操作費用1617萬元/年井,開采年限15年,煤層氣售價111元/m3,煤層氣采收率0154。則單井控制經濟極限儲量為0107億m3,在資源豐度為115億m3/km2,則單井經濟極限控制儲量面積010466km2,相應的經濟極限井距為216m 216m。(3規定單井產能法氣藏地質儲量45億m3,含氣面積為30km2,采氣速度為318%,平均單井產能為2000m3/d,氣井綜合利用率95%,則氣藏開發所需要的井數共為264口,單位含氣面積上的井數為8

24、18口井/ km2,單井控制面積為011136km2,正方型井網井距為:337m337m。(4經濟極限-合理井網密度法單井鉆井和氣建總投資為170萬元/井,平均采氣操作費用為0134元/m3,稅收率為0113,商品率為0195,貸款利率為7111%。計算得到經濟極限井網密度SPACmin為11口井/km2。如果選用合理利潤為01089,最佳經濟井網密度SPACa為8158口井/km2。則氣田合理井網密度為910口井/ km2。(5數值模擬法本文主要是應用加拿大C ME數值模擬軟件對山西某區塊模擬,分別對350m400m、350m350m、300m300m、250m300m四種井間距進行模擬,井

25、間距過小時,產能變化趨勢表現為,產氣高峰期到達時間較早,井間干擾效應產生時間短,排采早期產量上升較快,但后期產量下降也較快;井間距過大時,產氣高峰期到達時間晚,井間的干擾效應遲遲無法產生,排采早期產量較低,但后期產量相對較高;只有在合適的井間距時,井的產能變化趨勢比較理想,在排采23年達到井間干擾,產氣量達到高峰值,并且穩定產氣時間長,而且在生產井服務期內,累積產氣量最高。對比單井服務年限、高峰期到達時間、高峰期產量、穩產時間、最終采收率等因素,以井距以300m300m為最佳,如表2所示。(下轉第4頁71第1期煤層氣開發井網部署與優化方法4 中 國 煤 層 氣 1 期 第 記者 : 除了您提到

26、的這些新舉措 , 在政策落實 方面 , 那些工作還需加強 ? 吳吟 : 在政策措施方面 , 要進一步貫徹落實 國務院辦公廳關于加快煤層氣 ( 煤礦瓦斯 抽采 利用的若干意見 ( 國辦發 2006 47 號 和國 家安全生產監管總局國家煤礦安監局關于加強煤礦 瓦斯先抽后采工作的指導意見 督促各地制定 , 2008 - 2010 年煤礦瓦斯治理和抽采利用規劃 , 明確 目標任務和保障措施 , 全面加強先抽后采 , 努力提 高抽采率 , 逐步實現煤層氣開發 、瓦斯抽采與煤炭 生產同步 。完善配套措施和具體操作辦法 , 推進稅 收優惠 、發電上網 、電價補貼 、財政補貼 、煤炭與 煤層氣綜合勘探開采

27、、擴大煤層氣對外合作等各項 政策落實到位等一系列工作 。 記者 : 近年來中國對國際能源市場依賴程度日 漸加大 , 已成為石油 、液化天然氣的純進口國 , 煤 層氣開發利用有助于改善能源結構 。在促進煤層氣 產業基地建設等方面 , 今年如何打算 ? 吳吟 : 按照煤層氣 ( 煤礦瓦斯 開發利用十 一五規劃 到 2010 年全國煤層氣產量將達 100 億 , 立方米 , 其中地面抽采煤層氣 50 億立方米 , 井下 抽采瓦斯 50 億立方米 ; 利用 80 億立方米 , 其中地 面抽采煤層氣利用 50 億立方米 , 井下抽采瓦斯利 用 30 億立方米 。2008 年還將繼續組織實施煤層 氣 (

28、煤礦瓦斯 開發利用 “十一五”規劃 完成 , 沁水盆地 、鄂爾多斯盆地東緣等煤層氣整體開發規 ( 上接第 17 頁 表2 煤層氣數值模擬井網優選指標 井網方案 250 250m 300m 300m 350m 350m 350m 400m 劃發布工作 , 著力建設沁水盆地和鄂爾多斯盆地東 緣兩大煤層氣產業化基地 。加快潘莊 、柿莊南等區 塊進入規?；_發 , 加快推動端氏 晉城 博愛和 端氏 沁水兩個煤層氣管道項目建設 , 力爭 2008 年建成投入運營 。 記者 : 發展煤層氣產業 , 技術是關鍵 , 政府在 推進關鍵技術 、建設示范工程方面是否有具體的規 劃? 吳吟 : 是的 , 為了加快關鍵技術攻關 , 今年將 繼續推進煤層氣開發利用國家工程研究中心建設 , 舉辦主題為防治煤與瓦斯突出的第二屆煤礦瓦斯治 理與利用技術國際研討會 , 促進新技術 、新裝備 、 新