多压力系统气藏合采物理模拟研究进展评述.pdf
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1、多压力系统气藏合采物理模拟研究进展评述李奇贤1,2,许江3,彭守建3,霍中刚2,舒龙勇2,闫发志4(1.煤炭科学研究总院有限公司,北京100013;2.煤炭科学技术研究院有限公司,北京100013;3.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;4.太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原030024)摘要:多压力系统气藏合采是提高叠置含气系统开发效率的重要举措之一,但特殊成藏背景导致合采效果并不理想,多压力系统气藏合采与高效开发机理是制约叠置含气系统高效勘探开发的关键科学问题。本文聚焦于多压力系统气藏合采,将合采物理模拟类型详细划分为煤层气和非煤层气两个领域进行单独阐述
2、,从试验装置功能与特色、合采认识、存在问题等方面明确了多压力系统气藏合采物理模拟研究现状。首先,分析了现有物理模拟试验装置功能与特色,发现大尺度物理模拟试验装置可以很好的消除或弱化由并联岩心夹持器方式构建合采模型所带来的储层试样单一,监测数据手段和应力加载形式单一等问题,多压力系统合采物理模拟试验装置的发展方向应为真三维非均布复杂地应力状态下大尺度非均质多类型储层试样,相邻储层之间流体压力的传递特性、层间窜流行为以及多相态天然气共生等特性应该被考虑;在此基础上,深入总结了多压力系统合采效果对储层物性的敏感性,层间压差、渗透性、有效应力、含水饱和度等因素差异均有可能诱发合采流体干扰和储层产气伤害
3、,优化合采制度可能是降低合采流体干扰和储层产气伤害的途径。综上分析认为,下一步研究应重点关注为探究低孔低渗、气水两相渗流、多相态天然气共生和多类型储层共存等诸多特性耦合对合采流体干扰诱导储层-井筒合采流场动态演化规律的影响,明确不同相态流体侵入对合采储层的储层伤害及其作用机理,揭示考虑合采流体干扰效应的层间窜流与井筒管流耦合流动特征。关键词:煤系气;多压力系统;叠置含气系统;合采;物理模拟中图分类号:P618.11文献标志码:A文章编号:02532336(2023)09014911Review on the progress for physical simulation for gas re
4、servoirs co-production inmulti-pressure systemLIQixian1,2,XUJiang3,PENGShoujian3,HUOZhonggang2,SHULongyong2,YANFazhi4(1.Chinese Institute of Coal Science,Beijing 100013,China;2.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.State KeyLaboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqi
5、ng University,Chongqing 400044,China;4.College of Safety andEmergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:Thegasreservoirsco-productioninmulti-pressuresystemisoneoftheimportantmeasurestoimprovethedevelopmenteffi-ciencyofthesuperposedgas-bearingsystem
6、s.However,theco-productioneffectisnotidealduetothespecialreservoirformingback-ground.Themechanismofco-productionandhigh-efficientdevelopmentofthemulti-pressuresystemhasbecomeankeyscientificprob-lem,whichrestrictstheefficientexplorationanddevelopmentofsuperposedgas-bearingsystems.Thispaperfocusesonth
7、egasreservoirsco-productioninmulti-pressuresystem,anddividesthephysicalsimulationtypesofco-productionintotwoseparatefields:coalbedmeth-aneandnoncoalbedmethane.Itclarifiesthecurrentresearchstatusofgasreservoirsco-productioninmulti-pressuresystemfromtheas-收稿日期:20221030责任编辑:黄小雨DOI:10.12438/cst.2022-122
8、5基金项目:国家科技重大专项资助项目(2016ZX05044002);国家自然科学基金资助项目(52074047);中国博士后科学基金面上资助项目(2023M731491)作者简介:李奇贤(1990),男,河北邯郸人,博士。E-mail:通讯作者:许江(1960),男,湖南永兴人,教授,博士。E-mail:第51卷第9期煤炭科学技术Vol.51No.92023年9月CoalScienceandTechnologySept.2023地球科学与测绘李奇贤,许江,彭守建,等.多压力系统气藏合采物理模拟研究进展评述J.煤炭科学技术,2023,51(9):149159.LIQixian,XUJiang,
9、PENGShoujian,et al.Reviewontheprogressforphysicalsimulationforgasreservoirsco-productioninmulti-pressuresystemJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(9):149159.149pectsofdevicefunctionsandcharacteristics,understandingofco-production,andexistingproblems.Firstly,thelarge-scalephysicalsimu-lationtestdevicec
10、aneffectivelyeliminateorweakentheproblemsofhomogeneoussingle-typereservoirsamples,singlemonitoringdatameansandsinglestressloadingformcausedbyparallelingmultiplecoregripperstobuildthephysicalsimulationmodel.Thedevelop-mentdirectionofthephysicalsimulationforco-productioninmulti-pressuresystemshouldbet
11、oachievetruethree-dimensionalhetero-geneouscomplexin-situstressstateoflarge-scaleheterogeneousmulti-typereservoirsamples.Thecharacteristicsoffluidpressuretrans-missionbetweenadjacentreservoirs,theinter-layercrossflow,themulti-phasenaturalgassymbiosisshouldbeconsidered.Onthisbasis,thesensitivityofco-
12、productionofmulti-pressuresystemtoreservoirphysicalpropertieswasdeeplysummarized.Thedifferencesininter-layerpressuredifference,permeability,effectivestress,watersaturationandotherfactorsmayinducethefluidinterferenceandreservoirgasproductiondamage,andoptimizingco-productionstylemaybeawaytoreducethefl
13、uidinterferenceandreservoirgasproductiondamage.Intotally,thenextresearchshouldfocusonexploringtheinfluenceofthecouplingeffectoflowporosityandlowpermeability,gaswatertwo-phaseflow,multiphasegassymbiosisandcoexistenceofmultipletypesofreservoirsonthedynamicevolutionlawofreser-voir-wellboreflowfieldindu
14、cedbyco-productionfluidinterference,clarifyingthereservoirdamageanditsmechanismofdifferentphasefluidintrusionsonthereservoir,andrevealingthecouplingflowcharacteristicsofinter-layercrossflowandwellborepipeflowconsider-ingthefluidinterferenceeffect.Key words:coalmeasuresgas;multi-pressuresystem;superp
15、osedgas-bearingsystems;co-production;physicalsimulation0引言煤系叠置含气系统在我国鄂尔多斯盆地、沁水盆地、黔西滇东地区广泛分布,天然气储量巨大,是近年来倍受关注的天然气勘探开发新领域1。煤系叠置含气系统使储层总厚度较大、资源丰度较高,决定了多层合采技术成为多煤层发育地区提高煤系气开发效率、获取最佳经济效益的重要举措之一2-3。另一方面,叠置含气系统表现为同一煤系内部垂向上发育 2 套及 2 套以上地层流体压力系统相互独立的含气系统4,多层叠置的资源禀赋致使多层合采条件下出现产气量发生大幅度衰减,同时现阶段煤系气开发工艺技术应用性差,限制了
16、煤系气资源的释放5-6。现阶段,中国仍以单一气藏开发为主,煤系气合采尚处于探索阶段,鄂尔多斯盆地东缘韩城、延川南、吴堡、柳林以及沁水盆地南部潘庄、樊庄、成庄、北部寿阳、黔西-滇东地区等区块的煤层气合采案例整体开发效果也并不理想2。煤系气泛指煤系中赋存的各类天然气,仅是一个基于储层成因类型或地质载体做出的矿产资源定义。煤系气以煤系内生内储腐殖型气为主,源储同层或源储异层,可概括为内生自储、内生它储两大基本类型,包括煤层气和煤系砂岩气、页岩气以及煤系碳酸盐岩气等7,我国煤系气尚未实现规模化商业开发突破8。表明叠置含气系统合采致使煤系气产气过程中的兼容性差异明显、层间矛盾突出,合采工艺实施难度加剧9
17、,多压力系统气藏合采与高效开发机理是制约煤系气高效勘探开发的关键科学问题之一。目前,关于多压力系统合采的研究手段主要有物理模拟法、试井分析法和数值模拟法,三者手段各有利弊,互相补充。煤系气地质条件比较复杂,试井分析开展具体研究存在一定困难,数值模拟中必然存在若干假设和因素缺省,也无法考虑不可预见的地质工程因素10,而物理模拟试验手段是研究工程问题的重要科学研究方法。尽管无法较为全面系统再现现场合采现象,正是物理模拟的最大缺陷,需要数值模拟予以协同,但其具有易控制、可重复,且省人力、物力的优点。因此,多压力系统煤系气合采物理模拟手段成为探究煤系气合采工艺技术的重要技术手段。我国研究者围绕多压力系
18、统气藏合采物理模拟开展了研究工作。立足于此,分析评述该领域物理模拟研究进展,以期深化汇总多压力系统气藏合采物理模拟试验装置成果,推动气藏合采理论发展和资源的高效开发利用。1多压力系统物理模拟试验装置依据模拟类型,将相关物理模拟试验装置划分为煤层气领域(表 1)与非煤层气领域 2 个类型(表 2)。1.1煤层气领域双层煤层气藏合采解吸模拟试验装置由气源供给系统、储层模拟系统、流量测量系统和井底压力模拟系统组成(图 1)。该装置结合了多层煤层气藏特征和多层合采产特征,实现了对各合采储层和各储层井底压力的同时模拟11。双层煤层气合采物理试验装置由气源供给系统、压力调节系统、流量监测系统、储层模拟系统
19、和井筒模拟系统 5 大系统组成(图 2)。该装置中井筒模拟系统中的两条气体流通之路的汇合之处为层间干扰发生创造了场所,并通过正反向流量计监测上下层的正反向流量12-13。多层叠置气藏联合开发试验装置由注入子系统、2023年第9期煤炭科学技术第51卷150真空子系统、储层子系统、回压子系统、分离和计量子系统、温度与压力控制子系统和数据采集与处理子系统组成(图 3)。该装置可模拟高温高压条件下多层叠置气藏煤层气合采过程中的气体和水流动过表 1 煤层气领域多层合采物理模拟试验装置统计Table 1 Statistics of physical simulation devices of multi-
20、layer co-production in coalbed methane field相关文献模拟类型研究区块气藏类型试件尺寸监测数据文献11双层合采阜新刘家区煤层气田煤层气藏h:2560fg、P文献12-13滇东老厂区块煤层气藏h:2550fg、P文献14黔西织金区块煤层气藏h:2550fg、fw、P文献15-16滇东黔西地区煤层气藏d:10050fg、P文献17某气田煤层气藏h:2560fg、P文献18某气田煤层气藏小尺度fg、P文献19-20某气田煤层气藏小尺度fg、fw、P文献等1,21-22四层合采沁水盆地煤系气藏:25和38fg、P文献等23-29贵州金佳煤矿煤层气藏dwh:10
21、50400400fg、P、S、D、T注:、d、w和h分别为直径、长度、宽度、高度,单位为mm;fg、fw、P、S、D和T分别为气体流量、液体流量、压力、应力、变形、温度。表 2 非煤层气领域多层合采物理模拟试验装置统计Table 2 Statistics of physical simulation devices of multi-layer co-production in non coalbed methane field相关文献模拟类型研究区块气藏类型试件尺寸监测数据文献30双层合采某气田低渗气藏h:38mm200mmfg、P文献31鄂尔多斯盆地大牛地气田低孔低渗气藏h:250mmfg
22、、P文献32-34鄂尔多斯盆地临兴地区致密砂岩/页岩气藏:25mmfg、P文献35鄂尔多斯盆地大牛地气田致密砂岩气藏h:25mm33mmfg、P文献36苏里格气田致密砂岩气藏:25mmfg、P文献37鄂尔多斯盆地苏里格气田致密砂岩气藏h:36mm390mmfg、fw、P文献38-39三层合采柴达木盆地涩北气田某类气藏:70mm和100mmfg、P文献40-41鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏h:25mm60mmfg、P文献42-43四川盆地安岳气田缝洞型碳酸盐岩气藏h:25mm40mmfg、P文献44鄂尔多斯盆地临县地区致密砂岩气藏h:25mm75mmfg、P文献45四层合采某气田致密砂岩气藏h:65
23、mm100mmfg、P文献46某气田致密砂岩气藏h:65mm100mmfg、Ppppp21较浅埋深储层较深埋深储层12111314151617181920高压氮气瓶;减压阀;截止阀;压力传感器;岩心加持器;围压模拟系统;质量流量控制器;回压泵;真空泵图1双层煤层气藏合采解吸模拟试验装置11Fig.1Physicalsimulationdeviceforcombineddesorptionofdouble-layercoalbedmethanereservoirs11李奇贤等:多压力系统气藏合采物理模拟研究进展评述2023年第9期151程,实现了对流入和流出储层试件的气体流量和水流量单独测量14
24、。多煤层组合开发物理模拟试验装置由轴压加载系统、围压加载系统、供气系统、采气系统、数据测量系统和数据采集系统 6 部分组成(图 4),其为了更符合实际地层的情况,相邻煤层之间使用的透气性材料使得层间窜流能够均匀地进行,可模拟多煤层气藏合采过程流体在单层内和多煤层之间的流动过程15-16。多储层产量伤害物理模拟系统以“等当气井产量”测试基准,由供气装置、岩芯柱塞夹持器组、压力表、流量表、温度表、连接管线、气体汇集容器以及数据存储计算机等组成,并形成了高压独立气源模块、独立岩样模块、井筒测试模块和可拆卸模块四大模块(图 5),煤层气合采产量涉及储层压力、温度、流量等数据,都可以在系统中设置。该装置
25、能够以恒压法或恒流量法替代传统渗透率测量,模拟多岩性储层不同压力下同时进入井筒的流体流动状态1,21-22。多场耦合叠置含气系统煤层气开采物理模拟试验装置主要由真三轴动力加载单元、试验控制与数据采集单元、煤储层模拟单元、独立注汽单元、煤层气开采单元和冷压成型单元组成(图 6),其中,煤储-1-2气源供给系统流量监测系统压力调节系统121113141617181920212223-115-21515增压泵;高压气瓶;压力表;夹持器;温度计;围压表;-1、-1向流量表;-2、-2反向流量表;井筒;总流量表;套压表;阀门图2双层煤层气合采模拟试验装置13Fig.2Physicalsimulation
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