摘要：羽狀多分支井在煤層氣開(kāi)采中具有巨大的潛力，其井型的優(yōu)化布置是多分支井成功開(kāi)發(fā)煤層氣的關(guān)鍵。目前在煤層氣羽狀多分支井產(chǎn)能預(yù)測(cè)和井型優(yōu)化這方面的研究并不多，給現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)造成了困難。為此，以多分支井產(chǎn)能數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ)，研究了多分支井的分支角度、分支間距和分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：為了獲得較高的產(chǎn)能，多分支井的井筒應(yīng)垂直于最大主滲透率方向；對(duì)于給定的煤層氣藏，存在一個(gè)最優(yōu)的分支間距，既能保證較大的控制面積，又能保證分支間的互相影響；隨著分支長(zhǎng)度的增高，產(chǎn)氣量也顯著增大，但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響，分支長(zhǎng)度也應(yīng)該有一個(gè)比較合理的值。

關(guān)鍵詞：煤層氣；開(kāi)采；羽狀多分支井；角度；間距；長(zhǎng)度；優(yōu)化；類(lèi)型

   羽狀多分支井是指在一個(gè)主水平井眼的兩側(cè)再鉆出多個(gè)分支井眼作為泄氣通道的氣井，它是在常規(guī)水平井和分支井的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。為了提高煤層氣井的產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)外已將羽狀水平井技術(shù)逐步用于煤層氣的開(kāi)發(fā)，成效顯著。

    國(guó)內(nèi)雖然對(duì)多分支井的產(chǎn)能進(jìn)行了一些研究^[1～2]，但是沒(méi)有深入分析多分支井的井身結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響。為此筆者針對(duì)目前煤層氣開(kāi)發(fā)中應(yīng)用比較廣泛的羽狀多分支水平井，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算的方法研究了分支井的井身結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響，對(duì)多分支井的優(yōu)化布置具有一定的指導(dǎo)意義。

   煤層氣的流動(dòng)包括3個(gè)過(guò)程：甲烷從煤表面解吸；甲烷通過(guò)煤基質(zhì)和微孔隙的擴(kuò)散；甲烷通過(guò)割理系統(tǒng)的達(dá)西滲流。

    1) 甲烷從煤表面解吸的過(guò)程可以利用朗格繆爾等溫吸附方程描述，即

 

式中：V_m為壓力p下單位體積固體所吸附的氣體體積，m³/m³；V_max為朗格繆爾吸附常數(shù)，m³/m³；b為朗格繆爾壓力常數(shù)，也是朗格繆爾壓力的倒數(shù)，MPa^-1；p為氣體壓力，MPa。

2) 煤層甲烷在煤基質(zhì)和微孔隙中的擴(kuò)散遵循Fick定律，即

 

式中：為氣體體積流量，m³/(d·m³)；%為平衡吸附等溫線(xiàn)值(標(biāo)準(zhǔn))，m³/m³。

    3) 煤層甲烷在割理系統(tǒng)中的流動(dòng)為達(dá)西滲流。

    綜合考慮煤層甲烷在煤層中的3種流動(dòng)，二維煤層氣非平衡擬穩(wěn)態(tài)井底滲流控制方程可表示如下^[3]：

 

式中：α為單位轉(zhuǎn)換常數(shù)；K_c為煤層絕對(duì)滲透率，μm²；μ_g為氣體的黏度，Pa·s；μ_w為水的黏度，Pa·s；B_g為氣體的體積系數(shù)；B_w為水的體積系數(shù)；p_cw為煤層割理系統(tǒng)水相壓力，MPa；ρ_cw為煤層割理系統(tǒng)氣相壓力，MPa；q_w為煤層水產(chǎn)量(標(biāo)準(zhǔn))，m³/(d·m³)；q_g為煤層氣產(chǎn)量(標(biāo)準(zhǔn))，m³/(d·m³)；S_cw為水相飽和度；S_cg為氣相飽和度；φ_c為煤層割理系統(tǒng)孔隙度。

 

    關(guān)于煤層吸附特性(Langmuir吸附壓力和吸附體積)和儲(chǔ)層特性(滲透率、裂隙孔隙度、含氣量、煤層厚度等)對(duì)煤層氣多分支井生產(chǎn)的影響，相關(guān)報(bào)道已經(jīng)比較多^[4～6]，但是井型結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響，研究還不成熟。筆者利用編制的煤層氣多分支井?dāng)?shù)值模擬軟件結(jié)合遼河油田某煤層氣礦實(shí)際地質(zhì)資料對(duì)這方面進(jìn)行了研究，模擬所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：埋深800m，煤層厚度5m，煤層原始?jí)毫?.53MPa，煤層滲透率0.25×10^-3μm²，煤層壓縮系數(shù)8.1×10.4MPa^-1，吸附時(shí)間4d，朗格繆爾壓力2.31MPa，朗格繆爾吸附常數(shù)38.5m³/m³，含氣量10～12m³/t，原始?xì)怏w體積濃度30m³/m³，水平井段半徑0.2m，水平井段主枝長(zhǎng)度1200m，分支數(shù)為8。

    應(yīng)用上述基本數(shù)據(jù)，假設(shè)井筒總長(zhǎng)度相同，單側(cè)分支長(zhǎng)度分別為200、300、400m和500m，在設(shè)定分支間距都為200m的情況下，分別給出30°、60°、90°的分支與主支夾角(圖1)。從圖2可以看出，90°時(shí)開(kāi)采效果最好，這是因?yàn)?0°時(shí)，井筒垂直于最大主滲透率的方向，效果較好。60°和30°次之，但是總的開(kāi)采效果變化不大。因此，為了獲得較高的產(chǎn)量，應(yīng)盡量使分支井的井筒垂直于最大主滲透率方向。

    設(shè)定分支與主支的夾角均為30°，單側(cè)分支長(zhǎng)度分別為200、300、400m和500m，改變分支間距分別為100、200m和300m(圖3)，研究不同分支間距對(duì)產(chǎn)氣量的影響。

 

從圖4可以看出，當(dāng)分支間距增加時(shí)，產(chǎn)氣速度不斷增加，但隨著分支間距的增大，產(chǎn)氣量的增幅變小。究其原因是因?yàn)榉种чg距的太小，控制泄流面積小，峰值產(chǎn)氣量就小；分支間距變大，控制面積也隨之變大，形成大面積同時(shí)排水降壓，產(chǎn)氣量增加。但是多分支井的有效控制面積有一個(gè)極限值，分支間距太大時(shí)，分支變?yōu)閱蝹€(gè)的井筒控制煤層滲流，達(dá)到最大有效控制面積，產(chǎn)氣量也達(dá)到最大值，再增加間距，已經(jīng)不能增加有效控制面積，也不能控制相應(yīng)煤層區(qū)域的采出程度。所以對(duì)于給定的煤層氣藏，存在一個(gè)最優(yōu)的分支間距，既能保證較大的控制面積，又能保證分支間的互相影響，有效的控制煤儲(chǔ)層，獲取較高的采收率。

給定相同的主支長(zhǎng)度和分支間距，分支長(zhǎng)度分別為200m/350m和500m，間距為200m，分支與主支的夾角為45°(圖5)，研究不同分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)氣量的影響。

 

從圖6可以看出，隨著分支長(zhǎng)度的增加，產(chǎn)氣量和峰值產(chǎn)氣量都在增加，但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響，分支長(zhǎng)度也應(yīng)該有一個(gè)比較合理的值。

 

    1) 煤層氣羽狀分支井的井型結(jié)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)能有顯著的影響，在布置羽狀分支井時(shí)應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

    2) 對(duì)于給定的煤層氣藏，為了獲得較高的產(chǎn)能，分支井的井筒應(yīng)垂直于最大主滲透率方向；各分支間存在一個(gè)最優(yōu)的分支間距，既能保證較大的控制面積，又能保證分支間的互相影響。

    3) 隨著分支長(zhǎng)度的增加，產(chǎn)氣量和峰值產(chǎn)氣量都在增加，但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響，分支長(zhǎng)度應(yīng)該有一個(gè)比較合理的值。

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(本文作者：張福東 吳曉東 中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)