摘要：羽狀多分支井在煤層氣開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發(fā)煤層氣的關鍵。目前在煤層氣羽狀多分支井產能預測和井型優(yōu)化這方面的研究并不多，給現(xiàn)場生產造成了困難。為此，以多分支井產能數值計算方法為基礎，研究了多分支井的分支角度、分支間距和分支長度對產能的影響。結果發(fā)現(xiàn)：為了獲得較高的產能，多分支井的井筒應垂直于最大主滲透率方向；對于給定的煤層氣藏，存在一個最優(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；隨著分支長度的增高，產氣量也顯著增大，但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響，分支長度也應該有一個比較合理的值。

關鍵詞：煤層氣；開采；羽狀多分支井；角度；間距；長度；優(yōu)化；類型

   羽狀多分支井是指在一個主水平井眼的兩側再鉆出多個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上發(fā)展起來的。為了提高煤層氣井的產量，國內外已將羽狀水平井技術逐步用于煤層氣的開發(fā)，成效顯著。

    國內雖然對多分支井的產能進行了一些研究^[1～2]，但是沒有深入分析多分支井的井身結構對產能的影響。為此筆者針對目前煤層氣開發(fā)中應用比較廣泛的羽狀多分支水平井，運用數值計算的方法研究了分支井的井身結構對產能的影響，對多分支井的優(yōu)化布置具有一定的指導意義。

   煤層氣的流動包括3個過程：甲烷從煤表面解吸；甲烷通過煤基質和微孔隙的擴散；甲烷通過割理系統(tǒng)的達西滲流。

    1) 甲烷從煤表面解吸的過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，m³/m³；b為朗格繆爾壓力常數，也是朗格繆爾壓力的倒數，MPa^-1；p為氣體壓力，MPa。

2) 煤層甲烷在煤基質和微孔隙中的擴散遵循Fick定律，即

 

式中：為氣體體積流量，m³/(d·m³)；%為平衡吸附等溫線值(標準)，m³/m³。

    3) 煤層甲烷在割理系統(tǒng)中的流動為達西滲流。

    綜合考慮煤層甲烷在煤層中的3種流動，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為單位轉換常數；K_c為煤層絕對滲透率，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；B_w為水的體積系數；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為煤層水產量(標準)，m³/(d·m³)；q_g為煤層氣產量(標準)，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。

 

    關于煤層吸附特性(Langmuir吸附壓力和吸附體積)和儲層特性(滲透率、裂隙孔隙度、含氣量、煤層厚度等)對煤層氣多分支井生產的影響，相關報道已經比較多^[4～6]，但是井型結構對產能的影響，研究還不成熟。筆者利用編制的煤層氣多分支井數值模擬軟件結合遼河油田某煤層氣礦實際地質資料對這方面進行了研究，模擬所需的基礎數據為：埋深800m，煤層厚度5m，煤層原始壓力7.53MPa，煤層滲透率0.25×10^-3μm²，煤層壓縮系數8.1×10.4MPa^-1，吸附時間4d，朗格繆爾壓力2.31MPa，朗格繆爾吸附常數38.5m³/m³，含氣量10～12m³/t，原始氣體體積濃度30m³/m³，水平井段半徑0.2m，水平井段主枝長度1200m，分支數為8。

    應用上述基本數據，假設井筒總長度相同，單側分支長度分別為200、300、400m和500m，在設定分支間距都為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°時開采效果最好，這是因為90°時，井筒垂直于最大主滲透率的方向，效果較好。60°和30°次之，但是總的開采效果變化不大。因此，為了獲得較高的產量，應盡量使分支井的井筒垂直于最大主滲透率方向。

    設定分支與主支的夾角均為30°，單側分支長度分別為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產氣量的影響。

 

從圖4可以看出，當分支間距增加時，產氣速度不斷增加，但隨著分支間距的增大，產氣量的增幅變小。究其原因是因為分支間距的太小，控制泄流面積小，峰值產氣量就?。环种чg距變大，控制面積也隨之變大，形成大面積同時排水降壓，產氣量增加。但是多分支井的有效控制面積有一個極限值，分支間距太大時，分支變?yōu)閱蝹€的井筒控制煤層滲流，達到最大有效控制面積，產氣量也達到最大值，再增加間距，已經不能增加有效控制面積，也不能控制相應煤層區(qū)域的采出程度。所以對于給定的煤層氣藏，存在一個最優(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，有效的控制煤儲層，獲取較高的采收率。

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

 

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

 

    1) 煤層氣羽狀分支井的井型結構對其產能有顯著的影響，在布置羽狀分支井時應對其結構進行優(yōu)化。

    2) 對于給定的煤層氣藏，為了獲得較高的產能，分支井的井筒應垂直于最大主滲透率方向；各分支間存在一個最優(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) 隨著分支長度的增加，產氣量和峰值產氣量都在增加，但是考慮到煤層邊界和井筒壓降的影響，分支長度應該有一個比較合理的值。

[1] 張冬麗，王新海.煤層氣羽狀水平井開采數值模擬研究[J].煤田地質與勘探，2005，33(4)：48-50.

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(本文作者：張福東 吳曉東 中國石油大學石油工程教育部重點實驗室)