1、煤层气勘探方法与技术,吴 建 光 中联煤层气有限责任公司 2008年11月,大 纲,1 前言 2 煤层气勘探开发原则与阶段划分 3 煤层气主要储层参数测试 4 煤层气钻井技术 5 煤层气物探技术 6 煤层气固井技术 7 煤层气完井与增产技术 8 煤层气排采技术 9 煤层气田集输工程,3.1 煤层气主要储层参数测定方法,1 煤岩基质特性测定,2 天然裂隙系统特性测定,3.1 煤层气主要储层参数测定方法,3.2 煤层气主要储层参数的测定,1 储集能力测定 一般采用兰格繆尔等温吸附线测定，其方程式： V=VLP/PL+P V吸附量；P压力；VL兰氏体积；PL兰氏压力 等温吸附线的应用以下四个方面:
2、1) 评价煤层的最大吸附能力； 2）预测生产过程中煤层气的临界解吸压力； 3）预测生产过程中压力降低时煤层气产出量和产出速率（吸附时间）； 4）确定储层初始含气饱和度。,3.2 煤层气主要储层参数的测定,1 储集能力测定煤层等温吸附曲线,2 煤层气含量测定 直接法直接测量从试验煤样中释放出的气体； 间接法利用实验室测定的等温吸附等参数计算获得。 直接法测定煤层气含量，包括三个部分：损失量、实测解吸量、残余量。 Q=32.0368（VLL+ Vm + Vrd）/m Q 含气量；VLL损失量；Vm解吸量；Vrd残余量；m煤样重量 换算成干燥无灰基: Qdaf=32.0368（VLL+ Vm + V
3、rd）/mad(1-Aad-Mad),3.2 煤层气主要储层参数的测定,3.2 煤层气主要储层参数的测定,煤层生气量与含气量,3 渗透率测定控制煤层气产量的最重要的储层特征之一，通过试井估算ka、p、s等未知参数。试井数据是精确估算原地裂隙系统渗透率的唯一方法。 应用于煤岩双孔隙度储层模型的方程如下：,3.2 煤层气主要储层参数的测定,qsi流体的地表产量STB/d；Ka绝对渗透率md； Kri想对渗透率； H储层厚度ft； p探测区平均压力psi；pwf井底压力psi； Bi地层体积系数； re外边界排水半径ft； rw井筒半径ft,4 煤层气井常用试井方法 1）钻杆测试（DST） 2）段塞
4、测试法 3）注入/压降测试法 4）水箱测试法 5）多井干扰测试法,3.2 煤层气主要储层参数的测定,煤层气试井基础理论,一、煤层气的产出机理 赋存于煤层中的甲烷气有三种状态，即游离状态、吸附状态和溶解状态。煤层中绝大部分裂缝空间被水饱和。 当煤层压力降低到煤层气临界解吸压力时，煤中被吸附的甲烷开始与微孔隙表面分离，叫做解吸。由于割理中的压力降低，解吸作用也可在煤层的割理基质界面发生。解吸的气体通过基岩中微孔隙扩散进入裂缝网络中，再经裂缝网络流向井筒。,二、煤层气产出三个阶段 阶段：压力下降比较少，井附近只有单相水流动。属于单相流阶段。 阶段：储层压力进一步下降，井筒附近有一定数量的甲烷从煤的表
5、面解吸，开始形成气泡，阻碍水流动，水的相对渗透性下降，但气泡是孤立的，没有互相连接。这一阶段叫做非饱和单相流阶段。,阶段 ：储层压力进一步下降，有更多的气解吸出来，则井筒附近水中含气已达到饱和，气泡互相连接形成连续的流线，气的相对渗透率大于零。随着压力下降和水饱和度降低，气的相对渗透率逐渐上升，气产量逐渐增加。这一阶段叫做两相流阶段。,煤层气田大规模开发需要大量的初始投资，因此，在开发煤层气田之前首先要查清煤层气储层的特性，并对煤层气井的长期产能和最终采收率进行预测。 渗透率是控制煤层甲烷开采的主要储层参数之一，煤层在水饱和条件下，渗透率对煤层气井排出水的初始速度起着控制作用。因此，渗透率控制
6、着储层脱水速度和达到最大采气量所需的开采时间。 准确测定煤储层渗透率在确定最优井距和增产设计，以及完井设计和优化储层动态管理方面十分重要。,三、试井机理,压力瞬变测试即可以提供包括渗透率和储层压力在内的、用于评价煤层甲烷气井生产潜能、采收率和经济可行性的重要资料，并可进行水力压裂井裂缝长度和裂缝导流能力的估算。 所谓“试井”，顾名思义，就是对油气井或水井进行测试。试井是一种以渗流力学理论为基础，以各种测试仪表为手段，通过对油气井或水井生产动态的测试来研究油、气、水层和测试井的各种物理参数、生产能力，以及油、气、水层之间的连通关系的方法。,三、试井机理,试井资料的测取和分析是试井工作的两个重要组
7、成部分。前者即现场测试，为的是取得足够的可靠的资料；后者即试井解释，要求通过分析测得的资料，得到尽可能多的关于地层和测试井的可靠信息。 煤层甲烷储层动态预测的两个最重要性质是渗透率和储层压力，是从试井中得到的这些参数。,三、试井机理,四、注入/压降试井方法 注入压降试井是以恒定排量将水注入储层，在井筒周围形成水饱和状态后关井。注入和关井阶段都用井下压力计记录井底压力，根据注水排量和压力数据可以求得渗透率、储层压力等参数。 进行注入/压降试井最关健的考虑因素是地层破裂压力。如果在注入阶段超过了破裂压力，则计算出的渗透率偏高。,注入/压降试井的主要优点是： 流体的注入提高了地层压力，保证了在测试过
8、程中为单相流；它适用于负压、正常压力和超压等各种情况的煤层气井。 不需要井下机械泵送设备，简化了操作步骤，降低了成本。 可以用标准试井分析方法来分析，结果比较可靠。 探测半径较大；时间相对较短。,注入压降方法主要缺点： 第一，地层伤害。其一，由于注入的流体可能与地层的化学环境不相容，发生反应，产生伤害。其二，有可能注入了会堵塞产层的微粒，产生伤害。因此，把取自被测试层位的地层水回注到测试井中是很理想的。至少应当采用与地层和气藏流体相容的淡水。 第二，压开地层。由于注入过程中排量控制不好，使井底压力超过了测试层的破裂压力就可能会压开地层，产生裂缝。这种裂缝会产生认为是自然渗透率或井筒伤害的假象，
9、使测试不可靠。因此，在注入压降过程中一定要保证井底压力低于地层破裂压力。,四、试井有关概念 在试井过程中，我们提供一个脉冲输入（即流量的变化），然后监测储层的响应（即压力的变化）。储层的响应由如下这些参数进行描述： 表皮效应、井筒储集效应、到边界的距离、裂隙的特征、多孔效应等等。,1表皮效应 压力的传递并不是在整个储层中均匀地发生的。特别是，经常有这样一个围绕井筒的带，由于有钻井泥浆的泥皮或完井时水泥的影响，造成这一带的渗透率比储层的其它部分的渗透率降低，就好象一层表皮围绕着井筒，导致过高的压降。 这就是表皮效应。 “表皮”造成的压降PS，是钻井中实际测得的压力与不受伤害时钻井中应有的压力之差
10、。,裸眼井,压裂井,2井筒储集效应 对于注入压降试井来说，最重要的就是保持流量的恒定。但是如果采用井口关井，当井一关闭，地面产量立即变为0，但在井底，液体仍然源源不断地由管柱流入地层，直到最后井筒与周围的地层压力达到平衡，此时的井底流量才变为0。这就是所谓的井筒“续流效应”。 由于井筒储集的影响，井下记录的压力响应一部分是井筒储集效应造成的，而不是储层特征的响应。因此试井时间必须足够长，使得井筒储集效应结束。 减小井筒储集效应的最好办法是采用井底关井工具。,3无限作用径向流 一旦井筒储集效应结束，井底记录的压力变化则反映了从储层传递出的压力。随着时间的推移，压力响应反映了距井筒越来越远的储层条
11、件。最终，压力响应会受到储层边界作用的影响。但是在到达边界之前，从压力响应中所反映的好象是无限大储层一样。这个中间时间段的压力响应，即在早期井筒储集为主的响应与晚期边界为主的响应之间的一段，称为无限作用阶段。 在无限作用阶段，最易识别和最重要的流动类型之一是径向流。无限作用径向流是试井解释技术的基础。,在半对数座标中，无限作用径向流的压力响应为一条直线。除早期响应以外，径向流的压力响应与时间的对数呈比例关系。,4储层边界响应 实际上，储层并不真正是无限大的。因此，无限作用径向流阶段不可能一直持续下去，最终在测试的井中将会感觉到储层边界的作用。 闭合边界 断层边界 常压边界,5调查半径 由于压力
12、响应符合扩散原理，对于无限大储层，那么钻井中的压力改变应当在整个储层中的每一处都能感觉到。但是，从实际情况看，总是存在一定距离外的某一点，在这一点上的压力响应十分微弱，根本监测不到，该点确定了在测试过程中被测试的储层的范围。我们把钻井到该点的距离称为调查半径。,6.试井分析模型 由于试井时间很短，所以在分析时，可以简化为两种模型：描述径向流的模型和描述水力压裂井的模型。 径向流模型描述的是裸眼井或未经水力压裂激化的套管井中的水流。 线性流模型用来描述水力压裂井中的流动状态，因为水力压裂改变了近井地带的水流状态，形成了较强的线性水流。,径向流储层模型 为了减小描述方程的复杂性，径向流模型模型假定
13、： 在地表以恒定的流量进行生产； 在上下不渗透边界之间的所有流体，均由井筒沿直径方向流向储层； 假定储层的外边界无限大； 在边界上有时有水流的流动（导水边界），有时没有水流（不导水边界）； 对于其内边界，井筒完全穿透了储层，并且完全开放允许水流进入； 通常假定储层是水平的，储层模型的岩石性质、渗透率、孔隙度和压缩性都与其所在位置和压力无关； 假定流体的饱和度在整个储层中是一致的； 流体的性质，粘度、地层体积系数和压缩性都与压力无关。,水力压裂井模型 水力压裂激化的目的，是将井筒与自然裂隙系统连通，以减小近井地带渗透率遭破坏造成的影响。水力压裂形成了高导水性的通道，这些通道降低了流体进入井筒所需
14、的压降。激化后的试井分析就是用来评价这些高导水性通道的性质的。 水力压裂井的模型与径向流储层模型使用相同的假定。假定储层是单一的水平径流层，具有不变的岩石及流体性质和均匀的初始压力；井筒被高度等于储层厚度的独立裂逢所切割；假定裂逢是垂直的，裂逢半长在井的各个方向都一样；裂逢中的水流全部流向井筒，水流形态是片状的；水流呈线性地进入裂逢表面并线性地通过裂逢流向井筒。,7.流动阶段的识别 在双对数曲线（lgplgt ）上，各种不同类型的储层，在各个不同的流动阶段，均有各不相同的形状。因此，可以通过双对数曲线分析来判别某些储层类型，并且区分各个不同的流动阶段。由于这个缘故，双对数曲线被称为“诊断曲线”
15、。,实践证明：压力导数比压力本身更加敏感，对于一般压力分析不明显而常常被忽略的微小变化，压力导数却把它们放大而有了明显的反映，从而可以加以判别和解释。压力导数曲线的这些内在的优越性，使得它成了试井解释最重要的诊断工具。 将压力解释图版与压力导数图版迭加在一起，得到一个新的复合解释图版。用复合图版同时进行两种图版的拟合，可以互为补充、互相验证。,早期井筒储集阶段 在纯井筒储集阶段，lgP和lgt成线性关系，在直角坐标系中，lgP与lgt成直线，在双对数坐标系中，P与t 成直线，且其斜率为1。 因此，在纯井筒储集阶段，双对数曲线呈斜率为1的直线（为简便起见，称它为45线）；早期资料斜率为1的双对数
16、曲线，即45线，就是井筒储集的“诊断曲线”。 而在压力导数解释图版上，在早期纯井筒储集阶段同样为斜率为1的直线（45线）。,无限作用径向流动阶段 即是半对数曲线（MDH曲线或Horner曲线）呈直线的阶段。压降试验中，“压降漏斗”径向地向外扩大，在边界的影响可以忽略时，流动状态类似无限大地层径向流动，所以称作“无限作用径向流动阶段”。 径向流动阶段的识别曲线就是井底关井压力PWS（t）与关井时间t或其函数（tP+t）/t的半对数曲线。在径向流动阶段，它们呈现一条直线，其斜率为m=（2.121x10-3qB）/Kh。量出这个斜率后，很容易根据公式求出渗透率K。 在压力导数解释图版上，径向流动阶段
17、表现为一条水平直线段，即所谓的“0.5线”。,实例1,实例2,五、原地应力测试及分析方法 1.曲线特征 原地应力测试，一般采用微型压裂法。测试时用注入泵以大排量向煤层注水，迅速使煤层产生裂缝，对压降曲线进行分析，获得裂缝的闭合压力。 微型压裂一般需要进行三至四个周期的注入压降测试。在第1周期注入时，地层开始破裂，其最高点为破裂压力，而后压力突然下降并延伸，延伸段为裂缝的延伸压力，关井以后，由于流体流动，摩擦压力梯度迅速降低，随着流体渗入地层，当井底压力等于最小原地应力时，裂缝闭合。反映裂缝闭合时的压力即瞬时关井压力。其后，当流体继续渗入到测试地层时，井底压力不均衡地降低到原始地层压力。 在第2
18、周期时，当压力超过最小原地应力时，裂缝重新张开，第2周期的最高压力为重张压力，破裂压力与重张压力之差为抗张强度。,对于煤层的原地应力测试，很难获得特征明显的压裂曲线。 当煤层被压开时，压力不是突然下降，而是缓慢上升，上升速度逐渐减小，曲线弯曲，且随注入时间增加而上升，无明显的破裂等特征，亦无明显的瞬时关井压力。 这是由于煤层是非弹性的，且自然裂隙发育，破裂时压力下降的情况可能不出现，而关井时，裂缝闭合前、后的压力下降也是逐渐过渡的。,2.裂隙闭合压力的分析 裂缝的“开启”和“闭合”改变了流体的漏失速率，裂缝闭合压力是泵注停止后压降曲线上斜率变化的拐点。为了根据关井压力数据确定裂缝闭合压力，一般
19、采用瞬时关井压力法、双对数法和时间平方根法。 (1)瞬时关井压力法 煤层气井原地应力测试经验表明，在大多数原地应力测试中，煤层的围岩在压降期会出现瞬时关井压力，而煤层的瞬时关井压力非常不明显，很难分辨，无法应用瞬时关井压力法求取煤层的闭合压力。,(2)双对数法 双对数法就是对压降期数据作logPlogt曲线，在该曲线上存在一条0.5斜率直线，偏离该斜率线点的压力为裂缝闭合压力。 右图是压降数据双对数曲线图，图中箭头所指为闭合压力。,(3)时间平方根法 时间平方根法是对压降期作井底压力与关井时间的平方根曲线。裂缝闭合之前有一条直线，裂缝闭合之后出现另一条直线，两条直线的交点为闭合压力。,谢谢！,
