湯達禎,趙俊龍,許　浩,李治平,陶　樹,李　松

(1.中國地質大學(北京) 能源學院,北京　100083;2.煤層氣開發(fā)利用國家工程中心煤儲層實驗室,北京　100083)

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中—高煤階煤層氣系統(tǒng)物質能量動態(tài)平衡機制

湯達禎1,2,趙俊龍1,2,許浩1,2,李治平1,陶樹1,2,李松1,2

(1.中國地質大學(北京) 能源學院,北京100083;2.煤層氣開發(fā)利用國家工程中心煤儲層實驗室,北京100083)

摘要:基于中—高煤階煤儲層欠飽和特性及煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以臨界解吸壓力為關鍵參數(shù)節(jié)點，揭示了中—高煤階煤層氣系統(tǒng)物質能量動態(tài)平衡機制及其對煤層氣開發(fā)過程的控制作用。結果表明：基于上述機制可以實現(xiàn)儲層壓力和含水飽和度實時監(jiān)測、煤層氣井單井可采儲量計算、儲層滲透率(包括絕對滲透率、相對滲透率、有效滲透率)動態(tài)預測、產(chǎn)能動態(tài)數(shù)值模擬等4方面現(xiàn)場需求；煤儲層相對含氣量(吸附態(tài)氣體飽和度)越高，儲層壓力與含水飽和度下降越快，煤層氣越容易解吸產(chǎn)出；臨界解吸壓力后，煤層氣井生產(chǎn)時間越長，儲量計算準確性越高；在整個煤層氣生產(chǎn)過程中，煤儲層滲透率被統(tǒng)一為儲層壓力的函數(shù)，欠飽和相滲曲線能更好地反映煤儲層正負效應及氣體滑脫效應；在產(chǎn)能預測方面，欠飽和相滲模型較飽和相滲模型更加準確，精確度更高。

關鍵詞:物質能量；動態(tài)平衡；中—高煤階；煤層氣系統(tǒng)；欠飽和煤儲層；韓城地區(qū)

煤層氣是常規(guī)油氣的重要戰(zhàn)略補充，已成為非常規(guī)天然氣中舉足輕重的能源資源[1]。近年來，中國沁水盆地、鄂爾多斯盆地中—高煤階煤層氣商業(yè)化開發(fā)已取得了成功[1-2]。然而，煤層氣產(chǎn)業(yè)在取得重大突破的同時，也遇到了諸多難題，其中煤層氣開發(fā)地質基礎理論薄弱，已成為制約中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵因素[3]。煤層氣開發(fā)是一個集排水、降壓、解吸、擴散、滲流、產(chǎn)出的綜合過程[4-6]。依據(jù)原始儲層壓力下煤層實測含氣量與理論含氣量的比值(即相對含氣量，又稱吸附態(tài)含氣飽和度)，煤層氣藏可劃分為飽和煤層氣藏(相對含氣量≥100%)和欠飽和煤層氣藏(相對含氣量<100%)[7]。目前，世界上已發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)煤層氣藏都是欠飽和的，如加拿大阿爾伯塔盆地下白堊統(tǒng)蓋茨組4號煤相對含氣量約為90%[8]，中國鄂爾多斯盆地東緣渭北煤層氣藏相對含氣量為39.2%～87.2%[9-10]，沁水盆地南部煤層氣藏相對含氣量現(xiàn)場測試結果為40.8%[11]。而相對含氣量直接控制著煤層氣井的氣、水產(chǎn)出動態(tài)[12]。當前煤儲層基礎理論研究多以飽和煤層氣藏為前提[13-15]，這就容易造成理論分析、實驗測試、數(shù)值模擬結果與實際煤層氣生產(chǎn)存在較大誤差，無法真實反映煤層氣開發(fā)動態(tài)，分析欠飽和煤層氣藏開發(fā)機理與產(chǎn)能動態(tài)具有更為現(xiàn)實的意義。筆者以中—高煤階煤儲層的欠飽和特性及煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎，選擇臨界解吸壓力(臨界含水飽和度)為關鍵參數(shù)節(jié)點，研究提出了中—高煤階煤層氣系統(tǒng)物質能量動態(tài)平衡作用機制，探討了其在煤層氣開發(fā)過程中的實踐應用，以期為生產(chǎn)提供預測依據(jù)和理論指導。

1煤層氣采收機理與開發(fā)動態(tài)

1.1煤層氣采收機理

煤層氣藏開發(fā)過程中，若原始儲層壓力低于臨界解吸壓力，一旦儲層壓力發(fā)生降低，煤層氣將立即從煤基質內(nèi)表面發(fā)生解吸，從而煤層氣生產(chǎn)將以氣、水兩相共流開始，此類煤層氣藏被稱為飽和煤層氣藏。值得注意的是，少數(shù)干燥的飽和煤層氣藏初始生產(chǎn)就可能以單相氣流開始[7]。相反，若煤層氣藏原始儲層壓力高于臨界解吸壓力，煤層氣藏原始生產(chǎn)將以單相水流開始，這被稱為欠飽和煤層氣藏?？梢?，臨界解吸壓力是區(qū)分煤層氣藏類型、建立煤層氣井排采制度、進行理論與實際分析的關鍵參數(shù)。

利用等溫吸附曲線可以揭示上述煤層氣采收機理，判定煤儲層的吸附態(tài)氣體飽和性[7,14]。以韓城地區(qū)為例，含氣量和等溫吸附測試結果顯示，該區(qū)煤儲層含氣量為6.89～13.60 m3/t，87.5%的煤層屬于欠飽和煤層(圖1和表1，圖中，p0為原始儲層壓力，MPa；pc為臨界解吸壓力，MPa；pL為蘭氏壓力，MPa；Vc為實測含氣量，m3/t；VL為蘭氏體積，m3/t；Sr為相對含氣量)。

圖1　欠飽和概念示意Fig.1　Isotherm demonstrating the concept of unsaturation

1.2煤層氣藏開發(fā)動態(tài)

與飽和煤層氣藏不同，欠飽和煤層氣藏生產(chǎn)動態(tài)更為復雜[16]。從煤層氣井排水降壓到氣體解吸之前，為排水降壓階段，微弱的欠飽和特征將會大大延長排水期。在這一階段內(nèi)，儲層僅存在飽和單相水流，只受有效應力作用，且水相相對滲透率保持最大值(圖2(a))。

當煤層氣藏局部儲層壓力降低至臨界解吸壓力以下，煤層氣發(fā)生解吸，形成游離態(tài)氣體，但因游離氣飽和度很小且小于殘余氣飽和度，此時氣井仍未產(chǎn)出煤層氣。氣體以孤立的氣泡形式存在，煤層內(nèi)出現(xiàn)非飽和單相水流，儲層經(jīng)受有效應力效應為主、煤基質收縮效應為輔的雙重作用，滲透率開始改善，但仍小于原始值，水相相對滲透率開始下降(圖2(b))。

隨著儲層壓力的繼續(xù)下降，吸附態(tài)氣體不斷解吸，游離態(tài)氣體飽和度不斷增加。當游離態(tài)氣體飽和度超過殘余氣飽和度時，原本孤立的氣泡形成連續(xù)性氣流，氣井開始產(chǎn)出煤層氣。此時，煤儲層產(chǎn)生明顯的基質收縮和相對弱的有效應力效應，甚至氣體滑脫效應。煤儲層滲透率得到明顯改善，氣相相對滲透率開始上升，水相相對滲透率持續(xù)下降(圖2(c))。

可見，開發(fā)欠飽和煤層氣藏，煤層氣井要經(jīng)歷飽和單相水流、欠飽和單相水流，煤層氣才會產(chǎn)出，也就是說，開發(fā)過程中儲層壓力與臨界解吸壓力的配置關系(相對含氣量)控制著煤儲層流體相態(tài)-相滲及煤層氣藏開發(fā)動態(tài)。

表1　韓城地區(qū)煤儲層相對含氣量與臨界解吸壓力計算結果

注：*相對含氣量Sr可通過蘭氏方程V=VLp/(p+pL)計算，以W2井11號煤為例，實測含氣量Vc=12.00 m3/t，理論含氣量Vt=17.61 m3/t，故相對含氣量Sr=Vc/Vt×100%=68.16%；** 臨界解吸壓力pc也可通過蘭氏方程計算，以W3井5號煤為例，蘭氏方程可以改寫為p=VpL/ (VL-V)，因此，臨界解吸壓力pc=VcpL/ (VL-Vc)=7.70 MPa。

圖2　欠飽和煤層氣藏開發(fā)過程中氣、水產(chǎn)出與相滲-相態(tài)特征綜合示意Fig.2　Comprehensive schematic of gas and water production,phase,permeability during the unsaturated CBM reservoir development

2物質能量動態(tài)平衡機制

煤層氣藏開發(fā)過程中，有效應力和基質收縮雙重作用會誘導滲透率正負效應和儲層壓力動態(tài)變化，儲層孔隙度、滲透率、束縛水飽和度等參數(shù)發(fā)生規(guī)律性變化。King[17]最早提出了利用氣、水物質平衡方程計算飽和煤層氣藏儲層壓力與含水飽和度的方法，但是對于欠飽和煤層氣藏來說，該方程難以直接應用，需要對其改進。

這里做分析對象的簡化處理：① 臨界解吸壓力前，儲層以單相水流為主，臨界解吸壓力后，煤層氣開始解吸，兩相共流出現(xiàn)，直至產(chǎn)氣衰竭；② 煤層氣藏封閉，生產(chǎn)后期將出現(xiàn)邊界控制流，穿過裂縫并且遵循達西定律的徑向氣、水滲流；③ 排采過程中儲層物性均勻、各向同性、溫度恒定；④ 原始氣藏氣體均以吸附態(tài)儲集在煤基質內(nèi)表面，無游離氣產(chǎn)出；⑤ 臨界解吸壓力下，氣體從基質中瞬間解吸、立即擴散到裂縫中。

2.1單相排水階段物質動態(tài)平衡

臨界解吸壓力前，隨著排水作業(yè)的進行，儲層壓力與含水飽和度下降，產(chǎn)水量逐漸減小，無氣體產(chǎn)出，這時只存在水相物質平衡，即任意時刻儲層裂縫中所含水的地下體積等于原始儲層壓力時裂縫中所含水的地下體積、水的彈性膨脹增加的水體積、外部侵入水的體積之和減去累計采水的地下體積：

(1)

式中，A為煤層氣供氣面積，m2；h為煤層厚度，m；φ為當前孔隙度；Sw為當前含水飽和度；Swi為原始含水飽和度；φ0為原始孔隙度；Cw為地層水壓縮系數(shù)，MPa-1；p為當前儲層壓力，MPa；pc為臨界解吸壓力，MPa；Wp為任意時刻的儲層累計產(chǎn)水量的地下體積，m3；Wi為外部侵入水的地下體積，m3；Bw為地層水體積系數(shù)，m3/m3。

負效應作用下的孔隙度變化由改進的PMG模型[18]獲取，即

(2)

(3)

由于臨界解吸壓力前，煤儲層只有單相水產(chǎn)出，物質平衡方程也可以表達為：累計產(chǎn)水的地下體積等于孔隙體積壓縮系數(shù)、儲層壓力差和孔隙體積的乘積加上外部侵入水的體積[19]，即

(4)

臨界解吸壓力時，

(5)

(6)

式中，Ct為孔隙體積壓縮系數(shù)，MPa-1；Wpc為臨界解吸壓力對應的累計產(chǎn)水量，m3；Wic為臨界解吸壓力對應的累計水侵量，m3；φc為臨界解吸壓力對應的孔隙度。

由式(1)和式(4)～(6)得到儲層壓力變化關系為

(7)

通過式(3)和式(7)就可以計算單相排水階段儲層壓力與含水飽和度的變化。

2.2兩相共流階段物質動態(tài)平衡

儲層壓力降到臨界解吸壓力后，產(chǎn)水量持續(xù)下降，氣體開始解吸，產(chǎn)氣量逐漸上升，氣、水物質動態(tài)平衡同時存在，即任意時刻儲層累計產(chǎn)氣量的地面體積=裂縫中游離氣原始地質儲量+基質中吸附氣原始地質儲量-裂縫中游離氣剩余地質儲量-基質中吸附氣剩余地質儲量(均換算為地面體積)，即

(8)

式中，Gp為任意時刻的儲層累計產(chǎn)氣量的地面體積，m3；Swc為臨界解吸壓力對應的含水飽和度，即臨界含水飽和度；Bg為天然氣體積系數(shù)，m3/m3；ρB為煤密度，kg/m3；pa為廢棄壓力，MPa。

水相物質平衡方程與臨界解吸壓力前單相排水階段方程一致，區(qū)別在于初始值為臨界解吸壓力對應數(shù)值，即

(9)

正負效應雙重作用下的孔隙度變化從改進的PMG模型[18]獲取

(10)

式中，Smax為蘭氏最大體積應變。

由式(8)～(10)可得

(11)

聯(lián)立氣、水物質平衡方程，得到對應儲層壓力，代入式(11)可以求出兩相共流階段煤儲層含水飽和度。

式(1)～(11)表明，物質能量動態(tài)平衡方法最直接的作用是對開發(fā)過程中儲層壓力及其對應的含水飽和度的實時監(jiān)測，進而進行煤層氣井產(chǎn)能預測、儲層滲透率及單井可采儲量計算。圖3為利用該方法實現(xiàn)上述幾個現(xiàn)場需求的流程，主要包括：① 現(xiàn)場獲取生產(chǎn)井累計氣、水產(chǎn)出數(shù)據(jù)；② 通過物質動態(tài)平衡方程模擬生產(chǎn)過程中儲層壓力及對應含水飽和度的變化；③ 將儲層壓力代入絕對滲透率模型，預測絕對滲透率的變化；將含水飽和度代入相對滲透率模型，預測相對滲透率的變化，同時，為了考慮孔隙度變化誘發(fā)的束縛水飽和度的變化，可通過壓汞法擬合束縛水飽和度和孔隙度的關系，用于動態(tài)數(shù)值模擬；④ 耦合同一時刻相對滲透率與絕對滲透率，得到該時刻有效滲透率；⑤ 將儲層壓力與含水飽和度代入視偏差因子中，繪制視地層壓力和累計產(chǎn)氣量的散點關系，通過曲線擬合計算煤層氣井可采儲量。

3方法應用與算例分析

3.1儲層壓力與含水飽和度實時監(jiān)測

以韓城地區(qū)H1井為例，分析煤儲層壓力與含水飽和度在煤層氣開發(fā)過程中的實時變化，模型基礎數(shù)據(jù)見表2，3。圖4為利用物質動態(tài)平衡方法計算得到的不同相對含氣量下含水飽和度隨儲層壓力的變化曲線。總體上，隨著排水降壓的進行，儲層含水飽和度在不斷下降，但是高相對含氣量(Sr=95.2%)儲層比低相對含氣量(Sr=45.1%)儲層含水飽和度下降更快。究其原因，主要是由于相對含氣量越高，臨界解吸壓力越接近儲層壓力，從而排水降壓難度越小，儲層壓力和含水飽和度越容易降低。

圖3　利用物質動態(tài)平衡法實現(xiàn)儲層壓力與含水飽和度實時監(jiān)測、可采儲量與滲透率計算、產(chǎn)能預測流程Fig.3　Workflows of reservoir pressure and water saturation realtime monitoring,recoverable reserves computation,permeability and productivity prediction with material dynamic balance method

參 數(shù)取值井H1井H2獲取方式參 數(shù)取值井H1井H2獲取方式煤層面積A/m240000125600現(xiàn)場數(shù)據(jù)地層水體積系數(shù)Bw/(m3·m-3)1.01.0參考文獻[23]煤層厚度h/m5.826現(xiàn)場數(shù)據(jù)泊松比ν0.250.25三軸應力測試原始孔隙度φ0.0350.038壓汞測試最大蘭氏體積應變Smax0.0120.012吸附膨脹測試原始含水飽和度Swi11相對滲透率測試楊氏模量E/MPa40004000三軸應力測試割理壓縮系數(shù)Cf/MPa-10.0003590.000325估計水平方向割理孔隙百分比g0.10.1參考文獻[21]地層水壓縮系數(shù)Cw/MPa-10.0004640.000464參考文獻[20]滑脫系數(shù)bc/MPa—0.15覆壓滲透率測試顆粒壓縮系數(shù)Cs/MPa-100參考文獻[21]氣相端點相對滲透率krg0—0.7相對滲透率測試天然氣體積系數(shù)Bg/(m3·m-3)0.010.01現(xiàn)場數(shù)據(jù)水相端點相對滲透率krw0—1相對滲透率測試煤巖密度ρB/(kg·m-3)16001600密度測試束縛水飽和度Swc—0.85壓汞測試蘭氏體積VL/(m3·t-1)18/28/3825等溫吸附測試割理尺寸分布指數(shù)η—0.3相對滲透率測試原始儲層壓力p0/MPa4.204.50現(xiàn)場數(shù)據(jù)迂曲度λ—2.6相對滲透率測試臨界解吸壓力pc/MPa3.75/1.67/1.073.88公式計算殘余氣飽和度Sgr—0.05估計廢棄壓力pa/MPa—0.7參考文獻[22]原始滲透率k0/10-15m2—0.6覆壓滲透率測試含氣量Vc/(m3·t-1)1013.71現(xiàn)場數(shù)據(jù)儲層溫度T/K—297.65現(xiàn)場數(shù)據(jù)蘭氏壓力pL/MPa33.2等溫吸附測試

3.2儲層滲透率計算與產(chǎn)能動態(tài)預測

在煤儲層評價參數(shù)中，滲透率是儲層評價的重要內(nèi)容之一[24]，其中有效滲透率與生產(chǎn)井產(chǎn)能關系最為密切[14]，相滲曲線可以真實反映煤層氣井從單相水流到氣、水兩相流整個排采過程[25]。目前，已有眾多學者對煤儲層絕對滲透率進行了理論分析與實驗模擬[13,15,18,20-21,23]，但對相對滲透率及有效滲透率的研究較為薄弱。由于借鑒常規(guī)油氣實驗相滲曲線測試受到儀器精度與樣品制備的限制，無法完全模擬天然裂縫與各種動態(tài)參數(shù)變化，所以利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析煤儲層滲透率動態(tài)變化，成為一種有效手段[14,26]。

表3　用于算例分析的井H1和H2氣水產(chǎn)出數(shù)據(jù)

圖4　不同相對含氣量下含水飽和度隨儲層壓力變化關系Fig.4　Relationships between reservoir pressure and water saturation under different relative gas contents

筆者以PMG絕對滲透率模型[18]和CPL相對滲透率模型[27]作為基礎模型進行滲透率計算。Palmer等[18]在原始Palmer-Mansoori模型[21]的基礎上，建立了考慮割理的非均質性、滲透率彈性自調(diào)節(jié)性的PMG滲透率模型，但是該模型不適用于有效應力作用顯著的欠飽和煤層氣藏，需要以臨界解吸壓力進行改進。此外，氣體滑脫效應在低壓低滲條件下不可忽視，同樣需要考慮。因此，綜合改進后的模型為

(12)

(13)

目前，廣泛應用且能反映煤儲層特有的割理、裂隙系統(tǒng)的概念模型為火柴棍模型[28]。Chen等[27]基于火柴棍模型，耦合了割理尺寸分布指數(shù)和迂曲度，建立了CPL相對滲透率模型，筆者以臨界含水飽和度對其改進，改進后的相對滲透率模型表達式為

(14)

(15)

(16)

式中，krg為氣相相對滲透率；krw為水相相對滲透率；krg0為氣相端點相對滲透率；krw0為水相端點相對滲透率；Swr為束縛水飽和度；Sgr為殘余氣飽和度；η為割理尺寸分布指數(shù)；λ為迂曲度。

綜合式(1)～(16)，在相同儲層壓力與含水飽和度下，欠飽和煤儲層有效滲透率被統(tǒng)一為儲層壓力的函數(shù)，其動態(tài)預測模型可簡寫為

(17)

式中，kg為氣相有效滲透率，10-15m2；kw為水相有效滲透率，10-15m2。

以韓城H2井為例，分析開發(fā)過程中煤儲層滲透率的變化，基礎數(shù)據(jù)見表2，3。表4為利用物質動態(tài)平衡方法對井H2進行儲層滲透率預測結果。可以看到，煤儲層絕對滲透率最終為0.643×10-15m2，較原始滲透率改善了7.2%。圖5表明，隨著儲層含水飽和度的降低，水相有效滲透率持續(xù)下降，但氣相有效滲透率直到儲層含水飽和度降低到0.913左右才開始快速上升至0.279×10-15m2(橢圓圈出)，隨后穩(wěn)定增長。最終在正負效應和滑脫效應的綜合作用下，氣相有效滲透率比利用飽和有效滲透率模型[26]預測結果高，水相有效滲透率比之低?？傮w上，2套模型在兩相共流階段的預測結果較為一致，但飽和相滲模型無法量化單相水階段氣、水有效滲透率變化。

表4　利用物質動態(tài)平衡方法對井H2進行儲層滲透率預測結果

注：利用韓城煤巖壓汞實驗數(shù)據(jù)擬合得到孔隙度和束縛水飽和度的關系為Swr=1.400 5e-11.44φ。

圖5　不同有效滲透率模型之間的對比Fig.5　Comparison of the effective permeability curves with different models

分析認為，氣、水有效滲透率是煤層氣、水產(chǎn)出最為直接的反映，通過煤層氣井排采曲線可以解釋相滲曲線的差異。圖6表明，H2井在前400 d只有地層水產(chǎn)出(單相水階段)，當儲層壓力降低到臨界解吸壓力(3.88 MPa)后，煤層氣才大量產(chǎn)出，且產(chǎn)氣量僅在100 d內(nèi)就上升至2 500 m3/d(橢圓圈出)，隨后進入穩(wěn)產(chǎn)階段。由于這100 d中，煤層氣足夠充分，孔隙流體的流態(tài)由單相水流快速過渡為氣、水兩相流，對應氣相有效滲透率突破0后，出現(xiàn)先快速上升而后穩(wěn)定增長的現(xiàn)象。相反，飽和有效滲透率曲線無法表征單相水階段氣、水有效滲透率的變化，故而無法反映真實的煤層氣井氣、水產(chǎn)出，但這一對比表明欠飽和理論更符合實際。

圖6　H2井氣、水產(chǎn)出動態(tài)曲線Fig.6　Characteristics of gas and water production for well H2

此外，在獲得儲層滲透率之后，就可以對煤層氣、水產(chǎn)出特征進行動態(tài)數(shù)值模擬。圖7為利用飽和與欠飽和滲透率模型對H2井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的預測結果。顯然，欠飽和滲透率模型對日產(chǎn)氣量與日產(chǎn)水量的預測與真實生產(chǎn)數(shù)據(jù)更為接近(日產(chǎn)氣量相對誤差一般不超過5%，而日產(chǎn)水量的相對誤差一般不超過10%)，適用性與準確性更好。這也從氣、水產(chǎn)出的角度證實了欠飽和理論的正確性。

3.3煤層氣井單井可采儲量計算

通過引入視氣體體積偏差因子(Z*)，可以建立視平均地層壓力(p/Z*)和累計產(chǎn)氣量(Gp)之間的關系[17,29-30]，即

(18)

圖8　H2井累計產(chǎn)氣量與視地層壓力擬合曲線Fig.8　Fitting between the accumulative gas production volume and apparent formation pressure for well H2

4結論與認識

(1)欠飽和煤層氣藏開發(fā)過程中氣井要經(jīng)歷較長時間的排水降壓階段，煤儲層內(nèi)流體相態(tài)-相滲及煤層氣開發(fā)動態(tài)受儲層壓力與臨界解吸壓力的配置關系(相對含氣量，即原始地層壓力下吸附態(tài)氣體的飽和度)控制。

(2)以臨界解吸壓力為關鍵參數(shù)節(jié)點揭示的中—高煤階煤層氣系統(tǒng)物質能量動態(tài)平衡機制，可以實現(xiàn)儲層壓力和含水飽和度實時監(jiān)測、煤層氣井單井可采儲量計算、儲層滲透率(包括絕對滲透率、相對滲透率、有效滲透率)動態(tài)預測、產(chǎn)能動態(tài)數(shù)值模擬等4方面現(xiàn)場需求。

(3)煤儲層相對含氣量是判別煤儲層吸附態(tài)氣體飽和性，相對含氣量越高，儲層壓力與含水飽和度下降越快，煤層氣越容易解吸產(chǎn)出。同時，臨界解吸壓力后，煤層氣井生產(chǎn)時間越長，可采儲量計算準確性越高。

(4)煤儲層滲透率被統(tǒng)一為儲層壓力的一元函數(shù)，與飽和相滲曲線相比，利用欠飽和相滲曲線不僅能更好地反映煤儲層正負效應及氣體滑脫效應，而且對產(chǎn)能預測精確度更高。

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Material and energy dynamic balance mechanism in middle-high rank coalbed methane (CBM) systems

TANG Da-zhen1,2,ZHAO Jun-long1,2,XU Hao1,2,LI Zhi-ping1,TAO Shu1,2,LI Song1,2

(1.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China;2.CoalReservoirLaboratoryofNationalEngineeringResearchCenterofCoalbedMethaneDevelopment&Utilization,Beijing100083,China)

Abstract:Based on the unsaturated characteristic of medium-high rank coal reservoirs and coalbed methane (CBM) well production data,the material and energy dynamic balance mechanism in middle-high rank CBM systems was revealed by considering the critical desorption pressure as a key parameter.The control action of this mechanism on practical CBM development was also analyzed.Results show that four aspects of the requirements in the field can be realized through using above mechanism,including the real-time monitoring of reservoir pressure and water saturation,the single CBM well recoverable reserves calculation,the reservoir absolute or relative as well as effective permeability dynamic prediction and the productivity dynamic numerical simulation.The higher the relative gas content (the absorbed gas saturation) of the coal reservoirs is,the faster the reservoir pressure and water saturation decline,the easier the CBM desorption is.After the reservoir pressure is under a critical desorption pressure,the longer production time could bring more accurate reserves computation.In the whole process of CBM production,the coal reservoir permeability are unified as the function of reservoir pressure and the unsaturated effective permeability curves can better reflect the positive and negative effects as well as the gas slippage effect.Meanwhile,the unsaturated effective permeability model is more accurate and precise than that of the saturated effective permeability model in the CBM well productivity prediction.

Key words:material and energy;dynamic balance;middle-high rank;CBM reservoir system;unsaturated coal reservoir;Hancheng area

中圖分類號:P618.11

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0040-09

作者簡介:湯達禎(1957—)，男，江蘇濱海人，教授，博士生導師。E-mail：tang@cugb.edu.cn

基金項目:國家科技重大專項資助項目(2016ZX05042-002)；國家自然科學基金資助項目(41530314)；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助項目(2652015331)

收稿日期:2015-08-19修回日期:2015-11-11責任編輯:韓晉平

湯達禎,趙俊龍,許浩，等.中—高煤階煤層氣系統(tǒng)物質能量動態(tài)平衡機制[J].煤炭學報,2015,40(1):40-48.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9009

Tang Dazhen,Zhao Junlong,Xu Hao,et al.Material and energy dynamic balance mechanism in middle-high rank coalbed methane (CBM) systems[J].Journal of China Coal Society,2015,40(1):40-48.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9009