煤层渗透率的各向异性及其对多分支井的文档格式.docx
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bCSIROEarthScienceandResourceEngineering,PrivateBag10,ClaytonSouth,VIC,3169,Australia地球科学与资源工程，
Abstract
摘要
Coalpermeabilityisusuallyanisotropicandthepermeabilityanisotropyratioalongthefacecleatstothebuttcleatscanbeupto17:
1forsomecoals.Thecharacteristicoftheanisotropiccoalpermeabilityanditsimpactontheoptimalwelldesignforcoalbedmethane（CBM）productionareimportant,buthavenotbeenwellstudied.
煤的渗透性通常是具有各向异性的，一些煤沿面割理对端割理的渗透率各向异性比值可以高达17：
1。
煤层渗透率的各向异性对多分支井的煤层气生产优化设计特性的影响是非常重要的，但还没有得到很好的研究。
Thispaperinvestigatesthisissuethroughnumericalmodelingandreservoirsimulations.Variouscasestudiesareperformedonthetwocommonlyusedmulti-lateralwellpatternsincludingthequadlateralwellandthepinnatelateralwelltoinvestigatetheimpactofpermeabilityanisotropyratioonthelayoutofthemulti-lateralwell.
本文通过数值模拟和油藏模拟对这个问题进行研究。
为了研究多分支井的布局对渗透率各向异性比率的影响，人们对两种常用多分支模式（四分支井和羽状分支井）进行了各种案例的研究。
Theresultsdemonstratethattheoptimalwelldirectionofthequad-lateralwellisparalleltothebuttcleatdirectionasexpected.However,theoptimalmainwellangleofthepinnatelateralwellissignificantlyaffectedbythepermeabilityanisotropyratio.
结果表明四分支井的最佳方向是平行于端割理方向的，这正如我们的预料。
然而，羽状多分支井的最佳主井角侧向井显著受渗透率各向异性比的影响。
Theorientationsofthebranchesofthepinnatelateralwellarelesssensitivethanthebranchnumbersandthisindicatesthatmoregasrecoveryefficiencycanbeeffectivelyachievedbydrillingmorebranchesbutnotbyvaryingthebranchorientations.
羽状多分支井分支的方向没有分支数敏感，这说明我们可以通过钻多分支来有效的实现气体回收效率，而不是通过改变分支方向。
Theseconclusionsaredrawnbyusingawidelyusedstress-basedpermeabilitymodelwiththefixedpermeabilityanisotropyratio.
这些结论是通过使用以应力为基础的渗透率模型得到的，这个模型在固定渗透率各向异性比中被广泛使用。
InordertoinvestigatethepermeabilityanisotropychangeduringtheCBMproduction,astrain-basedandastress-basedcoalpermeabilitymodelsforisotropicconditionareimprovedtoincorporatethepermeabilityanisotropyandtoquantitativelystudytheimpactofpermeabilityanisotropyratiochangeonlateralwellpattern.
为了探讨煤层气生产过程中渗透率各向异性的变化，我们改进了基于应变和应力为基础的煤的渗透率模型各向同性条件，以定量的研究渗透率各向异性比的变化对侧向井网的影响。
Inordertobeconsistentwiththepreviouspermeabilitymodel,weimplementtheimprovedstress-basedmodelintothereservoirsimulationmodel.
为了与以前的渗透率模型保持一致，我们对基于应力模型到储油层模拟模型进行了改进。
Theresultsshowthatthepermeabilityanisotropyisnotonlycausedbytheinitialdifferencesinstructureandtortuosityofthecoalcleatsinthetwodirections,butalsoinducedbytheanisotropicmechanicalandswellingpropertiesduringtheCBMproduction.
该结果表明，渗透率各向异性不仅是由原始结构的差异性和煤炭割理的曲折因子两个方向造成的，而且受煤层气生产过程中各向异性机理和膨胀性能的诱导。
Thepermeabilityanisotropyratiochangeduringproductionmayalsohaveasignificantimpactontheoptimaldesignofthemulti-lateralwell.
在煤层气生产过程中，渗透率各向异性比率的变化可能对多分支井的优化设计具有显著的影响。
Keywords:
anisotropicpermeability,coal,multi-lateralwell,CBMproduction
关键词：
渗透率各向异性，煤，多分支井，煤层气生产
1.Introduction
1.简介
Theworldcoalbedmethaneresourceestimatesrangefrom2980to9260Trillioncubicfeet（Tcf）or8.433×
1013m3to2.621×
1014m3（Palmer,2008）.Commercializationofthislarge-potentialunconventionalgasresourcedependsontheoptimaldrillingtechniquestoachievelongtermeconomicproduction.
世界煤层气资源量范围约2980到9260万亿立方英尺（TCF）或8.433×
1013立方米至2.621×
1014立方米（帕尔默，2008）。
这么大潜力的非常规天然气资源的商业化取决于最佳钻探技术，以实现长期的经济生产。
Sincecoalseamsareusuallylowpermeability,aproperstimulationmethodisrequiredtoachieveeconomicproduction（Logan,1988）.Thehorizontalwellsdrilledperpendiculartothemaximumpermeabilitydirectionisoneoftheeffectivestimulationtechniquesamongtheothers（Logan,1988）.由于煤层通常是低渗透，适当的刺激是实现经济生产的方法之一（洛根，1988）。
钻出垂直于最大渗透性方向的水平井是（洛根，1988）有效刺激技术之一。
Theconceptofnon-straightdrillingcanbedatedbacktothe1890s,whenthefirstU.S.patentfortheuseofflexibleshaftstorotatedrillingbitswasissued（EnergyInformationAdministration,EIA,1993）.Thefirsttrulylateralholesweredrilledin1929atTexon,Texas（Logan,1988）.Thehorizontaldrillingtechnologyachievedcommercialviabilityinthelate1980s（EnergyInformationAdministration,EIA,1993）.
非直线钻的概念可以追溯到到19世纪90年代，当美国使用灵活的轴旋转钻头第一个专利发出（能源情报署，EIA，1993）。
第一个真正的横向钻在1929年在泰嵩，德州打出（洛根，1988）。
水平钻井技术在80年代后期（能源情报署，EIA，1993）取得了商业上的可行性。
Recenttechnologydevelopmenthasalloweddrillingmulti-lateralwellsfromashafttoeconomicallyenhancethegasproduction.Thebenefitofdrillingmulti-lateralwellsincoalbedmethanereservoirsismuchlargerthanthatofdrillingsinglehorizontalwellsandthequad-lateralwellsaretheoptimumwellconfigurationamongthemulti-lateralwellpatterns（Maricicetal.,2008）.Thisisbecausethatmulti-lateralwellcannotonlyincreasethecontactareawiththecoalseamsandtherebyprovideaneffectivewayforreservoirpressuredrawdown,butalsosavetheshaftswhicharemorepreferredforthedeepcoalseams.
最近的技术发展使得钻井从轴的多分支井到经济上都加强了天然气生产。
在煤层气储层钻多分支井的好处是比单一钻水平井和四侧多分支井的产量大得多（Maricic等人，2008）。
这是因为多分支井不仅与煤层有增大的接触面积，而且提供了一个有效的油藏压力下降的途径，同时还节省了深部煤层的矿井钻杆。
Theoptimaldesignofthistechniquehasdrawncloseattentionduetotherapidgrowthoftheapplicationsofhorizontalwellsespeciallythemulti-lateralwellinthecoalseams.Palmer（2010）reviewedcoalbedmethanecompletionsaroundtheworldandproposedasimplifiedcompletionstrategyaccordingtothecoalpermeability:
thesinglelateralwellstrategyissuitableforlowpermeabilitycoalseams（3md–20mdor3×
10−15m2–20×
10−15m2）andthemulti-lateralwelltechnologyispreferredforthecoalseamswithextremelylowpermeability（lessthan3mdor3×
10−15m2）.However,theoptimaldesignofthemulti-lateralwellhighlyreliesontheunderstandingofthegastransportmechanismsincoalseamsandcoalreservoirproperties,suchaspermeabilityanisotropy.
由于水平井尤其是多分支井在煤层应用中的快速增长，这种优化设计的技术已经引起密切关注。
帕尔默（2010年）在世界各地对煤层气进行调查，并根据煤的渗透性提出了简化的完成战略：
单分支井的策略适合于低渗透煤层（3MD-20mdor3×
10-15平方米，20×
10-15平方米）和多分支井技术适用于渗透率极低的煤层（不到3公斤或3×
10-15平方米）。
然而，多分支井的优化的设计高度依赖于气体在煤层和煤储层中运移机制，如渗透率各向异性。
Coalseamsarenaturallyfracturedreservoirswithmatrixandcleats.Initiallymostofthegasisadsorbedinthecoalmatrix.Whenthereservoirpressureisdrawndowntothegasdesorptionpressure,gasdesorbsfromanddiffusesthroughthecoalmatrixtothecleatnetwork,andthenflowstotheproductionwell.ThusthepermeabilityofthecleatsisoneofthecontrollingparametersforCBMproduction.
煤层天然裂缝中储层着基质和割理。
最初大部分气体被吸附在煤基质。
当储层压力降低时，气体从煤基质解吸并通过割理孔隙扩散流向生产井。
因此，割理的渗透性是煤层气生产控制的参数之一.
Thecoalcleatsystemiscomposedoffacecleatsandbuttcleatswithpermeabilityratiobetweenthemashighas17:
1（KoenigandStubbs,1986）.Permeabilityanisotropyisoneofthemostimportantfactorsinoptimaldesignofmulti-lateralwellsforCBMproduction.Horizontaldrainagewellshavebeensuggestedtolineupperpendiculartothefacecleatdirectionandintheupperpartofthickcoalseamstomaximizegasproduction（SungandErtekin,1987;
Ertekinetal.,1988）.Delmbacheretal.（1992）suggestedthatthesinglehorizontalwelldirectionshouldbeorthogonaltothefacecleatsdirection.Maricicetal.（2008）hasperformedparameterstudiesfortheoptimaldesignofthemulti-lateralwellunderisotropicpermeabilitycondition.
煤的面割理和端割理组成的系统渗透率比高达17：
1（科尼格和斯塔布斯，1986）。
渗透率各向异性是煤层气生产在多分支井优化设计中最重要的因素之一。
横排水井已经提出来排队垂直于面割理方向和厚煤层的上部，以最大限度地提高天然气产量，在单个水平井的方向应是垂直的面割理方向。
已经完成参数的研究为多分支井渗透率各向同性条件下的优化设计。
Nevertheless,thereisstilllackofknowledgeontheoptimaldesignofthemulti-lateralwellsundertheanisotropicpermeabilitycondition,althoughthisisofgreatimportancesincetherealcoalreservoirpermeabilityismoreorlessanisotropic.Inordertorepresenttheanisotropicpermeability,anumberofmodelshavebeenproposedintherecentyears.AlthoughadetailedreviewontheanisotropicpermeabilitymodelingcanbefoundinPanandConnell（2012）,somekeydevelopmentonanisotropicpermeabilitymodelingisbrieflyreviewedbelowforthecompletenessofthiswork.Wangetal.（2009）proposedanimprovedpermeabilitymodelusingthethermo-poro-elasticconstitutiveequationsundercontinuumassumptionsandthesorption-inducedstrain.GuandChalaturnyk（2010）treatedthediscontinuouscoalmass（containingcleatsandmatrix）asanequivalentcontinuummediathroughtheuseoftheequivalentmodulusandtheequivalentPoisson'
sratiostodeveloptheirpermeabilitymodel.Liuetal.（2010）proposedanindirectmethodtousetheequivalentvaluesmeasuredinthelaboratoriestocalculatethecleatsopeningorclosure,whichcontrolsthedirectionalpermeabilitychange,throughamodulusreductionratio.
然而，目前尚缺乏对渗透率各向异性条件下的多分支井优化设计的知识，虽然这是非常重要的，因为真正的煤储层渗透率或多或少是具有各向异性的。
为了表示渗透性各向异性，近些年已经提出了一些模型。
虽然在各向异性渗透率建模的详细审查可以在PanandConnell发现，各向异性渗透率建模的一些关键发展简要回顾以下为这项工作的完整性。
Wang等人。
（2009）提出用下连续假设热多孔弹性本构方程和吸附引起的应变改进渗透率模型。
谷和Chalaturnyk（2010）通过使用等效弹性模量和等效泊松比的发展其渗透率模型处理的不连续的煤的质量（含夹板和矩阵），为等效连续介质。
刘等人。
（2010）提出了一种间接的方法使用在实验室测量的等效值来计算夹板开口或闭合，从而控制所述定向渗透性变化，通过一个模数的减速比。
However,isotropiccoalswellingwasoftenusedinanisotropicpermeabilitymodeling.Thus,PanandConnell（2011）developedananisotropiccoalswellingmodelbasedontheisotropicPanandConnell（2007）coalswellingmodelandinvestigatedanisotropicpermeabilitychangewiththeanisotropicswellingstrainincl
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