考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法和系统

本发明涉及油气田开发工程领域，尤其涉及一种用于非常规油气藏开发的考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法和系统。

背景技术：

生产数据分析方法是通过数学模型分析油(气)井实际生产数据进而反求储层参数的方法，使用的数学模型一般基于油(气)藏内部流体渗流方程、边界条件等推导得到。生产数据分析方法在理论上尽可能还原储层流体渗流状态，具有清晰的物理意义与理论背景，在实践上基于油(气)井实际生产数据，包括产量数据、压力数据、生产时间等，使得方法解释结果具有相当程度可靠性与实用性。鉴于此，生产数据分析方法兼具理论背景与实用性，应用简便、结果可靠，有助于油(气)藏现场快速确定储层关键参数。

煤层普遍发育割理系统，割理是普遍发育在煤层中的天然裂隙，割理一般以相互垂直或致垂直的两组出现，分为面割理和端割理。瓦斯、煤岩气在割理系统的渗透能力表现出极强非均质性，经过大量的调查发现，如表1所示，煤岩中面割理方向上的渗透率总大于端割理方向上的渗透率。

在王亚对煤岩渗透率各向异性实验评价中，对采自我国煤层气勘探开发较为活跃的陕西韩城矿区的试验样品进行面割理及端割理方向渗透率测定，结果表明：煤岩渗透率存在明显的各向异性，面割理与端割理方向渗透率之比可达5.1～9.0；在傅雪海的煤割理压缩实验及渗透率数值模拟中，对采自晋城成庄矿、高平望云矿、潞安常村矿、潞安五阳矿的样品在显微镜下测量面割理、端割理，发现面割理初始宽度均大于端割理的初始宽度,因此面割理渗透率大于端割理渗透率；有关基于煤岩割理正交各向异性的煤层气产能预测中，样品取自鄂尔多斯盆地，煤储层模拟参数面割理开度大于端割理开度，其渗透率之比在3.6左右；在曾春林的基于瓦斯渗透异性的煤层抽采钻孔合理布置的研究中，煤体平行层理方向渗透率是垂直层理方向渗透率的2.6倍左右,进而导致瓦斯在煤层中各向渗透差异。

因此，面割理、端割理在煤层内走向近乎正交，且面割理、端割理的渗透率之比介于1.2～9.0之间，表现出显著的渗透率非均质性。

表1不同煤矿地区面割理、端割理渗透率之比

常规煤层气井的生产会经历前期排水阶段，该阶段井底压力高于煤层内部临界解吸压力，煤岩割理不赋存气相或存在少量自身游离气相，需要指出的是此时的流动机理为单相水流。随着生产进一步进行，井底压力逐渐降低，一旦井底压力小于临界解吸压力，吸附气开始解吸并进入割理系统，此时煤岩内部出现气水两相流。根据煤层气井生产特征，即生产前期(时间跨度为几个月到几年)为单相排水阶段与生产中后期(时间跨度为几年到十几年)为气水两相流阶段，现有针对煤层气井生产数据分析方法可分为“单相水阶段”分析方法与“气水两相流”分析方法，其中绝大部分研究属于“气水两相流”分析方法。

现有煤层气井“单相水阶段”分析方法可细分为两类，一类借鉴常规油藏、气藏的生产数据分析方法，将油相、气相替换为水相，仍假设储层具有渗透率各向均质特征；另外一类考虑煤岩自身岩石力学性质以及低渗特征，在第一类方法的基础上考虑应力敏感效应、以及压力传播距离，但此类方法仍未考虑各向异性对储层内流体渗流的影响。

总体而言，现有绝大部分煤层气井生产数据分析方法针对煤层“气水两相流”阶段，少量针对煤层“单相水”阶段的生产数据分析方法尚未考虑非均质性对煤层内单相水渗流的影响。而且，煤层气水两相流阶段产量数据受盈利敏感、基质收缩、气水两相流多种因素影响，因此根据两相流数据反演地层参数的难度较大，且可靠性存疑。比较而言，单相水阶段产量数据仅受应力敏感(地应力较高的煤层)、自身渗透性影响，基于单相水阶段生产数据解释煤层渗透率具有天然优越性。鉴于此，本发明提出的考虑煤层各向异性的早期产水数据分析方法极富意义。

技术实现要素：

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

本发明提出一种考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

s10：获得已知煤层物性参数(pe，φ，ct，h)与煤层气井单相水阶段生产历史(t，q(t)，pw(t))；其中，pe为原始底层压力，φ为煤层孔隙度，ct为煤层综合压缩系数，h为储层厚度；t为生产时间，q(t)为产水量历史,pw(t)为井底压力历史；

s20：假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki；

s30：对考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化处理后可得：

其中，

其中，re代表煤层边界离井底的距离，m；煤层气渗透率较低，生产初期伴随压力波传递过程，存在“动边界”，煤层边界离井底的距离re的表达式为：

其中，t代表生产时间，d；φ代表煤层孔隙度，无因次；ct代表综合压缩系数，mpa^-1；

其中，μ代表煤层水粘度，mpa·s；rw代表井筒半径，m；k代表将非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率，md；β代表煤层的非均质性强弱，无因次；

将上述步骤s10中所获得的参数带入得到某一生产时刻y的值；

将上述步骤s10中所获得的参数带入得到某一生产时刻x的值；

s30：将步骤s20中的x、y值放入同一坐标系中，根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程得到非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k；

s40：将步骤s40中获得的非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k与步骤s20中假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki进行比较，若两者的相对误差ε在1％以内，则认为计算的假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率为正确的；否则，转到s20中，继续假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki；

s50：根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程中的截距和斜率计算煤层面割理方向渗透率kx和煤层端割理方向渗透率ky。

另外，根据本发明的考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个示例中，非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率的初始值为临界煤层气井渗透率或通过测井、试井方法解释的渗透率。

根据本发明第二方面的一种考虑煤层各向异性的煤层气井早期产水数据分析系统，包括：

第一输入单元，用于将已知煤层物性参数(pe，φ，ct，h)与煤层气井单相水阶段生产历史(t，q(t)，pw(t))参数输入；其中，pe为原始底层压力，φ为煤层孔隙度，ct为煤层综合压缩系数，h为储层厚度；t为生产时间，q(t)为产水量历史,pw(t)为井底压力历史；

第二输入单元，用于将假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki值输入；第一计算单元，用于将考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化处理后得到：

其中，

其中，re代表煤层边界离井底的距离，m；煤层气渗透率较低，生产初期伴随压力波传递过程，存在“动边界”，煤层边界离井底的距离re的表达式为：

其中，t代表生产时间，d；φ代表煤层孔隙度，无因次；ct代表综合压缩系数，mpa^-1；

其中，μ代表煤层水粘度，mpa·s；rw代表井筒半径，m；k代表将非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率，md；β代表煤层的非均质性强弱，无因次；

将第一输入单元所获得的参数带入计算得到某一生产时刻y的值；

将第一输入单元所获得的参数带入计算得到某一生产时刻x的值；

第二计算单元，用于将第一计算单元所获得的x、y值放入同一坐标系中，根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程得到非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k；

判断单元，用于将第二输入单元获得的非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k与第一输入单元中获得的假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki进行比较，若两者的相对误差ε在1％以内，则认为计算的假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率为正确的；否则，转到第二输入单元中，继续假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki；

第三计算单元，用于根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程中的截距和斜率计算煤层面割理方向渗透率kx和煤层端割理方向渗透率ky。

在本发明的一个示例中，非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率的初始值为临界煤层气井渗透率或通过测井、试井方法解释的渗透率。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法的流程图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

根据本发明第一方面的一种考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法，包括如下步骤：

s10：获得已知煤层物性参数(pe，φ，ct，h)与煤层气井单相水阶段生产历史(t，q(t)，pw(t))；其中，pe为原始底层压力，φ为煤层孔隙度，ct为煤层综合压缩系数，h为储层厚度；t为生产时间，q(t)为产水量历史,pw(t)为井底压力历史；

s20：假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki；作为优选地，非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率的初始值为临界煤层气井渗透率或通过测井、试井方法解释的渗透率；

s30：对考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化处理后可得：

其中，

将上述步骤s10中所获得的参数带入得到某一生产时刻y的值；

将上述步骤s10中所获得的参数带入得到某一生产时刻x的值；

其中，考虑各向异性的煤层气井产水方程表达式为：

其中，μ代表煤层水粘度，mpa·s；re代表煤层边界离井底的距离，m；rw代表井筒半径，m；k代表将非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率，md；β代表煤层的非均质性强弱，无因次；

其中，式中，kx代表煤层面割理方向渗透率，md；ky代表煤层端割理方向渗透率，md；

其中，式中，t代表生产时间，d；φ代表煤层孔隙度，无因次；ct代表综合压缩系数，mpa^-1；

ct＝cf+cw

其中cf代表煤岩压缩系数，mpa^-1；cw代表地层水压缩系数，mpa^-1；

由各向异性的煤层气井产水方程进行线性化可知，x、y均为生产时间的函数，而k值与与煤层自身渗透性相关，对于单口煤层气井而言，可认为它们不随时间发生变化，因此各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程的线性关系成立；而且，该线性关系的斜率为k值，截距为可用来解释得到煤层非均质性。

s30：将步骤s20中不同生产时刻的x、y值放入同一直角坐标系中，根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程得到非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k；即根据线性关系解释得到斜率与截距，得到k值。

s40：将步骤s40中获得的非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k与步骤s20中假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki进行比较，若两者的相对误差ε在1％以内，则认为计算的假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率为正确的；否则，转到s20中，继续假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki；

其中，ε＝∣ki-k∣/ki；

s50：根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程中的截距和斜率计算煤层面割理方向渗透率kx和煤层端割理方向渗透率ky；

具体地，先由各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程：

求得煤层的非均质性强弱β，即

其中，b代表通过线性关系得到的截距，无因次；

然后根据公式中线性关系的截距b与斜率k值分别求得煤层面割理方向渗透率kx和煤层端割理方向渗透率ky，即

kx＝k×β

也就是说，使用该方法时，需要输入的参数包括生产时间t，产水量历史q(t),井底压力历史pw(t)，原始底层压力pe，煤层孔隙度φ，煤层综合压缩系数ct，储层厚度h。该方法求取的参数为煤层面割理方向渗透率kx，煤层端割理方向渗透率ky。

结合生产数据分析方法与油(气)井生产数据反求储层参数，是一种可靠、准确的关键储层参数获取方式，明显区别于常规油气藏，煤层普遍发育割理系统(包含面割理、端割理)，二者煤层内部的走向近乎正交，且渗透率差异较大，导致煤层呈现极强的各向异性特征；本发明聚焦这种非均质性对储层流体产出的影响，同时考虑到煤层气井生产早期(单相水阶段)产能影响因素相对单一，提出一种考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法，能够根据煤层气井早期产水量、生产时间与井底流压，反求煤层面割理、端割理方向渗透率。该方法首先对各向异性影响下产水方程进行“线性化”处理，结合提出的迭代与拟合方法，能够快速确定煤层渗透率各向异性特征。目前一般通过室内实验研究评价煤层各向异性，该评价结果的准确性很大程度上依赖所取岩心是否具有代表性、以及实验数量，往往得到的数据存在较大不确定性。

本发明的分析方法应用简便，一方面基于渗流力学直接从实际生产数据中提取储层信息，解释的非均质特征可靠性强，另一方面省去实验的现场取芯、实验操作步骤，能够有效控制成本；而且本方法能够快速、可靠、经济的获取煤层渗透率非均质性，为煤层气井高效开发奠定理论基础。

根据本发明第二方面的一种考虑煤层各向异性的煤层气井早期产水数据分析系统，包括：

第一输入单元，用于将已知煤层物性参数(pe，φ，ct，h)与煤层气井单相水阶段生产历史(t，q(t)，pw(t))参数输入；其中，pe为原始底层压力，φ为煤层孔隙度，ct为煤层综合压缩系数，h为储层厚度；t为生产时间，q(t)为产水量历史,pw(t)为井底压力历史；

第二输入单元，用于将假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki值输入；作为优选地，非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率的初始值为临界煤层气井渗透率或通过测井、试井方法解释的渗透率。

第一计算单元，用于将考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化处理后得到：

其中，

将第一输入单元所获得的参数带入计算得到某一生产时刻y的值；

将第一输入单元所获得的参数带入计算得到某一生产时刻x的值；

其中，考虑各向异性的煤层气井产水方程表达式为：

其中，q代表产水量，m³/d；h代表储层厚度，m；pe代表煤层边界处压力，由于本发明针对单相水阶段生产数据，pe为是原始煤层压力，mpa；pw代表煤层气井井底压力，mpa；μ代表煤层水粘度，mpa·s；re代表煤层边界离井底的距离，m；rw代表井筒半径，m；k代表将非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率，md；β代表煤层的非均质性强弱，无因次；

其中，式中，kx代表煤层面割理方向渗透率，md；ky代表煤层端割理方向渗透率，md；

其中，式中，t代表生产时间，d；φ代表煤层孔隙度，无因次；ct代表综合压缩系数，mpa^-1；

第二计算单元，用于将第一计算单元所获得不同生产时刻的x、y值放入同一直角坐标系中，根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程得到非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k；即根据线性关系解释得到斜率与截距，得到k值。

判断单元，用于将第二输入单元获得的非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率k与第一输入单元中获得的假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki进行比较，若两者的相对误差ε在1％以内，则认为计算的假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率为正确的；否则，转到第二输入单元中，继续假设非均质煤层转化为均质煤层时的均质渗透率ki；

第三计算单元，用于根据考虑各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程中的截距和斜率计算煤层面割理方向渗透率kx和煤层端割理方向渗透率ky；

具体地，先由各向异性的煤层气井产水方程进行线性化方程：

求得煤层的非均质性强弱β，即

其中，b代表通过线性关系得到的截距，无因次；

然后根据公式中线性关系的截距b与斜率k值分别求得煤层面割理方向渗透率kx和煤层端割理方向渗透率ky，即

kx＝k×β

本发明的分析系统应用简便，一方面基于渗流力学直接从实际生产数据中提取储层信息，解释的非均质特征可靠性强，另一方面省去实验的现场取芯、实验操作步骤，能够有效控制成本；而且本系统能够快速、可靠、经济的获取煤层渗透率非均质性，为煤层气井高效开发奠定理论基础。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的考虑各向异性的煤层气井早期产水数据分析方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。