確定固體碳質地下層的儲層特性的方法

2023-09-15 10:42:40 8

專利名稱：確定固體碳質地下層的儲層特性的方法
技術領域：
本發明一般涉及從固體碳質地下層，例如煤層，回收甲烷的方法。更具體地說，本發明涉及確定固體碳質地下層的儲層質量的方法。本發明也涉及確定提高固體碳質地下層的甲烷回收特性的方法。
背景技術：
固體碳質地下層，例如煤層，可能含大量天然氣。這種天然氣主要由甲烷組成，一般甲烷為90-95％(體)。大部分甲烷吸附在該層的碳質物質上。除甲烷外，少量其它化合物，例如水、氮氣、二氧化碳和較重的烴可能存儲在碳質基巖中，或附著在它的表面。已知全世界在固體碳質地下層中的甲烷儲量是巨大的，為此已開發了許多技術以有利於從這些地層中回收甲烷。
過去，甲烷主要是通過減少儲層壓力從固體碳質地下層中回收。採用減少壓力的方法，當固體碳質地下層的儲層壓力降低時，在煤的內生裂隙中的甲烷的分壓則減少。這使得甲烷從甲烷吸附中心脫附，擴散到煤的內生裂隙中。一旦在煤的內生裂隙系統中，甲烷流到回收井，在那裡甲烷被回收。當甲烷從固體碳質地下層中回收時，該層的儲層壓力繼續降低。一般，隨著該層的儲層壓力降低時間過長，甲烷回收率降低。對於煤層，認為原生壓力減少技術能夠經濟地生產煤層中的原始甲烷地質儲量的約35-70％。甲烷從這些地層的回收率和用原生壓力減少技術從地層中可回收的原始甲烷地質儲量百分比取決於地層的儲層特性。
預測在固體碳質地下層中甲烷的含量、預期的甲烷回收率和可以預期的要從地層中回收的甲烷的百分比是困難、耗時並且花銷大。一般地，從感興趣的地層得到巖芯樣品以確定地層的儲層特性，包括地層中甲烷的含量，並且確定碳質物質的厚度和垂直布局。遺憾的是，固體碳質地下層，例如煤層，常常是非常不均勻的，在垂直和水平方向都可以呈現極大的各相異性。也常常在不連續層中發現碳質物質，其常常被頁巖和沙巖隔開。因而，巖芯樣品常常不能可靠估計儲層質量。
常常需要全面的生產試驗，以更好的描述特殊的固體碳質地下層的回收甲烷的潛產量。一般的生產試驗有幾口鑽入固體碳質地下層的回收井。用來描述用原生壓力減少技術從固體碳質地下層回收甲烷的生產試驗可能花費數百萬美元，需要幾個月或幾年以便描述從特殊的固體碳質地下層回收甲烷的潛產量。
在過去，使用降壓試驗來確定井壁趨膚效應、儲層滲透性和圍繞井筒的煤層區的儲層壓力。在這些試驗中，一般通過注入井將水注入地層中。在所要求的時期注入是連續的，然後注入井關閉。在注入井關閉期間，測定井筒壓力。可以分析降壓數據，以提供井壁趨膚效應、滲透性和儲層壓力。然而，正如早先討論的那樣，固體碳質地下層常常呈現高度不均勻性和各相異性，這些不能由標準的降壓試驗來確定。因而，標準的降壓試驗一般不提供足以描述一般固體碳質地下層儲層質量的足夠信息。
對於許多固體碳質地下層，用原生壓力減少技術回收甲烷是不可能滿意的。為了提高固體碳質地下層的甲烷回收率，已經開發了能夠從地層，並且以高於用壓力減少技術所能得到的速率回收較高百分比的原始甲烷地質儲量的技術。一種這樣的技術採用注入氣態解吸流體，例如氮氣、貧氧空氣、空氣、煙道氣和任何至少含50％(體)氮氣的其它氣體。注入的氣態解吸流體，減少在煤的內生裂隙中甲烷的分壓，使甲烷從甲烷吸附中心解吸出來，進入煤的內生裂隙中。另一種這樣的技術採用注入至少含50％(體)的二氧化碳的氣態解吸流體。流體中所含的二氧化碳優先地吸附在甲烷吸附中心，從而使甲烷從吸附中心解吸出來，擴散進煤的內生裂隙中。
一旦在煤的內生裂隙中，甲烷就向回收井移動。上面的兩種技術還有另外的優點，因為注入的氣態解吸流體勢必將地層朝上壓，從而使從固體碳質地下層回收的現有地下儲存甲烷比用原生壓力減少技術回收更快。採用注入氣態解吸流體，比用原生壓力減少技術回收更高百分比的現有地下儲存甲烷。採用注入氣態解吸流體來提高固體碳質地下層的甲烷回收率的方法以下有時簡稱「提高甲烷回收率的技術」。
當採用提高甲烷回收率的技術改善甲烷從地層的回收率時，這些技術也需要很大的設計工作和工程。此外，更高的回收率和採用提高甲烷回收率的技術所能夠回收的額外的現有地下儲存甲烷，不能證明與在特殊地層實施該技術有關的額外的花費是正確的。
為了確定提高回收率的技術對於特殊的固體碳質地下層是否適當，必須準確預測採用這些技術從地層回收的甲烷收率。遺憾的是，只是由一般的壓降試驗確定的儲層特性不能提供足夠的信息，以準確預測甲烷收率，這可以從採用提高甲烷回收率的技術的生產工程中預計到。而且，當用原生壓力減少技術，採用提高甲烷回收率的技術的全面的生產試驗可能花費數百萬美元，需要數月或者數年來完成。
需要的是一個能夠確定固體碳質地下層的儲層特性的方法。此外，需要的是一個能夠預測採用提高甲烷回收率的技術可以從固體碳質地下層回收的甲烷收率和原始甲烷地質儲量的百分比的相當快而花費不多的方法。
當在本文使用時，下面的術語應有下面的意義(a)「空氣」指的是任何含至少15％(體)氧氣和至少60％(體)氮氣的氣體混合物。「空氣」一般是在井場存在的常壓大氣混合物，含約20-22％(體)氧氣和約78-80％(體)氮氣；(b)「碳質物質」指的是固體碳質物質，認為其是由有機物質熱降解和生物降解而產生的。碳質物質這個詞特別地排除碳酸鹽和認為其是由其它方法所產生的其它礦物質；
(c)「特性停留流動時間」指的是氣態非吸附流體的分子，例如氦氣，通過固體碳質地下層的煤的內生裂隙系統，從靠近注入井的地層的一處，輸送到靠近回收井的地層的一處所需的時間；(d)固體碳質地下層的「特性擴散時間」是67％的氣態流體解吸或者吸附到地層的碳質基巖所需的時間；(e)「煤的內生裂隙」或者「煤的內生裂隙系統」是固體碳質地下層中的天然裂縫系統；(f)「煤層」包括彼此流體連通的一個或者多個煤層；(g)「煤層」是一般含有50-100％(重)有機物質的碳質地層；(h)「有效滲透率」是由地層提供的氣態流體通過它移動的阻力的度量。有效滲透率要隨不同的孔隙壓力而變化，並且可能根據在地層中的位置而變化。有效滲透率包括應力相關滲透率結果和相對滲透率結果；(i)「有效滲透率關係」是有效滲透率如何隨孔隙壓力而變化和其如何隨地層中的水飽和度而變化的說明。因為孔隙壓力和水飽和度可能隨注入到地層中的氣態解吸流體而變化，所以這種關係是很重要的；(j)「煙道氣」指的是烴與空氣燃燒產生的氣體混合物。煙道氣的精確的化學組成取決於很多變量，包括但不限於此燃燒的烴、燃燒過程氧與燃料比和燃燒溫度；(k)「地層破裂壓力」和「破裂壓力」意思是斷開地層並且通過地層擴展引入的裂縫所需要的壓力；
(l)「裂縫半長度」是沿著裂縫從井筒到裂縫端部所測得的距離；(m)「解吸氣體流體」包括任何的能夠使得甲烷從固體碳質地下層解吸的流體或者流體的混合物；(n)「原始儲層壓力」是井筒到固體碳質地下層初始完成時井筒內存在的儲層壓力；(o)「Ki」是在原始儲層壓力下地層內存在的有效滲透率；(p)「Kf」是給定孔隙壓力的地層內存在的有效滲透率；(q)「孔隙壓力」是煤的內生裂隙體系的孔隙間隔內存在的壓力；孔隙壓力可能整個地層變化，並且可能因注入到地層和從地層內回收的流體而變化；(r)「儲層流動能力」是在固體碳質地下層內可以達到的流速的度量。儲層流動能力是地層的有效滲透率乘地層的高度或厚度的積。對於注入井，儲層流動能力應考慮到地層的應力相關的滲透率關係，因為在解吸流體的注入期間，在接近井筒的區域內存在的有效滲透率要隨接近井筒的區域內的孔隙壓力變化而變化；(s)「儲層壓力」意思是在關井時，在生產層的層面的壓力。儲層壓力可能整個地層變化。另外，儲層壓力可能在從地層生產流體和/或氣態解吸流體注入到地層時發生變化；(t)「固體碳質地下層」指的是位於地表面以下的基本上固體碳質的含甲烷的物質。人們認為這些含甲烷的物質是通過有機物質的熱降解和生物降解產生的。固體碳質地下層包括但是不限於煤層和其它的碳質地下層例如antrium碳質和泥盆系頁巖。
(u)「吸附」指的是由含有微孔的碳質物質例如煤容納氣體的過程。微孔中的該氣體一般的是以濃縮的或者類似液體相容納在煤中，或者該氣體可能化學鍵合到煤中。
(v)「連綿區域」指的是引入到地層的流體接觸的地層的區域。以接觸的地層的百分比來度量地層的連綿區域。連綿區域是平面和垂直向的連綿區域的積；(w)「井距」或者「間距」是兩個分開的井的單個井之間的直線距離。從井截斷感興趣的地層的地方來測量該距離。
(x)「井筒趨膚效應」是對井筒周圍地層的區域的相對破壞的度量。
發明概述人們已經驚奇地發現，可以使用簡單的注入和回流試驗與儲層模擬技術，例如與數字儲層模擬技術一起，來確定固體碳質地下層的儲層質量和提高甲烷回收特性。在本發明中，優選把含至少50％(體)氮的氣態解吸流體以公知的注入速度通過注入井注入到地層。已經注入所需量的流體之後，優選關井，並且測定井內相應的壓力。然後，使至少一部分注入的流體通過井流回到地面，在此期間，監測通過井回流的流體的化學組成。在試驗期間，可以利用一個或多個後面收集的數據和儲層模擬技術一起，來確定地層的儲層質量，並且確定地層的提高甲烷回收特性氣態解吸流體的注入速度、通過井回流的流體的化學組成、在關井期間相應的井壓、在注入和回流期間相應的井壓、通過井回流的流體的體積流速、注入的流體的化學組成和可能的以前通過井已經生產的任何流體的體積量。
優選地是，通過歷史匹配的模擬地層的數字儲層模擬器與通過在注入期間、回流期間和任何以前的生產期間測量的數據一起來確定儲層質量和提高甲烷回收特性。可以利用地層的提高甲烷回收特性來開發固體碳質地下層的「提高甲烷回收儲層說明」。提高甲烷回收特性和儲層說明將促進得到任何所要求的政府的批准和將加速實施利用提高甲烷回收技術的生產計劃。
本發明的一個目的是提供一種確定固體碳質地下層的儲層質量的方法。
本發明的另一個目的是提供一種預測井的特性和利用內生壓力減少或者提高甲烷回收技術從固體碳質地下層回收甲烷的經濟可行性的方法。
本發明的還一個特殊目的是確定這樣的地層的至少某些提高甲烷回收特性。
本發明的另一個特殊目的是開發一種可以用來預測從地層提高甲烷回收速率的提高甲烷回收儲層說明。
本發明的再另一個特殊目的是利用提高甲烷回收儲層說明來預測利用提高甲烷回收技術從這樣的地層可以經濟的回收的原地原始甲烷的百分數。
本發明的再一個目的是確定生產計劃操作條件，例如用於把氣態解吸流體注入到固體碳質地下層的壓力；在給定的注入壓力下可以注入到地層的氣態解吸流體的注入速度；注入井和生產井之間所用的井距；井的布局；和要用的注入的流體的優選的化學組成。
從下面的本發明的詳細地描述、附圖、此處所介紹的實施方案和權利要求顯然可以很容易地看出本發明的許多附加的優點和特點。
附圖的簡要說明

圖1是本發明研究的煤層的滲透率比(Kf/Ki)和孔隙壓力的關係的曲線圖。
圖2是說明有十一口鑽入地下的井的現場的示意圖。井1-3、5-7和9-11與含煤的固體碳質地下層流體連通。井4和8不與固體碳質地下層流體連通。
圖3是固體碳質地下層的內生壓力減少甲烷回收期間預先注入的歷史匹配的曲線圖。
圖4是圖3所描述的同樣的井的空氣注入期和其後的關井期的歷史匹配的曲線圖。
圖5是圖3和圖4所描述的同樣的井的回流期的歷史匹配的曲線圖。
圖6是在回流期間回收的流體中的氮氣的體積百分比的歷史匹配的曲線圖。
圖7是如圖10所示的示意圖中用於9口井的提高甲烷回收率的注入井的預期的氮氣的注入速度和關聯的井底注入壓力的曲線圖。
圖8是如圖10所示的示意圖中的同樣的9口煤層甲烷回收井的預期的提高甲烷回收率、預期的原生壓力減少甲烷回收速率和預期的氮氣的生產速度的曲線圖。
圖9是從如圖10所示的9口井預期要回收的累積的甲烷量的曲線圖。其表示用原生壓力減少技術預期要回收的甲烷量和用提高甲烷回收技術預期要回收的甲烷量。
圖10是用於從煤層回收甲烷的9口井的分布的示意圖。
實施方案的描述雖然模擬器已經能夠調節儲層性能的量，例如滲透率、孔隙度和擴散時間的量，但是，其在本領域對於從可以與儲層模擬技術一起使用的注入/回流試驗得到的現場數據來確定固體碳質地下層的儲層質量和提高甲烷回收特性是不合適的。另外，還沒有人認識到數字儲層模擬器可以用由注入/回流試驗得到的現場數據來進行歷史匹配，以提供快速、便宜和準確的方法來確定地層的儲層質量和提高甲烷回收特性以及開發地層的準確的儲層說明。
如上所述，本發明提供一種確定固體碳質地下層的儲層性能的改進的方法。其提供一種快速而便宜的方法，來確定和/或檢驗儲層性質，例如孔隙度、有效滲透率、儲層壓力、地層的堆積密度、地層對甲烷的最大吸附能力、地層對可以吸附到地層的碳質物質上的氮氣和/其它氣體的最大吸附能力、儲層連續性、儲層不均勻性和任何儲層各向異性、地層破裂壓力和按標準立方米/公斤計的地層吸附甲烷含量。這些儲層性質後面有時稱為固體碳質地下層的「儲層質量」。
本發明也提供一種確定固體碳質地下層的「提高甲烷回收特性」的方法。除了這些描述儲層質量的儲層性能之外，提高甲烷回收特性包括(但是不限於此)氣態解吸流體的注入性、儲層流動能力、隨孔隙壓力變化的應力相關的滲透率、氣態解吸流體的多組分特徵擴散時間或者單種氣體例如甲烷或氮氣的特徵擴散時間常數、地層內的特性停留流動時間、有效滲透率關係、與注入井或回收井相關的裂縫半長度、相對滲透率關係和其它的影響把提高甲烷回收技術應用到固體碳質地下層的技術和/或經濟實用性的儲層特性。
另外，本發明也提供一種確定是否特殊的井是與明顯地不吸附氧的非碳質地下層例如沙巖流通的方法。應該注意到，即使井筒不鑽入沙巖，井筒也可以與沙巖流通。例如，沙巖可能位於離井筒幾米的位置，但是仍是足夠接近，所以顯著量的注入的氣態解吸流體可能通過沙巖流動，因此旁通大部分固體碳質地下層。當決定是否井筒應該用於注入氣態解吸流體到固體碳質地下層時，確定是否井筒與地層例如沙巖流通可能是特別重要的。如果注入井筒與沙巖流通，大量的注入氣態解吸流體可能旁通固體碳質地下層，因此是浪費的。
如早已討論的，提高甲烷回收技術要在地層實施，可能技術上是很複雜的。因此，在使用這樣的技術的生產計劃方面，經濟報酬對特殊地層的提高甲烷回收特性和用在這樣的地層的提高甲烷回收技術的設計可能是很敏感的。為了充分評價固體碳質地下層，以確定是否應該使用提高甲烷回收技術，應該測定儘可能多的地層的提高甲烷回收特性。
一種可以用來測定地層的儲層質量和/或提高甲烷回收特性的分析方法是歷史匹配法，其用數字儲層模擬器，從注入、回流和/或生產周期得到實際數據。在該歷史匹配法中，作為第一步，把對各種儲層參數的估計值，例如井筒趨膚因子、儲層壓力和儲層滲透率輸入到儲層模擬器。對於井筒趨膚因子、儲層壓力和儲層滲透率的值優選從在井筒完成的壓力恢復試驗或者壓力減少試驗得到。在該歷史匹配方法中，把儲層參數例如滲透率進行系統調節，直到在儲層模擬器的輸出和實際數據之間得到「歷史匹配」。儲層模擬的詳細描述，包括如何進行「歷史匹配」的建議，參見Reservoir Simula-tion.editors C.C.Mattar and R.L.Dalton，Henry Doherty Se-ries Monograph Volume 13，Spciety of Petroleum Engineers(Richardson，Texas，1990)。
地層的提高甲烷回收特性的確定也將促進開發地層的提高甲烷回收儲層的說明。當使用歷史匹配技術時，開發數字儲層模擬器中所含有的提高甲烷回收儲層的說明，並使得同時適合儲層質量和提高甲烷回收特性的確定。
可以使用合適的數字儲層模擬器來設計使用提高甲烷回收技術的生產計劃。在設計生產計劃中，要用的井距、對於任何的注入井和回收井的井布局、注入氣態解吸流體的壓力、注入氣態解吸流體的優選的化學組成、操作回收井的井壓應該和預計的氣態解吸流體的注入速度、預計的總的流體回收速度、預計的甲烷回收速度、預計的水生產速度、預計可以回收的原生甲烷的百分比、在此期間從井生產的流體的化學組成以及各種生產計劃設計情況、和各種生產計劃設計情況將需要的地面設備例如注入設備、提純設備和水處理設備一起確定。通過精確的預計計劃的設備要求，可以以及時和投資有效的方式有效的實施該提高甲烷回收技術。
井筒和氣態解吸流體的注入可以使用各種類型的井把氣態解吸流體注入到固體碳質地下層。該井可以是任何的類型，只要它鑽入地層並且能夠在壓力下把氣態解吸流體輸送到地層。例如，該井可以是勘探井、鑽入地層從地層得到巖芯樣品的巖芯井、或者可以或者不可以通過使用原生壓力減少技術以前已經用來從地層生產甲烷的生產井。
鑽入固體碳質地下層的井區可以裸眼完井或者其可以套管完井，該套管在接近地層處帶孔，以便讓流體在地層和井之間流動。如果有幾個彼此垂直分開的碳質地層時，優選使用用套管完井的井。這可以使得氣態解吸流體分別注入到每一地層。把氣態解吸流體分別注入到每一地層將促使確定單個碳質地層的儲層質量和提高甲烷回收特性。
要用的優選的氣態解吸流體是含有氮氣作為主要組分的流體。這樣的流體的例子是氮氣、煙道氣、空氣和貧氧空氣。要用的更優選的流體是含有至少5-25％(體)氧氣的流體，例如空氣和貧氧空氣。使用含氧氣的氣態解吸流體將促使確定地層內的任何的儲層各向異性和儲層不均勻性。使用含氧氣的氣態解吸流體也將促使確定是否特殊的井與不易吸附氧氣的非碳質地層例如沙巖流體連通。
開始注入氣態解吸流體之前，優選的是關井。這將使接近井筒的地層的壓力達到穩定。達到穩定所需要的時間的長短將取決於特殊地層的儲層特性和該井筒的條件。對於一般的井筒，關井大約2-3周就足夠了。
在注入氣態解吸流體期間，優選的是監測接近地層處的井筒壓力和注入速度。井筒壓力可以通過在接近地層處放一臺井下壓力傳感器來監測，另外，地面注入壓力可以測量和調節到計算出地層之上井內的流體柱的高度。
優選以這樣的步驟，即每一步驟後面的步驟使用高於前面步驟的壓力，來進行氣態解吸流體的注入。每一步驟優選要有足夠的時間，以使注入速度達到一個大約的常數值。當確定每一步驟要用的時間時，由於經濟方面的考慮，優選保持每一注入步驟的時間少於2周，更優選少於1周。
人們認為，把注入步驟分成幾步，每一步驟有它自己的壓力，將使得在注入期間在得到的數據內更精確的歷史匹配。這依次將提供一個地層的提高甲烷回收特性的更精確的測定值。另外，通過使用一個以上的注入壓力，可以作出注入速度與注入壓力的關係的準確的曲線圖。對於給定的注入速度和注入壓力，注入速度與注入壓力的關係的曲線圖和預期的甲烷回收速度一起將有助於確定要用的最佳注入壓力。一般的，所用的注入壓力越高，壓縮注入的一立方米氣態解吸流體到地層所需要的費用越高。因此，可以用注入速度與注入壓力的關係的曲線圖確定在各種注入壓力對於每一壓力預期的最大的注入速度下注入一立方米氣態解吸流體到地層所需要的有關費用。因為壓縮氣態解吸流體的費用是使用提高甲烷回收技術的生產計劃的總費用的一個重要部分，所以這是一項很重要的考慮因素。
對於給定注入壓力的增加所得到的注入速度的增加至少部分取決於地層所呈現的應力相關的滲透率關係。應力相關的滲透率關係描述了隨著地層孔隙壓力變化地層內產生的有效滲透率的變化。對於低於地層破裂壓力的注入壓力，人們認為應力相關的滲透率關係將導致滲透比率(Kf/Ki)增加(如圖1所示)。依次這將使得增加地層的有效滲透率。地層的這種隨著孔隙壓力增加而有效滲透率的增加就使得比基於所用的注入壓力所預期的要注入地層的氣態解吸流體的體積大的多。
從圖1可以看出，對於給定的孔隙壓力增加，最後達到滲透比率增加非常小的那一點。因此，最後由增加的壓力變化得到的增加的注入速度的增加應該開始降低。
一般地，對於提高甲烷回收技術，甲烷回收速度與氣態解吸流體的注入速度成比例。這是由於注入速度增加，可以得到更大量的氣態解吸流體分子，使得甲烷解吸到煤的內生裂縫中。另外，隨著注入壓力增加，地層內存在的孔隙壓力一般就要在接近注入井區和最終在地層增加。孔隙壓力的這種增加，將使得地層的有效滲透率增加。這將允許更多的氣態解吸流體注入到地層，並且使得更多的甲烷/單位時間通過地層流到回收井。因此，隨著注入壓力的增加，所產生的較高的注入速度和較大的有效滲透率將導致較高的提高甲烷回收速度。
但是，人們認為，對於給定的增注壓力增加可以得到的甲烷回收速度不斷增加的情況，最終達到目的，證明其為了得到甲烷回收速度不斷增加所需要的注入壓力和注入速度不斷增加而帶來的附帶的壓縮費用是不經濟的。對於地層分段速度注入氣態解吸流體將幫助使得更精確的確定應力相關的滲透率與孔隙壓力之間的關係，因此將幫助確定在特殊的生產計劃中要用的最佳的注入壓力。
在已經把所需量的流體引入到地層以後，就停止注入氣態解吸流體。在本發明的一個方面中，優選的是注入足夠體積的氣態解吸流體，以使試驗半徑的長度為至少注入氣態解吸流體的井和最鄰近井的井距的0.5％，更優選井距的1％，在某些情況下為井距的1-10％。通過計算由注入的氣態解吸流體探測的區域的理論大小，來確定試驗半徑。一般的，隨著試驗半徑的增加，由注入的氣態解吸流體探測的地層區域增加。隨著探測區域的增加，相信測定的儲層性質將精確的描述該地層增加。但是，試驗半徑的大小實際上要受到與增加試驗半徑有關的費用的限制。為了使試驗半徑加倍，所用的氣態解吸流體的量就需要乘4。因此，可以看出，對於可以用的試驗半徑的大小就有實際的經濟方面的限制。當計算試驗半徑時，假設該半徑定義一個圓柱體積，大約以井筒的縱軸為中心，其是通過氣態解吸流體均勻探測的。
下面的公式可以用來計算試驗半徑。 K＝地層的有效滲透率(毫達西)；＝地層的孔隙度；μ＝氣態解吸流體的粘度(泊)；Ct＝總體系可壓性(Pa)-1；和t＝注入的時間(小時)。
從公式(1)可以看出，試驗半徑的大小取決於地層的有效滲透率、該地區的孔隙度、在地層中存在的流體的粘度、地層的總的可壓性和注入的時間。應注意到，用來計算試驗半徑的粘度是注入的氣態解吸流體的粘度。與應力有關的地層的滲透率關係也使靠近井筒的有效滲透率不同於離井筒更遠的地區的有效滲透率。因而，用地層的平均有效滲透率來計算試驗半徑。在『Advances in Well Test Analysis，』p19，Robert C. Earlougher，Jr.，second printing，Society ofPetroleum Engineers Monograph No.5，(1977)中，可以找到試驗半徑的更完整的討論及如何計算試驗半徑。
也應注意到，如果地層顯示任何不均勻性和各向異性，與氣態解吸流體接觸的地區在井筒附近的分布可能是不均勻的，從而，氣態解吸流體可以檢查位於離試驗半徑以外很長距離的地層的地區。
在本發明的另一方面，在向地層中注入氣態解吸流體時沒有鄰井存在，但是，今後將鑽至少一口以上的採用本發明的井。在這一方面，優先的是注入足夠體積的氣態解吸流體，以便試驗半徑的長度至少是同時注入氣態解吸流體的井筒和最靠近為了向地層中注入氣態解吸流體要鑽井的地區間的間隔的0.5％，更優選的是該間隔的至少0.1％，在一些情況下是該間隔的1-10％。
在本發明的第三方面，利用氣態解吸流體檢查位於離試驗半徑以外很長距離的地層的地區的能力。在本發明的這一方面，注入足夠的氣態解吸流體，以在一口或多口附近的鄰井中產生響應。這個響應可以包括井壓的變化、甲烷回收率的變化和/或從鄰井生產的流體的化學組成的變化。優選的監測至少一口鄰井的響應。利用監測鄰井時所得到的數據來確定注入井和鄰井之間的地層的地區的地層質量和高甲烷回收率的特性。
例如，對於特殊地層，通過測定整個時間鄰井所產生的流體的化學成分，可確定注入的氣態解吸流體的氣體成分的特性擴散時間和特性停留流動時間。當確定特性停留流動時間時，優選的是在注入的氣態解吸流體中加入非吸附示蹤氣體，例如，氦氣。氦氣到達鄰井所花的時間將提供測定在注入井和鄰井之間運行的氣體的特性停留流動時間所需要的信息。
可以通過比較該氣體成分到達鄰井所花的時間相對於非吸附示蹤氣體到達同一井所花的時間，來確定氣態解吸流體的氣體成分的特性擴散時間的粗略近似值。通過將得到的特性擴散時間的粗略近似值輸入數字儲層模擬器，得到更精確測量的特性擴散時間，然後，調節特性擴散時間，直到在預測的和歷史的化學組成數據和/或在鄰井測定的流體回收率之間得到歷史匹配。換言之，從巖芯樣品擴散試驗所得到的特性擴散時間或從文獻中所得到的特性擴散時間可以輸入數字儲層模擬器，然後，可以通過調節特性擴散時間，直到在預測的和歷史的化學組成數據和/或在鄰井測定的流體回收率之間得到匹配而將其歷史匹配。
如果注入地層的解吸流體含有氧氣，那麼通過測定氣體氧在整個時間在從鄰井所回收的流體中的相對濃度，可以確定注入氣態解吸流體通過其運移的地下區域所含的碳質物質的百分比。正如下面所述，碳質物質，例如煤，容易吸附氣體氧，而非碳質物質不容易吸附氣體氧。
可以被地層的特別地區吸附的氧氣量取決於構成地層的碳質物質的百分比。地層所含的碳質物質的相對百分比可以由體積密度來計算。為了確定地層對氧的吸附能力，無機礦物質的碳質物質的吸附能力由經驗確定，或者從文獻資料中得到。然後利用在注入井和鄰井之間的地區的地層的體積密度的估計值來預測地層的吸附能力。吸附能力的這個預測值，與關於在注入的氣態解吸流體中的氧氣濃度，和氣態解吸流體必須運移以從注入井移到鄰井的距離的信息一起，可以用來預測在從鄰井中回收的流體中可以預計的氧氣濃度。一般，如果從鄰井中生產的流體含的氧氣濃度比預測的更高，那麼注入的氣態解吸流體通過含比估計的碳質物質的百分比更小的地下區域運移(即體積密度比估計的更高)。
與在注入井和另一口鄰井之間的地區中的碳質物質的相對百分比比較，地層吸附氧的能力也可以用來確定在注入井和一口鄰井之間的地區中的碳質物質的相對百分比。通過關聯幾口鄰井的響應數據，可以確定關於碳質物質的相對百分比的地層的非均勻性。
此外，氣體氧到達鄰井所花的時間是氣態解吸流體是否躍過固體碳質地下層走旁路的標記。例如，如果注入的含氧的氣態解吸流體躍過大部分固體碳質地下層走旁路，通過含象沙石這樣的物質的非碳質地下層運移，注入的氣態解吸流體就會在時間上相對早的到達鄰井；同時，在從鄰井中回收的流體中的氧氣對其它注入的氣態解吸流體成分的比例，相對於含在注入井中的氣態解吸流體中的氧氣對其它注入的氣態解吸流體成分的比例，基本上是不會改變的。產生這樣的結果是由於儘管氧氣被煤或其它碳質物質選擇性吸附，但是不被沙石選擇性吸附。重要的是確定這樣的通道是否存在，以便可以將利用增加甲烷的回收技術的生產項目設計成避免注入的氣態解吸流體進入這樣的非碳質地區。這將減少氣態解吸流體的用量，改善注入的氣態解吸流體的波及效率。
如果可以從鄰井採集到足夠的數據以利於確定儲層質量和提高地層的甲烷回收特性，回流周期可能不需要。
在本發明的所有方面，優選的是試驗半徑比有效井徑長5-100倍。這將確保在試驗半徑內的碳質物質的數量足夠大，以便在有效井徑內所含的碳質物質對確定儲層質量和確定提高地層的甲烷回收率影響不大。正如下面所介紹的那樣，有效井徑優選的是通過測量關井後整個時間井壓響應來確定。
在已經停止注入氣態解吸流體之後，優選的是關井並測量井壓響應。在關井期間所得到的井壓響應數據和在注入氣態解吸流體的過程中所得到的數據，例如關井前的井壓、氣態解吸流體的注入速率和注入地層的氣態解吸流體的數量，可以用來計算井筒趨膚值、儲層壓力、有效井徑和地層的有效滲透率。如果沒有關井，井筒趨膚值、儲層壓力、有效井徑和有效滲透率可以從參考文獻中得到，或從在注入氣態解吸流體之前或在回流周期之後進行的壓降測試或壓力恢復測試中得到。在歷史匹配方法中為了確定儲層質量和提高地層的甲烷回收特性，就利用井筒趨膚值、儲層壓力、有效井徑和有效滲透率的數值。
優選的是二次打開井筒，並且如果進行的話，在注入周期之後或關井周期之後使流體從固體碳質地下層通過井筒回流。在這個「回流」周期期間，監測流體的生產率和生產的流體的化學組成。另外，優選的是監測靠近地層的井筒中的壓力。
實施實施本發明的方法在很大程度上取決於採用該方法的固體碳質地下層的特性。可以將氣態解吸流體只注入穿透固體碳質地下層的一口井或分別注入穿透地層的一口以上的井。因為固體碳質地下層一般是很不均勻的，通常優選的是將該方法用於一口以上的井以利於評價地層的儲層的連續性和不均勻性。當該方法用於過去不能從其中回收甲烷的固體碳質地下層時，將氣態解吸流體注入一口以上的井是特別重要的。可以關聯從每一口井所得到的儲層特性，以便可以確定地層的橫向不均勻性、地層的任何各向異性和儲層的大小和連續性。這個信息有助於設計採用適當的生產定位和/或注入井，同時在一次壓力下降或提高甲烷回收的技術用的井之間採用最佳間隔的生產計劃。
一方面，利用本發明來確定固體碳質地下層的橫向不均勻性。例如，參考圖2，描繪了地表面的一個地區。位於地表面下的是含煤地層。探井1-11鑽入所示位置的地下。本發明用於每一口井以確定每一口井的試驗半徑內的儲層特性。然後關聯每一口井的儲層特性以確定地層的橫向不均勻性和地層的儲層的連續性。正如下面所介紹的那樣，關聯的情況表明固體碳質地下層顯示高度各向異性。
參考圖2，井5-7之間及其周圍地區的最高滲透率是與通過井5、6和7所畫的一條假想線L平行，是井1、2、3、9、10和11所穿透的地區的最高滲透率的數量級的2-10倍。井1、2、3、9、10和11所穿透的地區的最高滲透率是垂直於通過井5、6和7所畫的一條假想線H。本發明也表明井4和8沒有與地層煤流體連通。
人們認為在這種情況下，注入井應該在井5和7所穿透的地區的地層中完井；回收井應該在井1、2、3、6、9、10和11所穿透的地區的地層中完井；井4和8應該堵住，報廢或用做監測井以檢查從地層的煤中進入井4和8所穿透的地下區域的洩漏。
該注入的氣態解吸流體將比較快的波及井5和6之間的區域和井6和7之間的區域。在這一段時間，將由井6生產甲烷和任何氣態解吸流體。一旦甲烷已經有效的波及這些區域，或者是關閉井6，或者是井6轉為注入井。因為氣態解吸流體注入到井5和7之間的區域和井5、7和6之間的區域，所以，如果用的話將連在一起。這將使得氣態解吸流體有效的波及井5-7和1-3之間的區域和井5-7和9-11之間的區域。在這一段時間，將從井1-3和9-11生產甲烷和任何氣態解吸流體。
在另一方面，使用本發明來確定井是否與位於煤層之上或者煤層之下的沙巖層流通。在本發明的這一方面，把含氧氣的空氣或者某些其它的氣態流體注入到井中，然後某些其它的氣態流體通過井流回到地表面。監測總的流體流回的速度和流回的流體的化學組成。如上面早已討論的，已經發現，在固體碳質地下層中所含的碳質物質例如煤，能夠吸附大量的氧氣。人們認為，大部分的氧化學吸附到碳質物質上，在回流期間其就不會從煤中釋放出來。可以經驗確定可能化學吸附到煤層的氧的量。該值可以輸入到數字儲層模擬器，然後可以用其計算氧的濃度，該濃度可以預計從井筒回流的情況。如果從井回流的流體中含有的氧的濃度比預計的高，其就表明該井可能與不容易化學吸附氧的沙巖或者某些其它類型的非碳質層流體連通。因此，通過測定回流的流體的中的氧的濃度，可以確定是否該井與不含顯著百分量的碳質物質的沙巖和/或者頁巖流體連通。當測定在回流的流體中的可能預計的氧的濃度時，很重要的是要考慮到在注入期間和回流期間之間可能關井的任何時間。一般的人們認為，關井的時間越長，在回流的流體中的氧的濃度越低。
對於含有70-100％(重)的碳質物質的煤層，預計在回流期間回收的氧和其它注入的氣態解吸流體組分的比例小於在注入期間注入的氣態解吸流體中氧和其它注入的氣態解吸流體組分的比例的量的1/10。對於含有高重量百分比的碳質物質和對氧有最大的吸附能力的煤層預計在回流期間回收的氧和其它注入的氣態解吸流體組分的比例小於在注入期間注入的氣態解吸流體中氧和其它注入的氣態解吸流體組分的比例的量的1/50。對於煤層，一般的，預計在回流期間回收的氧和其它注入的氣態解吸流體組分的比例在注入期間在注入的氣態解吸流體中氧和其它注入的氣態解吸流體組分的比例的量的1/10-1/50。
如果按要用提高甲烷回收技術的生產計劃，一個井要用作注入井，很重要的可能是要通過使用本領域普通技術人員熟知的井筒封隔器或者其它技術隔離非碳質層和注入井。
當該井有在整個期間不會降低的相對高的水生產率時，確定井是否與非碳質層例如沙巖流體連通也可能是很重要的。鑽入煤層的井開始常常產生水。但是，因為煤層的內生裂隙體系一般地含有比較少量的孔隙，所以水的生產速度在生產幾年之後一般地明顯地降低，一到二年之後一般地到約初始水生產速度的一半。如果其已確定，通過使用本發明，井是與沙巖連通，其後水可能來自沙巖。在這種情況下，如上所述可以把沙巖與井隔離，或者可以僅僅把鑽入煤層的新井完井，或者可以把老井堵塞或廢棄。因為處理和解決生產的水的費用和難度，所以隔離水流可能是非常重要的。
然而在另一方面，在含有幾個碳質層的固體碳質地下層使用本發明。碳質層垂直被沙巖或頁巖層隔開。在這種情況下，單獨測定儲層質量和/或單獨每一主要碳質層的提高甲烷回收特性可能是很重要的。
在本發明的這一方面，優選的是把井鑽入到所有的主要碳質層。該井是在鄰近每一主要碳質層的井套管上用射孔完井。使用井筒封隔器，以便可以從每一主要碳質層單獨注入氣態解吸流體並且可以流回。在這一方面，優選的是在把氣態解吸流體注入每一主要碳質層之後就關井，並且測定整個時間產生的壓降。
通過使用注入、關井和回流期間得到的數據，用歷史匹配數字儲層模擬器來測定每一主要層的儲層質量和提高甲烷回收特性。關於決定用什麼類型的甲烷回收方式從地層回收甲烷將取決於對於每一層測定的儲層質量和提高甲烷回收特性。例如，如果一層的有效滲透率比其它層大幾個量級，但是其有低的吸附的甲烷含量，優選的可能是把該層與注入的氣態解吸流體隔離，並且通過壓力降低技術從該層回收甲烷。由此，用提高甲烷回收技術可以從某些層回收甲烷，而同時用壓力降低技術從其它層回收甲烷。
通過把氣態解吸流體注入到單一個或者多個碳質層，就可以約計碳質層內或者碳質層之間的氣體和水的任一垂向偏離的數量。如果單層或者多層中氣體和水飽和是始終不變的話，在注入期間之前，對於產生水的井，在早期的回流期間水的生產速度開始時會是很低，在整個過程會慢慢增加。這被認為是注入的氣態解吸流體比較均勻的波及碳質層並使地層中的水移開井區的結果。如果把氣體和水分隔成個別的垂直分隔區，在早期的回流期間水的生產速度將類似於並且可能高於在氣態解吸流體注入到該單層或多層之前所存在的水的生產速度。這是氣態解吸流體優先注入到高氣體飽和區的結果，由於該區對氣體的高滲透率，而水飽和區仍相對不受注入的氣態解吸流體的影響。在把氣態解吸流體注入到地層前後，模擬和分析的水生產數據將有利於確定存在於一個碳質層和/或碳質層之間的氣體和水是否分開。這將使得建立更精確的地層的儲層說明。正如本發明的其它方面一樣，在本發明的這一方面，使用數字儲層模擬器來分析該數據。在這一方面，數字儲層模擬器與水生產數據歷史匹配，產生更精確的地層的儲層說明。
確定地層質量和提高甲烷回收特性用於確定地層質量和提高甲烷回收特性的優選方法是歷史匹配，其用數字儲層模擬器，由注入、回流和/或生產周期得到的實際數據。在該歷史匹配方法中，把各種儲層性質的約計值輸入到數字儲層模擬器用的「儲層說明」中。隨著該過程的進行，調整儲層特性例如滲透率或孔隙度，直到在數字儲層模擬器的輸出和匹配的實際數據之間得到「歷史匹配」。由歷史匹配方法結果得到修正和改進的儲層說明。如果測定提高甲烷回收特性，儲層說明稱為「提高甲烷回收儲層說明」。
在歷史匹配過程中，隨著氣態解吸流體注入到地層並且回流，優選考慮地層所呈現的應力相關的滲透率關係。另外，數字儲層模擬器優選計算出地層內的各種氣體的特徵擴散時間。人們認為，這些因素都合併到儲層說明中，將有利於更精確的確定地層的儲層特性。此外，使用數字儲層模擬器來預測在煤層或者某些其它的固體碳質地下層使用提高甲烷回收技術可能達到的甲烷回收速度時，應該考慮這些因素。商業上可以買到的考慮到煤層中的各種氣體的特徵擴散時間的數字儲層模擬器是SIMED II-Multi-componentCoalbed Gas Simulator，其是從Centre for Petroleum Engineer-ing，University of New South Wales，Australan Petroleum Coop-erative Research Centre買到的煤層甲烷儲層模擬器。可以把特徵擴散時間直接輸入到模擬器或者可以通過把擴散度或擴散常數值輸入到數字儲層模擬器來計算特徵擴散時間。如下面進一步討論的可以計算應力相關的滲透率關係。
實施例該實施例表明從生產、注入、關井和回流期間得到的怎麼樣的數據可以用於確定含有至少一個煤層的地層的提高甲烷回收特性。在位於San Juan Basin of New Mexico的煤層甲烷氣田進行本發明的中型試驗。在該試驗中，使用單一井把氣態解吸流體注入到fruidland煤層。該井鑽到深906.78米。本發明試驗的煤層的總厚度大約是16.76米。該試驗的煤層位於二個主要煤層之間，一個位於地面下837.29米和866.85米之間，另一個位於地面下866.85和874.78米之間。該井是用套管完井，套管是在鄰近二個主要煤層之間的區域射孔。該井開始用平滑水裂縫處理完井，該處理用68，039kg的40/40和20/40目沙子。在氣態解吸流體注入之前，從該井累計生產甲烷1.81百萬標準立方米(MMSCM)氣體。該初始生產周期如圖3所示。該試驗井和最近的鄰井之間的井距是1,138米，對於試驗井相當於總的供氣面積1,294,994平方米(M2)。
在開始注入氣態解吸流體之前該井關井約19天，使接近地層的井的壓力達到穩定條件。在這一期間井的相應壓力示於圖3的區20和圖4的區21。
用於該實施例的氣態解吸流體是在井位有的及含有20-22％(體)氧和78-80％(體)氮的空氣。假設空氣會導致同樣的壓力響應，因此，模擬注入到煤層中的空氣的整個的體積作為在數字儲層模擬器中注入的氮氣。
在每一步注入的氣態解吸流體如圖4所示。在第一步，在井底注入壓力約為5,515,806Pa下，以約22.653千標準立方米/天(MSCM/Day)速度注入空氣。5天之後，在井底注入壓力約為9,652,660-11,031,611Pa下，空氣的注入速度增加到約39.644MSCM/Day。在這樣較高速度下注入約12天後，停止注入空氣。停止注入後關井，監測相應的壓力降，如圖4所示。大約30天後，再打開井，在固定的回壓下使其回流到地面。在回流期間，監測井底壓力和回流的流體的化學組成，如圖5和6所示。對該試驗，在回流的流體中甲烷的體積百分數和在回流的流體中氮氣的體積百分數之和等於100％。對於回流期間的大約第一個60天，該流體排放到大氣，然後使該井均衡送氣到銷售管道。在該中型試驗期間，通過注入的空氣探測大約16,187m2。因此，在該過程中，通過注入的空氣探測大約1％(體)的總的供氣面積可以到試驗井。
分析在注入後關井期間的壓降響應，以得到井筒周圍的煤層的有效滲透率(k)、裂縫的半長度(Xf)、井筒趨膚因子和在回流期開始時的儲層壓力的數值。煤層的有效滲透率可以用另一種方法由實驗室解吸試驗測量。
上面列出的數值與表1中所列出的參數一起輸入數字儲層模擬器，其與由預注入生產、注入和回流期所得到的數據歷史匹配。
表1 模擬輸入參數，孔隙度(％)0.2k，水平滲透率(md) 0.35h，儲層厚度(米) 16.76cw，水壓端係數(Pa-1)2.068×10-2pw@101,353Pa，水密度(kg/m3)956μw，水粘度(cp) 1.0rw，井半徑(m) 0.0701ms，趨膚因子 -5.2rWeff，有效井半徑(m) 12.10mpi，原生儲層壓力(Pa)4,481,592PB，堆積密度(gm/cc) 1.53VmCH4，最大吸附甲烷能力(m3/kg) 0.014826bCH4，甲烷的蘭格繆爾常數(Pa-1) 2.016×10-6VmN2，最大吸附氮能力(m3/kg) 0.006055bN2，氮氣的蘭格繆爾常數(Pa-1) 1.0646×10-7L，層 1Cf，巖石可壓縮性(Pa-1) 1.3938×10-7ri，試驗半徑(m) 71.02上面的Vm和b數值是來自於用物理上類似在中型試驗中所研究的煤所得到的經驗導出的無礦物質甲烷和氮氣的等溫線。初始儲層壓力(Pi)、儲層厚度(h)和堆積密度(gm/cc)是從原始完井時製得的測井曲線得到的。巖石壓縮係數的數值是從用物理上類似在試驗區找到的這些煤所進行的解吸試驗中得到的。
用於這個實施例的數字儲層模擬器是擴展的Langmuir吸附等溫線組合式模擬器。擴展的Langmuir吸附等溫線由下面的方程式2說明Vi=(VM)ibiPi1+jbjPj----(2)]]>該模擬器能夠接受與巖石特性、流體特性、相對滲透率關係和應力相關的滲透率關係有關的輸入。對於這個實施例，儲層是作為單井、單層和有縱向間隔網格點的徑向模型而模擬的。在這個實施例中，利用一層來簡化歷史匹配法。在由the Society of Petroleum Engineers出版的L.E.Arri，等人的『Modeling Coalbed Methane Production with Binary Gas Sorption-，』SPE 24363，p459-472，(1992)中介紹了擴展的Langmuir吸附等溫線模型和如何使用它。
在歷史匹配過程中，調節有效滲透率關係，直到在預測的和實際的數據之間匹配。正如先前討論過的那樣，有效滲透率關係是由煤呈現的應力相關滲透率關係和煤中存在的相對滲透率關係產生的。這兩個關係都可以用模擬器中的數據表計算。
在該實施例中，在試驗時的水生產速率是很小的，關於過去的水生產幾乎沒有什麼歷史資料。因此，沒有考慮在煤層中存在的相對效滲透率關係。調整有效滲透率關係，以便考慮煤所呈現的應力相關的滲透率關係怎樣受孔隙壓力變化方面的影響。
圖1表示煤的理論的和合適的應力相關的滲透率關係。應力相關的滲透率關係取決於煤所在的基本的側限應力，在該實施例中其等於埋藏應力減孔隙壓力。圖1是由地表之下約853米的煤層導出的。因此，因為埋藏應力仍是常數，所以圖1表示隨著孔隙壓力的變化而產生的有效滲透率關係方面的變化。圖1是滲透率比(Kf/Ki)與孔隙壓力的關係的曲線圖，其中Kf是在給定孔隙壓力下的有效滲透率，Ki是在初始儲層壓力下存在的有效滲透率。由曲線25所描述的理論的應力相關的滲透率關係通過測定巖芯樣品內的滲透率降低來經驗的確定，滲透率降低是隨著巖芯樣品上的基本側應力增加而產生的。
把理論的應力相關的滲透率關係作為模擬器的巖石特性部分內的數據表輸入到模擬器。然後調整應力相關的滲透率關係，直到在預注入生產和空氣注入期間收集的數據內得到歷史匹配。對於應力相關的滲透率關係，該歷史匹配值通過擬合曲線27來描述。
人們認為，在預注入生產和空氣注入期間，理論曲線25和擬合曲線27之間的誤差是模擬器沒有考慮地層在這期間所呈現的相對的有效滲透率關係的結果。如擬合曲線27所示，滲透率隨著孔隙壓力的增加而指數地增加，直到最後曲線拉平時達到的壓力。
擬合曲線29描述了在回流期間地層所呈現的歷史匹配的應力相關的滲透率關係。從擬合曲線29可以看出，應力相關的滲透率關係呈現滯後的效果，由此，在回流期間的末期滲透率大於空氣注入期前的滲透率。
圖6表示在回流期間生產的流體中所含的氮氣的體積百分比。人們認為，在該實施例中所用的數字儲層模擬器不能考慮特徵擴散時間，所以實際的氮氣組成和預計的氮氣組成之間產生誤差。所用的模擬器假設特徵擴散時間是零。或者，換句話說，氮氣和甲烷瞬間吸附和解吸。此外，人們認為，如圖5所示的預期的井底壓力和實際的井底壓力之間的誤差在早期的回流期間也產生，因為模擬器不能考慮特徵擴散時間。這就使得模擬器預期比在早期的回流期間實際產生的壓力更高的壓力來維持氮氣從煤層解吸。如下面所討論的，不考慮甲烷和氣態解吸流體分子的特徵擴散時間也會使得預期將來的提高甲烷回收速率更不精確。
如早已討論的，在數字儲層模擬器中含有的儲層說明隨著歷史匹配過程的發生而不斷改進。可以用具有改進的儲層說明的數字儲層模擬器來預計可以從使用原生壓力降低技術或者提高甲烷回收技術由地層預期的回收速率。
圖7-9表示對於通過中型試驗所分析的從地層回收甲烷的生產計劃所預計的甲烷回收速率和氮氣生產速率。該生產計劃用9口井，其擴展到超過5.179,976m2面積，並且如圖10所示布井。對於提高甲烷回收方案，中心井是注入井，周圍的8口井是回收井。對於原生壓力降低回收方案，所有的9口井都是回收井。
對於提高甲烷回收方案，假設氮氣將以45.307MSCM/天的速度，以注入井13,789,514Pa的井底壓力注入到地層。假定注入井的井筒趨膚因子為-4.75。通過模擬，在所用的回收井中井底壓力是2,068,427Pa。假定回收井的趨膚因子為-4.4。
從圖8可以看出，對於第一個幾年的生產情況，預計的提高甲烷回收速度低於預計的原生壓力降低回收速度。該較低的回收速度是由於在提高甲烷回收方案中中心的注入井不回收甲烷，因此，由預期的計劃初始的提高甲烷回收速度低於原生壓力降低甲烷回收速度。
人們認為，實際的最大的提高甲烷回收速度要低於由模擬器所預期的甲烷回收速度，並且最大的速度將恰好比圖8所示的更快的發生。這是由於在該實施例中所用的數字儲層模擬器不能考慮甲烷和氮氣的特徵擴散時間。另外，認為氮氣將實際比模擬器所預期的更快地到達回收井。這也認為是模擬器不能考慮特徵擴散時間的結果。
精確的儲層說明的可行性促使確定從固體碳質地下層回收甲烷的技術的可行性。使用數字儲層模擬器，甲烷回收速度、從生產井生產的氣態解吸流體的體積百分比、水生產速度和從地層可以預計要生產的氣體和水的總體積可以可靠的預測。這種涉及未來的井和氣田性能的信息將容許進行詳細的經濟分析，以確定由特別提出的或者使用原生壓力降低技術或者使用提高甲烷回收技術的生產計劃回收甲烷的工業可行性。
從該實施例和上面的詳細說明可以看出，本發明提供一種使用從與儲層模擬技術一起的注入/回流試驗中得到的數據來快速、有效地確定固體碳質地下層的儲層質量和提高甲烷回收特性的新穎方法。也提供一種快速而花費不多的開發地層的儲層描述的方法，該儲層描述可以用來預測從這樣的地層中回收甲烷的工業可行性。
從上面的詳細說明可以看出，為各種變動、替換和改進對於本領域的熟練技術人員來講是顯而易見的。因此，這種描述僅僅是說明性的，對於本領域的熟練技術人員來講僅提供實施本發明的方法。對於本申請所描述的內容可以進行各種各樣的改變並且可以取代某些原料。
因此，應該了解到，可以進行各種改進、替換和變動而沒有離開所附的權利要求所定義的本發明的精神和範圍。當然，所有這樣的改進都要包括在所附的權利要求之內。
權利要求
1.一種確定固體碳質地下層的提高甲烷回收特性的方法，該方法包括a)通過井把氣態解吸流體注入到地層，同時得到注入速度數據；b)為了生產含有注入的解吸氣態流體和甲烷而流回該井；c)對於在步驟b)中生產的流體，得到生產速度數據和化學組成數據；和d)對於使用步驟a)和c)得到的數據的井周圍的地層，確定至少一種下面的提高甲烷回收特性，其中，提高甲烷回收特性選自有效滲透率關係、對氮的特徵擴散時間、對甲烷的特徵擴散時間、對注入的氣態解吸流體的特徵擴散時間、應力相關的滲透率關係、相對滲透率關係、儲層流動能力、是否第一口井與非碳質地下層流體連通和它們的結合。
2.根據權利要求1的方法，其中步驟d)包括數字儲層模擬器與步驟a)和c)得到的數據歷史匹配。
3.根據權利要求2的方法，其中固體碳質地下層包括煤層，歷史匹配步驟包括da)得到煤層的有效滲透率值、井筒趨膚值和儲層壓力值；db)把步驟da)得到的值輸入到數字儲層模擬器；和dc)調整模擬器中得到的儲層特性，使模擬器與步驟a)和c)得到的數據歷史匹配。
4.根據權利要求3的方法，還包括e)在步驟b)中從接近煤層的區域得到壓力數據。
5.根據權利要求4的方法，其中調整的儲層特性包括注入的氣態解吸流體的特徵擴散時間，其中數字儲層模擬器與在步驟e)得到壓力數據歷史匹配。
6.根據權利要求3的方法，其中調整的儲層特性包括注入的氣態解吸流體的特徵擴散時間，其中數字儲層模擬器與在步驟c)得到的流體化學組成數據歷史匹配。
7.根據權利要求3的方法，其中調整的儲層特性包括有效滲透率關係和數字儲層模擬器與在步驟a)得到的注入速度數據歷史匹配。
8.根據權利要求1的方法，其中注入的氣態解吸流體包括空氣。
9.根據權利要求3的方法，其中步驟da)包括daa)關井；dab)測定在步驟daa)中接近煤層的井中壓力的變化速度；dac)用步驟dab)的壓力變化速度確定井周圍煤層的有效滲透率值、井筒趨膚值和儲層壓力值。
10.根據權利要求9的方法，其中步驟daa)和dab)在步驟a)之前完成。
11.根據權利要求9的方法，其中步驟daa)和dab)在步驟a)之後但在步驟b)之前完成。
12.根據權利要求9的方法，其中在步驟dab)測定的壓力變化速度是正的。
13.一種確定煤層的提高甲烷回收特性的方法，該方法包括a)通過鑽入煤層的井把氣態解吸流體注入到煤層中，同時得到注入速度數據；b)流回該井，以便生產含有注入的解吸的氣體流體和甲烷的流體；c)得到在步驟b)生產的流體生產速度數據和化學組成數據；d)在步驟b)從鑽入到煤層的井區得到壓力數據；e)數字儲層模擬器與在步驟a)、c)和d)得到的數據歷史匹配，以確定煤層的至少一種下面的提高甲烷回收特性，其中提高甲烷回收特性選自有效滲透率關係、對氮的特徵擴散時間、對甲烷的特徵擴散時間、對注入的氣態解吸流體的特徵擴散時間、應力相關的滲透率關係、相對滲透率關係、儲層流動能力和它們的結合；和f)使用在步驟e)測定的提高甲烷回收特性導出一種提高甲烷回收儲層說明。
14.根據權利要求13的方法，其中在步驟a)注入的氣態解吸流體包括含有約20-22％(體)氧氣和約78-80％(體)氮氣的空氣。
15.根據權利要求14的方法，還包括g)測定在步驟a)中注入的氣態解吸流體中所含的氧氣與其它注入的氣態解吸流體組分的比例；h)測定在步驟b)中回流的流體中所含的氧氣與其它注入的氣態解吸流體組分的比例；和i)通過比較步驟g)和h)測定的比例來確定是否該井與非碳質地下層流體連通。
16.根據權利要求15的方法，其中在步驟h)測定的比例小於約在步驟g)測定的比例的1/10，因此表明該井不與非碳質地下層流體連通。
17.根據權利要求15的方法，其中在步驟h)測定的比例小於約在步驟g)測定的比例的1/50，因此表明該井不與非碳質地下層流體連通。
18.根據權利要求13的方法，其中在至少兩個步驟向地層注入流體，每一步驟之後使用更高的注入壓力。
19.根據權利要求13的方法，還包括g)通過使用提高甲烷回收儲層說明來預測煤層的提高甲烷回收速度。
20.根據權利要求13的方法，還包括g)通過使用在步驟f)開發的提高甲烷回收儲層說明來設計地層的提高甲烷回收技術；和h)使用提高甲烷回收技術從地層回收甲烷。
21.根據權利要求20的方法，其中設計的提高甲烷回收技術包括ga)確定在把氣態解吸流體注入到煤層從地層回收甲烷時氣態解吸流體的注入速度和注入壓力。
22.根據權利要求21的方法，其中設計的提高甲烷回收技術還包括gb)確定要用的氣態解吸流體的化學組成；和gc)確定要用來最有效地從煤層回收甲烷的井距和井的布局。
23.根據權利要求21的方法，其中煤層包括一個以上的至少部分被基本上為非碳質地下層分開的煤層，以及設計的提高甲烷回收技術還包括gb)確定使用在步驟f)開發的提高甲烷回收儲層說明來把氣態解吸流體注入煤層。
24.確定煤層的儲層質量的方法，該方法包括a)通過井筒把空氣注入到煤層，同時得到空氣的注入速度數據和化學組成數據；b)流回該井筒，以生產氣體流體；c)得到在步驟b)中生產的氣體流體的生產速度數據和化學組成數據；和d)使用步驟a)和c)得到的數據確定該井筒是否與非碳質地下層流體連通。
25.根據權利要求24的方法，還包括e)在步驟a)之前從該井測定水生產速率；f)在步驟b)期間從該井測定水生產速率；和g)通過比較步驟e)測定的水生產速率和步驟f)測定的水生產速率來確定煤層中是否氣體和水分開成垂直的分布區。
26.根據權利要求24的方法，還包括e)確定煤層的至少一種下面的儲層特性，該儲層特性選自儲層壓力、煤層的堆積密度、煤層對甲烷的最大的吸附能力、煤層對氮氣的最大的吸附能力、煤層對氧氣的最大的吸附能力、儲層的連續性、儲層的不均勻性、儲層的各向異性、地層破裂壓力、煤層吸附的甲烷的量和它們的結合。
27.根據權利要求26的方法，其中步驟e)包括數字儲層模擬器與步驟a)和c)得到的數據的歷史匹配。
28.根據權利要求27的方法，其中足夠體積的空氣注入到煤層，使得試驗半徑大於約該井的有效井半徑的5-100倍。
29.根據權利要求28的方法，其中足夠體積的空氣注入到煤層，使得試驗半徑為至少0.5％的該井與最鄰近的鄰井的井距。
30.根據權利要求28的方法，其中足夠體積的空氣注入到煤層，使得試驗半徑為至少1％的該井與最鄰近的鄰井的井距。
31.根據權利要求28的方法，其中足夠體積的空氣注入到煤層，使得試驗半徑為至少1％-10％的該井與最鄰近的鄰井的井距。
32.根據權利要求26的方法，還包括f)得到從鑽入煤層的附近的鄰井生產的流體的生產速率數據和化學組成數據；和其中步驟e)包括數字儲層模擬器與步驟a)、c)、和f)得到的數據的歷史匹配。
33.根據權利要求32的方法，還包括g)通過該井把示蹤氣體注入煤層；h)測定從附近的鄰井得到該示蹤氣體所要的時間；和i)使用步驟h)測定的時間，確定該井和附近的鄰井之間的煤層區域的特徵停留流動時間。
34.根據權利要求33的方法，還包括j)使用步驟i)得到的特徵停留流動時間和步驟f)得到的化學組成數據確定特徵擴散時間。
全文摘要
公開了一種確定固體碳質地下層的儲層特性的方法。該方法使用從注入/回流試驗得到的氣田數據，其使用氣態解吸流體與儲層模擬技術一起來確定地層的儲層質量和提高甲烷回收特性。
文檔編號E21B49/00GK1136338SQ9519099
公開日1996年11月20日 申請日期1995年10月3日 優先權日1994年10月4日
發明者瑞傑恩·普瑞 申請人:阿莫科公司