多煤層條件下煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)層組合優(yōu)化方法

楊兆彪 ，張爭(zhēng)光 ，秦勇 ，吳叢叢 ，易同生，李洋陽(yáng) ，唐軍 ，陳捷

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008；3.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽(yáng) 550009）

0 引言

黔西是中國(guó)南方重要的煤炭與煤層氣資源賦存區(qū)，上二疊統(tǒng)煤層氣地質(zhì)資源量約占全國(guó)的 10%[1]，具有煤層層數(shù)多而薄、應(yīng)力高、弱富水、煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地質(zhì)特征[2-3]，開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一些氣井隨著打開(kāi)產(chǎn)層的增多，或者產(chǎn)層跨度的增大，出現(xiàn)產(chǎn)量降低的現(xiàn)象，主要是因?yàn)槎嗝簩觾?chǔ)集層物性及流體屬性兼容性差，層間干擾嚴(yán)重而造成的[4]。流體壓力差異容易導(dǎo)致高壓產(chǎn)層流體通過(guò)井筒阻止低壓產(chǎn)層流體的產(chǎn)出[4-7]；滲透率差異容易造成各煤層供液能力不同，在排采過(guò)程中高滲儲(chǔ)集層裂縫內(nèi)流體的流速將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低滲儲(chǔ)集層，高滲透率煤層容易發(fā)生速敏[5]；臨界解吸壓力差異則決定了多產(chǎn)層可否集中連續(xù)產(chǎn)氣[5,8-10]；產(chǎn)層跨度差異一定程度上影響了儲(chǔ)集層物性及流體屬性的差異性[9-10]；煤體結(jié)構(gòu)的好壞則決定了儲(chǔ)集層的可改造性，組合煤層中煤體結(jié)構(gòu)較差的煤層往往影響整個(gè)組合產(chǎn)層的產(chǎn)氣效果[11]。

目前，產(chǎn)層組合研究多集中于儲(chǔ)集層物性差異和流體屬性差異條件下的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析[5,12-13]、數(shù)值模擬[10]和物理模擬[14]等，以建立半定量的產(chǎn)層兼容性指標(biāo)，指導(dǎo)實(shí)際的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)。由于地質(zhì)條件和層間干擾的復(fù)雜性、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有限性、數(shù)值模擬的理想性、物理模擬的局限性，產(chǎn)層兼容性判別指標(biāo)體系仍未能形成，對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)作用有限。因此，在現(xiàn)有煤層氣開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)與黔西煤層群條件下，根據(jù)各產(chǎn)層物性和流體特征，優(yōu)化組合產(chǎn)層，盡量減少層間干擾，均衡動(dòng)用各產(chǎn)層資源，最大限度釋放煤層氣資源，是當(dāng)下迫切需要解決的技術(shù)難題。

黔西松河區(qū)塊煤層發(fā)育多而穩(wěn)定，煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井組采用了“分段壓裂，合層排采”模式，測(cè)試及工程資料豐富，單井高峰產(chǎn)量均大于工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)區(qū)目前處于穩(wěn)產(chǎn)階段，但效果不理想，主要原因是單井產(chǎn)層組合未能充分發(fā)揮氣井產(chǎn)能。因此，選擇黔西松河區(qū)塊典型開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井，以各產(chǎn)層的高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)為原則，以煤層氣井產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，探索產(chǎn)層組合優(yōu)化方法。

1 煤層氣田簡(jiǎn)況

黔西松河區(qū)塊井田煤系地層厚度平均341 m，區(qū)內(nèi)薄及中厚煤層群發(fā)育，含煤平均50層，含煤總厚度平均41 m?？刹擅簩庸?8層，主要為1+3、4、9、12、15、16、17號(hào)煤，可采總厚11.68 m；煤層以焦煤為主，含氣量較高，為 6.46～20.99 m3/t，含氣飽和度大于70%；壓力系數(shù)1.08～1.40，具有異常高壓特征。

松河開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井組共9口井，單井壓裂3～4段，產(chǎn)層跨度約200 m，每段厚度約20 m，包括3個(gè)主力煤層，采用合層排采，統(tǒng)一降低液面實(shí)現(xiàn)共采。

2 產(chǎn)層組合方法

多煤層煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐證實(shí)，產(chǎn)層并非越多越好，刻意追求多，盲目追求效益，往往適得其反。低滲條件下，各產(chǎn)層由于儲(chǔ)集層物性和流體壓力的差異性，層間干擾較為嚴(yán)重，為最大限度發(fā)揮煤層氣井生產(chǎn)潛力，提高煤層氣田的開(kāi)發(fā)效益，進(jìn)行合理的產(chǎn)層組合優(yōu)化非常關(guān)鍵。

基于此，提出了在多煤層中首先優(yōu)選主力產(chǎn)層，確保主力產(chǎn)層產(chǎn)氣主體地位的條件下，進(jìn)行產(chǎn)層擴(kuò)展，考慮產(chǎn)能均衡性及經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行產(chǎn)層組合優(yōu)化的“三步法”思路。

2.1 主力產(chǎn)層優(yōu)選

根據(jù)婁劍青[15]、申建[16]、孟召平等[17]煤層氣氣井產(chǎn)能方程，可以擴(kuò)展得到氣井產(chǎn)能方程為：

由（1）式可知，影響煤層氣井產(chǎn)能的原始物性參數(shù)，主要是煤層厚度、滲透率、含氣量及儲(chǔ)集層壓力，這與煤層氣有利區(qū)及有利建產(chǎn)區(qū)優(yōu)選、井網(wǎng)優(yōu)化所確定的關(guān)鍵參數(shù)是一致的[18-20]。煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐證實(shí)，現(xiàn)有開(kāi)發(fā)技術(shù)條件下，煤體結(jié)構(gòu)為碎粒煤及糜棱煤時(shí)，開(kāi)發(fā)效果不好，早期黔西勘探開(kāi)發(fā)首選煤層為17號(hào)煤，但該煤層煤體結(jié)構(gòu)破碎產(chǎn)氣效果極差。因此，煤體結(jié)構(gòu)的好壞非常關(guān)鍵，多煤層條件下開(kāi)發(fā)煤層為碎粒煤及糜棱煤時(shí)，建議擱置?？紤]煤體結(jié)構(gòu)因素，以（1）式為基礎(chǔ)，提出多煤層條件下的主力產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)，具體定義為：

根據(jù)上述公式計(jì)算，主力產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)值越大，產(chǎn)層潛在產(chǎn)能越大，則為首選主力產(chǎn)層。

2.2 主力產(chǎn)層擴(kuò)展

產(chǎn)層組合的前提條件是各產(chǎn)層物性及流體性質(zhì)相似。多煤層低滲條件下，儲(chǔ)集層物性基本相似，但儲(chǔ)集層壓力及臨界解吸壓力差異較為明顯。多層合采后期排采控制過(guò)程中，為保證各產(chǎn)層集中連續(xù)產(chǎn)氣，且互相不產(chǎn)生干擾，臨界解吸壓力、層間距和儲(chǔ)集層壓力梯度則成為決定性的關(guān)鍵參數(shù)。

綜合考慮上述因素，確定主力產(chǎn)層擴(kuò)展原則為：①保證主力產(chǎn)層的主體地位，產(chǎn)層向下擴(kuò)展組合最優(yōu)，特殊情況向上擴(kuò)展，在一個(gè)產(chǎn)層組合內(nèi)部各產(chǎn)層依次開(kāi)始產(chǎn)氣時(shí)，主力產(chǎn)層不能暴露在液面之上，以免對(duì)主力產(chǎn)層造成傷害。碎粒煤或糜棱煤不參與組合，避免“吐粉”對(duì)整個(gè)產(chǎn)層后期工程造成影響。②組合產(chǎn)層基本保證在一個(gè)流體壓力系統(tǒng)中，擴(kuò)展產(chǎn)層與主力產(chǎn)層的儲(chǔ)集層壓力梯度差小于0.1 MPa/100 m[5]。儲(chǔ)集層壓力梯度差過(guò)大，儲(chǔ)集層能量較高的高壓產(chǎn)層流體將通過(guò)井筒抑制低壓產(chǎn)層流體的產(chǎn)出，甚至在大壓差下向低壓儲(chǔ)集層“倒灌”。這一方面使低壓儲(chǔ)集層無(wú)法有效排水降壓，有效解吸面積減??；另一方面，容易造成高壓儲(chǔ)集層吐砂吐粉[5]，減少高壓儲(chǔ)集層的滲流通道，降低煤層氣的解吸滲流能力。

根據(jù)上述原則，提出多煤層合采的產(chǎn)層擴(kuò)展組合指數(shù)：

當(dāng)產(chǎn)層擴(kuò)展組合指數(shù)大于 1時(shí)，適宜擴(kuò)展組合，小于 1時(shí)，則不適宜擴(kuò)展組合。影響產(chǎn)層擴(kuò)展的主要因素是層間距、臨界解吸壓力和儲(chǔ)集層壓力梯度，若產(chǎn)層向上擴(kuò)展，則主力產(chǎn)層開(kāi)始產(chǎn)氣時(shí)，要基本保證上部產(chǎn)層不過(guò)早暴露在液面之上，且彼此互不干擾。一般情況下，上部擴(kuò)展產(chǎn)層不進(jìn)入下一階段的產(chǎn)層優(yōu)化組合，因?yàn)?，在主力產(chǎn)層的連續(xù)排采過(guò)程中，上部產(chǎn)層不可避免的要過(guò)早暴露在液面之上，造成儲(chǔ)集層傷害。

產(chǎn)層組合模式見(jiàn)圖1，第1產(chǎn)層為主力產(chǎn)層，當(dāng)動(dòng)液面降到主力產(chǎn)層上部時(shí)，主力產(chǎn)層降壓漏斗已很好形成，并形成了理想的解吸漏斗。同時(shí)，第2、3產(chǎn)層都已開(kāi)始解吸，而第 4產(chǎn)層由于含氣飽和度低，臨界解吸壓力小，還未開(kāi)始解吸，第 5產(chǎn)層由于儲(chǔ)集層壓力較小，屬于不同的流體壓力系統(tǒng)，降壓漏斗還未形成。因此，為保證主力產(chǎn)層的順暢產(chǎn)氣、組合產(chǎn)層的集中密集產(chǎn)氣、最大程度減少相互干擾，達(dá)到合層排采的目的，組合產(chǎn)層為第1、2、3產(chǎn)層。第4、5產(chǎn)層不加入此組合產(chǎn)層單元。

圖1 多煤層條件下煤層氣產(chǎn)層組合模式圖

2.3 產(chǎn)層組合優(yōu)化

當(dāng)滿足前兩步，完成了產(chǎn)層擴(kuò)展組合后，考慮到開(kāi)發(fā)工程的高效經(jīng)濟(jì)性，并非需要完全打開(kāi)所有擴(kuò)展組合進(jìn)來(lái)的產(chǎn)層，因此，需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)及各產(chǎn)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)情況，對(duì)產(chǎn)層組合進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

以黔西地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)為例，在現(xiàn)有市場(chǎng)和技術(shù)條件下，該區(qū)1 000 m以淺的煤層氣開(kāi)發(fā)井，壓裂2～3層的成本約為300萬(wàn)元，增加1層的壓裂費(fèi)用大致為40萬(wàn)元。單井排采后，后期每年的維護(hù)費(fèi)大致為 25萬(wàn)元。煤層氣價(jià)格 1.8 元/m3，“十三五”期間，煤層氣中央財(cái)政補(bǔ)貼0.3 元/m3。投資回收期一般從建設(shè)年開(kāi)始算起，參照一般的石油天然氣開(kāi)采項(xiàng)目，基準(zhǔn)投資回收期取8年，其中建設(shè)期1年[21]。8年的現(xiàn)金流出包括前期工程費(fèi)用和后期維護(hù)費(fèi)用兩部分，大致為500萬(wàn)元。

由煤層氣井單井經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)表1）可知，當(dāng)8年內(nèi)日均產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1 000 m3左右時(shí)，基準(zhǔn)投資回收期收益為485.1萬(wàn)元，接近500萬(wàn)元。說(shuō)明日均產(chǎn)氣量1 000 m3是該區(qū)商業(yè)氣流的起算標(biāo)準(zhǔn)，與該深度內(nèi)儲(chǔ)量計(jì)算的煤層氣產(chǎn)量下限起算標(biāo)準(zhǔn)一致[22]。因此，一個(gè)組合產(chǎn)層日均產(chǎn)量最低應(yīng)達(dá)到1 000 m3。在一個(gè)產(chǎn)層組合內(nèi)部，增加的產(chǎn)層發(fā)生費(fèi)用主要是射孔、壓裂施工及壓裂材料，費(fèi)用大致為40萬(wàn)元，同樣按照基準(zhǔn)投資回收期為8年，其日均產(chǎn)氣量應(yīng)為100 m3左右，為該區(qū)商業(yè)氣量起算標(biāo)準(zhǔn)的 10%，基準(zhǔn)投資回收期收益為48.51萬(wàn)元，大致相當(dāng)于單層壓裂費(fèi)用加上后期分?jǐn)偟牟糠志S護(hù)費(fèi)用?？紤]到黔西地質(zhì)條件的復(fù)雜性，現(xiàn)有開(kāi)發(fā)井產(chǎn)量較低，達(dá)到日均產(chǎn)氣量1 000 m3以上的井較少，為此，確定擴(kuò)展產(chǎn)層其產(chǎn)量貢獻(xiàn)率應(yīng)達(dá)到10%以上。

表1 煤層氣井單井經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)主力產(chǎn)層而言，在穩(wěn)產(chǎn)階段，液面降至主力產(chǎn)層頂板上部，套壓為0.05 MPa，此時(shí)主力產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率應(yīng)在 30%以上，而其他產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率最好在10%以上。根據(jù)（1）式，各產(chǎn)層生產(chǎn)潛能可表達(dá)為：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，增加可操作性，在（4）式中可不考慮開(kāi)發(fā)工程影響因子，即令Bi=1.0×1015t/（d·m3·MPa2）。

產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)定義為：

除主力產(chǎn)層之外，其他產(chǎn)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)應(yīng)在10%以上，若低于10%，建議不組合。

2.4 產(chǎn)層組合優(yōu)化流程

完整的多煤層產(chǎn)層組合優(yōu)化流程見(jiàn)圖2。組合過(guò)程中，除要滿足“三步法”的要求外，還需注意：若主力產(chǎn)層位于頂部，連續(xù)排采過(guò)程中，主力產(chǎn)層不過(guò)早暴露在液面之上；若主力產(chǎn)層位于底部，向上擴(kuò)展組合后，則要保證上部次主力產(chǎn)層不過(guò)早暴露在液面之上。主力產(chǎn)層位于中部，分別遵循上、下擴(kuò)展組合原則。

圖2 煤層氣產(chǎn)層優(yōu)化組合“三步法”流程

3 產(chǎn)層組合優(yōu)化效果實(shí)例對(duì)比

3.1 實(shí)例井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

GP井和GP-X井為貴州松河開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井組中的2口井，靶點(diǎn)平均距離約180 m，均采用“小層射孔，分段壓裂，合層排采”的開(kāi)發(fā)方式于2014年1月投產(chǎn)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。表中煤層垂深、厚度、儲(chǔ)集層壓力、滲透率、含氣量、煤體結(jié)構(gòu)等來(lái)源于測(cè)井解釋；產(chǎn)層臨界解吸壓力由實(shí)測(cè)等溫吸附數(shù)據(jù)反算得到，部分煤層沒(méi)有實(shí)測(cè)等溫吸附數(shù)據(jù)，由其他產(chǎn)層平均蘭氏體積和蘭氏壓力推算獲得，空氣干燥基條件下蘭氏體積為22.82 m3/t，蘭氏壓力為2.13 MPa。

3.2 實(shí)例井產(chǎn)層組合優(yōu)化

根據(jù)上述產(chǎn)層組合優(yōu)化“三步法”，分別對(duì)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井GP-X與GP井進(jìn)行了主力產(chǎn)層優(yōu)選、主力產(chǎn)層擴(kuò)展與產(chǎn)層組合優(yōu)化分析，確定出多套可供實(shí)例井獨(dú)立開(kāi)發(fā)的產(chǎn)層組合。

3.2.1 主力產(chǎn)層優(yōu)選

GP-X井：15號(hào)煤煤體結(jié)構(gòu)破碎，盡管煤層厚度較大，為2.34 m，按優(yōu)選原則需被擱置，6-2、17號(hào)煤煤體結(jié)構(gòu)破碎，同樣不參與主力層優(yōu)選，最終優(yōu)選出1+3、16、29-3號(hào)煤3個(gè)主力產(chǎn)層（見(jiàn)圖3a），其中29-3號(hào)煤為優(yōu)選指數(shù)最高的煤層。

表2 GP-X井與GP井煤層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖3 實(shí)例井主力產(chǎn)層優(yōu)選結(jié)果

GP井：同樣原因，該井6-1、17號(hào)煤由于煤體結(jié)構(gòu)破碎不參與主力層優(yōu)選，最終優(yōu)選出1+3、12、29-3號(hào)煤3個(gè)主力產(chǎn)層（見(jiàn)圖3b），其中12號(hào)煤為優(yōu)選指數(shù)最高的煤層。

3.2.2 主力產(chǎn)層擴(kuò)展

GP-X井存在4種擴(kuò)展組合（見(jiàn)圖4a）：①1+3號(hào)煤向下擴(kuò)展組合為1+3、4、5、6-1、9、10、11、12、16號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為105.66 m；②16號(hào)煤向上擴(kuò)展組合為 1+3、4、5、6-1、9、10、11、12、13、16 號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為105.66 m；③16號(hào)煤向下擴(kuò)展組合為16、21、24-1、29-1、29-3號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為 144.14 m；④29-3號(hào)煤向上擴(kuò)展組合為 9、10、11、12、13、16、21、24-1、29-1、29-2、29-3號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為202.1 m。

圖4 實(shí)例井主力產(chǎn)層擴(kuò)展結(jié)果

GP井也存在4種擴(kuò)展組合（見(jiàn)圖4b）：①1+3號(hào)煤向下擴(kuò)展組合為1+3、4、5、6-2、9、12、13、15、16號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為114.3 m；②12號(hào)煤向上擴(kuò)展組合為1+3、4、5、6-2、9、12號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為88.15 m；③12號(hào)煤向下擴(kuò)展組合為12、13、15、16號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為26.51 m；④29-3號(hào)煤向上擴(kuò)展組合為24-1、27-1、29-1、29-2、29-3號(hào)煤，產(chǎn)層跨度為57.69 m。

3.2.3 產(chǎn)層組合優(yōu)化

GP-X井可優(yōu)化出3套獨(dú)立開(kāi)發(fā)的產(chǎn)層組合（見(jiàn)圖5a）：①1+3號(hào)煤擴(kuò)展組合優(yōu)化結(jié)果為 1+3、4、9、16號(hào)煤，跨度105.66 m；②16號(hào)煤兩組擴(kuò)展組合綜合優(yōu)化結(jié)果為16、24-1、29-3號(hào)煤，跨度144.14 m；③29-3號(hào)煤擴(kuò)展組合優(yōu)化結(jié)果為 24-1、29-1、29-3號(hào)煤，跨度45.81 m。3套組合最大跨度為144.14 m，最小跨度為45.81 m，平均跨度為98.54 m。

圖5 實(shí)例井產(chǎn)層組合優(yōu)化結(jié)果

GP-X井第3套組合優(yōu)化中29-3號(hào)煤為主力煤層，優(yōu)選指數(shù)最高，后期產(chǎn)氣潛力最大?？紤]到開(kāi)發(fā)產(chǎn)層跨度越大，層間干擾可能越嚴(yán)重，后期開(kāi)發(fā)工程越復(fù)雜，該組合是進(jìn)行開(kāi)發(fā)的首選。

GP井也可優(yōu)化出3套獨(dú)立開(kāi)發(fā)的產(chǎn)層組合（見(jiàn)圖5b）：①1+3號(hào)煤擴(kuò)展組合優(yōu)化結(jié)果為 1+3、6-2、9、12、16號(hào)煤，跨度114.30 m；②12號(hào)煤兩組擴(kuò)展組合綜合優(yōu)化結(jié)果為12、15、16號(hào)煤，跨度26.15 m；③29-3號(hào)煤擴(kuò)展組合優(yōu)化結(jié)果為27-1、29-1、29-3號(hào)煤，跨度30.68 m。3套組合最大跨度為114.3 m，最小跨度為26.15 m，平均跨度為57.04 m。同樣，第2套組合優(yōu)化是GP井進(jìn)行開(kāi)發(fā)的首選。

從最終組合優(yōu)化的結(jié)果看，雖然2口實(shí)例井靶點(diǎn)平均距離只有180 m，但受煤層結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)集層特征參數(shù)等的影響，產(chǎn)層組合優(yōu)化的結(jié)果差異較大，其中，第1套和第3套較為相似，第2套差異較大。因此，對(duì)多煤層的合層開(kāi)采，做好單井產(chǎn)層組合優(yōu)化是高效開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

3.3 實(shí)例井實(shí)際開(kāi)發(fā)效果對(duì)比

3.3.1 實(shí)際生產(chǎn)效果對(duì)比

GP-X井實(shí)際開(kāi)發(fā)層位為1+3、5、9、10、11、13、15、16號(hào)煤，累計(jì)煤層厚度11.6 m，跨度為138.5 m。其產(chǎn)層組合大致與該井第1套1+3煤擴(kuò)展組合相近；GP井實(shí)際開(kāi)發(fā)產(chǎn)層為5、6-1、6-2、9、12、13、15、16、29-1、29-2、29-3號(hào)煤，累計(jì)煤層厚度18.38 m，跨度為267.66 m，完整包含了該井第2、3兩套主力產(chǎn)層擴(kuò)展組合。

2口井先后完鉆壓裂，施工工藝相同，同時(shí)排采，排采制度相似，但對(duì)比最高日產(chǎn)氣量，GP-X井為1 802 m3（見(jiàn)圖6），GP井則為1 200 m3（見(jiàn)圖7），前者比后者高出50.17%。后期2口井均進(jìn)行了二次憋壓（見(jiàn)圖 6、圖 7），造成上部煤層的部分暴露，產(chǎn)層遭到傷害，產(chǎn)量下降，但后期GP-X井保持500 m3/d左右的產(chǎn)量生產(chǎn)，而GP井則只有400 m3/d左右。

圖6 GP-X井實(shí)際排采曲線

從單位煤層厚度貢獻(xiàn)氣量來(lái)看，GP-X井為 43.1 m3/（d·m），GP 井為 21.8 m3/（d·m），前者是后者的1.98倍，也就是說(shuō)在開(kāi)發(fā)層位減少的情況下，卻獲得了更好的開(kāi)發(fā)效果，這說(shuō)明盲目追求打開(kāi)更多的產(chǎn)層是不科學(xué)的，如果考慮開(kāi)發(fā)層位增多所增加的資金投入，效益更差。

圖7 GP井實(shí)際排采曲線

中國(guó)石化投入開(kāi)發(fā)的黔西織金珠藏鄰近區(qū)塊，產(chǎn)層組合一般為 4層，跨度 70 m左右，產(chǎn)量均穩(wěn)產(chǎn)在1 000 m3/d以上。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2016年在鄰近土城向斜北部的楊梅樹(shù)向斜投產(chǎn)的楊梅參 1井，開(kāi)發(fā)產(chǎn)層僅3層，產(chǎn)層跨度63 m，層厚6.42 m，3層連續(xù)密集產(chǎn)氣，最高產(chǎn)量達(dá)5 011 m3/d，連續(xù)51 d穩(wěn)產(chǎn)在4 000 m3/d以上，創(chuàng)西南地區(qū)煤層氣單井峰值產(chǎn)量、穩(wěn)定日產(chǎn)量新高。這些均是在吸取前期大跨度、多產(chǎn)層開(kāi)發(fā)效果不甚理想的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)下，適當(dāng)減少產(chǎn)層數(shù)量、跨度后取得的良好開(kāi)發(fā)效果。

3.3.2 GP井開(kāi)發(fā)效果較差原因分析

GP井實(shí)際開(kāi)發(fā)層位中，6-1號(hào)煤煤體結(jié)構(gòu)破碎，應(yīng)擱置組合，同時(shí)產(chǎn)層組合層位過(guò)多，導(dǎo)致的結(jié)果就是主力產(chǎn)層產(chǎn)氣能力削弱，相互干擾增大，整體產(chǎn)氣效果不佳。

以主力產(chǎn)層29-3號(hào)煤為例，該層開(kāi)始產(chǎn)氣時(shí)，可保證15號(hào)煤以下層位不暴露在液面之上，以上層位則不能保證。實(shí)際開(kāi)發(fā)結(jié)果是，29-3號(hào)煤進(jìn)入產(chǎn)氣階段，5、6-1、6-2、9、12、13號(hào)煤均暴露在液面之上。另一方面，29-3號(hào)煤與21號(hào)煤以上層位儲(chǔ)集層壓力梯度差都大于0.1 MPa/100 m，屬于不同的流體壓力系統(tǒng)，相互干擾程度大，難以在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)共采。

當(dāng)臨界解吸壓力對(duì)應(yīng)液面高度等于或大于井底流壓換算液面高度時(shí)，可以認(rèn)為開(kāi)始產(chǎn)氣，據(jù)此可預(yù)測(cè)該井各層位產(chǎn)氣序列（見(jiàn)圖8，圖中動(dòng)液面高度以29-2號(hào)煤底板為基準(zhǔn)）。在排采200 d左右時(shí)，液面保持在250 m左右，在6-2號(hào)煤頂板附近（見(jiàn)圖7）。產(chǎn)氣貢獻(xiàn)層及產(chǎn)氣序列預(yù)測(cè)結(jié)果為：6-1、6-2、15、16、5、9、12和13號(hào)煤。因液面及流壓下降太快，多個(gè)產(chǎn)層陸續(xù)集中產(chǎn)氣，形成了一個(gè)短暫的產(chǎn)氣高峰，最高產(chǎn)量達(dá)到1 200 m3/d左右，產(chǎn)水量為5 m3/d左右（見(jiàn)圖7），但29-1、29-2、29-3號(hào)煤未參與產(chǎn)氣。

圖8 各產(chǎn)層產(chǎn)氣預(yù)測(cè)序列圖

后期因生產(chǎn)需要，進(jìn)行了二次憋壓（見(jiàn)圖7），液面快速下降，下降幅度200 m左右，生產(chǎn)約300 d后，29-1、29-2、29-3號(hào)煤進(jìn)入產(chǎn)氣階段，但此時(shí)16號(hào)煤和以上產(chǎn)層完全暴露在液面之上（見(jiàn)圖7），短時(shí)間內(nèi)造成了壓敏和氣鎖效應(yīng)，對(duì)壓降漏斗的擴(kuò)展非常不利。憋壓施工后，氣井產(chǎn)氣量恢復(fù)到1 000 m3/d左右，主要產(chǎn)層為 29-1、29-2、29-3號(hào)煤，因流壓下降太快，高峰產(chǎn)量難以維持，后期產(chǎn)量穩(wěn)定在 400 m3/d，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的開(kāi)發(fā)效果。

綜上，GP井開(kāi)發(fā)效果不理想是產(chǎn)層組合過(guò)多、相互干擾、主力產(chǎn)層過(guò)早暴露在液面之上造成的。而GP-X井在減少產(chǎn)層數(shù)后，與“三步法”劃分的一套擴(kuò)展組合相近，開(kāi)發(fā)效果反而好于GP井，說(shuō)明科學(xué)合理的產(chǎn)層組合劃分是多煤層條件下煤層氣高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的有力保證。

4 結(jié)論

以煤層氣井產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，提出主力產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)、主力產(chǎn)層擴(kuò)展指數(shù)、產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù) 3項(xiàng)指標(biāo)，建立產(chǎn)層組合優(yōu)化“三步法”。

主力產(chǎn)層優(yōu)選，以耦合煤層厚度、煤層含氣量、煤層滲透率、煤層儲(chǔ)集層壓力及煤體結(jié)構(gòu)為主，評(píng)價(jià)產(chǎn)層潛能，指數(shù)δ值越大，產(chǎn)層潛能越大；主力產(chǎn)層擴(kuò)展組合，在確保主力產(chǎn)層的充分緩慢解吸，且不暴露在液面之上前提下，以耦合臨界解吸壓力、層間距和儲(chǔ)集層壓力梯度差為主，綜合評(píng)價(jià)主力、非主力產(chǎn)層間的相互干擾程度，組合指數(shù)?值大于1可以擴(kuò)展組合；產(chǎn)層組合優(yōu)化，主要考慮組合產(chǎn)層的經(jīng)濟(jì)性，主力產(chǎn)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)大于 30%，其他產(chǎn)層貢獻(xiàn)指數(shù)大于10%，才能確保煤層氣井投產(chǎn)后具有經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)貴州松河開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井的開(kāi)發(fā)效果對(duì)比分析，證實(shí)了產(chǎn)層組合優(yōu)化“三步法”的科學(xué)性與實(shí)用性，可用于煤層氣的多層合采方案設(shè)計(jì)。

符號(hào)注釋：

B——?dú)饩こ叹C合影響因子，1015t/(d·m3·MPa2)；d——系數(shù)，當(dāng)擴(kuò)展產(chǎn)層與主力產(chǎn)層的儲(chǔ)集層壓力梯度差小于0.1 MPa/100 m時(shí)，取值1.0，大于0.1 MPa/100 m時(shí)，取值0；g——重力加速度，取值9.81 m/s2；h——其他擴(kuò)展產(chǎn)層與主力產(chǎn)層的垂向間距，m；H——煤層厚度，m；i——產(chǎn)層編號(hào)；K——煤層滲透率，10-3μm2；n——產(chǎn)層總數(shù)；p——儲(chǔ)集層壓力，MPa，取臨界解吸壓力pc；p0——井底壓力，MPa；pc——臨界解吸壓力，MPa；pt——套壓，MPa，統(tǒng)一取 0.05 MPa；Q——煤層氣井產(chǎn)能，m3/d；S——煤體結(jié)構(gòu)系數(shù)，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤或碎裂煤時(shí)，S=1，煤體結(jié)構(gòu)為碎粒煤或糜棱煤時(shí)，S=0；V——煤層氣含氣量，m3/t；δ——主力產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)，10-15m6·MPa/t；η——產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)，%；ρ——產(chǎn)出水的密度，103kg/m3；?——產(chǎn)層擴(kuò)展組合指數(shù)，無(wú)因次。

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