黔西-滇東地區(qū)煤巖吸附-解吸特征及其對(duì)多層合采的指示意義

李站偉，陳世達(dá)，陶 樹(shù)，湯達(dá)禎，丁鵬飛

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.煤層氣開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程研究中心中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）煤儲(chǔ)層物性實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)石化勝利油田分公司油氣銷售中心，山東東營(yíng) 257000）

多煤層地區(qū)煤層氣累積資源量大，但單層資源豐度較低［1-3］?，F(xiàn)行技術(shù)條件下，多煤層共采是實(shí)現(xiàn)煤層氣資源高效開(kāi)發(fā)的必要手段之一［4］。黔西-滇東地區(qū)已實(shí)現(xiàn)單井和少數(shù)區(qū)塊產(chǎn)氣突破，但在多煤層條件下，儲(chǔ)層空間展布形態(tài)多變，煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之含氣系統(tǒng)垂向疊置，致使橫向甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選及縱向產(chǎn)層組合設(shè)計(jì)難度增加［2，5］。合采產(chǎn)能動(dòng)態(tài)受煤儲(chǔ)層之間的物性差異控制［6］，以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)為主的研究團(tuán)隊(duì)提出了一系列合采產(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為西南地區(qū)煤層氣產(chǎn)層組合設(shè)計(jì)和工程部署提供了重要的理論支撐［7-9］。然而，煤層氣合采產(chǎn)層組合還需綜合考慮煤產(chǎn)層的儲(chǔ)層壓力、解吸過(guò)程與動(dòng)液面動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系［9-10］。目前，合采選層方法多是基于“動(dòng)液面降至煤層（或煤層暴露）之前能否實(shí)現(xiàn)解吸”這一問(wèn)題進(jìn)行探討，忽略了煤層氣的解吸效率和產(chǎn)氣能力問(wèn)題。假設(shè)在煤層氣的吸附與解吸完全可逆的前提下，可以通過(guò)甲烷等溫吸附曲線對(duì)其解吸過(guò)程進(jìn)行定量表征［11-15］。

黔西-滇東地區(qū)是多煤層發(fā)育的典型地區(qū)，其煤層數(shù)量多，但單層厚度薄，且煤層厚度平面分布不均一。在深成變質(zhì)作用的基礎(chǔ)上，部分地區(qū)還疊加了巖漿熱變質(zhì)作用和熱液變質(zhì)作用，導(dǎo)致煤級(jí)分布極為廣泛，自氣煤至無(wú)煙煤均有發(fā)育，直接或間接地控制著區(qū)域煤儲(chǔ)層的生烴潛力和儲(chǔ)集能力。本次研究針對(duì)黔西-滇東地區(qū)多煤層的煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)際，基于六盤水、織納、水城、格目底和恩洪-老廠等礦區(qū)的83塊煤巖樣品的甲烷等溫吸附曲線，借鑒煤層氣解吸階段劃分方法，通過(guò)回歸分析，建立煤巖變質(zhì)程度與吸附-解吸特征參數(shù)之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，進(jìn)而探討甲烷解吸產(chǎn)氣過(guò)程對(duì)煤層開(kāi)發(fā)的指示意義，以期為研究區(qū)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 不同變質(zhì)程度煤巖吸附特征

黔西-滇東地區(qū)煤巖的蘭氏體積（VL）和蘭氏壓力（pL）分布范圍較廣，分別為2.61～39.53 m3/t 和0.35～2.86 MPa（圖1）。煤巖的熱演化程度對(duì)甲烷吸附能力的影響較為顯著，VL和pL均隨著煤階的增高而顯著增大，這種上升趨勢(shì)在鏡質(zhì)組反射率（Ro）小于3%時(shí)最為明顯；當(dāng)Ro值大于3%時(shí)，煤巖吸附特征參數(shù)的變化幅度有所降低并逐漸趨于平穩(wěn)，這與前人研究結(jié)果基本一致［16］。其中，VL，pL與Ro值的關(guān)系可以表示為：

圖1 黔西-滇東地區(qū)煤巖鏡質(zhì)組反射率與蘭氏體積、蘭氏壓力之間的關(guān)系Fig.1 Correlations of vitrinite reflectance with Langmuir volume and Langmuir pressure of coal in the western Guizhou-eastern Yunan region

煤巖的甲烷等溫吸附曲線形態(tài)隨著煤階的增高也表現(xiàn)出較為明顯的差異。當(dāng)Ro值小于3%時(shí)，在相同壓力條件下，較高變質(zhì)程度煤巖的甲烷吸附量始終高于較低變質(zhì)程度煤巖。隨著煤巖變質(zhì)程度的進(jìn)一步增高，即Ro值大于3%時(shí)，甲烷等溫吸附曲線在低壓區(qū)基本重合，只有當(dāng)壓力大于5 MPa時(shí)，甲烷等溫吸附曲線形態(tài)差異才開(kāi)始趨于明顯。

煤巖變質(zhì)程度對(duì)甲烷吸附能力的影響受控于煤巖儲(chǔ)滲空間的演化［17］。進(jìn)一步對(duì)黔西-滇東地區(qū)10 塊煤巖樣品開(kāi)展低場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著煤巖變質(zhì)程度的增高，煤巖整體趨于致密化，核磁共振T2譜的譜峰逐漸向左偏移，反映出煤巖滲流空間的顯著減少和吸附空間的大幅增多（圖2）。

低溫N2（測(cè)試孔徑為2～100 nm）和CO2（測(cè)試孔徑為0.5～1 nm）吸附實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)對(duì)煤巖比表面積進(jìn)行量化表征，反映煤巖吸附空間的變化。由黔西六盤水礦區(qū)盤關(guān)向斜14 塊煤巖樣品的Ro值與比表面積的關(guān)系（圖3）可見(jiàn)，隨著煤巖變質(zhì)程度的增高，煤巖比表面積顯著增大，但增幅逐漸趨于平緩，與煤巖吸附特征參數(shù)隨Ro值的變化趨勢(shì)高度一致。綜合核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，高變質(zhì)程度煤巖的大孔及微裂隙相對(duì)不發(fā)育，以微小孔為主，煤巖基質(zhì)比表面積較大，可以為甲烷提供更多的有效吸附空間，因此蘭氏體積也隨之增大。

圖2 黔西-滇東地區(qū)不同變質(zhì)程度煤巖核磁共振T2譜曲線特征Fig.2 The T2 spectra of different coal ranks in western Guizhou-eastern Yunan region

2 不同變質(zhì)程度煤巖解吸特征

圖3 黔西六盤水礦區(qū)盤關(guān)向斜煤巖樣品Ro值與比表面積的關(guān)系Fig.3 Correlation between vitrinite reflectance and specific surface area of coal samples from Panguan syncline in Liupanshui mining area，western Guizhou

張政等基于蘭格繆爾等溫吸附方程和數(shù)學(xué)曲率方程，以啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力和敏感壓力為節(jié)點(diǎn)，劃分了煤層氣低效解吸階段、緩慢解吸階段、快速解吸階段和敏感解吸階段［11-12］。啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力和敏感壓力的計(jì)算公式分別為：

快速和敏感解吸階段所對(duì)應(yīng)的煤層氣解吸效率較高，對(duì)煤產(chǎn)層的產(chǎn)氣能力和生產(chǎn)井的最終產(chǎn)能具有重要影響。

根據(jù)（3）式—（5）式，計(jì)算得到黔西-滇東地區(qū)83 塊煤巖樣品的啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力和敏感壓力，并分別建立其與Ro值的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果（圖4）表明，煤巖樣品的啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力和敏感壓力均隨著Ro值的增加而增大，其變化趨勢(shì)與蘭氏體積的變化趨勢(shì)基本相似；即在初始飽和吸附條件下，高變質(zhì)程度煤巖相對(duì)于低變質(zhì)程度煤巖更容易實(shí)現(xiàn)高煤層氣解吸效率。此外，隨著煤巖變質(zhì)程度的增高，相鄰解吸壓力節(jié)點(diǎn)的差值（覆蓋壓差）也逐漸增大，說(shuō)明高變質(zhì)程度煤巖跨越某一個(gè)解吸階段相對(duì)于低變質(zhì)程度煤巖所需要的理論壓降更大、時(shí)間更長(zhǎng)，生產(chǎn)上可能會(huì)表現(xiàn)為某一階段產(chǎn)氣量的相對(duì)緩慢上升。研究區(qū)煤巖樣品的關(guān)鍵解吸壓力節(jié)點(diǎn)與Ro值的擬合關(guān)系為：

圖4 黔西-滇東地區(qū)煤巖解吸壓力節(jié)點(diǎn)與煤巖變質(zhì)程度的關(guān)系Fig.4 Correlation of desorption-pressure nodes and coal rank in western guizhou-eastern Yunnan region

煤層氣解吸階段劃分是在初始飽和吸附條件下進(jìn)行的，而對(duì)實(shí)際煤層氣藏（特別是欠飽和煤層氣藏）評(píng)價(jià)時(shí)，還需考慮煤層的含氣性。對(duì)于多數(shù)煤層氣藏，在地質(zhì)歷史過(guò)程中部分煤層氣已經(jīng)發(fā)生解吸逸散，因此在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中絕大多數(shù)煤層僅經(jīng)歷部分煤層氣解吸階段。通常煤層氣開(kāi)發(fā)早期較高的解吸效率對(duì)形成高產(chǎn)氣井至關(guān)重要，因此，煤層氣井臨界解吸壓力下的解吸效率能夠反映氣井早期的產(chǎn)氣特征。臨界解吸壓力是氣體開(kāi)始從煤巖基質(zhì)表面解吸時(shí)所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層壓力，可以由含氣量、蘭氏體積和蘭氏壓力計(jì)算［17］：

將（1）式和（2）式代入（9）式，則研究區(qū)煤層氣的臨界解吸壓力可以近似表示為：

基于（6）式—（8）式和（10）式，可以得到不同變質(zhì)程度煤巖臨界解吸壓力隨實(shí)測(cè)含氣量變化及其與不同解吸壓力節(jié)點(diǎn)關(guān)系的理論圖版（圖5）。煤巖解吸初期對(duì)應(yīng)的高解吸效率一方面有利于煤層氣的快速產(chǎn)出，另一方面也可以增強(qiáng)基質(zhì)收縮效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)氣井高產(chǎn)的有利條件［18-19］。當(dāng)然，如果煤層氣藏含氣量或含氣飽和度較低，即便其理論解吸效率較高，也難以達(dá)到理想產(chǎn)能。

3 對(duì)多煤層合采產(chǎn)層組合優(yōu)化的指示意義

圖5 不同變質(zhì)程度煤巖臨界解吸壓力隨實(shí)測(cè)含氣量變化及其與不同解吸壓力節(jié)點(diǎn)的關(guān)系Fig.5 Variation of critical desorption pressure with measured gas content of different coal ranks and its relationship with desorption pressure nodes

黔西-滇東地區(qū)疊置含氣系統(tǒng)的存在使得煤儲(chǔ)層壓力和含氣量在垂向上存在波動(dòng)變化，這必然導(dǎo)致同一井筒內(nèi)不同煤層解吸特征和產(chǎn)氣過(guò)程的復(fù)雜性?；诳椊饏^(qū)塊探井和小井組的成功試驗(yàn)，并借鑒秦勇等提出的“三壓一動(dòng)逐層約束法”［9，20］，筆者提取動(dòng)液面高度、解吸壓力節(jié)點(diǎn)、儲(chǔ)層壓力和煤層間距等參數(shù)，從煤層氣解吸角度建立產(chǎn)層組合兼容性評(píng)價(jià)方法。以2 套煤組合為例，假設(shè)上部煤層距初始靜液面高度為ΔH；上、下部煤層的間距為h；上部煤層的儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力、轉(zhuǎn)折壓力和敏感壓力分別為p1，pcd1，pt1和ps1；下部煤層的儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力、轉(zhuǎn)折壓力和敏感壓力分別為p2，pcd2，pt2和ps2。

臨儲(chǔ)壓差定義為煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力與臨界解吸壓力的差值，則上、下部煤層的臨儲(chǔ)壓差分別為：

轉(zhuǎn)儲(chǔ)壓差定義為煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力與轉(zhuǎn)折壓力的差值，則上、下部煤層的轉(zhuǎn)儲(chǔ)壓差分別為：

敏儲(chǔ)壓差定義為煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力與敏感壓力的差值，則上、下部煤層的敏儲(chǔ)壓差分別為：

動(dòng)液面降低至上部煤層頂板時(shí)，近井地帶儲(chǔ)層壓力降幅可以表示為：

對(duì)多層合采煤層氣井而言，隨著開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，井筒內(nèi)動(dòng)液面將逐漸降低至各產(chǎn)層以下。若動(dòng)液面過(guò)早地降低至煤層以下，則可能對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。然而，目前關(guān)于動(dòng)液面降低對(duì)產(chǎn)能的傷害機(jī)理尚未達(dá)成共識(shí)，特別是對(duì)其在生產(chǎn)上的具體顯現(xiàn)特征缺乏定量的表征。周效志等認(rèn)為動(dòng)液面降低至上部產(chǎn)層以下后，近井地帶的地層水、壓裂液將難以排出，進(jìn)而導(dǎo)致上部產(chǎn)層的產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量快速下降［10］。從這一點(diǎn)來(lái)看，在動(dòng)液面降低至煤層以下之前比之后更容易實(shí)現(xiàn)壓降的傳播和解吸面積的擴(kuò)大。在產(chǎn)層暴露前實(shí)現(xiàn)較高的解吸效率，可以增大解吸體積，增強(qiáng)基質(zhì)收縮效應(yīng)，對(duì)提高滲透率和氣井產(chǎn)能具有促進(jìn)作用。因此，筆者以上部煤層與動(dòng)液面的關(guān)系為基準(zhǔn)，將一個(gè)產(chǎn)層組合中各煤層的解吸進(jìn)程和動(dòng)液面高度的動(dòng)態(tài)變化劃分為七類約束條件，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同產(chǎn)層組合條件下的合采可行性（表1）。

表1 合采產(chǎn)層解吸進(jìn)程與動(dòng)液面高度的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系Table1 Correlation between desorption process and dynamic fluid level of commingled production layers

表1 的產(chǎn)能評(píng)價(jià)中自A 到G 代表合采井的產(chǎn)能或產(chǎn)氣潛力逐漸降低，其中以A 為最佳，G 代表合采井不能產(chǎn)氣。當(dāng)約束條件滿足類別Ⅲ—Ⅶ時(shí)，可以進(jìn)行產(chǎn)層組合，但是不同產(chǎn)層組合的產(chǎn)氣能力和產(chǎn)氣貢獻(xiàn)有所不同。類別Ⅲ僅能保證所有煤層可以實(shí)現(xiàn)解吸，無(wú)法保證產(chǎn)氣能力。相比之下，類別Ⅶ在動(dòng)液面降至上部煤層之前，所有產(chǎn)層均可進(jìn)入敏感解吸階段，并達(dá)到較高的解吸效率，多煤層共同快速產(chǎn)氣形成合力，是多層合采的最佳組合方案。

對(duì)于初始階段即處于快速和敏感解吸階段的煤層，即滿足類別Ⅴ—Ⅶ的約束條件下，煤層解吸后動(dòng)液面距上部煤層頂部仍有一定距離時(shí)，可以保證上部煤層壓降漏斗擴(kuò)展和累積產(chǎn)氣量的最大化。以珠藏向斜Z4 井為例，該井選層跨度達(dá)240 m，分3段對(duì)Ⅰ煤組5#和6#煤層，Ⅱ煤組16#煤層，Ⅲ煤組20#，23#，27#和30#煤層進(jìn)行多層合采。開(kāi)采初期，初始液面為1.88 m，井底流壓為3 MPa。排采46 d后，Ⅰ煤組的2 套煤層解吸動(dòng)液面為170 m；由于高解吸效率，產(chǎn)氣量迅速上升至約為1 000 m3/d；但隨即暴露，壓降漏斗未能得到充分的擴(kuò)展；后續(xù)供氣面積有限，產(chǎn)氣量迅速衰減。后期Ⅲ煤組煤層解吸后，產(chǎn)氣量又開(kāi)始急速回升，此時(shí)液柱距Ⅲ煤組仍有較大的可壓降空間，從而保證了產(chǎn)氣高峰的不斷后移（或穩(wěn)定產(chǎn)氣）。盡管Z4井實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)，但Ⅰ和Ⅱ煤組的產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)有限。后續(xù)小井組的10 口煤層氣井以Ⅲ煤組20#，23#，27#和30#煤層為目標(biāo)層位進(jìn)行合采，各產(chǎn)層敏感解吸階段后平均可降液柱高度為256 m，平均排采時(shí)間為400 d，單井峰值產(chǎn)氣量大于2 000 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣量超過(guò)1 300 m3/d，實(shí)現(xiàn)了黔西地區(qū)煤層氣多層合采的新突破（圖6）。

圖6 珠藏向斜Z4井排采曲線特征Fig.6 Production curve of Well Z4 in Zhuzang syncline

值得注意的是，多層合采井的效益開(kāi)發(fā)是合理的地質(zhì)選層、有效的工程施工以及后期科學(xué)的排采管理綜合作用的結(jié)果。解吸進(jìn)程與動(dòng)液面的動(dòng)態(tài)關(guān)系可作為產(chǎn)層組合的約束條件之一，而合理的層位組合需考慮埋深、煤體結(jié)構(gòu)、含氣性、煤層間距、滲透性、儲(chǔ)層壓力及水文地質(zhì)條件等多種因素［7-9，21-25］。從滲透性的角度而言，黔西-滇東地區(qū)煤層原位滲透率較低（試井滲透率普遍小于0.5 mD［26］），后期的滲流能力很大程度上取決于水力壓裂改造效果。從織金區(qū)塊的開(kāi)發(fā)實(shí)踐來(lái)看，碎裂煤具備良好的可改造能力及產(chǎn)氣潛力，而碎粒/糜棱煤的壓裂改造效果受限，易導(dǎo)致氣井低產(chǎn)。從壓裂模式來(lái)看，以單層為改造單元的分層壓裂方式的儲(chǔ)層改造針對(duì)性強(qiáng)，可以確保各產(chǎn)層充分改造，保證其產(chǎn)能貢獻(xiàn)，而多層合壓開(kāi)采則難以全面兼顧，部分煤層可能并未得到有效改造，產(chǎn)氣效果整體不佳［27］。從解吸的角度來(lái)講，如果一個(gè)組合段中各煤層的解吸進(jìn)程不均一（例如存在低解吸效率層位），可采取差異化的壓裂方式和壓裂規(guī)模，對(duì)某些層位進(jìn)行針對(duì)性的改造，以提高其產(chǎn)能貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

煤巖變質(zhì)程度是影響黔西-滇東地區(qū)儲(chǔ)層吸附能力的重要因素。隨著鏡質(zhì)組反射率的增加，煤巖趨于致密，微小孔逐漸占主導(dǎo)地位，對(duì)甲烷的吸附能力顯著提升，蘭氏體積也隨之增大。借鑒煤層氣解吸階段劃分方法，建立了研究區(qū)煤巖變質(zhì)程度與關(guān)鍵解吸壓力節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，得到了不同變質(zhì)程度煤巖臨界解吸壓力隨實(shí)測(cè)含氣量變化及其與不同解吸壓力節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。通過(guò)提取動(dòng)液面高度、解吸壓力節(jié)點(diǎn)、儲(chǔ)層壓力和煤層間距等參數(shù)，從煤層解吸的角度劃分了七類約束條件作為產(chǎn)層組合評(píng)價(jià)的指標(biāo)，以提高地質(zhì)選層的成功率。

符號(hào)解釋

g——重力加速度，m/s2；

h——上、下部煤層的間距，m；

ΔH——上部煤層距初始靜液面高度，m；

p1——上部煤層的儲(chǔ)層壓力，MPa；

p2——下部煤層的儲(chǔ)層壓力，MPa；

pcd——臨界解吸壓力，MPa；

pcd1——上部煤層的臨界解吸壓力，MPa；

pcd2——下部煤層的臨界解吸壓力，MPa；

pd——近井地帶儲(chǔ)層壓力降幅，MPa；

pi——啟動(dòng)壓力，MPa；

pL——蘭氏壓力，MPa；

ps——敏感壓力，MPa；

ps1——上部煤層的敏感壓力，MPa；

ps2——下部煤層的敏感壓力，MPa；

pt——轉(zhuǎn)折壓力，MPa；

pt1——上部煤層的轉(zhuǎn)折壓力，MPa；

pt2——下部煤層的轉(zhuǎn)折壓力，MPa；

p臨儲(chǔ)1——上部煤層的臨儲(chǔ)壓差，MPa；

p臨儲(chǔ)2——下部煤層的臨儲(chǔ)壓差，MPa；

p轉(zhuǎn)儲(chǔ)1——上部煤層的轉(zhuǎn)儲(chǔ)壓差，MPa；

p轉(zhuǎn)儲(chǔ)2——下部煤層的轉(zhuǎn)儲(chǔ)壓差，MPa；

p敏儲(chǔ)1——上部煤層的敏儲(chǔ)壓差，MPa；

p敏儲(chǔ)2——下部煤層的敏儲(chǔ)壓差，MPa；

Ro——鏡質(zhì)組反射率，%；

VL——蘭氏體積，m3/t；

V實(shí)——含氣量，m3/t；

x——常數(shù)，取值為1 或2，其中1 代表上部煤層，2 代表下部煤層；

ρ——井筒中液柱的密度，g/cm3。