無越流補(bǔ)給含水層對(duì)煤層氣排采影響的數(shù)值模擬

劉 冰，張松航，唐書恒，王鵬飛，翟佳宇，紀(jì)朝琪

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2.海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.非常規(guī)天然氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與開發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西 太原 030000)

中國煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，初步估算可達(dá)36.8萬億m3，位居世界第三。截至2019年初，國內(nèi)煤層氣井已累計(jì)達(dá)到1.8萬多口，但地面產(chǎn)氣量僅達(dá)54億m3，大量低效井(單口井煤層氣產(chǎn)量小于500 m3/d) 的存在降低了煤層氣井整體產(chǎn)能[1-2]。分析原因主要是由于我國煤層氣開采地質(zhì)條件普遍復(fù)雜，煤層具有低孔滲、低飽和度的特點(diǎn)，在技術(shù)上仍存在很多難題，制約了煤層氣合理有效的開采[3]。

目前，煤層氣的主要開采方式就是排水降壓，經(jīng)過連續(xù)排水使煤儲(chǔ)層中的壓力降低，直到壓力低于煤層氣的臨界解吸壓力時(shí)，在壓差的作用下，氣體從煤表面上解吸，發(fā)生運(yùn)移、擴(kuò)散，最終通過井筒采出地面[4-5]。因而大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣開發(fā)效果的影響至關(guān)重要。錢凱等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在煤層氣開采過程中，氣體的解吸、擴(kuò)散、滲流以及產(chǎn)出都將受到開采區(qū)塊地下水的水頭變化以及含水層的富水性和導(dǎo)水性能的影響。田永東[7]指出，一些水文地質(zhì)參數(shù)(如煤層的含水性、原始水頭和頂?shù)装鍘r性等)將會(huì)通過影響煤層氣井的生產(chǎn)條件來控制煤層氣井的產(chǎn)能。汪吉林等[8]研究認(rèn)為，如果在煤層中只是存在一些束縛水和少量的重力水時(shí)對(duì)煤層氣井進(jìn)行壓裂作業(yè)，那么壓裂增產(chǎn)所產(chǎn)生的壓裂縫會(huì)溝通儲(chǔ)層上方的含水層，這時(shí)排水降壓過程中所排出的水實(shí)際上是含水層中的水。

沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層層數(shù)多、厚度大，煤層氣資源豐富，含氣面積可達(dá)187.80 km2，是我國最具規(guī)模化開采和發(fā)展煤層氣產(chǎn)業(yè)潛力的地區(qū)之一[9]。該區(qū)塊多數(shù)煤層氣井具有“高產(chǎn)水、低產(chǎn)氣”的特征，但也有少部分井存在“高產(chǎn)水、高產(chǎn)氣”的現(xiàn)象[10]。通常認(rèn)為，煤層氣井高產(chǎn)水主要與溝通含水層有關(guān)。然而目前關(guān)于溝通含水層對(duì)煤層氣排采的影響研究較少，因此，本文旨在探討沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣開采時(shí)，是否溝通煤儲(chǔ)層鄰近的無越流補(bǔ)給含水層對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響。

1 地質(zhì)背景

柿莊南區(qū)塊位于沁水盆地東南部，隸屬于山西省晉城市沁水縣柿莊鄉(xiāng)，區(qū)塊整體呈東南向西北傾的單斜構(gòu)造，構(gòu)造簡單[11]。地層沉積序列自下而上分別為下古生界奧陶系，上古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系和新生界第四系[12-14]。目前，上古生界石炭系上統(tǒng)-二疊系下統(tǒng)太原組15號(hào)煤層和下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層是勘探開發(fā)的主要目的煤層。區(qū)內(nèi)按照儲(chǔ)集空間劃分了5套含水層[15](圖1)，其中二疊系下石盒子組和山西組砂巖裂隙承壓含水層是3號(hào)煤層的主要補(bǔ)給水源[16]；上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)太原組石灰?guī)r夾碎屑巖巖溶裂隙承壓水是15號(hào)煤層的主要補(bǔ)給水源[17-18]。整體水文地質(zhì)條件簡單，各含水層在層間和層內(nèi)發(fā)育厚度不等的泥巖和砂巖隔水層，因而在垂向上形成了各自獨(dú)立的含水系統(tǒng)，一般不存在水力聯(lián)系；內(nèi)部由于泥質(zhì)類隔水層的阻礙，以層間徑流為主[19]。

圖1 柿莊南區(qū)塊地層與含水層Fig.1 Strata and aquifers in Southern Shizhuang Block

2 模擬方法及參數(shù)設(shè)置

2.1 模擬軟件

SIMEDWin軟件是由澳大利亞聯(lián)邦科工組和澳大利亞新南威爾士大學(xué)合作開發(fā)的一個(gè)具有高精度，能夠?qū)Ψ欠€(wěn)態(tài)的儲(chǔ)層狀態(tài)、多組分氣體以及三維立體儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的軟件[20]。該軟件采用全耦合隱式求解法，應(yīng)用一系列公式與煤層氣工程相結(jié)合，來描述流體流動(dòng)和煤層氣的生產(chǎn)狀況[21]。軟件內(nèi)部的數(shù)值模型包含數(shù)值網(wǎng)格、氣體吸附模型、儲(chǔ)層孔滲性模型及井設(shè)計(jì)模型，考慮了多種煤巖儲(chǔ)層類型以及煤層氣吸附與解吸過程中煤基質(zhì)的收縮和膨脹[22]。已有很多研究者應(yīng)用該軟件模擬了排采控制、井設(shè)計(jì)、CO2驅(qū)替以及混合驅(qū)替等與煤層氣產(chǎn)量之間的關(guān)系[23]。

2.2 模型構(gòu)建

為了更直觀地研究柿莊南區(qū)塊在煤層氣開采過程中溝通含水層對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響，結(jié)合柿莊南區(qū)塊的地質(zhì)條件和TS-280井資料，模擬中網(wǎng)格模型選取笛卡爾坐標(biāo)系，在垂向上建立了3層平面為20×25的網(wǎng)格模型，分別對(duì)應(yīng)含水層、隔水層和煤儲(chǔ)層(圖2)。模擬中的含水層大小有限，僅分布在井場范圍內(nèi)，為無越流補(bǔ)給含水層；此外，含水層單獨(dú)存在，無上下其他含水層的補(bǔ)給，為無越流補(bǔ)給含水層；總體上模擬中的含水層為無越流補(bǔ)給含水層，類似于透鏡體含水層。3個(gè)地層通過壓裂裂縫導(dǎo)通。其中平面內(nèi)的每一個(gè)網(wǎng)格都是可以被獨(dú)立定義地質(zhì)屬性。井位設(shè)在Y軸中部，模擬開采過程中1/2井場的地質(zhì)狀態(tài)。為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，距離井位越近網(wǎng)格設(shè)置越密[20](圖3)。本次模擬在X方向上共計(jì)20個(gè)網(wǎng)格，最小網(wǎng)格間距為5.19 m，最大網(wǎng)格間距為14.24 m，總長177.15 m，間距隨井距增加而呈遞增關(guān)系。在Y軸上，以井位為中心(井孔直徑0.5 m)，網(wǎng)格間距隨井距增加依次遞增，最小網(wǎng)格間距為7.18 m，最大網(wǎng)格間距為21.15 m，總長313.46 m。

圖2 模擬地層Fig.2 Schematic diagram of simulated formation

圖3 模擬井網(wǎng)和井位Fig.3 Simulation of well pattern and well location

儲(chǔ)層性質(zhì)模型選取上，吸附模型采用煤層氣儲(chǔ)層最常用的擴(kuò)展Langmuir吸附模型，孔滲性模型選取生產(chǎn)時(shí)考慮煤巖物理性質(zhì)變化最全的Shi-Durucan解吸模型[24]，井型選用柿莊南區(qū)塊最常見的直井生產(chǎn)井，排采制度采用井底流壓和日產(chǎn)水量控制[22]。

2.3 模擬參數(shù)設(shè)置

根據(jù)對(duì)柿莊南區(qū)塊煤層氣井勘探開發(fā)資料研究，本次模擬選用勘探最充分的山西組3號(hào)煤層作為目的煤層，其補(bǔ)水源主要來自煤層上方的砂巖裂隙承壓含水層。該含水層內(nèi)發(fā)育張性斷層、構(gòu)造裂隙以及陷落柱，孔隙率高，屬于強(qiáng)富含水層[15,25]。3號(hào)煤層平均厚度約為6 m，含氣量在3.11～21.51 m3/t，煤變質(zhì)程度高，滲透率低，相對(duì)于上方的強(qiáng)含水層來說，該煤層將被視為弱承壓含水層[26]。此外，3號(hào)煤層頂?shù)装逯饕奢^薄的泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，在開采過程中極易溝通鄰近含水層。

本次模擬研究的參數(shù)(表1)主要參考數(shù)據(jù)完整的TS-280井工程參數(shù)，以及砂巖含水層鄰近煤儲(chǔ)層地質(zhì)特征。其中，煤儲(chǔ)層是雙孔隙模型，需要單獨(dú)對(duì)克林伯格系數(shù)與吸附性相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，而泥巖隔水層和砂巖含水層是單孔孔隙模型，無需設(shè)置。另外，在模擬過程中存在以下假設(shè)：含水層是個(gè)獨(dú)立封閉的地質(zhì)空間(如透鏡體含水層)，沒有外來補(bǔ)給水源。

2.4 模擬方案

本次模擬設(shè)計(jì)了2個(gè)對(duì)比系列：①含水層滲透率為15×10-3μm2時(shí)，最小井底流壓在100 kPa情況下，控制最大排水量分別為9、7、5、3 m3/d的模擬方案，空白對(duì)照組是最大產(chǎn)水量為5 m3/d沒有含水層影響的情況；②控制每天最大產(chǎn)水量為5 m3，最小井底流壓在100 kPa情況下，含水層滲透率分別為15×10-3、10×10-3、5×10-3、3×10-3μm2的煤儲(chǔ)層開采模擬方案，空白對(duì)照組為沒有含水層的煤儲(chǔ)層開采。2個(gè)模擬排采時(shí)間均為3 000 d。

表1 含水層數(shù)值模擬參數(shù)匯總Table 1 Summary of numerical simulation parameters of aquifer

3 結(jié)果與討論

3.1 排水量對(duì)產(chǎn)水產(chǎn)氣的影響

排采制度是影響煤層氣產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，產(chǎn)水量反映了地層供水能力的大小與排采強(qiáng)度[27]。在模擬開采的3 000 d內(nèi)，溝通含水層的煤層氣井累積產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量都要高于無含水層的情況。如圖4a所示，溝通含水層時(shí)，排采初期供水充足，產(chǎn)水量持續(xù)平穩(wěn)，后期緩慢下降，且隨排水量增大，高產(chǎn)水時(shí)間縮短。分析認(rèn)為是由含水層中地下水有限，沒有外來補(bǔ)給源所造成。產(chǎn)氣方面如圖4b所示，排采過程中，無含水層時(shí)，初期見氣快，日產(chǎn)氣量高，但之后緩慢下降并維持在低產(chǎn)狀態(tài)，而溝通含水層的產(chǎn)氣狀況與之相反，初期一段時(shí)間內(nèi)幾乎不產(chǎn)氣，之后隨著地層水的排出，儲(chǔ)層壓力下降，產(chǎn)氣量逐漸上升達(dá)到峰值，保持在高產(chǎn)狀態(tài)。此外，隨著日排水量的增大，見氣時(shí)間也會(huì)縮短，證明地層水的大量排出促使煤儲(chǔ)層的壓力降低，從而加速煤層氣在儲(chǔ)層中的解吸速度。

圖4 不同最大排水量下煤層氣井產(chǎn)水產(chǎn)氣對(duì)比Fig.4 Comparison of water and gas production from coalbed methane wells with different maximum water discharge

隨著地層水的排出和煤層氣產(chǎn)出，煤儲(chǔ)層與含水層的壓力發(fā)生了系列變化。如圖5—圖7所示，其中紅色部分代表地層壓力為2.5 MPa左右，綠色部分代表壓力為1.5 MPa左右。對(duì)比圖5和圖6b可以看出，排水量一定時(shí)，相較無含水層，溝通含水層的煤儲(chǔ)層遠(yuǎn)井地帶壓降幅度增大，近井地帶壓降幅度相對(duì)較低，說明溝通無越流補(bǔ)給含水層有利于儲(chǔ)層的降壓漏斗擴(kuò)展。分析模擬結(jié)果(圖6、圖7)得出，日排水量的增大可以提高儲(chǔ)層與含水層的壓降幅度。

但從不同排水量下的儲(chǔ)層與含水層兩個(gè)壓力剖面(圖8)中可以看出，在排采后期當(dāng)排水量從3 m3/d增大到5 m3/d時(shí)，儲(chǔ)層與含水層的壓降幅度不斷變大，而在排水量增大到5 m3/d后，儲(chǔ)層與含水層的壓降幅度基本不變。因此，對(duì)于柿莊南區(qū)塊煤層氣的開采，排水量的增大可以促使儲(chǔ)層壓力下降，產(chǎn)氣速度變快，但壓降幅度和產(chǎn)氣速度不會(huì)隨著日排水量的增大而無限增大，到達(dá)臨界值5 m3/d時(shí)就會(huì)趨于穩(wěn)定，分析原因，可能是煤儲(chǔ)層的解吸擴(kuò)散速率有限，雖然增大了排水速率，儲(chǔ)層(割理系統(tǒng))也實(shí)現(xiàn)了降壓，但氣體在煤基質(zhì)至割理系統(tǒng)的運(yùn)移過程受阻，氣井繼續(xù)提產(chǎn)困難[28]。

圖5 無含水層條件下排采3 000 d排水量為5 m3/d的儲(chǔ)層壓力分布Fig.5 The reservoir pressure distribution with water discharge of 5 m3/d without aquifer recharge after 3 000 days’extraction

圖6 溝通含水層條件下排采3 000 d不同排水量的煤儲(chǔ)層壓力分布Fig.6 The pressure distribution of coal reservoir with different water discharge after 3 000 days’ extraction

圖7 排采3 000 d不同排水量下含水層壓力分布情況Fig.7 The pressure distribution of aquifer with different water discharge after 3 000 days’ extraction

圖8 排采3 000 d不同排水量的水平過井筒壓力剖面對(duì)比Fig.8 Comparison of pressure between aquifer and reservoir with different water discharge after 3000 days’ extraction

煤層氣排采早期(動(dòng)液面降低至煤層頂面時(shí)的排采階段)，壓降速率對(duì)氣藏的整體壓降漏斗擴(kuò)展產(chǎn)生很大的影響，與產(chǎn)氣峰值具有明顯指數(shù)相關(guān)性，即壓降速率增大，氣水產(chǎn)量峰值下降[29]。因而，在柿莊南區(qū)塊煤層氣開采時(shí)溝通無越流補(bǔ)給含水層時(shí)，排采初期會(huì)因?yàn)楹畬又械牡貙铀魅刖?，從而抑制煤?chǔ)層近井地帶水的流出，造成見氣時(shí)間晚，但避免了排采過程中由于近井地帶煤儲(chǔ)層壓力下降速率過大，引起上覆的巖石壓力和巖石內(nèi)孔隙壓力差增大而導(dǎo)致壓敏效應(yīng)；同時(shí)避免由壓降速率下降過快而引起滲透率在排采初期出現(xiàn)大幅度下降，也讓煤儲(chǔ)層壓降漏斗和煤層氣解吸范圍擴(kuò)展效果更好，提高了資源動(dòng)用量，有利于區(qū)塊煤層氣的長遠(yuǎn)開發(fā)。

3.2 含水層滲透率對(duì)產(chǎn)水產(chǎn)氣的影響

滲透率的大小決定了含水層允許流體通過的能力[30]。根據(jù)模擬得出的不同滲透率下日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化曲線(圖9)可以看出，與對(duì)照組無含水層相比，在產(chǎn)水方面，溝通含水層時(shí)，前期日產(chǎn)水量維持在長時(shí)間的高產(chǎn)狀態(tài)，含水層滲透率越大，高產(chǎn)水時(shí)間越長，一段時(shí)間之后產(chǎn)水速度下降但仍高于對(duì)照組；在產(chǎn)氣方面，無含水層生產(chǎn)初期，生產(chǎn)井就處于大量產(chǎn)氣階段，但產(chǎn)氣速度很快下降，最后趨于穩(wěn)定在一個(gè)低產(chǎn)氣值；而當(dāng)生產(chǎn)井壓裂溝通含水層時(shí)，生產(chǎn)前期的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣量極低，幾乎零產(chǎn)量，但之后產(chǎn)氣速度迅速增長到最高值。此外，含水層滲透率越大，生產(chǎn)井的見氣時(shí)間越長，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)氣最大值的時(shí)間也會(huì)越晚，但日產(chǎn)氣峰值也會(huì)越大，后期日產(chǎn)氣量也會(huì)下降緩慢甚至還會(huì)出現(xiàn)多峰，總的累計(jì)產(chǎn)氣量遠(yuǎn)大于無含水層的情況。

圖9 不同滲透率含水層煤層氣井產(chǎn)水產(chǎn)氣情況Fig.9 Water and gas production in coalbed methane wells with different aquifer permeability

針對(duì)有含水層溝通的情況下做進(jìn)一步研究，根據(jù)第3 000天時(shí)不同滲透率的含水層和煤儲(chǔ)層壓力平面分布(圖10、圖11)可以直觀看出，隨著含水層滲透率從3×10-3μm2逐步增大到9×10-3μm2時(shí)，含水層以及煤儲(chǔ)層的遠(yuǎn)井地帶壓力降低幅度明顯增大，一方面表明了壓裂溝通含水層的生產(chǎn)井在排采中，排采出大量的水是來源于含水層，從而導(dǎo)致壓力降低；另一方面表明了含水層滲透率越大，越有利于含水層的遠(yuǎn)井地區(qū)排水降壓。

但在近井地帶，溝通含水層的煤儲(chǔ)層和含水層本身壓降幅度反而較小(圖12)，且這一現(xiàn)象隨含水層滲透率增大而越發(fā)顯著。分析其原因，當(dāng)煤儲(chǔ)層開采壓裂溝通含水層時(shí)，由于含水層的孔隙滲透性更好，一旦進(jìn)入排采，含水層中的水較煤層水先行進(jìn)入井筒被排出，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層近井處排水降壓無法按正常速度進(jìn)行。但煤儲(chǔ)層也避免了因過快排水降壓而引起的儲(chǔ)層傷害，同時(shí)也能夠使得近井地帶水快速得到遠(yuǎn)井地帶水的補(bǔ)充。對(duì)比得出，溝通含水層的煤儲(chǔ)層整體降壓效果更好，實(shí)現(xiàn)了大范圍的排水降壓，使得煤層氣產(chǎn)量得到了提升。

4 TS-280井排采特征

TS-280煤層氣井位于柿莊區(qū)塊，開采3號(hào)煤層。根據(jù)完井和測井報(bào)告，該井已鉆遇地層自上而下為：第四系、上二疊統(tǒng)上石盒子組、下二疊統(tǒng)下石盒子組與山西組。其中，第四系為黃土層，上二疊統(tǒng)石千峰組和石盒子組由細(xì)砂巖和泥巖組成，下石盒子組由粉砂、細(xì)砂與泥巖組成，山西組主要由砂巖、泥巖和煤組成。山西組砂巖層含水量豐富，被視為含水層，水動(dòng)力條件簡單，是一個(gè)獨(dú)立的含水系統(tǒng)。煤層自身含水量很弱，含水飽和度低于2%，整體受到斷裂構(gòu)造影響較小。

圖10 排采3 000 d不同含水層滲透率下煤儲(chǔ)層壓力分布Fig.10 Pressure distribution of coal reservoir with different aquifer permeability after extraction of 3 000 days

圖11 排采3 000 d不同含水層滲透率下含水層壓力分布Fig.11 Pressure distribution of aquifer with different permeability after 3 000 days’ extraction

圖12 排采3 000 d不同含水層滲透率的水平過井筒壓力剖面對(duì)比Fig.12 Comparison of pressure between aquifer and reservoir with different permeability after 3 000 days’extraction

由TS-280井生產(chǎn)曲線(圖13)可以看出，該井初期產(chǎn)水量維持在3～4 m3/d，井底流壓下降緩慢，后期加大排水量至約9 m3/d，井底流壓開始快速下降。當(dāng)以超過5 m3/d的排水量排采約100 d后井底流壓達(dá)到臨界解吸壓力，氣井開始逐漸產(chǎn)氣。但是見氣初期產(chǎn)水量仍超過2 m3/d，300 d左右后井底流壓穩(wěn)定在約0.5 MPa，煤層氣日產(chǎn)量超過2 000 m3，持續(xù)高產(chǎn)。從TS-280井的地質(zhì)條件可知，該井的高產(chǎn)水量部分來源于3號(hào)煤層上方砂巖含水層，證明煤儲(chǔ)層壓裂時(shí)溝通了鄰近的含水層，但卻實(shí)現(xiàn)了后期的煤層氣高產(chǎn)，該產(chǎn)氣特征與本文模擬結(jié)果相一致：即前期低產(chǎn)或不產(chǎn)，但繼續(xù)排水降壓產(chǎn)氣量增加，達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

圖13 TS-280井生產(chǎn)曲線Fig.13 Production curves of TS-280 well

5 結(jié)論

a.相較于未溝通含水層的煤層氣井，溝通局限無越流補(bǔ)給的含水層遠(yuǎn)井地帶壓降幅度大，見氣時(shí)間晚，但產(chǎn)氣峰值高，累積產(chǎn)氣量更多，同時(shí)也避免了因壓敏效應(yīng)帶來的儲(chǔ)層傷害。

b.無越流補(bǔ)給含水層的存在有利于煤層氣井壓裂排采控制和產(chǎn)氣量的提升，且含水層滲透率和日排水量的增大會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)氣量的提升，但受限于煤基質(zhì)中氣體擴(kuò)散速率，日產(chǎn)氣量在排水量達(dá)到一定值時(shí)不再增大。

c.對(duì)于柿莊南區(qū)塊，煤層氣開采可溝通煤儲(chǔ)層鄰近無越流補(bǔ)給的含水層來提高產(chǎn)氣量。

d.本文只研究了無越流補(bǔ)給含水層的存在對(duì)煤層氣開采的影響，應(yīng)進(jìn)一步研究其他類型含水層的影響。