多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采儲層流體動態(tài)響應(yīng)特征

賈 立，彭守建，許 江，陳捷仁，吳 斌

(1.重慶大學 煤礦災(zāi)害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044;2.重慶大學 復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400044)

0 引 言

煤層氣開采兼具能源利用、煤礦安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護等三重優(yōu)勢[1-3]。滇東-黔西煤層氣資源儲量約占全國10%，是繼鄂爾多斯盆地東緣和沁水盆地之后的又一煤層氣開采甜點區(qū)[4]。該地區(qū)煤層具有層數(shù)多而薄、不同物性煤巖層在垂向上交替頻繁、儲層間存在較大能量差異等賦存特點，學者們稱之為“多層疊置含氣系統(tǒng)”[5]。這一復雜的賦存條件，為高效開發(fā)煤層氣帶來了困難。鑒于此，學者們提出了單層開采、合層開采(合采)、接替開采和遞進開采等增產(chǎn)制度，并認為合采是一種相對理想的開采制度[6-8]。

針對煤層氣合采方面的研究，國內(nèi)外學者取得了豐碩成果。在工程現(xiàn)場試驗方面，美國在皮森斯盆地開展了埋深為1 560～2 560 m的煤層氣合采試驗，發(fā)現(xiàn)了65口單井煤層氣產(chǎn)量穩(wěn)定在10 890 m3/d左右[9-10]；王家鵬[11]以云南老廠雨旺區(qū)塊為研究對象，指出合采過程中應(yīng)遵循“緩慢、穩(wěn)定、連續(xù)、長期”的原則；孟艷軍等[12]以柳林地區(qū)為例，指出儲層物性差異，是造成層間干擾和流體“倒灌”的主要原因。在數(shù)值模擬試驗方面，ZHAO等[13]獲得了兩層合采過程中的流體運移規(guī)律，指出層間滲透率差是發(fā)生層間干擾的主要原因；趙巖龍[14]采用灰色格子 Boltzmann 方法，開展了不同滲透率級差條件下的煤層氣合采數(shù)值模擬研究，分析了合采過程中的層間擾動機理；張軍建[15]針對典型煤層氣井，開展了多層合采數(shù)值模擬研究，探討了合采過程中孔滲動態(tài)變化規(guī)律。在物理模擬試驗方面，彭守建等[16]針對疊置含氣系統(tǒng)成藏條件，研制了多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開采試驗裝置，探討了合采過程中的儲層參數(shù)變化規(guī)律；梁冰等[17]通過控制井底流壓和回壓，模擬了層間距對合采效果的影響；筆者[8]開展了層間壓差為0.4 MPa的煤層氣合采物理模擬試驗，探討了開采制度對流體運移特性的影響。

關(guān)于煤層氣合采方面的研究，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量工作，且證實了物理模擬試驗是一種重要的研究技術(shù)。然而，關(guān)于不同層間壓差條件下的煤層氣合采研究較少。鑒于此，本筆者通過自主研發(fā)的多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采物理模擬試驗裝置，開展不同層間壓差條件下的煤層氣合采試驗，以探究儲層流體動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，并系統(tǒng)分析層間壓差對低壓儲層的壓力、流體和產(chǎn)氣的擾動機理。

1 模擬試驗方法

1.1 模擬試驗裝置

煤層氣合采試驗，采用重慶大學具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開采物理模擬試驗裝置開展。裝置主要包括疊置煤層試件箱體、主體承載支架、油泵加載系統(tǒng)、煤層氣開采系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)[7]，可以在室內(nèi)模擬不同埋深、儲層壓力、層間距等條件下的煤層氣合采全過程，并能同步實時監(jiān)測采集儲層壓力、煤體溫度、煤體變形和產(chǎn)氣量等多物理場參數(shù)。試驗裝置如圖1所示。

圖1 多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開采物理模擬試驗裝置Fig.1 Physical simulation test device for commingled production of multi-layer superimposed CBM system

疊置煤層試件箱體是在單一煤層試件箱體的基礎(chǔ)上重新升級改造而成[19]，試件箱體內(nèi)部容積由原來的1 050 mm×410 mm×410 mm調(diào)整為1 050 mm×400 mm×400 mm，通過增加箱體壁厚度來提高箱體承載能力和提高其密封能力，箱體最大加載應(yīng)力為10 MPa，最大密封壓力為6 MPa。試件箱體底部重新設(shè)計加工了4個獨立的透氣鋼板，保證煤層充氣吸附過程可獨立進行，同時，使得事件箱體由原先的“一井采一層”升級為“一井采四層”，即試件箱體內(nèi)部可鋪設(shè)4套獨立含煤層氣系統(tǒng)，每個煤儲層體積為212 mm×380 mm×390 mm。試件箱體內(nèi)部有效尺寸大，能降低邊界效應(yīng)的影響。此外，相鄰煤儲層之間、箱體四壁與煤儲層之間均設(shè)置隔水阻氣層(圖2)，從而為構(gòu)建擁有4套不同壓力系統(tǒng)的疊置煤層提供硬件基礎(chǔ)。

1.2 煤層設(shè)計及模擬材料

針對黔西地區(qū)疊置煤層具有“煤層數(shù)多、煤層薄、煤層累計厚度大”的特點，且合采層數(shù)以4層居多[6-8,20]，因此，從4層煤儲層疊置出發(fā)，研究4層合采過程中的流體動態(tài)響應(yīng)特征。結(jié)合試驗裝置特點，構(gòu)思了疊置煤層示意圖，如圖2a所示。即煤層由上至下依次設(shè)計Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號煤層，煤層之間鋪設(shè)隔水阻氣相似材料，起到隔水阻氣的作用。

圖2 煤層設(shè)計Fig.2 Coal seam design

模擬材料的選取主要包括煤儲層型煤相似材料和隔層相似材料。①型煤相似材料的配制，試驗煤樣取自貴州省金佳煤礦，型煤由不同粒徑(0～0.15 mm，0.15～0.18 mm，0.18～0.25 mm，0.25～0.425 mm)的原煤煤粉、石膏和乳白膠按一定的質(zhì)量比配比而成[4]。乳白膠主要作用是增強煤樣塑性，石膏粉的作用是增強煤樣強度。②隔水阻氣相似材料的選取，疊置煤層之間常發(fā)育有高度隔水阻氣作用細粒碎屑巖致密巖層，使得垂向上不同煤儲層之間水力相互封閉，因此，隔水阻氣層材料選取封隔性強的黏土，選用重慶市歌樂山的黃泥作為隔層相似材料骨料，同時添加石膏和乳白膠作為配料，并按照一定的優(yōu)化配比方案配制[7]。配制的隔層相似材料具有較好的密封能力，能有效防止層間串流，其次，隔層材料的可塑性高，能夠很好的填充與設(shè)備接觸區(qū)域，使得煤儲層具有較好的包裹效應(yīng)，形成包裹體(圖2b)；最后，隔層材料的低強度特性能夠保證應(yīng)力加載過程中的應(yīng)力傳遞。型煤相似材料和隔層材料的力學與滲透特性以及優(yōu)化配比方案表以及煤樣基本物性數(shù)據(jù)見文獻[7-8,16]。

1.3 模擬試驗方案及步驟

儲層流體能量差異是影響多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采兼容性的重要因數(shù)，而層間壓差是儲層流體能量差異的直接反映。因此，制定層間壓差分別為0.2、0.4和0.6 MPa的3組煤層氣合采試驗方案。具體試驗方案見表1。需要指出的是：由于試件箱體較大，出于安全角度考慮，試驗過程中使用CO2代替CH4；σHⅠ～σHⅣ分別為Ⅰ～Ⅳ號煤層最大主應(yīng)力；σv為Ⅰ～Ⅳ號煤層中間主應(yīng)力；σhⅠ～σhⅣ分別為Ⅰ～Ⅳ號煤儲層最小主應(yīng)力；PⅠ～PⅣ分別為Ⅰ～Ⅳ號煤儲層初始儲層壓力。

表1 模擬試驗方案Table 1 Simulation test scheme

試驗步驟主要包括：①型煤制備,現(xiàn)場取樣→破碎→篩分→烘干→攪拌。②試件成型與傳感器安裝,試件需要分4次進行成型，每次成型過程都需要進行傳感器的安裝，成型壓力為7.5 MPa，保壓時間為1 h，儲層壓力傳感器布置如圖3所示(圖中P1～P40為測點1～40處的壓力)。③箱體密封性檢查，煤儲層內(nèi)部密封性檢查借助氦氣檢查法，箱體蓋板連接處的密封性檢查借助肥皂水。④抽真空脫氣。⑤地應(yīng)力加載，各煤層的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小應(yīng)力分別加載至5、4和3 MPa[16]。⑥充氣吸附，在充氣吸附之前先進行地應(yīng)力加載，然后再進行充氣吸附，吸附時間48 h[7]。⑦煤層氣合采，待各煤層儲層壓力吸附平衡時，打開出口閥門，進行煤層氣合采。⑧合采結(jié)束后改變試驗方案，并開展下一次試驗。

圖3 傳感器布置示意Fig.3 Sensor layout

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 合采過程中儲層壓力動態(tài)演化特征

基于前期對儲層壓力時空演化規(guī)律[18]的認識，可知儲層壓力在X、Y、Z方向的演化特征具有相似性。因此，以X軸向的測點為例，分析合采過程中的儲層壓力動態(tài)演化，如圖4所示。根據(jù)圖4a可知，Ⅳ號煤層的儲層壓力具有階段性變化特征，各階段的壓降速率大小存在明顯差異。在合采瞬間，在壓力梯度的驅(qū)使下，儲層壓力從2.8 MPa開始緩慢減小，壓降速率小，儲層壓力下降量約為ΔP=0.41 MPa，即為階段1。隨著合采的進行，氣體運移進入階段2，儲層壓力驟降速率增加，儲層壓力下降量約為ΔP=1.99 MPa。當合采進入階段3時，儲層壓力已經(jīng)接近枯竭壓力，儲層壓力梯度減小，氣體運移困難，壓降速率減緩。觀察圖4b、圖4c可知，Ⅱ號、Ⅲ號煤層的儲層壓力演化規(guī)律與Ⅳ號煤層相似，即儲層壓力呈階段變化，先緩慢減小，后急速驟降，最后又緩慢降低。然而，通過進一步仔細對比觀察圖4a—圖4c，可以發(fā)現(xiàn)，Ⅱ號、Ⅲ號、Ⅳ號煤層的儲層壓力演化也存在微小差異，這種差異主要發(fā)生在階段1，表現(xiàn)為Ⅳ號煤層在階段1的儲層壓力存在微小下降趨勢，Ⅲ號煤層在階段1的儲層壓力存在延遲驟降現(xiàn)象，持續(xù)時間約為Δt=0.41 min，Ⅱ號煤層次之，約為Δt=1.42 min。對比觀察圖4d可知，盡管Ⅰ號煤層儲層壓力演化同樣呈現(xiàn)階段變化，但就階段一而言，Ⅰ號煤層儲層壓力呈現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象，這和Ⅱ號、Ⅲ號、Ⅳ號煤層存在顯著差異?；谏鲜龇治隹梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：在多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采過程中，儲層壓力演化過程可被分為3個階段，就階段1而言，各煤層儲層壓力演化具有明顯差異(具體差異后續(xù)分析)，當開采至階段2、階段3時，各煤層儲層壓力均呈現(xiàn)先急速驟降，后緩慢減小的變化規(guī)律。

為了進一步細化了解合采過程中的儲層壓力演化類型，對階段一進行局部放大處理，由圖4中的局部放大圖可知，Ⅳ號煤層儲層壓力呈急速驟降的變化趨勢，Ⅲ號煤層儲層壓力演化呈現(xiàn)先線性變化后緩慢減小的規(guī)律，Ⅰ號、Ⅱ號煤層呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，其中Ⅰ號煤層上升幅值最大，最大上升至1.25 MPa，Ⅱ號煤層上升幅值相對較小，最大上升至1.61 MPa。即儲層壓力演化可被劃分為3種類型，第1種類型為驟降型，儲層壓力呈現(xiàn)非線性減小的變化趨勢，以Ⅳ號煤層為代表；第2種類型為屏蔽型，儲層壓力演化先呈現(xiàn)維持初始儲層壓力不變，后緩慢減小，以Ⅲ號煤層為代表；第3種類型為倒灌型，儲層壓力演化呈現(xiàn)先上升至峰值，后緩慢減小，以Ⅰ號、Ⅱ號煤層為代表。

圖4 儲層壓力時間演化曲線Fig.4 Time evolution curve of reservoir pressure

分析認為：針對多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采，一個煤儲層可視為一個獨立的能量體，井筒連通了不同的儲層壓力煤層，即連通了不同的能量體，煤儲層系統(tǒng)之間能量動態(tài)平衡狀態(tài)遭到破壞，為尋求新的動態(tài)平衡，流體會從高能量含氣系統(tǒng)向低能量含氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。如果不同含氣系統(tǒng)之間流體能量差異顯著，則較高能量系統(tǒng)的流體倒灌進入較低能勢系統(tǒng)中，如果不同含氣系統(tǒng)之間流體能量差異相對較小，則較高能量系統(tǒng)的流體會屏蔽或抑制低能量含氣系統(tǒng)的流體釋放[5,20]。

2.2 合采過程中層間壓差對儲層壓力的影響

在對比分析層間壓差對儲層壓力的影響時，由于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號煤層的初始儲層壓力不同，不具有對比性，因此，在對比分析層間壓差對儲層壓力的影響時，僅對比Ⅰ號煤儲層(以測點P5為例)。由圖5層間壓差對儲層壓力演化的影響可知，當層間壓差分別為0.2、0.4和0.6 MPa時，P5分別上升至1.05、1.16和1.25 MPa，恢復產(chǎn)氣時間，即儲層壓力從1 MPa開始下降的時間依次增加。

圖5 層間壓差對儲層壓力演化的影響Fig.5 Effect of interlayer differential pressure on reservoir pressure evolution

由此可以得出結(jié)論，不同層間壓差條件下的多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采過程中，低壓儲層受到的層間干擾程度不同，層間壓差增大會擴大煤儲層間的物性差異，致使層間干擾加劇，合采兼容性變差，最終呈現(xiàn)隨著層間壓差的增加，低壓煤儲層儲層壓力回升幅值增大，恢復產(chǎn)氣時間增加。

根據(jù)上述分析可知，低壓煤儲層壓力演化可分為擾動階段(儲層壓力上升階段)和非擾動階段(儲層壓力驟降階段)。為進一步細化分析合采對低壓儲層的影響，選取合采至t=0.5 min(擾動階段)和t=50 min(非擾動階段)時的XY平面的各測點儲層壓力值，繪制了流體流動場演化圖，如圖6所示。圖6中的箭頭表示流體流動方向，箭頭越長表示流速越大；曲線表示儲層壓力等值線，等值線越密集表示儲層壓力梯度越大。流場繪制方法參考文獻[7-8]。

由圖6a—圖6c可知，在擾動階段，合采至t=0.5 min時，開采管附近區(qū)域的矢量箭頭均指向四周，形成明顯離心流，越靠近開采管，箭頭長度越長。儲層壓力呈現(xiàn)以開采管為中心向四周驟降，流體流動方向和壓力減小的方向一致。而造成離心流原因是：反向流動的流體倒灌進入Ⅰ號煤儲層，即井筒和煤儲層之間動態(tài)壓力平衡作用，使一部分流體向Ⅰ號煤儲層反向注入。距開采管遠端區(qū)域的矢量箭頭沒有明顯指向性，同時長度很小，表明這種反向流動形成的干擾效應(yīng)并未對全部煤儲層造成影響。通過進一步對比圖6a—圖6c可知，隨著層間壓差的增大，箭頭長度逐漸變長，儲層壓力等值線逐漸變得密集，即層間壓差越大，離心流現(xiàn)象越明顯，儲層擾動范圍越廣，造成上述現(xiàn)象原因是：過大的層間壓差加劇了層間干擾現(xiàn)象，使儲層內(nèi)部流動狀態(tài)發(fā)生變化。

由圖6d—圖6f可知，在非擾動階段，開采管附近的矢量箭頭均指向開采管，且越靠近開采管，箭頭長度越長，流體流動速度越快。儲層壓力等值線以開采管為中心近似呈圓環(huán)形分布，儲層壓力等值線密度隨著距開采管中心距離的減小而增大。儲層壓力以開采管為中心從內(nèi)到外逐漸增加，流體運移是明顯的向心流。

圖6 層間壓差對流體流動場的影響Fig.6 Effect of interlayer pressure difference on fluid flow field

2.3 合采過程中層間壓差對煤層氣產(chǎn)能的影響

煤層氣產(chǎn)能是評價合采效果的直接體現(xiàn)。q1、q2、q3和q4分別表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ號煤儲層的瞬時流量，累積流量Q和產(chǎn)能貢獻率X″的命名規(guī)則同上。瞬時流量q可通過流量計直接監(jiān)測采集，累積流量Q是通過瞬時流量的積分獲得，產(chǎn)能貢獻率X″表示單一煤層的累積流量占疊置煤層總累積流量的百分比。

由于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號煤層的初始儲層壓力不同，不具有對比性，因此，在對比分析層間壓差對煤層氣產(chǎn)能的影響時，僅對比Ⅰ號煤儲層，如圖7a～圖7c所示。由圖可知，當存在層間壓差時，在合采的瞬間，Ⅰ號煤儲層的產(chǎn)氣為負值，即儲層流體釋放遭到屏蔽，甚至發(fā)生了流體倒灌現(xiàn)象。當層間壓差分別為0.2、0.4和0.6 MPa時，q1分別為-1.99、-3.89和-10.37 L/min，恢復產(chǎn)氣時間，即瞬時流量q1從0開始增加的時間分別為0.68、3.74和5.54 min。累積流量Q1在合采瞬間為負值，表明發(fā)生了流體倒灌，隨著層間壓差的增大，流體倒灌量依次為0.42、3.73和7.97 L，隨著合采的進行，煤層氣逐漸恢復產(chǎn)氣，合采至360 min時，合采累積流量依次為218.74、208.61和192.21 L，即隨著層間壓差的增大，低壓儲層的合采累積流量反而減小。從產(chǎn)能貢獻率變化曲線可以看出，合采瞬間，Ⅰ號煤儲層為負值，隨著開采的進行逐漸增加，合采至360 min時，產(chǎn)能貢獻率分別為20.61%、17.19%和14.62%。

圖7 層間壓差對煤層氣產(chǎn)能的影響Fig.7 Effect of interlayer pressure difference on CBM productivity

綜上所述，在多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采過程中，由于儲層之間存在能量差異，使得低壓儲層產(chǎn)氣受到屏蔽或抑制，儲層間能量差異越小，流體倒灌量越小，而隨著儲層間能量差異的增大，煤層氣產(chǎn)量反而減小，產(chǎn)能卻降低。因此，在進行多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采時，應(yīng)優(yōu)選層間壓差較小的煤儲層進行合采，降低層間干擾，優(yōu)化合采兼容性，避免煤儲層發(fā)生流體倒灌和產(chǎn)氣抑制現(xiàn)象[20]。

3 結(jié) 論

1)在煤層氣合采過程中，儲層壓力演化具有階段性變化特征，儲層壓力變化曲線可分為驟降型、屏蔽型和倒灌型。層間干擾主要發(fā)生在合采初期，使得流體運移呈現(xiàn)離心流變化規(guī)律，表明煤層氣發(fā)生反向流動，且反向流動主要發(fā)生在開采管附近。

2)一個煤儲層可視為一個獨立的能量體，合采時，井筒連通了不同的能量體，不同含氣系統(tǒng)之間能量動態(tài)平衡狀態(tài)遭到破壞，使得流體會從高能量含氣系統(tǒng)向低能量含氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。含氣系統(tǒng)之間流體能量差異小時，高能量系統(tǒng)的流體會屏蔽或抑制低能量含氣系統(tǒng)的流體釋放，隨著流體能量差異的增大，則高能量系統(tǒng)的流體會倒灌進入低能勢系統(tǒng)中。

3)增大層間壓差，層間干擾現(xiàn)象加劇，合采兼容性變差，儲層壓力回升幅值增大，煤層氣流場離心流范圍擴大，儲層傷害面積增廣。層間壓差從0.2 MPa增加至0.4 MPa和0.6 MPa時，煤層氣倒灌量分別從0.42 L增加至3.73 L和7.97 L，累積流量從218.74 L減小至208.61 L和192.21 L。