多壓力系統(tǒng)氣藏合采物理模擬研究進(jìn)展評述

李奇賢 ，許 江 ，彭守建 ，霍中剛 ，舒龍勇 ，閆發(fā)志

（1.煤炭科學(xué)研究總院有限公司, 北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司, 北京 100013；3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室, 重慶 400044；4.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院, 山西 太原 030024）

0 引 言

煤系疊置含氣系統(tǒng)在我國鄂爾多斯盆地、沁水盆地、黔西－滇東地區(qū)廣泛分布，天然氣儲量巨大，是近年來倍受關(guān)注的天然氣勘探開發(fā)新領(lǐng)域[1]。煤系疊置含氣系統(tǒng)使儲層總厚度較大、資源豐度較高，決定了多層合采技術(shù)成為多煤層發(fā)育地區(qū)提高煤系氣開發(fā)效率、獲取最佳經(jīng)濟(jì)效益的重要舉措之一[2-3]。另一方面，疊置含氣系統(tǒng)表現(xiàn)為同一煤系內(nèi)部垂向上發(fā)育2 套及2 套以上地層流體壓力系統(tǒng)相互獨立的含氣系統(tǒng)[4]，多層疊置的資源稟賦致使多層合采條件下出現(xiàn)產(chǎn)氣量發(fā)生大幅度衰減，同時現(xiàn)階段煤系氣開發(fā)工藝技術(shù)應(yīng)用性差，限制了煤系氣資源的釋放[5-6]。

現(xiàn)階段，中國仍以單一氣藏開發(fā)為主，煤系氣合采尚處于探索階段，鄂爾多斯盆地東緣韓城、延川南、吳堡、柳林以及沁水盆地南部潘莊、樊莊、成莊、北部壽陽、黔西-滇東地區(qū)等區(qū)塊的煤層氣合采案例整體開發(fā)效果也并不理想[2]。煤系氣泛指煤系中賦存的各類天然氣，僅是一個基于儲層成因類型或地質(zhì)載體做出的礦產(chǎn)資源定義。煤系氣以煤系內(nèi)生內(nèi)儲腐殖型氣為主，源儲同層或源儲異層，可概括為內(nèi)生自儲、內(nèi)生它儲兩大基本類型，包括煤層氣和煤系砂巖氣、頁巖氣以及煤系碳酸鹽巖氣等[7]，我國煤系氣尚未實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)開發(fā)突破[8]。表明疊置含氣系統(tǒng)合采致使煤系氣產(chǎn)氣過程中的兼容性差異明顯、層間矛盾突出，合采工藝實施難度加劇[9]，多壓力系統(tǒng)氣藏合采與高效開發(fā)機(jī)理是制約煤系氣高效勘探開發(fā)的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

目前，關(guān)于多壓力系統(tǒng)合采的研究手段主要有物理模擬法、試井分析法和數(shù)值模擬法，三者手段各有利弊，互相補充。煤系氣地質(zhì)條件比較復(fù)雜，試井分析開展具體研究存在一定困難，數(shù)值模擬中必然存在若干假設(shè)和因素缺省，也無法考慮不可預(yù)見的地質(zhì)工程因素[10]，而物理模擬試驗手段是研究工程問題的重要科學(xué)研究方法。盡管無法較為全面系統(tǒng)再現(xiàn)現(xiàn)場合采現(xiàn)象，正是物理模擬的最大缺陷，需要數(shù)值模擬予以協(xié)同，但其具有易控制、可重復(fù)，且省人力、物力的優(yōu)點。因此，多壓力系統(tǒng)煤系氣合采物理模擬手段成為探究煤系氣合采工藝技術(shù)的重要技術(shù)手段。我國研究者圍繞多壓力系統(tǒng)氣藏合采物理模擬開展了研究工作。立足于此，分析評述該領(lǐng)域物理模擬研究進(jìn)展，以期深化匯總多壓力系統(tǒng)氣藏合采物理模擬試驗裝置成果，推動氣藏合采理論發(fā)展和資源的高效開發(fā)利用。

1 多壓力系統(tǒng)物理模擬試驗裝置

依據(jù)模擬類型，將相關(guān)物理模擬試驗裝置劃分為煤層氣領(lǐng)域（表1）與非煤層氣領(lǐng)域2 個類型（表2）。

表1 煤層氣領(lǐng)域多層合采物理模擬試驗裝置統(tǒng)計Table 1 Statistics of physical simulation devices of multi-layer co-production in coalbed methane field

表2 非煤層氣領(lǐng)域多層合采物理模擬試驗裝置統(tǒng)計Table 2 Statistics of physical simulation devices of multi-layer co-production in non coalbed methane field

1.1 煤層氣領(lǐng)域

雙層煤層氣藏合采解吸模擬試驗裝置由氣源供給系統(tǒng)、儲層模擬系統(tǒng)、流量測量系統(tǒng)和井底壓力模擬系統(tǒng)組成（圖1）。該裝置結(jié)合了多層煤層氣藏特征和多層合采產(chǎn)特征，實現(xiàn)了對各合采儲層和各儲層井底壓力的同時模擬[11]。

雙層煤層氣合采物理試驗裝置由氣源供給系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)、儲層模擬系統(tǒng)和井筒模擬系統(tǒng)5 大系統(tǒng)組成（圖2）。該裝置中井筒模擬系統(tǒng)中的兩條氣體流通之路的匯合之處為層間干擾發(fā)生創(chuàng)造了場所，并通過正反向流量計監(jiān)測上下層的正反向流量[12-13]。

圖2 雙層煤層氣合采模擬試驗裝置[13]Fig.2 Physical simulation device for co-production of double-layer coalbed methane reservoir[13]

多層疊置氣藏聯(lián)合開發(fā)試驗裝置由注入子系統(tǒng)、真空子系統(tǒng)、儲層子系統(tǒng)、回壓子系統(tǒng)、分離和計量子系統(tǒng)、溫度與壓力控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)組成（圖3）。該裝置可模擬高溫高壓條件下多層疊置氣藏煤層氣合采過程中的氣體和水流動過程，實現(xiàn)了對流入和流出儲層試件的氣體流量和水流量單獨測量[14]。

圖3 多層疊置氣藏聯(lián)合開發(fā)模擬試驗裝置[14]Fig.3 Physical simulation device for co-production in superposed gas-bearing systems[14]

多煤層組合開發(fā)物理模擬試驗裝置由軸壓加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、采氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6 部分組成（圖4），其為了更符合實際地層的情況，相鄰煤層之間使用的透氣性材料使得層間竄流能夠均勻地進(jìn)行，可模擬多煤層氣藏合采過程流體在單層內(nèi)和多煤層之間的流動過程[15-16]。

圖4 多煤層組合開發(fā)物理模擬試驗裝置[16]Fig.4 Physical simulation device for multilayer co-production[16]

多儲層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)以“等當(dāng)氣井產(chǎn)量”測試基準(zhǔn)，由供氣裝置、巖芯柱塞夾持器組、壓力表、流量表、溫度表、連接管線、氣體匯集容器以及數(shù)據(jù)存儲計算機(jī)等組成，并形成了高壓獨立氣源模塊、獨立巖樣模塊、井筒測試模塊和可拆卸模塊四大模塊（圖5），煤層氣合采產(chǎn)量涉及儲層壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，都可以在系統(tǒng)中設(shè)置。該裝置能夠以恒壓法或恒流量法替代傳統(tǒng)滲透率測量，模擬多巖性儲層不同壓力下同時進(jìn)入井筒的流體流動狀態(tài)[1,21-22]。

圖5 多儲層產(chǎn)量傷害模擬試驗裝置[1]Fig.5 Simulation experiment device for multi-reservoir production damage[1]

多場耦合疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開采物理模擬試驗裝置主要由真三軸動力加載單元、試驗控制與數(shù)據(jù)采集單元、煤儲層模擬單元、獨立注汽單元、煤層氣開采單元和冷壓成型單元組成（圖6），其中，煤儲層模擬單元和煤層氣開采單元為該裝置的核心單元，可實現(xiàn)對不同井型條件的疊置含氣系統(tǒng)氣藏與煤層氣賦存條件的模擬，具有大尺度煤巖試件、真三軸應(yīng)力加載、智能化數(shù)據(jù)監(jiān)控、多用途集一體等功能優(yōu)勢。主要亮點為最大試件尺寸為400 mm×400 mm×1 050 mm，最多儲層層數(shù)為4 層，最大密封壓力為6.0 MPa，可對試驗過程中煤儲層參數(shù)進(jìn)行多層次、多方位、多種類的實時監(jiān)測、顯示及采集[23-29]。

圖6 疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開采模擬試驗裝置[24]Fig.6 Simulation experiment device for CBM co-production of superposed gas-bearing systems[24]

1.2 非煤層氣領(lǐng)域

運用雙巖心夾持器并聯(lián)設(shè)計，配以給氣源、提供壓力的泵、壓力傳感器、氣體流量計及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)建了一套雙氣層無竄流并聯(lián)物理模擬試驗裝置（圖7）。該類設(shè)備能夠在一定程度上獲取雙氣層合采過程中單層產(chǎn)氣、壓力變化和單層產(chǎn)量貢獻(xiàn)演化規(guī)律[30-36]。

圖7 雙層合采模擬試驗裝置[30]Fig.7 Simulation experiment device for two layers co-production[30]

復(fù)雜氣藏雙層流動多點測壓開發(fā)模擬裝置由多點測壓模擬巖心系統(tǒng)、雙流體注入系統(tǒng)和綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 部分組成（圖8），通過控制測點間閥門實現(xiàn)了儲層間流體的交互流動。與常規(guī)多層并聯(lián)合采實驗不同，該裝置能夠保證層間流體的有效連通，以初步探究實際氣藏多儲層合采時層內(nèi)滲流及層間越流規(guī)律[37]。

圖8 復(fù)雜氣藏雙層流動多點測壓開發(fā)模擬裝置[37]Fig.8 Simulation experiment device for depletion development of complex gas reservoir with double-layer flow and multi-point pressure measurement[37]

針對常規(guī)驅(qū)替試驗裝置與管線不能滿足特定氣藏的高溫高壓環(huán)境，高溫高壓氣藏多層合采物理試驗裝置被設(shè)計，該試驗裝置由注入系統(tǒng)、巖心系統(tǒng)和測量系統(tǒng)3 部分組成（圖9），其中注入系統(tǒng)包括ISCO 雙缸注入泵、中間容器、壓力傳感器、恒溫箱及數(shù)個閥門。巖心系統(tǒng)包括高壓圍壓泵、回壓泵、巖心夾持器、回壓閥及恒溫箱；測量系統(tǒng)包括氣液分離裝置、氣體質(zhì)量流量計、數(shù)據(jù)收集裝置和計算機(jī)，具有承受高溫高壓、保溫性好、密封性強(qiáng)、實驗效率高等特點[42-43,45-46]。

2 多壓力系統(tǒng)合采研究認(rèn)識進(jìn)展

與常規(guī)油氣開發(fā)不同，煤系氣多壓力系統(tǒng)合采技術(shù)尚處于摸索試驗階段，相關(guān)物理模擬成果研究較小，但仍有效指導(dǎo)了合采工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新。目前已取得的共性認(rèn)識：多壓力系統(tǒng)合采條件下，井眼貫通作用導(dǎo)致各儲層之間流體能量動態(tài)平衡狀態(tài)遭受破壞，形成合采流體干擾現(xiàn)象，當(dāng)不同儲層之間流體能量差異顯著時，流體會從高勢儲層向低勢儲層轉(zhuǎn)移，以屏蔽或封堵較低勢儲層中流體向井眼方向的流動，甚至造成對低能勢儲層的“倒灌”[6]，許江團(tuán)隊利用物理模擬試驗手段再現(xiàn)了“倒灌”形態(tài)[24]（圖10）。與此同時，多儲層來源氣體從不同壓力系統(tǒng)匯入井筒內(nèi)相互干擾，反作用于儲層中氣體流動，引發(fā)儲層產(chǎn)量傷害，降低儲層產(chǎn)氣能力[1]。

圖10 流體流場對比[24]Fig.10 Comparison of flow field chart[24]

總結(jié)現(xiàn)有物理模擬成果，發(fā)現(xiàn)多壓力系統(tǒng)合采對儲層物性條件與合采模式較為敏感，層間壓差、滲透性、有效應(yīng)力、含水飽和度等因素差異均有可能誘發(fā)合采流體干擾和儲層產(chǎn)氣傷害，定壓合采、定產(chǎn)合采、接替和遞進(jìn)開采制度與控制生產(chǎn)壓差可能是降低合采流體干擾和儲層產(chǎn)氣傷害的辦法（表3）。

表3 多層合采物理模擬的認(rèn)識統(tǒng)計Table 3 Conclusion statistics of physical simulation experiments of multi-gas reservoirs co-production

目前主要認(rèn)識包括：

1）儲層滲透率大小影響其自身的產(chǎn)能貢獻(xiàn)率，合采初期主要以相對高滲層產(chǎn)氣為主，而相對低滲層則會被逐漸動用[12,35,38]；儲層壓力是儲層內(nèi)流體能量大小的反映指標(biāo)，層間壓差越大，各儲層之間的初始流體能量差異增加，層間干擾劇烈程度越大[23]；儲層物性差異越大，各分層在不同時期的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)差異越大[38]；有效應(yīng)力增加加劇了儲層間供氣能力差異，滲透率相對較低儲層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)明顯下降，相對高滲儲層增加[40]；儲集層縱向非均質(zhì)性、含水層含水飽和度、開發(fā)方式差異等影響合采時兩相交互越流強(qiáng)烈程度，決定了氣藏采收率的最終大小[37]。

2）定壓合采模式下，壓力存在差異的各個儲層和井筒之間形成一種“動態(tài)壓力平衡”關(guān)系，在壓力平衡的作用下，來自高初始流體能量儲層內(nèi)流體被向低初始流體能量儲層流動，定壓值適當(dāng)增加則會弱化儲層屬性差異性，優(yōu)化兼容性[24]；定產(chǎn)合采模式下，穩(wěn)產(chǎn)期內(nèi)各儲層之間會形成一種“動態(tài)分配”產(chǎn)氣模式，即當(dāng)高初始流體能量儲層產(chǎn)氣量過大，并超越定產(chǎn)值時，致使一部分來自高初始流體能量儲層的流體向低初始流體能量儲層反向注入，增加定產(chǎn)值有助于減小合采流體干擾劇烈程度[24,30,38]；接替合采和遞進(jìn)開采合采可以通過儲層壓力、臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力等參數(shù)來調(diào)整不同儲層開啟時間，有效減弱高壓層對低壓層產(chǎn)氣能力的抑制，避免倒灌現(xiàn)象的發(fā)生，提高低壓層采收率[27,29,34-35,45-46]；合理的生產(chǎn)壓差下，各儲層之間可以達(dá)到“動態(tài)補給平衡”供氣狀態(tài)，生產(chǎn)壓差過大或者過小都會打破這種動態(tài)平衡，影響單層供氣能力[42]。

綜上可知，上述研究認(rèn)識是通過對比不同試驗條件下得而到合采過程中儲層壓力與產(chǎn)氣特征動態(tài)規(guī)律差異分析獲取的。盡管通過此類方式獲取的研究認(rèn)識能夠在一定程度上還原多壓力系統(tǒng)合采過程中的儲層參數(shù)與產(chǎn)氣特征參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，然而目前針對煤系氣特殊地質(zhì)背景研究較少，煤系氣合采過程中的儲層和產(chǎn)氣動態(tài)響與常規(guī)油氣藏差異較大，導(dǎo)致現(xiàn)有多壓力系統(tǒng)合采物理模擬研究成果對認(rèn)識煤系氣多壓力系統(tǒng)合采的局限性較大。

3 存在問題及研究方向

3.1 存在的問題

盡管多壓力系統(tǒng)合采物理模擬結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場，對煤系氣合采具有一定的借鑒和參考價值，但仍存在一定的局限性：

1）監(jiān)測手段和數(shù)據(jù)展示形式單一，僅提供壓力和流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，未實現(xiàn)對儲層-井筒內(nèi)流體流動行為的可視化表征，忽略了多物理場耦合作用對合采過程中儲層-井筒參數(shù)響應(yīng)特征的影響。

2）現(xiàn)有物理模擬試驗裝置一般建立在各儲層之間具有良好的隔水阻氣層的假設(shè)條件下，以并聯(lián)多個巖心夾持器的方式來構(gòu)建，僅考慮了井筒間流體交叉流動行為，忽略了相鄰儲層之間流體壓力的傳遞特性和竄流行為。

3）受現(xiàn)有物理模擬試驗系統(tǒng)的限制，試樣以均質(zhì)煤巖樣為主，應(yīng)考慮真三維非均布復(fù)雜地應(yīng)力狀態(tài)下大尺度非均質(zhì)儲層。

4）相比于常規(guī)天然氣，煤系氣合采具有特殊性，體現(xiàn)為低孔低滲、氣水兩相滲流、多相態(tài)天然氣共生和多類型儲層共存等諸多方面，對多壓力系統(tǒng)合采產(chǎn)出的流體產(chǎn)出機(jī)理差異性和水氣相互影響特征具有明顯影響。

3.2 研究方向

目前以多壓力系統(tǒng)合采物理模擬試驗裝置為基礎(chǔ)，對合采流體干擾問題進(jìn)行了初步探究，但理論研究與現(xiàn)場實際條件存在一定差距，以下方向待發(fā)展完善：

1）合采流體干擾誘導(dǎo)儲層-井筒合采流場動態(tài)演化規(guī)律。應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化對低孔低滲、氣水兩相滲流、多相態(tài)天然氣共生和多類型儲層共存等諸多特性的考慮，多因素耦合對合采流體干擾誘導(dǎo)儲層-井筒合采流場動態(tài)演化規(guī)律的影響機(jī)制需深入探討。

2）不同相態(tài)流體侵入對儲層傷害及其作用機(jī)理。合采流體干擾在特定條件下會誘導(dǎo)流體侵入儲層，需研究侵入流體對儲層-井筒內(nèi)流動流動和儲層產(chǎn)氣造成的傷害，建立合采流體干擾對儲層及井筒內(nèi)流體流動和產(chǎn)能影響的判斷依據(jù)。

3）考慮合采流體干擾效應(yīng)的層間滲流與井筒管流耦合流動機(jī)理。目前，研究多參量耦合作用下儲層及井筒之間的氣水兩相流動特征，闡明合采流體干擾效應(yīng)的層間竄流與井筒管流耦合流動機(jī)理。

4 結(jié) 論

1）物理模擬試驗裝置發(fā)展方向為真三維非均布復(fù)雜地應(yīng)力狀態(tài)下大尺度非均質(zhì)多類型儲層試樣，考慮相鄰儲層之間流體壓力的傳遞特性、層間竄流行為以及煤系氣賦存態(tài)的多樣性對多壓力系統(tǒng)合采過程中流體產(chǎn)出機(jī)理差異性的影響，應(yīng)進(jìn)一步深化物理模擬試驗系統(tǒng)，為推動我國煤系氣產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展提供理論支撐。

2）多壓力系統(tǒng)合采對儲層物性較為敏感，層間壓力差、滲透性、有效應(yīng)力、含水飽和度等因素差異均有可能誘發(fā)合采流體干擾和儲層產(chǎn)氣傷害，優(yōu)化合采制度有助于降低合采流體干擾和儲層產(chǎn)氣傷害。

3）多壓力系統(tǒng)物理模擬合采研究應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化對低孔低滲、氣水兩相滲流、多相態(tài)天然氣共生和多類型儲層共存等諸多特性耦合對合采流體干擾誘導(dǎo)儲層-井筒合采流場動態(tài)演化規(guī)律的影響，明確不同相態(tài)流體侵入對合采儲層的儲層傷害及其作用機(jī)理，揭示考慮合采流體干擾效應(yīng)的層間竄流與井筒管流耦合流動特征。