地面井分層卸壓的煤系氣合采原理及方式探討

李 瑞，金麗紅，夏彬偉，葛兆龍

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

我國煤系氣資源豐富且分布廣泛，開發(fā)潛力巨大。煤系氣儲(chǔ)層類型多樣，多產(chǎn)層疊合共生，多賦存態(tài)甲烷共存，氣水分布關(guān)系復(fù)雜，產(chǎn)層間能量平衡關(guān)系脆弱等特點(diǎn)[1-3]，導(dǎo)致煤系氣合采過程中的產(chǎn)能貢獻(xiàn)率低甚至某些產(chǎn)層產(chǎn)能受到抑制，嚴(yán)重制約著我國煤系氣資源的大規(guī)模開發(fā)[4-6]。造成煤系氣合采層間干擾的首要原因?yàn)槊合禋獾刭|(zhì)條件的復(fù)雜性。大部分地區(qū)多層煤系氣合采發(fā)生層間干擾，且層間干擾與層間滲透率差異、儲(chǔ)層壓力差異等有關(guān)[7]。由數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)煤系氣合采產(chǎn)能與層間壓力系統(tǒng)差異、儲(chǔ)層滲透率、壓裂效果等有關(guān)[8-9]。通過疊置煤層氣系統(tǒng)合采物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在合采初期流體能量大的儲(chǔ)層會(huì)抑制流體能量小的儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力，甚至出現(xiàn)能量大的產(chǎn)層流體倒灌進(jìn)入能量小的產(chǎn)層當(dāng)中，物理模擬實(shí)驗(yàn)表明煤系氣合采中可能存在嚴(yán)重的產(chǎn)能抑制現(xiàn)象[10-12]。

近年來，我國煤系多氣合采儲(chǔ)層開發(fā)深度逐步增大，而深部儲(chǔ)層地應(yīng)力遠(yuǎn)大于淺部儲(chǔ)層。例如，我國煤系氣開發(fā)規(guī)模較大的鄂爾多斯盆地東緣臨興–神府區(qū)塊，煤層埋深達(dá)到2 000 m，垂直應(yīng)力達(dá)到50 MPa，最大水平主應(yīng)力超過40 MPa[13-14]。沁水盆地的榆社–武鄉(xiāng)區(qū)塊，煤系氣儲(chǔ)層埋深超1 600 m[15]。在深部煤系氣排采過程中，隨著儲(chǔ)層壓力的下降，有效應(yīng)力會(huì)顯著增大。深部煤系氣儲(chǔ)層滲透率極低，在有效應(yīng)力作用下，煤系氣儲(chǔ)層滲透性將進(jìn)一步下降，從而限制煤系氣的運(yùn)移和產(chǎn)出。水力壓裂是當(dāng)前普遍應(yīng)用于煤層氣儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造技術(shù)，但以往研究結(jié)果表明，水力壓裂存在著主要適用于煤體結(jié)構(gòu)較為完好的煤層，壓裂裂縫延伸規(guī)模較小，壓裂主干裂縫單一，且壓裂增能過程在裂縫兩側(cè)易形成應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致遠(yuǎn)端煤層滲透性傷害等問題[16-17]。針對滲透性差、水力壓裂造縫效果不佳的低滲煤系儲(chǔ)層，桑樹勛等[18-19]基于煤礦采動(dòng)區(qū)卸壓增透理論提出了應(yīng)力釋放開發(fā)構(gòu)造煤理論，其原理是通過應(yīng)力釋放改變煤層孔隙率度和滲透率，從而促進(jìn)煤層氣間接降壓解吸以及煤層氣滲流產(chǎn)出。田守嶒[20]、李根生[21]等提出了水平井水力噴射分段造穴技術(shù)，通過水平井?dāng)U孔或誘導(dǎo)塌孔，實(shí)現(xiàn)煤層應(yīng)力釋放，通過優(yōu)化噴嘴類型靈活調(diào)控洞穴形狀和尺寸，提高儲(chǔ)層滲透率從而增加單井產(chǎn)量。針對深部煤層地應(yīng)力大、滲透率低、儲(chǔ)層壓力大的地質(zhì)條件，盧義玉[22]、郭君[23]等借鑒礦井下煤層卸壓增透理論，提出了地面定向井+水力割縫開發(fā)深部煤層氣方法，該方法通過水力割縫形成多組縫槽改變應(yīng)力狀態(tài)，溝通天然裂隙增加導(dǎo)流通道裂縫，提高深部煤層氣開發(fā)效率。改造地應(yīng)力誘導(dǎo)儲(chǔ)層壓降方式適用于構(gòu)造煤、深部煤層氣等復(fù)雜煤層氣儲(chǔ)層，有望大規(guī)模應(yīng)用推廣。然而，多層疊合共生煤系氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件更加復(fù)雜，不同產(chǎn)層地質(zhì)條件差異極大，如何通過卸壓提高多層疊合共生煤系氣儲(chǔ)層多氣協(xié)同合采效率，這方面的研究極為欠缺。

為了提高煤系多氣合采效率，地質(zhì)因素分析是煤系氣多層協(xié)同合采的必備工作?；诟淖兊貞?yīng)力狀態(tài)提高儲(chǔ)層導(dǎo)流能力以及分層改變儲(chǔ)層流體壓力，滿足多層合采動(dòng)力條件的原理，筆者提出了地面井分層卸壓的煤系氣合采方式。在此基礎(chǔ)上，分析該開發(fā)方式的優(yōu)勢及特點(diǎn)，探討其地質(zhì)適用性與應(yīng)用前景，旨在為我國煤系氣儲(chǔ)層協(xié)同合采提供借鑒。

1 煤系氣多層協(xié)同合采必備地質(zhì)因素

煤系氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致了煤系氣開發(fā)的困難程度較大[24-25]?；诖朔治隽嗣合禋舛鄬訁f(xié)同合采過程中的必備地質(zhì)因素，為針對性的煤系氣合采方式優(yōu)化提供依據(jù)。

1.1 動(dòng) 力

煤系氣在儲(chǔ)層內(nèi)的運(yùn)移動(dòng)力主要為流體壓力差。對于同一產(chǎn)氣層而言，只有在一定的生產(chǎn)壓差(儲(chǔ)層壓力與井底流壓的差值)條件下，煤系氣才能順利產(chǎn)出。然而，對于多層疊合共生的煤系氣儲(chǔ)層而言，各個(gè)產(chǎn)氣層與井底流壓同時(shí)存在一定的生產(chǎn)壓差，才能實(shí)現(xiàn)多氣協(xié)同合采，如圖1 所示。

圖1 煤系氣儲(chǔ)層協(xié)同合采動(dòng)力條件Fig.1 Dynamic conditions for coordinated commingled exploitation of coal-measure gas reservoirs

由于煤系儲(chǔ)層類型以及地質(zhì)構(gòu)造等條件差異，某些地區(qū)煤系儲(chǔ)層地應(yīng)力隨埋深呈非線性變化，常發(fā)生局部地層超壓或欠壓的現(xiàn)象，出現(xiàn)多套含氣系統(tǒng)[26-27]，導(dǎo)致煤系氣儲(chǔ)層的壓力梯度與生產(chǎn)井筒的壓力梯度不匹配。其結(jié)果是各個(gè)產(chǎn)氣層生產(chǎn)壓差差異巨大，甚至出現(xiàn)合采過程中生產(chǎn)壓差為負(fù)導(dǎo)致流體倒灌的產(chǎn)能抑制現(xiàn)象。因此，需要對不同含氣系統(tǒng)煤系儲(chǔ)層進(jìn)行流體壓力分層改造才能實(shí)現(xiàn)多套含氣系統(tǒng)生產(chǎn)壓差滿足多氣合采動(dòng)力條件，實(shí)現(xiàn)煤系氣協(xié)同合采。動(dòng)力因素是決定多層疊合共生煤系氣儲(chǔ)層能否實(shí)現(xiàn)合采的先決條件。

1.2 通 道

通道是煤系氣儲(chǔ)層流體運(yùn)移的途徑，同時(shí)也是儲(chǔ)層壓降傳遞的介質(zhì)。煤系氣儲(chǔ)層孔隙和裂隙的發(fā)育特征決定著儲(chǔ)層滲透性，從而影響煤系氣滲流速率和儲(chǔ)層壓降速率。

煤系氣產(chǎn)出過程中，在有效應(yīng)力作用下，運(yùn)移通道可能發(fā)生壓縮或閉合，從而對儲(chǔ)層導(dǎo)流能力產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。煤粉顆粒在煤儲(chǔ)層通道內(nèi)的運(yùn)移和沉降也會(huì)對煤系氣的產(chǎn)出產(chǎn)生重要的制約作用?？紤]到煤系氣運(yùn)移通道對煤系氣產(chǎn)出的重要影響，通道是目前煤系氣儲(chǔ)層最重要的改造對象。通道因素決定了煤系氣儲(chǔ)層能否實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。

由于煤巖、致密砂巖、泥頁巖等巖石力學(xué)強(qiáng)度差異顯著，導(dǎo)致改造過程中不同類型儲(chǔ)層導(dǎo)流通道的改造效果差異顯著[28]。由于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層較強(qiáng)的非均質(zhì)性，同一類型儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)也存在明顯的差異，這在客觀上給煤系氣運(yùn)移通道的改造造成了極大的影響，不同產(chǎn)層改造效果差異顯著。

1.3 氣 源

煤層、煤系頁巖以及煤系致密砂巖中的天然氣賦存狀態(tài)存在較大差別(圖2)，不同賦存態(tài)的儲(chǔ)層產(chǎn)氣機(jī)理不同。煤層氣主要以吸附態(tài)存在基質(zhì)當(dāng)中，一般需要通過對儲(chǔ)層進(jìn)行排水降壓才能實(shí)現(xiàn)煤層氣的解吸和運(yùn)移。煤系致密砂巖中主要發(fā)育游離態(tài)的天然氣，依靠排氣降壓就能實(shí)現(xiàn)開采。煤系頁巖中吸附氣和游離氣均較多，開發(fā)方式由排水降壓與自然降壓相結(jié)合[29]。氣體賦存狀態(tài)的差異是阻礙煤系多氣合采的重要原因，例如煤層排水降壓過程中的產(chǎn)出水進(jìn)入頁巖或致密砂巖將導(dǎo)致嚴(yán)重的水鎖傷害，抑制合采效果。

圖2 煤系氣儲(chǔ)層流體賦存狀態(tài)Fig.2 Occurrence states of fluids in coal-measure gas reservoirs

煤層、煤系頁巖以及煤系致密砂巖層均含有不同飽和程度的地層水，氣水關(guān)系復(fù)雜多變[30]。這導(dǎo)致煤系氣井生產(chǎn)峰值以及產(chǎn)氣、產(chǎn)水量趨勢存在明顯差異。煤系氣儲(chǔ)層的含氣飽和度控制著煤系氣儲(chǔ)層排水階段的長短，煤系氣儲(chǔ)層的吸附時(shí)間影響著產(chǎn)氣峰值的早晚，而煤系氣儲(chǔ)層含氣量則在很大程度上影響煤系氣儲(chǔ)層生命周期。多類型煤系氣儲(chǔ)層合采過程中的產(chǎn)氣、產(chǎn)水曲線均與煤系氣的賦存狀態(tài)密切相關(guān)。氣源因素是決定煤系氣儲(chǔ)層生產(chǎn)周期的關(guān)鍵。

綜上，為了提高煤系氣各產(chǎn)氣層產(chǎn)能貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)煤系氣協(xié)同、高效合采，合采方式需要達(dá)到煤系多層合采動(dòng)力條件，改善儲(chǔ)層流體通道的導(dǎo)流能力，降低有效應(yīng)力對儲(chǔ)層導(dǎo)流能力的傷害，最終增強(qiáng)煤系氣的解吸、擴(kuò)散和滲流。

2 地面井分層卸壓方式及原理

2.1 方 法

分層卸壓是指通過地面定向鉆井，對選定的能量較高的目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行高壓水射流作業(yè)，通過人工創(chuàng)造卸壓空間(縫、槽、穴等)，改變地應(yīng)力狀態(tài)，降低有效應(yīng)力，并誘導(dǎo)巖層膨脹變形，促進(jìn)儲(chǔ)層流體壓力下降，強(qiáng)化煤系氣解吸，改善煤系各產(chǎn)氣層流體運(yùn)移的動(dòng)力條件，促使煤系氣向裂縫系統(tǒng)和井筒高效運(yùn)移，如圖3 所示。地面定向井的井型包括水平井、叢式井、多分支井等[31-32]，高壓水射流措施包括水力割縫、水力沖孔、水力造穴等[33-34]。多層合采是通過分層卸壓待目標(biāo)儲(chǔ)層的流體壓力降至符合煤系氣合采動(dòng)力條件后，實(shí)現(xiàn)煤系多氣多層協(xié)同合采。分層卸壓方式有助于達(dá)到煤系多層合采動(dòng)力條件，避免多氣合采中的產(chǎn)能抑制，提高煤系合采各產(chǎn)層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)。

圖3 水力割縫分層卸壓開發(fā)煤系氣方式示意Fig.3 Schematic diagram showing layered pressure relief by hydraulic slotting for coal-measure gas production

2.2 原 理

2.2.1 改變地應(yīng)力狀態(tài)-降低有效應(yīng)力對導(dǎo)流通道的傷害

對于埋深較大的煤系氣儲(chǔ)層而言，地應(yīng)力高，煤體壓實(shí)程度高，儲(chǔ)層滲透性極低，流體運(yùn)移困難。在地應(yīng)力不變的條件下，煤系氣排采過程中隨著儲(chǔ)層壓力的降低，有效應(yīng)力隨之增大，從而對儲(chǔ)層裂縫導(dǎo)流能力產(chǎn)生傷害，且隨著煤系儲(chǔ)層地應(yīng)力的增加，開采過程中儲(chǔ)層導(dǎo)流能力傷害進(jìn)一步增大。地面井分層卸壓合采方式針對煤系氣目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行高壓水射流作業(yè)，在儲(chǔ)層中形成卸壓空間后，地應(yīng)力將得到釋放。地應(yīng)力的釋放可有效減弱煤系氣產(chǎn)出過程中有效應(yīng)力的增加，降低有效應(yīng)力作用下儲(chǔ)層導(dǎo)流通道的傷害。有效應(yīng)力σe與儲(chǔ)層壓力p及初始地應(yīng)力σ之間的相關(guān)性[35]如下：

為研究分層卸壓的效果，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以山西某礦區(qū)9 號(hào)煤層為例，在長20 m、高20 m 的地層中割出一條傾角37°、長5 m、寬0.5 m 的縫槽。水力割縫建模參數(shù)見表1。采用摩爾庫倫模型進(jìn)行分析，獲得縱向上和橫向上的卸壓范圍，結(jié)果如圖4 所示。

表1 水力割縫建模參數(shù)Table 1 Parameters of hydraulic slotting modelling

圖4 水力割縫應(yīng)力云圖Fig.4 Isoline maps showing the stress distribution after hydraulic slotting

由圖4 可知，煤層內(nèi)創(chuàng)造水力縫槽后，垂向上及水平方向上儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)改變效果均較為顯著，單縫槽的垂直卸壓范圍達(dá)16 m，水平卸壓范圍達(dá)15 m。卸壓范圍與縫槽的長度、寬度、傾角、煤系地質(zhì)條件、物理力學(xué)條件、地應(yīng)力條件等均存在較好的對應(yīng)關(guān)系，在實(shí)際工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)具體的儲(chǔ)層條件針對性設(shè)計(jì)卸壓空間的形態(tài)、數(shù)量和規(guī)模。

2.2.2 誘導(dǎo)裂隙數(shù)量和開度增加，提高儲(chǔ)層導(dǎo)流能力

高壓水射流作業(yè)通過切割破碎巖層，創(chuàng)造卸壓空間，改變應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致煤巖向卸壓空間移動(dòng)，煤巖發(fā)生膨脹變形。不僅可誘導(dǎo)產(chǎn)生大量新生孔、裂隙，且裂隙的張開度也顯著增加?？琢严稊?shù)量的增加以及裂隙張開度增大，極大地增加了流體運(yùn)移通道，增強(qiáng)了裂隙導(dǎo)流能力，如圖5 所示。

圖5 水力割縫卸壓誘導(dǎo)產(chǎn)生導(dǎo)流通道Fig.5 Diversion channels resulting from pressure relief by hydraulic slotting

地面井分層卸壓的合采方式通過改變儲(chǔ)層的應(yīng)力狀態(tài)，促使儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力增加，進(jìn)而增大儲(chǔ)層壓降傳遞速率，氣體解吸速率及氣體運(yùn)移速率增大，有利于氣體的高效產(chǎn)出，改善煤系氣產(chǎn)出效率。煤系氣儲(chǔ)層卸壓增產(chǎn)機(jī)理如圖6 所示。

圖6 煤系儲(chǔ)層卸壓增產(chǎn)原理Fig.6 Principle of the production growth of coal-measure reservoirs through pressure relief

2.2.3 分層改變儲(chǔ)層流體壓力，達(dá)到多層合采動(dòng)力條件

如前文所述，煤系儲(chǔ)層各產(chǎn)氣層與井底流壓同時(shí)存在一定的生產(chǎn)壓差是實(shí)現(xiàn)疊合共生煤系氣儲(chǔ)層協(xié)同合采的必備動(dòng)力條件。實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)氣層之間物性條件的巨大差異可能導(dǎo)致各產(chǎn)氣層無法與井底流壓同時(shí)形成生產(chǎn)壓差，導(dǎo)致流體倒灌等產(chǎn)能抑制，如圖7a 所示。通過針對性設(shè)計(jì)卸壓空間的形態(tài)、數(shù)量和規(guī)模，高壓水射流創(chuàng)造卸壓空間，對能量較高產(chǎn)層進(jìn)行一定程度卸壓，改變儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)，誘導(dǎo)儲(chǔ)層壓降，使煤系氣合采儲(chǔ)層的壓力梯度逐漸趨于一致，從而達(dá)到煤系多層合采動(dòng)力條件，有效避免產(chǎn)能抑制，提高煤系合采過程中各產(chǎn)層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)，如圖7b 所示。創(chuàng)造卸壓空間對儲(chǔ)層進(jìn)行卸壓是對儲(chǔ)層能量的一種弱化處理，這不同于常規(guī)水力壓裂方法通過注入高壓流體對儲(chǔ)層進(jìn)行增能的原理。因此，通過分層改變儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)和儲(chǔ)層壓力，可為煤系氣儲(chǔ)層協(xié)同、高效合采提供重要保障。

圖7 分層卸壓前后效果對比Fig.7 Contrast of pressure distribution before and after layered pressure relief

3 分層卸壓合采方式的優(yōu)勢

3.1 降低有效應(yīng)力作用下的儲(chǔ)層傷害

煤系氣開發(fā)過程中，隨著流體在儲(chǔ)層孔、裂隙系統(tǒng)中的運(yùn)移，有效應(yīng)力將進(jìn)一步增加，引起儲(chǔ)層導(dǎo)流能力的傷害。通過改變地應(yīng)力狀態(tài)能夠避免排采過程中有效應(yīng)力的增加，保證儲(chǔ)層孔、裂隙系統(tǒng)的開度，避免儲(chǔ)層導(dǎo)流能力的快速下降。常規(guī)水力壓裂增產(chǎn)方式通過注入高壓流體僅對儲(chǔ)層進(jìn)行造縫，并不能有效釋放儲(chǔ)層應(yīng)力，無法充分降低有效應(yīng)力對儲(chǔ)層滲透性的傷害。因此，對于深部煤系氣儲(chǔ)層而言，地面井分層卸壓具有有效降低煤系氣排采過程中的儲(chǔ)層傷害的優(yōu)勢。

3.2 促進(jìn)煤系氣解吸和擴(kuò)散

無論是煤層氣儲(chǔ)層還是煤系頁巖氣儲(chǔ)層均存在大量的吸附態(tài)氣體，在煤系氣開發(fā)過程中吸附態(tài)氣體需要解吸成為游離氣才能運(yùn)移和產(chǎn)出。通過創(chuàng)造卸壓空間，改變儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)，能夠提高儲(chǔ)層壓降傳遞效率，從而促進(jìn)煤系氣的解吸。通過沿定向井分段切割縫槽以及巖層膨脹變形過程中張裂隙的大量生成，使原生煤系儲(chǔ)層被分割成更小的基質(zhì)塊體，增加了煤系氣擴(kuò)散運(yùn)移的路徑，從而加快煤系氣解吸和擴(kuò)散的進(jìn)程，提高煤系氣的開發(fā)效率。有研究表明，煤系氣解吸速率和擴(kuò)散速率將隨著基質(zhì)顆粒的減小呈指數(shù)增長[36]。常規(guī)壓裂形成的主要為主干導(dǎo)流裂縫，且主干裂縫形態(tài)較為單一，而對儲(chǔ)層進(jìn)行卸壓能夠在儲(chǔ)層內(nèi)形成立體裂隙網(wǎng)格通道，更有利于促進(jìn)煤系儲(chǔ)層的整體降壓，加速吸附氣的解吸和擴(kuò)散。促進(jìn)煤系氣解吸和擴(kuò)散是分層卸壓在解決氣源制約因素方面的顯著優(yōu)勢。

3.3 降低層間干擾

通過對煤系氣儲(chǔ)層進(jìn)行分層卸壓，通過針對性改變目標(biāo)儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)，促進(jìn)儲(chǔ)層壓力傳遞，平衡各產(chǎn)氣層的流體能量，促使目標(biāo)儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力與井筒壓差滿足煤系氣儲(chǔ)層合采的動(dòng)力條件。在此條件下，各產(chǎn)氣層的流體均能通過導(dǎo)流通道向井筒方向運(yùn)移，從而避免流體倒灌等層間干擾現(xiàn)象，達(dá)到提高各產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)的目的。常規(guī)水力壓裂方法通過對各產(chǎn)氣層注入高壓流體，對儲(chǔ)層進(jìn)行增能，可能加劇煤系各產(chǎn)氣層的流體能量不均衡[37]。降低煤系儲(chǔ)層層間干擾是分層卸壓合采方式在解決動(dòng)力制約因素方面的優(yōu)勢。

4 適用地質(zhì)條件和應(yīng)用前景

4.1 地質(zhì)條件適用性

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國高壓水射流技術(shù)與裝備已十分成熟，在油氣、煤礦井下增滲增產(chǎn)，石門揭煤等實(shí)踐過程中，取得了良好的應(yīng)用效果[38-39]。這為地面井分層卸壓的煤系氣合采方式的快速推廣應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)與裝備基礎(chǔ)。無論原生結(jié)構(gòu)煤還是構(gòu)造煤，均能夠通過高壓水射流措施進(jìn)行卸壓增透改造。此外，對于地應(yīng)力大、滲透率低的深部煤系氣儲(chǔ)層而言，通過地面井分層卸壓方式可以降低有效應(yīng)力，減少導(dǎo)流能力傷害，提高儲(chǔ)層壓降傳遞效率。通過創(chuàng)造卸壓空間，在垂向上也可形成較大的卸壓范圍，對于煤系氣合采層數(shù)多且產(chǎn)層間距小的煤系氣儲(chǔ)層，通過分層卸壓可以實(shí)現(xiàn)鄰近多層的卸壓，不僅可以提高煤系多層合采的開發(fā)效率，還能有效降低儲(chǔ)層的改造成本。

4.2 應(yīng)用前景

4.2.1 薄互層煤系氣儲(chǔ)層增產(chǎn)改造

薄互層煤系氣儲(chǔ)層層數(shù)多，層厚薄，層間距離小，含有多套含氣系統(tǒng)且各個(gè)含氣系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系脆弱[40]。若對含氣儲(chǔ)層均進(jìn)行常規(guī)改造方式，則不利于平衡各產(chǎn)層間的流體能量，且增加了開發(fā)成本；若僅改造部分產(chǎn)層，則難以充分釋放所有含氣儲(chǔ)層的產(chǎn)能，且在目標(biāo)產(chǎn)層優(yōu)選上存在較大困難。采用分層卸壓的合采方式，地面井創(chuàng)造卸壓空間后在垂向和水平方向上均可形成大范圍卸壓空間，且通過針對能量較高目標(biāo)層進(jìn)行儲(chǔ)層改造，有助于平衡薄互層各產(chǎn)層的能量。因此，地面井分層卸壓方式對薄互層煤系氣儲(chǔ)層進(jìn)行增產(chǎn)改造有望取得較好效果。

4.2.2 層間干擾嚴(yán)重的煤系氣儲(chǔ)層開發(fā)

無論是疊合共生煤層氣儲(chǔ)層還是疊合共生的煤系多類型氣儲(chǔ)層，合采過程中均可能出現(xiàn)嚴(yán)重的層間干擾問題，制約各產(chǎn)氣層的產(chǎn)能貢獻(xiàn)，降低多層合采的開發(fā)效益。山西晉城礦區(qū)、保德地區(qū)，河南平頂山礦區(qū)，貴州地區(qū)煤層氣多層合采結(jié)果表明，產(chǎn)層間儲(chǔ)層壓力梯度、滲透率、臨界解吸壓力等地質(zhì)條件差異較大會(huì)引起顯著的層間干擾，制約煤層氣井的合采效果[9,41]。一般通過優(yōu)選地質(zhì)條件差異較小的產(chǎn)層組合來提高煤層氣多層合采效果[42]。地面井分層卸壓的方式有助于平衡各產(chǎn)氣層的流體能量，促使目標(biāo)儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力與井筒壓差滿足煤系氣儲(chǔ)層合采的動(dòng)力條件，降低多氣合采中的層間干擾。因此，地面井卸壓方式在層間干擾嚴(yán)重的煤系疊合共生儲(chǔ)層具有較好的應(yīng)用價(jià)值，且可大大擴(kuò)展適合煤系氣多層合采的儲(chǔ)層開發(fā)范圍。

盡管地面井分層卸壓方式在薄互層煤系氣儲(chǔ)層增產(chǎn)改造以及降低煤系氣合采過程中層間干擾方面具有良好的應(yīng)用前景，但分層卸壓目標(biāo)層位選擇，結(jié)合各產(chǎn)層地質(zhì)條件的卸壓空間形態(tài)、數(shù)量及規(guī)模的設(shè)計(jì)以及高壓水射流固相顆粒的返排等均影響著該開采方式的應(yīng)用效果，對此有必要開展更深入的研究。

5 結(jié)論

a.煤系氣合采的必備因素包括動(dòng)力、通道和氣源。動(dòng)力因素是決定多層疊合共生煤系氣儲(chǔ)層能否實(shí)現(xiàn)合采的先決條件，通道因素決定了煤系氣儲(chǔ)層能否實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，氣源因素是決定煤系氣儲(chǔ)層生產(chǎn)周期的關(guān)鍵。

b.地面井分層卸壓的煤系氣合采方式是指通過地面定向鉆井，對目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行高壓水射流作業(yè)，待目標(biāo)儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力降至符合煤系氣合采動(dòng)力條件時(shí)(各個(gè)產(chǎn)層與井底流壓同時(shí)存在一定的生產(chǎn)壓差)進(jìn)行合層排采。其原理是通過人工創(chuàng)造卸壓空間，分層改變地應(yīng)力狀態(tài)，滿足多層合采動(dòng)力條件，降低有效應(yīng)力傷害，誘導(dǎo)儲(chǔ)層壓降，提高各產(chǎn)氣層產(chǎn)能貢獻(xiàn)。

c.相比于常規(guī)的儲(chǔ)層改造方式，地面井分層卸壓開發(fā)煤系氣方式具有降低有效應(yīng)力作用下的儲(chǔ)層傷害，促進(jìn)煤系氣解吸和擴(kuò)散、提高儲(chǔ)層壓降傳遞效率，降低層間干擾等優(yōu)勢。對煤系儲(chǔ)層進(jìn)行卸壓在礦井瓦斯抽采領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，高壓水射流卸壓技術(shù)與裝備成熟，為地面井分層卸壓合采煤系氣的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

d.地面井分層卸壓開發(fā)煤系氣方式主要適用于地應(yīng)力大、層間距小的煤系氣儲(chǔ)層開發(fā)，因此，在薄互層煤系氣儲(chǔ)層增產(chǎn)改造以及層間干擾嚴(yán)重的煤系疊合共生儲(chǔ)層開發(fā)方面具有重要應(yīng)用前景。今后有必要對分層卸壓的煤系氣合采方式開展更深入的研究。

符號(hào)注釋

p為儲(chǔ)層壓力，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)；σ、σe分別為初始應(yīng)力和有效應(yīng)力，MPa。