張二超，吳財芳，黨廣興，張莎莎

(1.中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

我國煤層氣排采由于受煤厚因素制約，單一煤層排采產能往往較低，經濟效益也較差。我國部分含煤盆地中煤系地層發(fā)育多套蘊藏大量煤層氣資源的主力煤層，合層排采在一定程度上可以更好地利用資源，提高產能。因此，合層排采受到煤層氣企業(yè)越來越多的重視，但目前針對多煤層疊置獨立含氣系統(tǒng)的合層排采研究相對較少。

多系統(tǒng)疊置條件下的煤層氣排采方法是現(xiàn)階段我國煤層氣開發(fā)面臨的主要難題[1]。針對此難題，基于煤層氣井生產特征，從儲層壓力、滲透率、圍巖性質、壓裂改造滲透率、層間距、地下水流動特征和煤層氣解吸特征等方面對煤層氣合層排采進行可行性評價，提出了合采量化指標。李國彪等[2]、王振云等[3]就臨界解吸壓力、儲層壓力梯度差、產液量差異、滲透率對煤層氣合層排采的影響進行研究，分析這些因素對煤層氣合層排采的影響；孟艷軍等[4]就含氣量和含氣量差值以及它們對煤層氣合層排采的影響進行分析，得出各指標對煤層氣合層排采的影響程度；李鑫等[5]認為由于多含氣系統(tǒng)內煤儲層壓力、臨界解吸壓力和產氣壓力等均不同，可優(yōu)先排采臨界解吸壓力和產氣壓力高的，當壓力降至另一含氣系統(tǒng)的臨界解吸壓力和產氣壓力時，再進行多含氣系統(tǒng)合采，即遞進排采，合層排采需選擇含氣量差值和滲透率較小的層段，以減小層間干擾；李鑫等[6]認為隨含氣系統(tǒng)層間距的增大，遞進排采層間干擾現(xiàn)象趨于嚴重，當層間距>250 m，則可考慮單系統(tǒng)排采。近年來，有學者發(fā)現(xiàn)層間供液量差異大的合采井，產氣效果反而比供液量差異小的井產能更高[7]。滇東老廠區(qū)塊具有多煤層發(fā)育、煤層厚度薄、煤層間距較小、單層排采經濟效益差等特點，研究該區(qū)煤層氣合層排采過程中不同儲層段的儲層壓力、流體流動行為的差異及干擾行為，探討煤層氣合層排采過程中的影響因素及其作用機理，可為該區(qū)塊煤層氣開發(fā)提供指導。

1 研究區(qū)概況

老廠區(qū)塊位于云南省富源縣東南部，是我國西南地區(qū)潛在的煤層氣開發(fā)基地，煤層氣資源量約1 000億m3，屬大型氣田[8-9]。該區(qū)構造(圖1)

圖1 老廠礦區(qū)構造綱要圖Fig.1 Structure outline map of Laochang mining area

主要形成于燕山期，由于受近北西-南東向的擠壓，形成一系列近北東南西向褶皺，如老廠背斜、德黑向斜等褶曲。在研究區(qū)邊界存在一系列斷層。區(qū)內水文地質條件屬簡單類型，以弱裂隙含水層為主。根據(jù)出露泉點、鉆孔抽水試驗的單位涌水量以及各含水層與礦床的關系，將區(qū)內鉆探揭露的含(隔)水層由老至新為：茅口組及龍?zhí)督M第一段(P3l1+P1m)強巖溶含水層，龍?zhí)督M第二段(P3l2)相對隔水層，龍?zhí)督M第三段及長興組(P3l3+P3c)弱裂隙含水層，卡以頭組(T1k)弱裂隙含水層，飛仙關組第一段(T1f1)相對隔水層，飛仙關組第二、三段(T1f2+3)弱裂隙含水層，永寧鎮(zhèn)組第一段(T1y1)強巖溶含水層。除少數(shù)斷裂或個別斷裂局部導水或富水外，大部分斷裂為壓性或壓扭性，斷裂帶巖層強烈擠壓，片理化、硅化強烈或因斷層泥、糜棱巖、石英脈充填而呈阻水性質，富水性較差，但受斷裂影響的巖石破碎帶富水性仍較正常地層強。

研究區(qū)含煤地層主要為龍?zhí)督M，一般含煤27～42層，煤層總厚40.75 m，可采煤層15層，研究區(qū)主力煤層為(7+8)號、9號、13號、16號、19號煤層，具有典型的薄至中厚煤層群發(fā)育的特點。各煤層煤巖煤質分析結果如表1所示。研究區(qū)煤系內部垂向上地層流體壓力系統(tǒng)相互獨立，呈現(xiàn)多層疊置獨立含氣系統(tǒng)的成藏特征[10]。由此判斷，在該區(qū)使用合層排采可以實現(xiàn)增加單井產量、提高煤層氣資源利用效率的目的，同時不可避免地產生層間干擾現(xiàn)象。研究區(qū)內的合采煤層氣井，產氣峰值為400～1 800 m3/d，平均日產氣量150～450 m3；產水量基本在2.5 m3/d以內，有逐漸下降趨勢，后期穩(wěn)定在1 m3/d以內。研究區(qū)的排采效果較差，在一定程度上與合層排采的層段選擇，即與合采層段的儲層壓力和層間距有關。

表1 區(qū)內各煤層煤巖煤質分析結果Tab.1 Measure results of the macerals contents and proximate components of coal samples from coal seams in study area

2 層間干擾定義及其作用機理

2.1 層間干擾的定義

層間干擾多見于常規(guī)油氣藏領域，定義為由于各儲層之間物性、流體性質和壓力系統(tǒng)的差異，導致層間流體流動而產生相互干擾的現(xiàn)象，從而使產層的儲量不能得到很好開發(fā)，最終導致總體產能受到限制[11-12]。

由于該定義過度重視由于干擾引起的產能變化結果，忽略了干擾這一具體過程；另一方面，產能的下降可能只是層間干擾短期內的作用結果，隨著氣藏開發(fā)的深入，層間干擾趨于復雜，其累計產能如何變化尚不可知，即產能已無法描述愈來愈復雜的層間干擾現(xiàn)象。因此，該表述存在一定的局限性。

針對上述分析，本文以層間干擾這一過程作為重點，將其定義為由于各儲層之間的物性、流體性質和壓力系統(tǒng)的差異，同時由于在壓裂和排采過程中對儲層的改造，引起多層合采各層段能量重分布，進而促使各儲層壓力和流體特征動態(tài)變化及重平衡，從而進一步加大了儲層開發(fā)難度。這里主要表現(xiàn)為物理形式的干擾，可以通過層間竄流、層間越流以及井筒之間相互干擾等方式實現(xiàn)。根據(jù)其具體表現(xiàn)形式，層間干擾又可分為氣水流動干擾、地層壓力干擾、物質干擾3種形式，且3種表現(xiàn)形式相互依存，不能獨立存在。由于開發(fā)過程具有多階段動態(tài)變化特征，因此，層間干擾也應當是一動態(tài)概念[13-14]，且隨排采作業(yè)動態(tài)變化，其主導因素、表現(xiàn)形式及作用機理也隨之轉換。

2.2 層間干擾作用機理

由于合層排采是多儲層共用一井筒排采，儲層中的能量會發(fā)生迅速釋放和轉移。這一過程是以井筒作為載體實現(xiàn)的，能量的轉移一般伴隨著物質的轉移，其過程既有物理變化也有化學變化，鑒于化學變化在產層中進行，很難直觀描述并解釋，且干擾主要以物理形式表現(xiàn)，所以本文將主要論述物理變化。

物理變化是因為外來流體在壓力的作用下進入儲層，使儲層局部壓力被動升高。對于煤儲層而言，目前常見的有氣水倒灌、水鎖、氣鎖、層間竄流及越流等現(xiàn)象。由于煤層具有對應力敏感性強的特點，其滲透率隨有效應力的增加呈負指數(shù)函數(shù)降低，且造成的滲透率損害是難以完全逆轉的[15-16]；外來流體性質與儲層不匹配，則會產生一些酸敏、堿敏、水敏等效應；外來流體攜帶的不溶固體物質可造成滲流通道的封閉與堵塞[17]。這都將影響煤層氣的高效開發(fā)。

由表2可知，01井與02井的合采，兩層的儲層壓力、儲層壓力梯度、滲透率等相差很小，儲層物性基本相同。當合層排采時滲透率屬于同一數(shù)量級時，是合層排采優(yōu)選的有利區(qū)段組合模式，層間干擾較小。02井合采兩層的滲透率屬于同一數(shù)量級，01井由于儲層特性，其壓裂后的滲透率也屬于同一數(shù)量級，所以01與02井的合采層段是合層排采的有利組合模式，故該區(qū)合層排采不需考慮滲透率對層間干擾的影響。煤層氣合采時合采層的含氣量差值越小，層間干擾越小，當合采層的含氣量差值小于8 cm3/g時，層間干擾不明顯[18]。01井與02井的含氣量差值為0.02 MPa/100 m，遠小于該值，所以該區(qū)含氣量對煤層氣合采幾乎無影響，不需考慮含氣量的影響；區(qū)內水文地質條件屬簡單類型，以弱裂隙含水層為主，各煤層都屬于弱含水層，且層段之間的水力溝通能力較弱，所以該區(qū)水文地質條件對合層排采的影響很小。

表2 01井與02井的儲層物性Tab.2 Reservoir properties of well 01 and well 02

據(jù)文獻[2]，儲層壓力梯度<0.5 MPa/100 m時，層間干擾現(xiàn)象不明顯。該區(qū)屬于高應力區(qū)，儲層壓力梯度普遍>0.5 MPa/100 m,因此，儲層壓力和層間距是造成層間干擾的主要因素。

本文選取研究區(qū)的01井合采(7+8)號與19號煤層(兩層)，02井合采16號與19號煤層(兩層)。由表2可知，01井(7+8)號煤層儲層壓力為5.72 MPa，19號煤層為5.87 MPa，兩煤層差值僅為0.16 MPa，兩層層間距為107 m。由圖2可知，01井合采排采初期，當井筒內壓力與儲層壓力達到平衡時的初始液面高度遠高于單采19號煤層的，所以初始時刻在19號煤層的水壓作用下發(fā)生了倒灌，造成儲層傷害。02井原理相同，不再贅述。

圖2 CMB井排采初始時刻壓力的不兼容性示意Fig.2 Pressure incompatibility schematic of the well 01 at the initial stage of CBM drainage

對01井和02井排采曲線(圖3～6)進行分析發(fā)現(xiàn)，100～140 d間，兩井套壓快速上升，最高日變化量達0.3 MPa，相應液面日降幅超30 m，而該階段排水量較為穩(wěn)定，可見套壓的快速上升是造成液面急劇下降的主要原因，液柱在環(huán)空套管內套壓的作用下回灌，進入煤層，使各系統(tǒng)能量平衡[19]。

圖3 01井排采動態(tài)曲線Fig.3 Production dynamic curves of well 01

圖4 01井套壓及液面高度變化Fig.4 Daily changes of casing pressure and liquid depths of well 01

層間竄流及層間越流作為常見的干擾形式[20]，是因為水流在壓差作用下發(fā)生垂向連通。兩者區(qū)別在于連通的通道不同，竄流的通道主要是裂隙，越流則主要是通過弱透水層與目的層產生水力聯(lián)系(圖7)。對合層排采而言，更多采用合層壓裂的儲層改造方式，由此可導致同一壓裂層段內流體發(fā)生垂向聯(lián)系。排采過程中，煤層壓力降低，上部或下部含水層中的水也可能突破弱隔水層進入煤層。

圖5 02井排采動態(tài)曲線Fig.5 Production dynamic curves of well 02

圖6 02井套壓及液面高度日變化Fig.6 The daily changes of casing pressure and liquid depths of well 02

圖7 層間竄流與越流示意Fig.7 Cross flow and leakage of CBM among seams

3 層間干擾程度量化評價

為定量表征層間干擾程度強弱，依據(jù)上述認識，可選取儲層壓力、層間距進行初步的靜態(tài)評價，具體公式為

h=|Δh±ΔH|，

(1)

a=[h1，h2，…，hn]，

(2)

式中：h為合采時各儲層均開始產水所需液面降幅，m；Δh為儲層層間距，m；ΔH為儲層壓差所對應等價水位高度，m；a為評價矩陣；h1，…，hn分別為各儲層參數(shù)。

應用該方法對老廠區(qū)塊01井進行分析評價，結果見表3。表3中不同煤層組合出現(xiàn)的參數(shù)表示合采層段合采時需降低多少液面高度，才可以滿足兩層同時產水，數(shù)值越小兼容性越好。從結果看，(7+8)號與13號煤層之間壓力系統(tǒng)兼容性好，其次為(7+8)號與9號煤層、9號與13號煤層，9號與19號煤層兼容性最差。

表3 01井層間干擾靜態(tài)評價結果Tab.3 Static evaluation of interlayer interference for well 01

為直觀描述層間干擾的動態(tài)變化特征，本文引入層間干擾系數(shù)A。多層合采的層間干擾系數(shù)是確定多層合采組合界限的一個重要參數(shù)，本文將層間干擾系數(shù)定義為：排采過程中，目的層處井筒流體壓力與該層壓裂影響范圍內儲層平均壓力的比值，該參數(shù)反映合采過程中整個層段對某一層的影響程度(圖8)。該比值大于1時，儲層發(fā)生層間干擾，數(shù)值越大，層間干擾作用越強；該比值等于1時，表明該層被暫時性封閉；比值小于1時，表明該層為正常生產狀態(tài)。

此外，定義近井地帶儲層壓力異常升高的程度為干擾強度。計算層間干擾系數(shù)，需要借助數(shù)值模擬技術(Eclipse)，建立多層合采的地質模型，并對排采過程進行簡化，忽略煤粉等的影響。干擾系數(shù)計算式為

圖8 01井層間干擾系數(shù)計算示意圖Fig.8 Calculation diagram of interlayer interference coefficient A of well 01A=P/P0，

(3)

式中：A為層間干擾系數(shù)，無量綱；P為目的層處流體壓力，MPa；P0為目的層近井壓裂范圍內儲層平均壓力，MPa。

多層氣藏的總體開發(fā)效果表現(xiàn)在合采中各層的儲量動用均衡程度，均衡程度越高，整體開發(fā)效果相對越好。為表征層間干擾對儲量動用程度、動用難易程度的影響，提出合采層段整體層間干擾系數(shù)概念，定義整體干擾系數(shù)為合采各層層間干擾系數(shù)的最小值與最大值的比值，即

(4)

式中，A1，A2，A3，…，An為第1層、第2層、第三層、…、第n層的層間干擾系數(shù)，無因次。

整體干擾系數(shù)越接近1，表明合采各層段均能實現(xiàn)平穩(wěn)、均勻、有效開發(fā)，開發(fā)效果好；反之，若接近0，則表明合采層段內存在開發(fā)難度較大的層位，各層產能釋放不均勻，此時可能需要考慮合采層段重組[21-24]。

本文借助Eclipse軟件對01井進行實例分析。如圖9所示，在排采初期(約為20 d)，由于壓力系統(tǒng)不匹配，下部的19號煤儲層壓力局部被動升高，此后隨著排水作業(yè)的進行，19號煤儲層壓力又逐漸下降。

4 結 論

(1)重新定義了層間干擾概念，即不同條件影響下合采各層段能量的重分布或主動平衡，造成部分層段排采難易程度改變，表現(xiàn)形式以壓力干擾為主。隨排采作業(yè)動態(tài)的變化，層間干擾主導因素、表現(xiàn)形式及作用機理也相應改變。

圖9 01井排采第5天時壓降漏斗Fig.9 Pressure cone of the depression in the fifth day for well 01

(2)揭示了層間干擾的作用機理。層間干擾主要表現(xiàn)為物理形式的壓力干擾，從而影響氣-水賦存、運動狀態(tài)及儲層性質。

(3)鑒于以層間距和儲層壓力為評價指標的層間干擾靜態(tài)評價的局限性，從壓力干擾角度提出了層間干擾系數(shù)及其定量表征方法，初步實現(xiàn)了對合采煤層氣井層間干擾程度的量化評價。借助數(shù)值模擬軟件計算了動態(tài)層間干擾系數(shù)，發(fā)現(xiàn)排采前期干擾系數(shù)較大，隨著排采的進行，干擾系數(shù)逐漸減弱。