石迎爽 1 ，梁冰 2 ，薛璐 3，孫維吉 2，王青春 1，程志恆 4,5
（1. 華北科技學院理學院，河北 燕郊 065201；2. 遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧 阜新 123000；3. 中建一局建設發展有限公司，北京 100102；4. 華北科技學院安全工程學院，河北 燕郊 065201；5. 華科中安科技( 北京) 有限公司，北京 102300）
DOI：10.11764/j.issn.1672-1926.2020.04.027
摘要為了探究多層煤層氣藏合採層間儲層處液面壓力的關係、層間生產壓差的關係以及各儲層見氣時間的關係，以多層疊置獨立煤層氣藏為研究對象，從成藏特徵和煤層氣產出機理出發，基於煤層氣井井底壓力表達式，推導了層間儲層處液面壓力的關係表達式，進而推導了層間生產壓差的關係表達式以及層間見氣時間的關係表達式。通過分析得出：①由於層間距的存在，在下儲層未暴露時，上下儲層間儲層處液面壓力存在一定的差異，當下儲層暴露後，上下儲層間的儲層處液面壓力相等；②層間生產壓差和層間見氣時間也不一定相等，且差異的大小均與儲層壓差、層間距、儲層暴露情況有關，其中層間見氣時間的差異還受氣井排採壓差的影響。研究成果為煤層氣多層合採井排採制度的制定以及多儲層煤層氣藏合採模擬實驗方法的選取提供了理論基礎。
關鍵詞煤層氣；多層合採；井底壓力；生產壓差；見氣時間
我國煤層氣藏普遍具有垂向上多層疊置的特徵，開採時為了提高單井產量和經濟效益，通常採用多層合採的開採方式[1-4]，如阜新、韓城、貴州織納、沁水南部等地區的煤層氣開採井多為合採井。然而由於多層煤層氣藏垂向上儲層物性多具有非均質性的特徵[5-7]，合採時易產生層間幹擾現象，影響合採效果。對此，一些學者通過氣井產能數據分析、數值模擬、物理實驗等手段，研究了層間物性參數的差異以及壓裂、排採制度等因素對合採效果的影響，並提出了「階梯式降壓」、「低速—低套—階梯式降壓」等排採原則[8-15]，但對於煤層氣多層合採井的層間井底壓力、生產壓差、見氣時間的關係目前未見報導。對於已選定的多層煤層氣藏，若能明確合採時合採層間的井底壓力、生產壓差、見氣時間之間的關係，則將更加有助於合理的制定排採制度，提高合採效果。對此，本文以多層疊置獨立含煤層氣系統為研究對象，從成藏特徵和煤層氣產出機理出發，分析了煤層氣多層合採井層間儲層處液面壓力的關係、層間生產壓差的關係、層間見氣時間的關係。
煤層氣成藏過程中受地層沉積作用的影響，含煤地層通常發育多個煤層氣儲層，秦勇等[5-6]、張廣政等[7]根據含氣性及儲層壓力隨埋深的變化特徵以及封閉層的滲透性，將多儲層煤層氣藏分為多層疊置獨立含煤層氣系統和多層統一含煤層氣系統。
多層疊置獨立含煤層氣系統是指垂向上發育有多套相對獨立的流體壓力系統和含氣性的含氣單元[5-7] ，如圖1（a）所示，此類含氣系統具有以下特徵：
圖1 多層煤層氣系統示意
Fig. 1 Schematic diagram of multi-layer coal bed methane system
（1）沉積特徵。多層疊置獨立含煤層氣系統垂向上煤層間無流體（氣體、液體）交換，所在盆地沉積體系和沉積相及組合類型多樣，煤層頂、底板多以滲透性差的細砂巖、泥質巖、凌鐵巖為主，且通常較厚，封蓋能力良好，可以有效地阻斷儲層間的流體交換。
（2）儲層壓力。由於多層疊置獨立含煤層氣系統各儲層之間存在封閉性良好的巖層，層間流體無法交流，儲層間存在一定的水頭壓力差，使得儲層壓力隨埋深的增加往往呈「波動式」變化，由淺至深存在多個壓力梯度，如紅梅井田上部含氣系統的儲層壓力隨埋深增加而增大，而中部含氣系統的儲層壓力隨埋深增加則呈現出複雜的變化。
（3）含氣性特徵。由於儲層壓力梯度與埋深的關係複雜，煤層含氣量與埋深之間也呈現出複雜的關係，常常出現與「吸附原理」相悖或呈「波動式」變化的現象，突變主要出現在不同含氣單元之間，且突變一般較大。
（4）水文特徵。多層疊置獨立含煤層氣系統層間被封閉性良好的巖層隔開，巖層透水性差，使得煤層與含水層之間缺乏連通，垂向上地層富水性變化較大。
多層統一含煤層氣系統是指垂向上大範圍的儲層處於同一流體壓力系統中，此類含氣系統具有儲層多而薄的特點，如圖1（b）所示，此類氣藏特點如下：①垂向上跨度大，層間巖層厚度小，且滲透性良好，封閉性差，通常多為砂巖、灰巖等；②煤層與巖層之間的水力聯繫強，系統內層間封閉性弱；③儲層壓力隨埋深的增加而增大，各儲層垂向上的壓力梯度基本一致；④煤層含氣量隨埋深的增加變化簡單，基本符合「吸附理論」。
多層疊置獨立含煤層氣系統通常採用分層壓裂合層開採的方式，而多層統一含煤層氣系統開採通常採用合層壓裂合採的方式。
以多層疊置獨立含煤層氣系統為例，以煤層氣井井底壓力表達式為基礎，結合成藏特徵及煤層氣產出機理，推導煤層氣多層合採井儲層處液面壓力表達式，分析層間儲層處液面壓力的關係。
無論是單井單層開採還是單井多層合採，煤層氣產出機理和產出過程是一樣的，即通過排水降壓降低儲層壓力至臨界解吸壓力以下，使吸附態煤層氣解吸為游離態，並經擴散和滲流運移至井筒產出。如圖2所示，煤層氣從煤基質運移至井筒中，滲流過程和解吸過程的驅動力是壓力差，擴散過程的驅動力是濃度差，排水降壓是前提，解吸、擴散、滲流、排水降壓環環相扣、相互制約。
圖2 煤層氣的產出過程
Fig.2 Production process of coalbed methane
煤層氣井生產周期一般可分為產水期、產氣量快速增加期、穩產期以及衰減期。產水期儲層壓力未降至臨界解吸壓力以下，此階段只產水或有微量原始儲層中游離態氣體產出；產氣量快速增加期吸附態氣體開始解吸為游離態產出，此階段日產氣量逐漸增加，而產水量逐漸減少；穩產期氣井日產氣量達到最大值且較穩定，同時日產水量減小至一穩定值，此階段氣井以產氣為主；衰減期氣井日產氣量開始下降，同時日產水量也再次開始下降，當日產氣量為0時氣井停產。
多層煤層氣合採與單層煤層氣開採相比，由於各儲層的形成時期和成藏特徵存在一定的差異，使得縱向上層間儲層壓力、滲透率、臨界解吸壓力、埋深、供液能力等存在一定的非均質性，從而造成合採過程中各儲層的供液能力、產氣速度、壓降傳播速度等產生差異，影響合採效果。例如，儲層壓力、滲透率、供液能力等直接影響儲層流體的產出速率，如果合採層間上述因素差異較大，則合採時易造成物性條件好的儲層抑制物性條件差的儲層流體的產出，造成物性條件差的儲層較單採時產氣效果差甚至不產氣；臨界解吸壓力直接影響儲層的見氣時間，若當上儲層的臨界解吸壓力比下儲層的臨界解吸壓力大的多時，為了使下儲層儘早見氣必須降低氣井動液面高度，這樣不僅會加大上儲層的生產壓差，易使上儲層發生速敏效應，造成儲層傷害，還會使上儲層過早的暴露，影響儲層壓降漏鬥的擴大和加深[10,16-17]。
生產壓差是煤層氣產出的直接驅動力，通常在單井單層開採中是指儲層壓力與井底壓力之間的壓差，但實際上直接決定儲層生產差的是儲層壓力與井筒中儲層處的液面壓力之間的壓差。對於多層疊置獨立煤層氣藏合採井，由於層間距較大，使得各儲層處的液面壓力存在一定的差異，不可再用同一井底壓力代替。加之層間儲層壓力、臨界解吸壓力的差異，導致各儲層的生產壓差和見氣時間也不一定相同。因此，分析層間儲層處液面壓力的關係、層間生產壓差的關係、層間見氣時間的關係，對於煤層氣多層合採井更加合理的制定排採制度，提高合採效果很有幫助。
假設圖3（b）中的第i儲層以生產壓差定壓生產，n次降壓後其儲層壓力和儲層處液面壓力均為，若此時第（i+1）儲層未暴露，根據式（7）和式（9）可得此時第（i+1）儲層處的液面壓力，如式（13）所示，若此時第（i+1）儲層已暴露，則第（i+1）儲層處的液面壓力與第i儲層相等。
飽和煤層氣藏開採，只需降低儲層壓力便會有氣體產出，而非飽和煤層氣藏，只有當儲層壓力降至臨界解吸壓力以下才會有氣體產出。以飽和氣藏為例，只有當式（14）成立時，第（i+1）儲層才開始產氣。
將式（13）代入式（14），得第（i+1）儲層開始產氣時第i儲層的降壓次數n需滿足式（15）、式（16）。
由式（15）、式（16）可知，多儲層煤層氣藏合採各儲層的見氣時間不一定相同，層間見氣時間的差異與儲層壓差、層間距以及氣井排採壓差有關。
根據煤層氣多層合採井的井底壓力、生產壓差、見氣時間的特徵，多層疊置獨立煤層氣藏制定合採井排採制度或開展實驗研究時應注意以下事項：
（1）在制定排採制度時應綜合考慮由於層間距引起的層間儲層處液面壓力的差異，結合層間生產壓差的關係和層間見氣時間的關係，儘量在儲層暴露前使其排液和卸壓半徑達到最大，且儲層暴露後應儘量減弱暴露層對下儲層的壓製作用，同時儘可能地避免下儲層對上儲層的倒灌。
（2）在進行多層合採室內模擬實驗時，各模擬層不應用同一回壓模擬井底壓力，應根據層間距大小確定層間儲層處液面壓力的差異是否忽略，不可忽略時應給每一模擬層提供單獨的回壓。
例如，假設某多層煤層氣田1#儲層和2#儲層的儲層參數如表1所示，在不考慮含氣飽和度以及氣水兩相的前提下，開展1#、2#模擬層初次均見氣時的合採模擬實驗，設模擬氣井的生產壓差為0.40 MPa，為了避免1#模擬層過早暴露，以1#模擬層優先產氣為前提，即1#模擬層的實際生產壓差，則合採模擬前1#模擬層的儲層壓力和2#模擬層的儲層壓力、模擬的1#儲層處液面壓力和2#儲層處液面壓力以及各的實際生產壓差、，確定方法如表2所示。設此時氣井中混氣液柱的平均密度近似為水的密度。
表1 儲層參數Table 1 Reservoir parameters
表2 模擬參數的選取Table 2 Selection of simulation parameters
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