摘　要：為了研究多煤層發(fā)育地區(qū)各含氣系統(tǒng)排采次序及壓力控制下的流體效應(yīng)，以指導(dǎo)煤層氣井排采制度設(shè)計(jì)，從貴州省織納煤田選擇了1口煤層氣參數(shù)+試驗(yàn)井，在劃分多層疊置含氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析了各含氣系統(tǒng)靜止液面壓力、儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力特征，設(shè)計(jì)了各含氣系統(tǒng)遞進(jìn)排采次序及排呆壓力控制方案；模擬了單含氣系統(tǒng)分排、多含氣系統(tǒng)合排及多含氣系統(tǒng)遞進(jìn)排采各階段的流體效應(yīng)。模擬結(jié)果表明：①單獨(dú)排采各含氣系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)氣量低，排呆時(shí)間短，成本高；②多含氣系統(tǒng)遞進(jìn)排采平均氣產(chǎn)能和累計(jì)產(chǎn)能高、穩(wěn)產(chǎn)期時(shí)間長(zhǎng)，但多含氣系統(tǒng)在合層排采時(shí)，由于各系統(tǒng)壓力不同，系統(tǒng)間存在相互干擾，并非所有含氣系統(tǒng)都有產(chǎn)能貢獻(xiàn)；③多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)可根據(jù)各系統(tǒng)內(nèi)煤儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力來(lái)設(shè)計(jì)遞進(jìn)排采次序，先排采臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力高的含氣系統(tǒng)，當(dāng)壓力降到另一含氣系統(tǒng)的臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力時(shí)，再進(jìn)行兩個(gè)含氣系統(tǒng)合排，依此遞進(jìn)排采所有含煤層氣系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：中國(guó)南方  煤層氣  多煤層  遞進(jìn)排采  流體效應(yīng)  排采壓力控制  多層疊置含氣系統(tǒng)  合排

Pressure control and fluid effect of progressive drainage of multiple superposed CBM systems

Abstract：In order to understand the drainage order and pressure-controlled fluid effect of each CBM(coalhed methane)system in the areas with multiple coalbeds，this paper studied a parametric test well in the Zhina coalfield in Guizhou province of China．On the basis of the division of multiple superimposed CBM systems，we analyzed static liquid surface pressure，reservoir pressure and critical desorption pressure,deslgned progressive drainage sequence and pressure control scheme for each CBM system，and modeled fluid effects in each drainage stage for separate drainage of each CBM system，commingled drainage and progressive drainage of muhiple CBM systems．The foilowings simLllation results were obtained．For the separate drainage of each CBM system，gas production is low，drainage period is short and cost is high．In contrast，for the progressive drainage of multiple CBM systems，both the average and accumulative gas production capacity are large and stable production period is long．However，not all the CBM systems contribute to production due to the interference among CBM svstems wilh different pressures,The progressive drainage sequence can be designed according to combed pressure，critical desorption Pressure and production pressure．The CBM system with the highest critical desorption pressure and production pressure will be put into drainage first．Whcn its pressures are lowered to be equal to the Values of another system，the two systems will be put into commingled production．The proccss will continue till all systems are put into production．

Key words：South China，CBM，multiple coalbed system，progressive drainage，fluid effect，drainage pressu re control，supcrimposed CBM system，commingled production

我國(guó)目前煤層氣開(kāi)發(fā)活動(dòng)集中在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣及東北阜新盆地等少數(shù)地區(qū)，煤層氣開(kāi)發(fā)后備基地嚴(yán)重匱乏^[1]?，F(xiàn)開(kāi)采對(duì)象大多為單一煤層(組)，資源量有限，致誕煤層氣井開(kāi)采時(shí)間短，一些直井生產(chǎn)不到8a氣產(chǎn)量就幾乎衰竭了，第一口煤層氣多分支水平井——DNP02井，平均產(chǎn)氣量近2×10⁴m³／d，也只排采4a就枯竭了。而我國(guó)較早的潘莊井組，采用多煤層排采(3、9、l5號(hào)煤合層排采)，一些井已排采超過(guò)10a，現(xiàn)日產(chǎn)氣量仍維持在1000m³左右^[2-5]。我國(guó)南方多煤層(或煤層群)地區(qū)雖然單煤層厚度不大，但多煤層的發(fā)育使得煤層總厚度較大，煤層氣資源豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平^[6-8]。前期對(duì)多煤層進(jìn)行的是合層排采，或僅進(jìn)行單層排采。由于不同煤層，其儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力不同，合層排采時(shí)，不同壓力儲(chǔ)層會(huì)產(chǎn)生相互干擾，分層排采資源、產(chǎn)能有限，對(duì)煤層群遞進(jìn)排采缺乏系統(tǒng)研究。

1　多層疊置獨(dú)立含氣系統(tǒng)

秦勇等分析了貴州織納煤田比德  三塘礦區(qū)水公河向斜不同煤層的含氣性和視儲(chǔ)層壓力(由煤田抽水實(shí)驗(yàn)水頭高度換算)在層位上的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤層群在垂向上存在3個(gè)獨(dú)立的含氣系統(tǒng)，即1～7號(hào)煤層、8～21號(hào)煤層、22～35號(hào)煤層流體壓力系統(tǒng)，首次提出了“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)^[9]。楊兆彪進(jìn)一步研究了比德一三塘礦區(qū)單井、連井沉積剖面和巖相占地理，認(rèn)為層序組合是發(fā)育“多層疊置獨(dú)立含氣系統(tǒng)”的關(guān)鍵因素^[10-11]。

多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)在三角洲—潮坪—漏湖相含煤地層巾較為普遍，其本質(zhì)在于層序地層格架構(gòu)成了煤層群間獨(dú)立成藏的物性基礎(chǔ)，尤其是準(zhǔn)層序界而附近阻水阻氣低滲透巖層的空間發(fā)育起主要控制作用。處于三角洲—潮坪渦湖沉積體系的“煤層群”之間發(fā)育了細(xì)粒碎屑巖致密巖層，具有高度隔水阻氣作用，使垂向上不同巖層(組合)之間水力相互封閉，不同“煤層群”之間氣—水交換作用極其微弱，垂向上形成了多個(gè)獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)^[11-13]。

處于織納煤田比德三塘礦區(qū)的煤層氣l井，其各可采煤層(2、6、7、16、20、23、27號(hào)煤層)實(shí)測(cè)含氣量與含氣梯度隨層位降低均呈波動(dòng)式變化(表1，圖l)。

依據(jù)上述多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)理論，將2～7號(hào)煤層、l6～20號(hào)煤層、23～27號(hào)煤層分別劃分為3套相對(duì)獨(dú)立的含煤層氣系統(tǒng)，含氣系統(tǒng)的獨(dú)立分段大致與龍?zhí)督M上、中、下3段對(duì)應(yīng)，表明煤層氣系統(tǒng)受控于含煤地層層序地層格架。同一套含煤層氣系統(tǒng)中，含氣量和含氣量梯度也存在較大差異，且下部煤層含氣量低于上部煤層含氣量，表明各煤層含氣量受控于同一層序內(nèi)的沉積環(huán)境^[10-11]。

2　單排與合排流體效應(yīng)

根據(jù)地質(zhì)參數(shù)、儲(chǔ)層參數(shù)、試井參數(shù)，采用常規(guī)的煤儲(chǔ)層數(shù)值模擬方法^[14-15]，利用COMET3數(shù)值模擬軟件對(duì)煤層氣l井排采流體效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2．1　單系統(tǒng)排采流體效應(yīng)

單獨(dú)排采①號(hào)系統(tǒng)，產(chǎn)氣量介于306～905m³／d，平均為431m³／d(圖2)，15a排采的累計(jì)產(chǎn)氣量為2.13×10⁶m³(表2)；單獨(dú)排采②號(hào)系統(tǒng)，產(chǎn)氣量介于502～2952m³／d，平均為lll7m³／d，15a排采的累計(jì)產(chǎn)氣量為5.53×10⁶m³；單獨(dú)排采③號(hào)系統(tǒng)，產(chǎn)氣量介于413～l486m³／d，平均為721m³／d。15a排采的累計(jì)產(chǎn)氣量為3.57×10⁶m³。

2．2　多系統(tǒng)合層排采流體效應(yīng)

①號(hào)系統(tǒng)和②號(hào)系統(tǒng)合排，最高產(chǎn)氣量約為2000m³／d，平均產(chǎn)氣量為950m³／d左右，1000m³／d產(chǎn)量可持續(xù)2800d左右(圖3)，15a累計(jì)產(chǎn)量為4.68×10⁶m³；②號(hào)系統(tǒng)和③號(hào)系統(tǒng)合排，最高產(chǎn)氣量也在2000m³／d左右，平均產(chǎn)氣量為1100m³／d左右，1500m³／d日產(chǎn)量持續(xù)2000d左右，15a累計(jì)產(chǎn)量為5.39×10⁶m³；①、②、③這3個(gè)系統(tǒng)合排，最高產(chǎn)氣量達(dá)到4300m³／d，平均產(chǎn)氣量為2100m³／d左右，2000m³／d產(chǎn)量可持續(xù)3300d左右，l5a累計(jì)產(chǎn)量為10.45×10⁶m³。實(shí)際排采時(shí)由于各系統(tǒng)壓力不同，系統(tǒng)間相互干擾，并非所有含氣系統(tǒng)都有產(chǎn)能貢獻(xiàn)。

3　多系統(tǒng)遞進(jìn)排采壓力控制及流體效應(yīng)

由于各含氣系統(tǒng)壓力不同，合層排采會(huì)產(chǎn)生層間干擾。煤層氣l井鉆井、固井結(jié)束后，由靜止液而高度計(jì)算得出①、②、③號(hào)含氣系統(tǒng)的液而壓力分別為2.55、3.86、4.22MPa(圖4)，分別比各系統(tǒng)的儲(chǔ)層壓力高0.6、0.91、1.18MPa，若井孔處理不干凈的話，對(duì)煤儲(chǔ)層有一定程度的污染?；趯?shí)測(cè)含氣量、蘭格繆爾參數(shù)計(jì)算①、②、③號(hào)含氣系統(tǒng)的臨界解吸壓力分別為1.43、2.36、1.68MPa，產(chǎn)氣壓力分別為l.72、2.83、2.02MPa(基于山西沁水盆地南部煤層氣井排采實(shí)踐，產(chǎn)氣壓力約為臨界解吸壓力的1.2倍^[16-19]。依據(jù)煤層氣l井各系統(tǒng)內(nèi)煤儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力，對(duì)3個(gè)含氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遞進(jìn)開(kāi)發(fā)次序。

第一階段，對(duì)儲(chǔ)層壓力高的②號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)先壓裂排采，單獨(dú)排采②號(hào)系統(tǒng)，排采1132d(約3年零5個(gè)月，圖5)后，儲(chǔ)層壓力降低至2.02MPa(③號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)氣壓力)；第二階段，②號(hào)與③號(hào)系統(tǒng)聯(lián)合排采，排水降壓650d(約2a)，儲(chǔ)層壓力降低至l.72MPa(①號(hào)系統(tǒng)儲(chǔ)層的產(chǎn)氣壓力)，①號(hào)系統(tǒng)煤層氣開(kāi)始解吸；第三階段，同時(shí)排采②+③+①這3個(gè)系統(tǒng)，繼續(xù)排水降壓3168d(約9年零7個(gè)月)，至此，3個(gè)系統(tǒng)已累計(jì)排采15a，儲(chǔ)層壓力降至約0.7MPa。

按上述遞進(jìn)排采方案，煤層氣1井l5a的產(chǎn)能預(yù)測(cè)結(jié)果表明產(chǎn)氣量介于l058～3666m³／d，平均為2267m³／d，15a排采的累計(jì)產(chǎn)氣量為11.36×10⁶m³(表2)。第一階段，排采約30 d出現(xiàn)了最大日產(chǎn)氣量3424m³；排采l50d之后曲線到達(dá)了穩(wěn)定期，在排采650d時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定期的最大日產(chǎn)氣量，為2623m³，之后(圖5)，日產(chǎn)氣量持續(xù)下降，但仍然較高，在②號(hào)系統(tǒng)單獨(dú)排采結(jié)束時(shí)日產(chǎn)氣量約為2218m³。第二階段，曲線變化與第一階段相似，由于③號(hào)系統(tǒng)的加入，日產(chǎn)氣量整體高于第一階段，此階段③號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)氣量出現(xiàn)穩(wěn)定期。第三階段，①號(hào)系統(tǒng)開(kāi)始降壓解吸，出現(xiàn)約1500d的穩(wěn)定期，之后日產(chǎn)氣量緩慢減低至約600m³，此階段中②號(hào)、③號(hào)系統(tǒng)日產(chǎn)氣量不斷下降，總體日產(chǎn)量逐漸降低(圖5)。

4　結(jié)論

1)多煤層發(fā)育地區(qū)各層序組之間發(fā)育低滲透巖層，往往存在多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)。各含氣系統(tǒng)單獨(dú)排采產(chǎn)氣量低，排采時(shí)間短，成本高；而多含氣系統(tǒng)遞進(jìn)排采平均氣產(chǎn)能和累計(jì)氣產(chǎn)能高、穩(wěn)產(chǎn)期時(shí)間長(zhǎng)。但多含氣系統(tǒng)在合層排采時(shí)，由于各系統(tǒng)壓力不同，系統(tǒng)間存在相互干擾，并非所有含氣系統(tǒng)都有產(chǎn)能貢獻(xiàn)。

2)多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)可根據(jù)各系統(tǒng)內(nèi)煤儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力設(shè)計(jì)遞進(jìn)排采次序，先排采臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力高的含氣系統(tǒng)，當(dāng)壓力降到另一含氣系統(tǒng)的臨界解吸壓力和產(chǎn)氣壓力時(shí)，進(jìn)行兩含氣系統(tǒng)合排。依此遞進(jìn)排采所有含煤層氣系統(tǒng)。

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本文作者：傅雪海  葛燕燕  梁文慶  李升

作者單位：新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院

  中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院

  煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)礦業(yè)大學(xué)