0 引 言
煤层气是一种高效的非常规天然气，但受限于煤层气开发技术与赋存条件的限制，我国煤层气大规模开发的地区仅限于沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘及东北阜新盆地等少数地区，而滇东—黔西地区的煤层气勘探开发工作起步较晚，现阶段仍处于先导性开发试验，仍未实现工业化规模开发[1]。滇东—黔西地区煤层气资源丰富，开发潜力巨大，是我国今后煤层气勘探开发重要的战略区[2-3]，煤层叠置、层数多、间距小、单层厚度小、资源丰度较低等特点在该地区普遍存在[4-6]，这种在垂向上存在多个独立含气系统的气藏采用单层开采方式难以获得稳定的工业气流[7]。多煤层的条件使得煤层总厚度较大，资源丰度高于全国平均水平[8]，因此为了提高单井产能，多层合采的方式成为了最优方式[9]。多层合采过程中由不同储层压力系统、储层物性的差异性而出现层间干扰现象会诱发储层伤害，严重影响煤层气产量[10]。因此，依托滇东—黔西地区的煤层气赋存条件开展煤层气合采研究对于促进该地区煤层气开发意义重大。
目前，广大学者围绕多煤层合采问题展开了一系列相关研究，研究手段主要有现场试验研究[10-11]、数值模拟研究[12-15]和试验研究[16-20]3种。现场试验研究一般针对特定的地质条件，数值模拟研究往往是依托简化的理想条件，这2种研究手段不具有一般性，因此，笔者从物理模拟试验角度展开对多层合采的研究。胡勇等[16]为了研究高-低气压双气层的产气特征，采用了并联2个岩心夹持器的方式建立合采系统，分析了不同气压合采过程中储层气压与产量贡献的演化特征；王子威等[17]依托云南老厂的地质情况，开展了不同渗透率、进出口压力条件下双气层合采试验，研究了合采过程中的产气特征和层间干扰机制；朱华银等[18]为了研究多层合采的产能特征，搭建了3层合采试验平台，并分析了储层物性差异、压力差异、气井配产等参数对合采的影响；王璐等[19]同样开展了3层合采试验，研究了层间非均质性、生产压差、含水饱和度和水侵等因素对供气能力的影响。以上研究均是采用圆柱形试件，试件直径和长度均分别小于40 mm和200 mm，小尺寸试件存在边界效应强、合采时间短、含气性差等问题，因此笔者采用试件尺寸为212 mm×380 mm×390 mm(长×宽×高)的大尺度矩形试件，且以上学者主要针对进出口压力和产量方面对数据监测，缺少对试件内部参数的监测，为了实现对试件内部储层压力的研究，笔者在每个试件内部布置了10个气压传感器。尽管许江等[20]采用大尺度试件开展了多分支水平井条件下的4层合采试验，但是对大尺度试件条件下的直井的合采试验罕见报道。
针对黔西地区煤层赋存条件呈现出“层数多、单层薄、累计厚度大”的特点，且合采层数为4层居多[21-24]，笔者从4层煤的合采方式出发，研究了直井合采的产气机理。
1 试验方法与原理
试验模型是依据黔西地区的4层合采的开发特点简化而成(图1a)，该地区的含煤地层内部致密低渗透岩层普遍发育，煤层间流体相互封闭，垂向上表现为叠置的独立含煤层气系统[25]，经过前期试验，发现致密性和胶结性强的黄泥具有良好的隔气性，利于各煤层形成独立压力系统，因此选用黄泥作为层间隔气层的原材料[26]。在试件箱体内制备4层煤(图1b)，单一煤层尺寸为212 mm×380 mm×390 mm(长×宽×高)。以箱体左侧左下角为原点建立笛卡尔空间坐标系，试件箱体的长、宽、高所对应方向作为坐标轴的Z轴、Y轴和X轴。煤层周围铺设黄泥材料，形成包裹效应，以确保“独立含煤层气系统”，通过合采井筒连通各煤层(图1c)。煤层和隔气层的制作流程主要包括材料选取、材料加工和试件制作3个步骤，即剔除块煤和块泥中的夹矸、砂砾等杂质；将挑选出的块煤和块泥分别破碎，筛选出所需粒径的粉煤和粉泥，并按照粒径将粉煤和粉泥分别进行干燥处理；最后参照本课题组已有研究成果的配比方案[20,26]将粉煤与粉泥分别与石膏粉、乳白胶和水进行配比并混合均匀，将混合均匀的材料铺设在试件箱体内部，同时布设传感器和开采管，最后利用成型机在10.0 MPa条件保压1 h下成型试件。
为了模拟叠置含气系统的叠置特性，对不同煤层设定不同的地应力值，即依次对1—4号煤层在X方向施加σ11(3.0 MPa)、σ12(4.0 MPa)、σ13(5.0 MPa)、σ14(6.0 MPa)的荷载；Y方向上施加σ31(1.8 MPa)、σ32(2.4 MPa)、σ33(3.0 MPa)、σ34(3.6 MPa)的荷载；Z方向施加σ2(4.0 MPa)的荷载。为了模拟不同储层压力的煤层合采，以1号煤层1.0 MPa为基准，利用层间压差(0.2、0.3、0.5 MPa)对2、3号煤层的储层压力依次递增，具体见表1。定产合采条件为设定井筒输出最大瞬时产量(11.25 L/min)，打开总路上的阀门，之后同时打开支路上4个阀门，实现煤层的同步产气，叠置含气系统合采原理如图2所示。
图1 叠置含气系统合采模型
Fig.1 Commingled production model of multi-superimposed gas system
图2 叠置含气系统合采原理
Fig.2 Schematic diagram of commingled production of multi-superimposed gas system
为便于分析试验过程中储层压力的时空演化规律，每个煤层布置10个气压传感器，测点编号依次为P1—P40，其中气压传感器在X—Y面的布置如图3b所示(以1号煤层为例)，在X—Z面的布置如图3c所示。
2 试验结果与分析
物理模拟试验可以获取储层压力、瞬时产量等参数，利用这些数据对储层压力演化、产能贡献率和层间干扰等问题进行探讨。
2.1 0.5 MPa层间压差条件下合采过程中的产气特征
图4为4个煤层合采时的储层压力时间演化规律。P5、P15、P25、P35分别为1—4号煤层相同位置的监测点。由图知，P5、P15、P25均出现了压力上升的阶段，表明合采过程中1—3号煤层都受到了层间干扰的影响。P5测点的压力上升阶段最为明显，在合采11.5 min时刻达到峰值，为1.1 MPa，超过1号煤层的储层初始压力1.0 MPa，这是因为储层压力系统和井筒压力系统通过井筒的连通作用合并成一个压力系统，而在压力平衡的作用下，致使1号煤层出现压力上升；P15同样有压力上升阶段，其在3.7 min为1.5 MPa，达到2号储层的储层压力1.5 MPa；P25虽然出现了压力上升阶段，但峰值明显低于3号储层的初始压力2.0 MPa；相较于1—3号储层的压力有明显的压力上升阶段，P35并未出现明显的上升阶段，因此4号储层整体上呈现前期下降快，后期下降慢的趋势。
图3 井筒与传感器在不同煤层的布置
Fig.3 Layout of sensors and well in different coal seam
图4 0.5 MPa层间压差合采条件下的储层压力演化规律
Fig.4 Evolution of reservoir pressure under commingled production conditions with 0.5 MPa interlayer pressure difference
图5为4个煤层在第10和30 min的压降漏斗空间分布特征。由图5a知，第10 min时，1号煤层的储层压力呈现以井筒为中心的倒“漏斗”形状，2号煤层的储层压力整体上呈现近似均匀分布，3号煤层的储层压力在井筒中心有略微的下降，而4号煤层的储层压力呈现以井筒为中心的“漏斗”分布形状。从整体上可知，在多层合采过程中，层间干扰对不同煤层的影响是不同的，储层压力最小的煤层遭受到层间干扰现象最为明显，而储层压力最大的煤层受干扰最小。由图5b可知，第30 min时，4个煤层中在空间分布呈现以井筒为中心的“漏斗”形状，近井段的压降大小较远井段明显，表明压降梯度在井筒附近最大，并随着与井筒距离的增大而逐渐变小。各煤层均未出现压力上升的现象，表明层间干扰致使相对低气压煤层储层压力上升的现象并非一直存在，而是主要存在于合采初期，直到井筒-储层的压力系统达到平衡后该现象便消失。
图5 合采过程中不同煤层的压降漏斗
Fig.5 Diagrams of pressure drop funnel changes of different coal seams during commingled production
图6为4个煤层在合采过程中的产气规律。由图可知，在定产条件下，煤层气总产量均达到11.25 L/min，并维持了84.0 min的恒定生产，即稳产期。在稳产期内，1、2号煤层的合采初始流量分别为-23.4、-1.6 L/min，皆为负值，即出现了倒灌现象。1、2号煤层在14.1、0.9 min产气速率恢复至0 L/min，表明1、2号煤层出现了产气滞后。3、4号煤层的初始瞬时产量为9.3、18.3 L/min，4号煤层超过了定产值11.25 L/min，所以造成1、2号煤层出现倒灌和产气滞后的原因是合采初期，相对高气压的煤层的初始瞬时产量值高于定产值，导致一部分瞬时产量通过井筒进入了相对低气压煤层，表现为气体倒灌，随着合采时间的延长，各煤层之间的压差逐步降低，来自相对高气压煤层的干扰也随之减弱，使低气压煤层的产气能力逐渐恢复，并开始产气。
图6 0.5 MPa层间压差合采条件下的产气规律
Fig.6 Gas production law under commingled production conditions with 0.5 MPa interlayer pressure difference
稳产期内，3、4号煤层的瞬时产量在合采瞬间达到峰值后呈指数函数下降的规律，3号煤层不同于4号煤层的是其瞬时产量最终会趋于稳定，1、2号煤层的瞬时产量从负值逐渐增加，并趋于稳定。1—4号煤层的产气规律表明，在定产生产条件下，4个煤层呈现一种“动态平衡”的产气特征，即当相对高气压煤层的产气能力不足时，相对低气压煤层的产气能力开始增加，从而维持稳定产气。2、3号煤层的趋于稳定的瞬时产量值大小相近表明，初始储层压力越相近的煤层，瞬时产量越容易达到一致。
1—4号煤层的产能贡献率在10 min分别为-16.9%、3.6%、26.3%、81.3%，即多层合采时，由于各煤层的初始储层压力不同，初始储层压力越大的煤层的产气分配比例越大，而初始储层压力越小的煤层产气分配比例相对越少，受到的层间干扰现象更加明显。因此，为了避免出现倒灌，影响单层产气能力，在定产生产中，应使定产值高于单层开采的气井产量。
2.2 不同层间压差条件下的产气特征对比
由上述分析可知，在不同储层压力的煤层合采过程中，受到层间干扰影响最大的煤层是最低储层压力的煤层，反之则为4号煤层，因此笔者选定1、4号煤层的产气特征展开重点分析。
图7为1号煤层在3种层间压差条件下，储层压力和瞬时产量的演化规律。由图7a可知，在3种层间压差情况下，选定同一测点P5点对1号煤层的储层压力进行监测。
图7 不同层间压差条件下1号煤层产气特征对比
Fig.7 Comparison of gas production characteristics of No.1 seam under different interlayer pressure difference
在3种层间压差情况下，1号煤层的储层压力演化曲线均出现了压力上升阶段，但上升的程度有所不同，其中0.2 MPa层间压差条件下，在2.7 min达到峰值0.98 MPa；0.3 MPa层间压差条件下，在5.5 min达到峰值1.03 MPa；0.5 MPa层间压差条件下，在11.5 min达到峰值1.1 MPa，表明随着层间压差的缩小，1号煤层遭受到的压力干扰随之减弱。在储层-井筒的压力系统的平衡作用下，来自相对高气压煤层的部分产量进入1号煤层，1号煤层在0.5、0.3、0.2 MPa层间压差条件下，最大倒灌瞬时流量分别为-23.4、-14.7、-10.7 L/min，且开始产气时刻分别为14.0、7.9、2.8 min，表明层间压差越小，低气压煤层受到的干扰越小，倒灌量越小，产气能力的恢复速率越快，产气滞后时间越短，因此在产层组合时，应尽可能选择层间压差较小的煤层进行合采，避免倒灌的发生和降低倒灌气量。
图8为4号煤层在3种层间压差条件下，储层压力和瞬时产量的演化规律。在3种不同层间压差条件下，选定P35测点对4号煤层的储层压力进行监测。4号煤层的储层压力分别为1.6、1.9、2.5 MPa。由图可知，3种条件下的4号煤层的储层压力演化的规律基本一致，与此对应的瞬时产量演化曲线也类似，但瞬时产量的大小与煤层初始储层压力正相关，初始储层压力越大，瞬时产量值也越大，表明不同储层压力的煤层在合采过程中，相对高气压煤层受到层间干扰的影响程度比相对低气压煤层小。
图8 不同层间压差条件下4号煤层产气特征对比
Fig.8 Comparison of gas production characteristics of No.4 seam under different interlayer pressure difference
图9为1、4号煤层在不同层间压差条件下，产气贡献率的演化规律。
图9 不同层间压差条件下1、4号煤层的合采效果对比
Fig.9 Comparison of commingled production effect of No.1 and No.4 seam under different interlayer pressure difference
由图9a可知，在0.2、0.3、0.5 MPa的层间压差条件下，1号煤层在第10 min的产气贡献率为-3.2%、-10.4%、-16.9%，表明合采初期，不同层间压差条件下，1号煤层的产能贡献率演化存在差异性，层间压差越大，相对低气压煤层的产气分配比例更低，且在3种层间压差条件下，产能贡献率回升至0，分别用时15.0、26.4、46.2 min，表明层间压差越大，低气压煤层的产气被抑制的时间更长。
由图9b知，在0.2、0.3、0.5 MPa的层间压差条件下，4号煤层在第10 min的产气贡献率为55.9%、70.5%、81.3%，随着层间压差增大，4号煤层的产能贡献率越大，尤其是在0.5 MPa条件下，达到了4/5以上，说明在合采初期，层间压差越大，高气压煤层的产气分配比例越高，而低气压煤层产气能力被大幅削减，因此适当减小层间压差，有助于提高低气压煤层的产气能力。
图10为不同层间压差条件下，合采瞬时产量演化规律。在0.2、0.3、0.5 MPa的层间压差条件下，稳产期依次为53.4、63.6、84.0 min。随着层间压差的增加，使整个叠置含气系统的含气性和储层压力有了明显的差异，而这种差异性使大层间压差条件比小层间压差条件有了更强的产气能力，从而使稳产期更长。尽管煤层气开采追求的是较长时间的稳定工业气流，但是大层间压差又会产生更强烈的层间干扰，抑制低储层压力的煤层产气，这是对煤层气资源的一种浪费。因此，在对不同储层压力的煤层进行合采时，不仅要考虑较长的稳产期，同时也要考虑降低层间干扰现象。
图10 不同层间压差条件下合采瞬时产量对比
Fig.10 Comparison of instantaneous flow rate of commingled production under different interlayer pressure difference
3 结 论
1)本研究通过3组不同层间压差、定产条件下的煤层气合采试验，发现层间压差过大时，低气压煤层的储层压力存在上升的现象，这种现象主要存在于多层合采的初期，并随着井筒-储层的压力系统达到平衡而消失。
2)在定产生产条件下，当单层产气能力高于定产值时，就会形成倒灌现象，即高气压煤层的一部分产气量通过井筒汇入低气压煤层，且层间压差越大，倒灌量也越大，同时在合采初期，层间压差越大，对低气压煤层产气越不利，使低气压煤层的产量分配比例更小。
3)不同储层压力的煤层进行定产合采，稳产期内各个煤层产气规律呈现为一种“动态平衡”的产气特征，即当相对高气压煤层的产气能力不足时，相对低气压煤层的产气能力开始增加，从而维持稳定产气。
[1] 杨兆中,刘云锐,张 平,等.滇东黔西地区多层叠置煤层压裂分层决策方法[J].煤炭科学技术,2017,45(9):7-12.
YANG Zhaozhong, LIU Yunrui, ZHANG Ping, et al. Study on fracturing and slicing decision method of multi layer overlay seam in East Yunnan and West Guizhou[J]. Coal Science and Technology, 2017, 45(9):7-12.
[2] 秦 勇,高 弟,易同生.贵州省煤层气资源潜力预测与评价[M].徐州:中国矿业大学出版社,2012.
[3] 吴财芳,刘小磊,张莎莎.滇东黔西多煤层地区煤层气“层次递阶”地质选区指标体系构建[J].煤炭学报,2018,43(6):1647-1653.
WU Caifang, LIU Xiaolei, ZHANG Shasha. Construction of index system of “Hierarchical progressive” geological selection of coalbed methane in multiple seam area of eastern Yunnan and western Guizhou[J]. Journal of China Coal Society, 2018, 43(6):1647-1653.
[4] 秦 勇,申 建,沈玉林.叠置含气系统共采兼容性-煤系“三气”及深部煤层气开采中的共性地质问题[J].煤炭学报,2016,41(1):14-23.
QIN Yong, SHEN Jian, SHEN Yulin. Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series[J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(1):14-23.
[5] 秦 勇,熊孟辉,易同生,等.论多层叠置独立含煤层气系统-以贵州织金-纳雍煤田水公河向斜为例[J].地质论评,2008,54(1):65-70.
QIN Yong, XIONG Menghui, YI Tongsheng, et al. On unattached multiple superposed coalbed-methane system:In a case of the Shuigonghe syncline, Zhijin-Nayong coalfield, Guizhou[J]. Geological Review, 2008, 54(1):65-70.
[6] 杨兆彪,秦 勇,高 弟,等.煤层群条件下的煤层气成藏特征[J].煤田地质与勘探,2011,39(5):22-26.
YANG Zhaobiao, QIN Yong, GAO Di,et al. Coalbed methane (CBM) reservoir-forming character under conditions of coal seam groups[J]. Coal Geology & Exploration, 2011, 39(5):22-26.
[7] 田博凡,康永尚,刘 娜,等.滇东-黔西煤层气井排采动态影响因素及初始排水速度优化步骤[J].煤炭学报,2018,43(6):1716-1727.
TIAN Bofan, KANG Yongshang, LIU Na, et al. Influencing factors of drainage dynamics of CBM wells and primary drainage rate optimizationin East Yunnan-Western Guizhou area[J]. Journal of China Coal Society, 2018, 43(6):1716-1727.
[8] 傅雪海,葛燕燕,梁文庆,等.多层叠置含煤层气系统递进排采的压力控制及流体应[J].天然气工业,2013,33(11):35-39.
FU Xuehai, GE Yanyan, LIANG Wenqing,et al. Pressure control and fluid effect of progressive drainage of multiple superposed CBM systems[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33(11):35-39.
[9] 罗开艳,金 军,赵凌云,等.松河井田煤层群条件下合层排采煤层气可行性研究[J].煤炭科学技术,2016,44(2):73-77,103.
LUO Kaiyan, JIN Jun, ZHAO Lingyun, et al. Feasibility study on combined seam gas drainage under condition of seam group in Songhe Mine Field[J]. Coal Science and Technology, 2016, 44(2):73-77, 103.
[10] 赵俊龙,汤达祯,林文姬,等.韩城矿区煤层气井分层合采产能特征及分布模式[J].煤炭科学技术,2015,43(9):80-86.
ZHAO Junlong, TANG Dazhen, LIN Wenji, et al. Productivity characteristics and distribution modes of multi-layer drainage coalbed methane wells in Hancheng Mining Area[J]. Coal Science and Technology, 2015, 43(9):80-86.
[11] 李国彪,李国富.煤层气井单层与合层排采异同点及控制因素[J].煤炭学报,2012,37(8):1354-1358.
LI Guobiao, LI Guofu. Study on the differences and main controlling factors of the coalbed methane wells between single layer and multi-layer drainage[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37 (8):1354-1358.
[12] 王 乔.黔西多煤层区煤层气井合层排采干扰机理数值模拟[D].徐州:中国矿业大学,2014.
[13] JIANG Wei, WU Caifang, WANG Qiao,et al. Interlayer interference mechanism of multiseam drainage in a CBM well:an example from Zhucang syncline[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2016, 26(6):1101-1108.
[14] 郭 肖,汪志明,曾泉树,等.煤层气藏煤与砂岩层间窜流模型构建及影响因素分析[J].煤炭科学技术,2018,46(11):182-188.
GUO Xiao, WANG Zhiming, ZENG Quanshu,et al. Development of crossflow models between coal and sandstone in coalbed methane reservoirs and influence factors analysis[J]. Coal Science and Technology, 2018, 46(11):182-188.
[15] 李 勇,孟尚志,吴 鹏,等.煤系气合采产出数值模拟研究[J].煤炭学报,2018, 43(6):1728-1737.
LI Yong, MENG Shangzhi, WU Peng, et al. Numerical simulation of coal measure gases co-production[J]. Journal of China Coal Society, 2018, 43(6):1728-1737.
[16] 胡 勇,李熙喆,万玉金,等.高低压双气层合采产气特征[J].天然气工业,2009,29(2):89-91.
HU Yong, LI Xizhe, WAN Yujin,et al. Gas producing property of commingled production for high-low pressure double gas reservoir[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29(2):89-91.
[17] WANG Ziwei, QIN Yong. Physical experiments of CBM coproduction:A case study in Laochang district, Yunnan province, China[J]. Fuel, 2019, 239:964-981.
[18] 朱华银,胡 勇,李江涛,等.柴达木盆地涩北多层气藏合采物理模拟[J].石油学报,2013,34(S1):136-142.
ZHU Huayin, HU Yong, LI Jiangtao,et al. Physical simulation of commingled production for multilayer gas reservoir in Sebei Gas field, QaidamBasin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2013, 34(S1):136-142.
[19] 王 璐,杨胜来,刘义成,等.缝洞型碳酸盐岩气藏多层合采供气能力试验[J].石油勘探与开发,2017,44(5):1-9.
WANG Lu, YANG Shenglai, LIU Yicheng, et al. Experiments on gas supply capability of commingled production in a fracture-cavity carbonate gas reservoir[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(5):1-9.
[20] 许 江,张超林,彭守建,等.多层叠置煤层气系统合采方式及其优化[J].煤炭学报,2018,43(6):1677-1686.
XU Jiang, ZHANG Chaolin, PENG Shoujian, et al. Multiple layers superposed CBM system commingled drainage schedule and its optimization[J]. Journal of China Coal Society, 2018, 43(6):1677-1686.
[21] 马伟竣.织金珠藏次向斜煤层含气量分布特征及影响因素研究[J].油气藏评价与开发,2014,4(3):64-67.
MA Weijun. Distribution characteristics and influential factors of coalbed methane content in Zhuzang subsyncline of Zhijin area[J]. Reservoir Evolution and Development, 2014, 4(3):64-67.
[22] 李仕钊.织金区块多煤层合采煤层气排采模式分析[J].煤炭技术,2018,37(4):71-73.
LI Shizhao. Analysis of drainage and gas recovery mode of multi-coalbed methane in ZhijinBlock[J]. Coal Technology, 2018, 37(4):71-73.
[23] 杨兆彪,张争光,秦 勇,等.多煤层条件下煤层气开发产层组合优化方法[J].石油勘探与开发,2018,45(2):297-304.
YANG Zhaobiao, ZHANG Zhengguang, QIN Yong,et al. Optimization methods of production layer combination for coalbedmethane development in multi-coal seams[J]. Petroleum Exploration and Development, 2018, 45(2):297-304.
[24] 孟美辰,王运海,袁 航,等.织金区块煤层气井产气量影响因素分析[J].煤炭科学技术,2019,47(4):187-192.
MENG Meichen, WANG Yunhai, YUAN Hang, et al. Influence factor analysis for coalbed methane production in Zhijin Block[J]. Coal Science and Technology, 2019, 47(4):187-192.
[25] 郭 晨,秦 勇,易同生,等.黔西肥田区块地下水动力条件与煤层气有序开发[J].煤炭学报,2014,39(1):115-123.
GUO Chen, QIN Yong, YI Tongsheng, et al. Groundwater dynamic conditions and orderly coalbed methane development of Feitian Block in Western Guizhou,South China[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(1):115-123.
[26] 张超林.叠置含气系统煤层气开采制度优化及注二氧化碳增产机理研究[D].重庆:重庆大学,2018.
