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好文导读丨多层叠置含气系统煤层气合采储层流体动态响应特征

煤炭科学技术12-10

本文创新点

针对“叠置煤层气系统”这一煤层群地层中普遍发育的煤层气成藏模式，自主研制了“叠置煤层气系统开采物理模拟试验装置”，通过在煤层间铺设隔层相似材料，搭建了4层叠置的煤层气系统，开展了层间压差分别为0.2、0.4和0.6 MPa条件下的叠置煤层气系统合采物理模拟试验，揭示了合采过程中储层流体动态响应特征。

通讯作者简介

彭守建

重庆大学教授

彭守建，男，1983年3月3日生，江西宜春人，重庆大学资源与安全学院，教授，博士生导师，党委党校副校长；兼任中国岩石力学与工程学会、中国煤炭学会、公共安全科学技术学会、中国职业安全健康协会会员、重庆市岩石力学与工程学会理事、中国煤炭科技青年专家学术委员会青年专家委员；主持或参与完成了10余项国家及省部级科研项目，先后获省部级一等奖2项、行业协会一等奖2项。以主要作者发表学术论文50余篇，其中SCI、EI检索30余篇；出版学术专著1部；获权发明专利37项；获省部级科技奖项5项。指导博士研究生3名、硕士研究生24名。

主要成果：

依托重庆大学资源与安全学院及煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室优越的科研育人平台，主要从事多场耦合条件下煤岩力学特性及瓦斯渗流理论与工程应用方面的研究，针对煤与瓦斯突出灾变过程现场数据难以实时获取，且缺乏模拟手段进行重现与反演的技术瓶颈，与团队一起成功研制了多尺度多场耦合条件下煤矿动力灾害系列模拟试验系统，在深部采场围岩应力分布及裂隙动态演化规律、采动煤岩渗透性、采动煤层煤与瓦斯突出灾变机制、煤岩剪切-渗流耦合及广义应力松弛特性等方面取得了系列研究成果。

研究方向：

非常规天然气开采多场耦合理论、煤与瓦斯突出灾变动力学与控制、岩石力学理论及其工程应用

作者

贾立^1,2，彭守建^1,2，许江^1,2，陈捷仁^1,2，吴斌^1,2

单位

1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室；2. 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室

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摘要

为研究多层叠置含气系统煤层气合采过程中储层流体动态响应特征，利用具有自主知识产权的多层叠置含气系统煤层气合采物理模拟试验装置，开展层间压差分别0.2、0.4和0.6 MPa的合采试验，分析了合采过程中的储层流体动态响应特征。研究结果表明：储层压力演化具有阶段性变化特征，储层压力变化曲线分为骤降型、屏蔽型和倒灌型。合采初期会发生层间干扰，使得流体运移呈现离心流变化特征，表明煤层气发生反向流动。在进行合采时，井筒连通了不同的能量体，煤储层系统之间能量动态平衡状态遭到破坏，使得流体从高能量含气系统向低能量含气系统转移，使得流体运移被抑制或屏蔽，而随着含气系统间流体能量差异的增大，则高能量系统的流体倒灌进入较低能势系统中。层间压差增大，层间干扰现象显著，合采兼容性变差，储层压力回升幅值增大，储层流场离心流范围增大，储层伤害面积增广。层间压差分别从0.2 MPa增加至0.4 MPa和0.6 MPa时，煤层气倒灌量分别从0.42 L增加至3.73 L和7.97 L，合采累积流量从218.74 L减小至208.61 L和192.21 L。

研究背景

煤层气开采兼具能源利用、煤矿安全生产和生态环境保护等三重优势。滇东－黔西煤层气资源储量约占全国1０％，是继鄂尔多斯盆地东缘和沁水盆地之后的又一煤层气开采甜点区。该地区煤层具有层数多而薄、不同物性煤岩层在垂向上交替频繁、储层间存在较大能量差异等赋存特点，学者们称之为“多层叠置含气系统”。这一复杂的赋存条件，为高效开发煤层气带来了困难。鉴于此，学者们提出了单层开采、合层开采（合采）、接替开采和递进开采等增产制度，并认为合采是一种相对理想的开采制度。

针对煤层气合采方面的研究，国内外学者取得了丰硕成果。在工程现场试验方面，美国在皮森斯盆地开展了埋深为1560～2560ｍ的煤层气合采试验，发现了 65口单井煤层气产量稳定在 10890ｍ³/d左右；关于煤层气合采方面的研究，国内外学者已经开展了大量工作，且证实了物理模拟试验是一种重要的研究技术。然而，关于不同层间压差条件下的煤层气合采研究较少。

鉴于此，本笔者通过自主研发的多层叠置含气系统煤层气合采物理模拟试验装置，开展不同层间压差条件下的煤层气合采试验，以探究储层流体动态响应规律，并系统分析层间压差对低压储层的压力、流体和产气的扰动机理。

1 模拟试验方法

1.1 模拟试验装置

图1 多层叠置含气系统煤层气开采物理模拟试验装置

1.2 煤层设计及模拟材料

针对黔西地区叠置煤层具有“煤层数多、煤层薄、煤层累计厚度大”的特点，且合采层数以４层居多，因此，从４层煤储层叠置出发，研究４层合采过程中的流体动态响应特征。结合试验装置特点，构思了叠置煤层示意图，如图２ａ所示。即煤层由上至下依次设计Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号煤层，煤层之间铺设隔水阻气相似材料，起到隔水阻气的作用。

图2 煤层设计

1.3 模拟试验方案及步骤

表１模拟试验方案

试验步骤主要包括：①型煤制备，现场取样→破碎→筛分→烘干→搅拌。②试件成型与传感器安装，试件需要分４次进行成型，每次成型过程都需要进行传感器的安装，成型压力为７.５ＭＰａ，保压时间为１ｈ，储层压力传感器布置如图３所示（图中Ｐ１～Ｐ４０为测点１～４０处的压力）。③箱体密封性检查，煤储层内部密封性检查借助氦气检查法，箱体盖板连接处的密封性检查借助肥皂水。④抽真空脱气。⑤地应力加载，各煤层的最大主应力、中间主应力和最小应力分别加载至５、４和３ＭＰａ。⑥充气吸附，在充气吸附之前先进行地应力加载，然后再进行充气吸附，吸附时间４８ｈ。⑦煤层气合采，待各煤层储层压力吸附平衡时，打开出口阀门，进行煤层气合采。⑧合采结束后改变试验方案，并开展下一次试验。

图3 传感器布置示意

2 试验结果与分析

2.1 合采过程中储层压力动态演化特征

图４储层压力时间演化曲线

分析认为：针对多层叠置含气系统煤层气合采，一个煤储层可视为一个独立的能量体，井筒连通了不同的储层压力煤层，即连通了不同的能量体，煤储层系统之间能量动态平衡状态遭到破坏，为寻求新的动态平衡，流体会从高能量含气系统向低能量含气系统转移。如果不同含气系统之间流体能量差异显著，则较高能量系统的流体倒灌进入较低能势系统中，如果不同含气系统之间流体能量差异相对较小，则较高能量系统的流体会屏蔽或抑制低能量含气系统的流体释放。

2.2 合采过程中层间压差对储层压力的影响

图５层间压差对储层压力演化的影响

图６层间压差对流体流动场的影响

2.3 合采过程中层间压差对煤层气产能的影响

煤层气产能是评价合采效果的直接体现。q1、q2、q3和q4分别表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ号煤储层的瞬时流量，累积流量Ｑ和产能贡献率Ｘ″的命名规则同上。瞬时流量q可通过流量计直接监测采集，累积流量Ｑ是通过瞬时流量的积分获得，产能贡献率Ｘ″表示单一煤层的累积流量占叠置煤层总累积流量的百分比。由于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号煤层的初始储层压力不同，不具有对比性，因此，在对比分析层间压差对煤层气产能的影响时，仅对比Ⅰ号煤储层，如图7a～图7c所示。