地面井分層卸壓的煤系氣合采原理及方式探討

李 瑞，金麗紅，夏彬偉，葛兆龍

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制全國重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學 復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室，重慶 400044；3.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044)

我國煤系氣資源豐富且分布廣泛，開發潛力巨大。煤系氣儲層類型多樣，多產層疊合共生，多賦存態甲烷共存，氣水分布關系復雜，產層間能量平衡關系脆弱等特點[1-3]，導致煤系氣合采過程中的產能貢獻率低甚至某些產層產能受到抑制，嚴重制約著我國煤系氣資源的大規模開發[4-6]。造成煤系氣合采層間干擾的首要原因為煤系氣地質條件的復雜性。大部分地區多層煤系氣合采發生層間干擾，且層間干擾與層間滲透率差異、儲層壓力差異等有關[7]。由數值模擬發現煤系氣合采產能與層間壓力系統差異、儲層滲透率、壓裂效果等有關[8-9]。通過疊置煤層氣系統合采物理模擬實驗發現，在合采初期流體能量大的儲層會抑制流體能量小的儲層產氣能力，甚至出現能量大的產層流體倒灌進入能量小的產層當中，物理模擬實驗表明煤系氣合采中可能存在嚴重的產能抑制現象[10-12]。

近年來，我國煤系多氣合采儲層開發深度逐步增大，而深部儲層地應力遠大于淺部儲層。例如，我國煤系氣開發規模較大的鄂爾多斯盆地東緣臨興–神府區塊，煤層埋深達到2 000 m，垂直應力達到50 MPa，最大水平主應力超過40 MPa[13-14]。沁水盆地的榆社–武鄉區塊，煤系氣儲層埋深超1 600 m[15]。在深部煤系氣排采過程中，隨著儲層壓力的下降，有效應力會顯著增大。深部煤系氣儲層滲透率極低，在有效應力作用下，煤系氣儲層滲透性將進一步下降，從而限制煤系氣的運移和產出。水力壓裂是當前普遍應用于煤層氣儲層的增產改造技術，但以往研究結果表明，水力壓裂存在著主要適用于煤體結構較為完好的煤層，壓裂裂縫延伸規模較小，壓裂主干裂縫單一，且壓裂增能過程在裂縫兩側易形成應力集中區，導致遠端煤層滲透性傷害等問題[16-17]。針對滲透性差、水力壓裂造縫效果不佳的低滲煤系儲層，桑樹勛等[18-19]基于煤礦采動區卸壓增透理論提出了應力釋放開發構造煤理論，其原理是通過應力釋放改變煤層孔隙率度和滲透率，從而促進煤層氣間接降壓解吸以及煤層氣滲流產出。田守嶒[20]、李根生[21]等提出了水平井水力噴射分段造穴技術，通過水平井擴孔或誘導塌孔，實現煤層應力釋放，通過優化噴嘴類型靈活調控洞穴形狀和尺寸，提高儲層滲透率從而增加單井產量。針對深部煤層地應力大、滲透率低、儲層壓力大的地質條件，盧義玉[22]、郭君[23]等借鑒礦井下煤層卸壓增透理論，提出了地面定向井+水力割縫開發深部煤層氣方法，該方法通過水力割縫形成多組縫槽改變應力狀態，溝通天然裂隙增加導流通道裂縫，提高深部煤層氣開發效率。改造地應力誘導儲層壓降方式適用于構造煤、深部煤層氣等復雜煤層氣儲層，有望大規模應用推廣。然而，多層疊合共生煤系氣儲層地質條件更加復雜，不同產層地質條件差異極大，如何通過卸壓提高多層疊合共生煤系氣儲層多氣協同合采效率，這方面的研究極為欠缺。

為了提高煤系多氣合采效率，地質因素分析是煤系氣多層協同合采的必備工作?；诟淖兊貞顟B提高儲層導流能力以及分層改變儲層流體壓力，滿足多層合采動力條件的原理，筆者提出了地面井分層卸壓的煤系氣合采方式。在此基礎上，分析該開發方式的優勢及特點，探討其地質適用性與應用前景，旨在為我國煤系氣儲層協同合采提供借鑒。

1 煤系氣多層協同合采必備地質因素

煤系氣儲層地質條件的復雜性導致了煤系氣開發的困難程度較大[24-25]?；诖朔治隽嗣合禋舛鄬訁f同合采過程中的必備地質因素，為針對性的煤系氣合采方式優化提供依據。

1.1 動 力

煤系氣在儲層內的運移動力主要為流體壓力差。對于同一產氣層而言，只有在一定的生產壓差(儲層壓力與井底流壓的差值)條件下，煤系氣才能順利產出。然而，對于多層疊合共生的煤系氣儲層而言，各個產氣層與井底流壓同時存在一定的生產壓差，才能實現多氣協同合采，如圖1 所示。

圖1 煤系氣儲層協同合采動力條件Fig.1 Dynamic conditions for coordinated commingled exploitation of coal-measure gas reservoirs

由于煤系儲層類型以及地質構造等條件差異，某些地區煤系儲層地應力隨埋深呈非線性變化，常發生局部地層超壓或欠壓的現象，出現多套含氣系統[26-27]，導致煤系氣儲層的壓力梯度與生產井筒的壓力梯度不匹配。其結果是各個產氣層生產壓差差異巨大，甚至出現合采過程中生產壓差為負導致流體倒灌的產能抑制現象。因此，需要對不同含氣系統煤系儲層進行流體壓力分層改造才能實現多套含氣系統生產壓差滿足多氣合采動力條件，實現煤系氣協同合采。動力因素是決定多層疊合共生煤系氣儲層能否實現合采的先決條件。

1.2 通 道

通道是煤系氣儲層流體運移的途徑，同時也是儲層壓降傳遞的介質。煤系氣儲層孔隙和裂隙的發育特征決定著儲層滲透性，從而影響煤系氣滲流速率和儲層壓降速率。

煤系氣產出過程中，在有效應力作用下，運移通道可能發生壓縮或閉合，從而對儲層導流能力產生負效應。煤粉顆粒在煤儲層通道內的運移和沉降也會對煤系氣的產出產生重要的制約作用?？紤]到煤系氣運移通道對煤系氣產出的重要影響，通道是目前煤系氣儲層最重要的改造對象。通道因素決定了煤系氣儲層能否實現高產。

由于煤巖、致密砂巖、泥頁巖等巖石力學強度差異顯著，導致改造過程中不同類型儲層導流通道的改造效果差異顯著[28]。由于非常規油氣儲層較強的非均質性，同一類型儲層巖石力學性質也存在明顯的差異，這在客觀上給煤系氣運移通道的改造造成了極大的影響，不同產層改造效果差異顯著。

1.3 氣 源

煤層、煤系頁巖以及煤系致密砂巖中的天然氣賦存狀態存在較大差別(圖2)，不同賦存態的儲層產氣機理不同。煤層氣主要以吸附態存在基質當中，一般需要通過對儲層進行排水降壓才能實現煤層氣的解吸和運移。煤系致密砂巖中主要發育游離態的天然氣，依靠排氣降壓就能實現開采。煤系頁巖中吸附氣和游離氣均較多，開發方式由排水降壓與自然降壓相結合[29]。氣體賦存狀態的差異是阻礙煤系多氣合采的重要原因，例如煤層排水降壓過程中的產出水進入頁巖或致密砂巖將導致嚴重的水鎖傷害，抑制合采效果。

圖2 煤系氣儲層流體賦存狀態Fig.2 Occurrence states of fluids in coal-measure gas reservoirs

煤層、煤系頁巖以及煤系致密砂巖層均含有不同飽和程度的地層水，氣水關系復雜多變[30]。這導致煤系氣井生產峰值以及產氣、產水量趨勢存在明顯差異。煤系氣儲層的含氣飽和度控制著煤系氣儲層排水階段的長短，煤系氣儲層的吸附時間影響著產氣峰值的早晚，而煤系氣儲層含氣量則在很大程度上影響煤系氣儲層生命周期。多類型煤系氣儲層合采過程中的產氣、產水曲線均與煤系氣的賦存狀態密切相關。氣源因素是決定煤系氣儲層生產周期的關鍵。

綜上，為了提高煤系氣各產氣層產能貢獻，實現煤系氣協同、高效合采，合采方式需要達到煤系多層合采動力條件，改善儲層流體通道的導流能力，降低有效應力對儲層導流能力的傷害，最終增強煤系氣的解吸、擴散和滲流。

2 地面井分層卸壓方式及原理

2.1 方 法

分層卸壓是指通過地面定向鉆井，對選定的能量較高的目標儲層進行高壓水射流作業，通過人工創造卸壓空間(縫、槽、穴等)，改變地應力狀態，降低有效應力，并誘導巖層膨脹變形，促進儲層流體壓力下降，強化煤系氣解吸，改善煤系各產氣層流體運移的動力條件，促使煤系氣向裂縫系統和井筒高效運移，如圖3 所示。地面定向井的井型包括水平井、叢式井、多分支井等[31-32]，高壓水射流措施包括水力割縫、水力沖孔、水力造穴等[33-34]。多層合采是通過分層卸壓待目標儲層的流體壓力降至符合煤系氣合采動力條件后，實現煤系多氣多層協同合采。分層卸壓方式有助于達到煤系多層合采動力條件，避免多氣合采中的產能抑制，提高煤系合采各產層的產氣貢獻。

圖3 水力割縫分層卸壓開發煤系氣方式示意Fig.3 Schematic diagram showing layered pressure relief by hydraulic slotting for coal-measure gas production

2.2 原 理

2.2.1 改變地應力狀態-降低有效應力對導流通道的傷害

對于埋深較大的煤系氣儲層而言，地應力高，煤體壓實程度高，儲層滲透性極低，流體運移困難。在地應力不變的條件下，煤系氣排采過程中隨著儲層壓力的降低，有效應力隨之增大，從而對儲層裂縫導流能力產生傷害，且隨著煤系儲層地應力的增加，開采過程中儲層導流能力傷害進一步增大。地面井分層卸壓合采方式針對煤系氣目標儲層進行高壓水射流作業，在儲層中形成卸壓空間后，地應力將得到釋放。地應力的釋放可有效減弱煤系氣產出過程中有效應力的增加，降低有效應力作用下儲層導流通道的傷害。有效應力σe與儲層壓力p及初始地應力σ之間的相關性[35]如下：

為研究分層卸壓的效果，運用FLAC3D數值模擬軟件，以山西某礦區9 號煤層為例，在長20 m、高20 m 的地層中割出一條傾角37°、長5 m、寬0.5 m 的縫槽。水力割縫建模參數見表1。采用摩爾庫倫模型進行分析，獲得縱向上和橫向上的卸壓范圍，結果如圖4 所示。

表1 水力割縫建模參數Table 1 Parameters of hydraulic slotting modelling

圖4 水力割縫應力云圖Fig.4 Isoline maps showing the stress distribution after hydraulic slotting

由圖4 可知，煤層內創造水力縫槽后，垂向上及水平方向上儲層應力狀態改變效果均較為顯著，單縫槽的垂直卸壓范圍達16 m，水平卸壓范圍達15 m。卸壓范圍與縫槽的長度、寬度、傾角、煤系地質條件、物理力學條件、地應力條件等均存在較好的對應關系，在實際工程實踐中應根據具體的儲層條件針對性設計卸壓空間的形態、數量和規模。

2.2.2 誘導裂隙數量和開度增加，提高儲層導流能力

高壓水射流作業通過切割破碎巖層，創造卸壓空間，改變應力狀態，導致煤巖向卸壓空間移動，煤巖發生膨脹變形。不僅可誘導產生大量新生孔、裂隙，且裂隙的張開度也顯著增加?？琢严稊盗康脑黾右约傲严稄堥_度增大，極大地增加了流體運移通道，增強了裂隙導流能力，如圖5 所示。

圖5 水力割縫卸壓誘導產生導流通道Fig.5 Diversion channels resulting from pressure relief by hydraulic slotting

地面井分層卸壓的合采方式通過改變儲層的應力狀態，促使儲層的導流能力增加，進而增大儲層壓降傳遞速率，氣體解吸速率及氣體運移速率增大，有利于氣體的高效產出，改善煤系氣產出效率。煤系氣儲層卸壓增產機理如圖6 所示。

圖6 煤系儲層卸壓增產原理Fig.6 Principle of the production growth of coal-measure reservoirs through pressure relief

2.2.3 分層改變儲層流體壓力，達到多層合采動力條件

如前文所述，煤系儲層各產氣層與井底流壓同時存在一定的生產壓差是實現疊合共生煤系氣儲層協同合采的必備動力條件。實際生產中，產氣層之間物性條件的巨大差異可能導致各產氣層無法與井底流壓同時形成生產壓差，導致流體倒灌等產能抑制，如圖7a 所示。通過針對性設計卸壓空間的形態、數量和規模，高壓水射流創造卸壓空間，對能量較高產層進行一定程度卸壓，改變儲層應力狀態，誘導儲層壓降，使煤系氣合采儲層的壓力梯度逐漸趨于一致，從而達到煤系多層合采動力條件，有效避免產能抑制，提高煤系合采過程中各產層的產氣貢獻，如圖7b 所示。創造卸壓空間對儲層進行卸壓是對儲層能量的一種弱化處理，這不同于常規水力壓裂方法通過注入高壓流體對儲層進行增能的原理。因此，通過分層改變儲層應力狀態和儲層壓力，可為煤系氣儲層協同、高效合采提供重要保障。

圖7 分層卸壓前后效果對比Fig.7 Contrast of pressure distribution before and after layered pressure relief

3 分層卸壓合采方式的優勢

3.1 降低有效應力作用下的儲層傷害

煤系氣開發過程中，隨著流體在儲層孔、裂隙系統中的運移，有效應力將進一步增加，引起儲層導流能力的傷害。通過改變地應力狀態能夠避免排采過程中有效應力的增加，保證儲層孔、裂隙系統的開度，避免儲層導流能力的快速下降。常規水力壓裂增產方式通過注入高壓流體僅對儲層進行造縫，并不能有效釋放儲層應力，無法充分降低有效應力對儲層滲透性的傷害。因此，對于深部煤系氣儲層而言，地面井分層卸壓具有有效降低煤系氣排采過程中的儲層傷害的優勢。

3.2 促進煤系氣解吸和擴散

無論是煤層氣儲層還是煤系頁巖氣儲層均存在大量的吸附態氣體，在煤系氣開發過程中吸附態氣體需要解吸成為游離氣才能運移和產出。通過創造卸壓空間，改變儲層應力狀態，能夠提高儲層壓降傳遞效率，從而促進煤系氣的解吸。通過沿定向井分段切割縫槽以及巖層膨脹變形過程中張裂隙的大量生成，使原生煤系儲層被分割成更小的基質塊體，增加了煤系氣擴散運移的路徑，從而加快煤系氣解吸和擴散的進程，提高煤系氣的開發效率。有研究表明，煤系氣解吸速率和擴散速率將隨著基質顆粒的減小呈指數增長[36]。常規壓裂形成的主要為主干導流裂縫，且主干裂縫形態較為單一，而對儲層進行卸壓能夠在儲層內形成立體裂隙網格通道，更有利于促進煤系儲層的整體降壓，加速吸附氣的解吸和擴散。促進煤系氣解吸和擴散是分層卸壓在解決氣源制約因素方面的顯著優勢。

3.3 降低層間干擾

通過對煤系氣儲層進行分層卸壓，通過針對性改變目標儲層應力狀態，促進儲層壓力傳遞，平衡各產氣層的流體能量，促使目標儲層的儲層壓力與井筒壓差滿足煤系氣儲層合采的動力條件。在此條件下，各產氣層的流體均能通過導流通道向井筒方向運移，從而避免流體倒灌等層間干擾現象，達到提高各產層產氣貢獻的目的。常規水力壓裂方法通過對各產氣層注入高壓流體，對儲層進行增能，可能加劇煤系各產氣層的流體能量不均衡[37]。降低煤系儲層層間干擾是分層卸壓合采方式在解決動力制約因素方面的優勢。

4 適用地質條件和應用前景

4.1 地質條件適用性

經過數十年的發展，我國高壓水射流技術與裝備已十分成熟，在油氣、煤礦井下增滲增產，石門揭煤等實踐過程中，取得了良好的應用效果[38-39]。這為地面井分層卸壓的煤系氣合采方式的快速推廣應用奠定了良好的技術與裝備基礎。無論原生結構煤還是構造煤，均能夠通過高壓水射流措施進行卸壓增透改造。此外，對于地應力大、滲透率低的深部煤系氣儲層而言，通過地面井分層卸壓方式可以降低有效應力，減少導流能力傷害，提高儲層壓降傳遞效率。通過創造卸壓空間，在垂向上也可形成較大的卸壓范圍，對于煤系氣合采層數多且產層間距小的煤系氣儲層，通過分層卸壓可以實現鄰近多層的卸壓，不僅可以提高煤系多層合采的開發效率，還能有效降低儲層的改造成本。

4.2 應用前景

4.2.1 薄互層煤系氣儲層增產改造

薄互層煤系氣儲層層數多，層厚薄，層間距離小，含有多套含氣系統且各個含氣系統之間的動態平衡關系脆弱[40]。若對含氣儲層均進行常規改造方式，則不利于平衡各產層間的流體能量，且增加了開發成本；若僅改造部分產層，則難以充分釋放所有含氣儲層的產能，且在目標產層優選上存在較大困難。采用分層卸壓的合采方式，地面井創造卸壓空間后在垂向和水平方向上均可形成大范圍卸壓空間，且通過針對能量較高目標層進行儲層改造，有助于平衡薄互層各產層的能量。因此，地面井分層卸壓方式對薄互層煤系氣儲層進行增產改造有望取得較好效果。

4.2.2 層間干擾嚴重的煤系氣儲層開發

無論是疊合共生煤層氣儲層還是疊合共生的煤系多類型氣儲層，合采過程中均可能出現嚴重的層間干擾問題，制約各產氣層的產能貢獻，降低多層合采的開發效益。山西晉城礦區、保德地區，河南平頂山礦區，貴州地區煤層氣多層合采結果表明，產層間儲層壓力梯度、滲透率、臨界解吸壓力等地質條件差異較大會引起顯著的層間干擾，制約煤層氣井的合采效果[9,41]。一般通過優選地質條件差異較小的產層組合來提高煤層氣多層合采效果[42]。地面井分層卸壓的方式有助于平衡各產氣層的流體能量，促使目標儲層的儲層壓力與井筒壓差滿足煤系氣儲層合采的動力條件，降低多氣合采中的層間干擾。因此，地面井卸壓方式在層間干擾嚴重的煤系疊合共生儲層具有較好的應用價值，且可大大擴展適合煤系氣多層合采的儲層開發范圍。

盡管地面井分層卸壓方式在薄互層煤系氣儲層增產改造以及降低煤系氣合采過程中層間干擾方面具有良好的應用前景，但分層卸壓目標層位選擇，結合各產層地質條件的卸壓空間形態、數量及規模的設計以及高壓水射流固相顆粒的返排等均影響著該開采方式的應用效果，對此有必要開展更深入的研究。

5 結論

a.煤系氣合采的必備因素包括動力、通道和氣源。動力因素是決定多層疊合共生煤系氣儲層能否實現合采的先決條件，通道因素決定了煤系氣儲層能否實現高產，氣源因素是決定煤系氣儲層生產周期的關鍵。

b.地面井分層卸壓的煤系氣合采方式是指通過地面定向鉆井，對目標儲層進行高壓水射流作業，待目標儲層的儲層壓力降至符合煤系氣合采動力條件時(各個產層與井底流壓同時存在一定的生產壓差)進行合層排采。其原理是通過人工創造卸壓空間，分層改變地應力狀態，滿足多層合采動力條件，降低有效應力傷害，誘導儲層壓降，提高各產氣層產能貢獻。

c.相比于常規的儲層改造方式，地面井分層卸壓開發煤系氣方式具有降低有效應力作用下的儲層傷害，促進煤系氣解吸和擴散、提高儲層壓降傳遞效率，降低層間干擾等優勢。對煤系儲層進行卸壓在礦井瓦斯抽采領域應用廣泛，高壓水射流卸壓技術與裝備成熟，為地面井分層卸壓合采煤系氣的應用奠定了良好的基礎。

d.地面井分層卸壓開發煤系氣方式主要適用于地應力大、層間距小的煤系氣儲層開發，因此，在薄互層煤系氣儲層增產改造以及層間干擾嚴重的煤系疊合共生儲層開發方面具有重要應用前景。今后有必要對分層卸壓的煤系氣合采方式開展更深入的研究。

符號注釋

p為儲層壓力，MPa；α為有效應力系數；σ、σe分別為初始應力和有效應力，MPa。