滇东老厂区块多煤层煤层气合采层间干扰分析

张二超，吴财芳，党广兴，张莎莎

(1.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)

0 引 言

我国煤层气排采由于受煤厚因素制约，单一煤层排采产能往往较低，经济效益也较差。我国部分含煤盆地中煤系地层发育多套蕴藏大量煤层气资源的主力煤层，合层排采在一定程度上可以更好地利用资源，提高产能。因此，合层排采受到煤层气企业越来越多的重视，但目前针对多煤层叠置独立含气系统的合层排采研究相对较少。

多系统叠置条件下的煤层气排采方法是现阶段我国煤层气开发面临的主要难题[1]。针对此难题，基于煤层气井生产特征，从储层压力、渗透率、围岩性质、压裂改造渗透率、层间距、地下水流动特征和煤层气解吸特征等方面对煤层气合层排采进行可行性评价，提出了合采量化指标。李国彪等[2]、王振云等[3]就临界解吸压力、储层压力梯度差、产液量差异、渗透率对煤层气合层排采的影响进行研究，分析这些因素对煤层气合层排采的影响；孟艳军等[4]就含气量和含气量差值以及它们对煤层气合层排采的影响进行分析，得出各指标对煤层气合层排采的影响程度；李鑫等[5]认为由于多含气系统内煤储层压力、临界解吸压力和产气压力等均不同，可优先排采临界解吸压力和产气压力高的，当压力降至另一含气系统的临界解吸压力和产气压力时，再进行多含气系统合采，即递进排采，合层排采需选择含气量差值和渗透率较小的层段，以减小层间干扰；李鑫等[6]认为随含气系统层间距的增大，递进排采层间干扰现象趋于严重，当层间距>250 m，则可考虑单系统排采。近年来，有学者发现层间供液量差异大的合采井，产气效果反而比供液量差异小的井产能更高[7]。滇东老厂区块具有多煤层发育、煤层厚度薄、煤层间距较小、单层排采经济效益差等特点，研究该区煤层气合层排采过程中不同储层段的储层压力、流体流动行为的差异及干扰行为，探讨煤层气合层排采过程中的影响因素及其作用机理，可为该区块煤层气开发提供指导。

1 研究区概况

老厂区块位于云南省富源县东南部，是我国西南地区潜在的煤层气开发基地，煤层气资源量约1 000亿m3，属大型气田[8-9]。该区构造(图1)

图1 老厂矿区构造纲要图Fig.1 Structure outline map of Laochang mining area

主要形成于燕山期，由于受近北西-南东向的挤压，形成一系列近北东南西向褶皱，如老厂背斜、德黑向斜等褶曲。在研究区边界存在一系列断层。区内水文地质条件属简单类型，以弱裂隙含水层为主。根据出露泉点、钻孔抽水试验的单位涌水量以及各含水层与矿床的关系，将区内钻探揭露的含(隔)水层由老至新为：茅口组及龙潭组第一段(P3l1+P1m)强岩溶含水层，龙潭组第二段(P3l2)相对隔水层，龙潭组第三段及长兴组(P3l3+P3c)弱裂隙含水层，卡以头组(T1k)弱裂隙含水层，飞仙关组第一段(T1f1)相对隔水层，飞仙关组第二、三段(T1f2+3)弱裂隙含水层，永宁镇组第一段(T1y1)强岩溶含水层。除少数断裂或个别断裂局部导水或富水外，大部分断裂为压性或压扭性，断裂带岩层强烈挤压，片理化、硅化强烈或因断层泥、糜棱岩、石英脉充填而呈阻水性质，富水性较差，但受断裂影响的岩石破碎带富水性仍较正常地层强。

研究区含煤地层主要为龙潭组，一般含煤27～42层，煤层总厚40.75 m，可采煤层15层，研究区主力煤层为(7+8)号、9号、13号、16号、19号煤层，具有典型的薄至中厚煤层群发育的特点。各煤层煤岩煤质分析结果如表1所示。研究区煤系内部垂向上地层流体压力系统相互独立，呈现多层叠置独立含气系统的成藏特征[10]。由此判断，在该区使用合层排采可以实现增加单井产量、提高煤层气资源利用效率的目的，同时不可避免地产生层间干扰现象。研究区内的合采煤层气井，产气峰值为400～1 800 m3/d，平均日产气量150～450 m3；产水量基本在2.5 m3/d以内，有逐渐下降趋势，后期稳定在1 m3/d以内。研究区的排采效果较差，在一定程度上与合层排采的层段选择，即与合采层段的储层压力和层间距有关。

表1 区内各煤层煤岩煤质分析结果Tab.1 Measure results of the macerals contents and proximate components of coal samples from coal seams in study area

2 层间干扰定义及其作用机理

2.1 层间干扰的定义

层间干扰多见于常规油气藏领域，定义为由于各储层之间物性、流体性质和压力系统的差异，导致层间流体流动而产生相互干扰的现象，从而使产层的储量不能得到很好开发，最终导致总体产能受到限制[11-12]。

由于该定义过度重视由于干扰引起的产能变化结果，忽略了干扰这一具体过程；另一方面，产能的下降可能只是层间干扰短期内的作用结果，随着气藏开发的深入，层间干扰趋于复杂，其累计产能如何变化尚不可知，即产能已无法描述愈来愈复杂的层间干扰现象。因此，该表述存在一定的局限性。

针对上述分析，本文以层间干扰这一过程作为重点，将其定义为由于各储层之间的物性、流体性质和压力系统的差异，同时由于在压裂和排采过程中对储层的改造，引起多层合采各层段能量重分布，进而促使各储层压力和流体特征动态变化及重平衡，从而进一步加大了储层开发难度。这里主要表现为物理形式的干扰，可以通过层间窜流、层间越流以及井筒之间相互干扰等方式实现。根据其具体表现形式，层间干扰又可分为气水流动干扰、地层压力干扰、物质干扰3种形式，且3种表现形式相互依存，不能独立存在。由于开发过程具有多阶段动态变化特征，因此，层间干扰也应当是一动态概念[13-14]，且随排采作业动态变化，其主导因素、表现形式及作用机理也随之转换。

2.2 层间干扰作用机理

由于合层排采是多储层共用一井筒排采，储层中的能量会发生迅速释放和转移。这一过程是以井筒作为载体实现的，能量的转移一般伴随着物质的转移，其过程既有物理变化也有化学变化，鉴于化学变化在产层中进行，很难直观描述并解释，且干扰主要以物理形式表现，所以本文将主要论述物理变化。

物理变化是因为外来流体在压力的作用下进入储层，使储层局部压力被动升高。对于煤储层而言，目前常见的有气水倒灌、水锁、气锁、层间窜流及越流等现象。由于煤层具有对应力敏感性强的特点，其渗透率随有效应力的增加呈负指数函数降低，且造成的渗透率损害是难以完全逆转的[15-16]；外来流体性质与储层不匹配，则会产生一些酸敏、碱敏、水敏等效应；外来流体携带的不溶固体物质可造成渗流通道的封闭与堵塞[17]。这都将影响煤层气的高效开发。

由表2可知，01井与02井的合采，两层的储层压力、储层压力梯度、渗透率等相差很小，储层物性基本相同。当合层排采时渗透率属于同一数量级时，是合层排采优选的有利区段组合模式，层间干扰较小。02井合采两层的渗透率属于同一数量级，01井由于储层特性，其压裂后的渗透率也属于同一数量级，所以01与02井的合采层段是合层排采的有利组合模式，故该区合层排采不需考虑渗透率对层间干扰的影响。煤层气合采时合采层的含气量差值越小，层间干扰越小，当合采层的含气量差值小于8 cm3/g时，层间干扰不明显[18]。01井与02井的含气量差值为0.02 MPa/100 m，远小于该值，所以该区含气量对煤层气合采几乎无影响，不需考虑含气量的影响；区内水文地质条件属简单类型，以弱裂隙含水层为主，各煤层都属于弱含水层，且层段之间的水力沟通能力较弱，所以该区水文地质条件对合层排采的影响很小。

表2 01井与02井的储层物性Tab.2 Reservoir properties of well 01 and well 02

据文献[2]，储层压力梯度<0.5 MPa/100 m时，层间干扰现象不明显。该区属于高应力区，储层压力梯度普遍>0.5 MPa/100 m,因此，储层压力和层间距是造成层间干扰的主要因素。

本文选取研究区的01井合采(7+8)号与19号煤层(两层)，02井合采16号与19号煤层(两层)。由表2可知，01井(7+8)号煤层储层压力为5.72 MPa，19号煤层为5.87 MPa，两煤层差值仅为0.16 MPa，两层层间距为107 m。由图2可知，01井合采排采初期，当井筒内压力与储层压力达到平衡时的初始液面高度远高于单采19号煤层的，所以初始时刻在19号煤层的水压作用下发生了倒灌，造成储层伤害。02井原理相同，不再赘述。

图2 CMB井排采初始时刻压力的不兼容性示意Fig.2 Pressure incompatibility schematic of the well 01 at the initial stage of CBM drainage

对01井和02井排采曲线(图3～6)进行分析发现，100～140 d间，两井套压快速上升，最高日变化量达0.3 MPa，相应液面日降幅超30 m，而该阶段排水量较为稳定，可见套压的快速上升是造成液面急剧下降的主要原因，液柱在环空套管内套压的作用下回灌，进入煤层，使各系统能量平衡[19]。

图3 01井排采动态曲线Fig.3 Production dynamic curves of well 01

图4 01井套压及液面高度变化Fig.4 Daily changes of casing pressure and liquid depths of well 01

层间窜流及层间越流作为常见的干扰形式[20]，是因为水流在压差作用下发生垂向连通。两者区别在于连通的通道不同，窜流的通道主要是裂隙，越流则主要是通过弱透水层与目的层产生水力联系(图7)。对合层排采而言，更多采用合层压裂的储层改造方式，由此可导致同一压裂层段内流体发生垂向联系。排采过程中，煤层压力降低，上部或下部含水层中的水也可能突破弱隔水层进入煤层。

图5 02井排采动态曲线Fig.5 Production dynamic curves of well 02

图6 02井套压及液面高度日变化Fig.6 The daily changes of casing pressure and liquid depths of well 02

图7 层间窜流与越流示意Fig.7 Cross flow and leakage of CBM among seams

3 层间干扰程度量化评价

为定量表征层间干扰程度强弱，依据上述认识，可选取储层压力、层间距进行初步的静态评价，具体公式为

h=|Δh±ΔH|，

(1)

a=[h1，h2，…，hn]，

(2)

式中：h为合采时各储层均开始产水所需液面降幅，m；Δh为储层层间距，m；ΔH为储层压差所对应等价水位高度，m；a为评价矩阵；h1，…，hn分别为各储层参数。

应用该方法对老厂区块01井进行分析评价，结果见表3。表3中不同煤层组合出现的参数表示合采层段合采时需降低多少液面高度，才可以满足两层同时产水，数值越小兼容性越好。从结果看，(7+8)号与13号煤层之间压力系统兼容性好，其次为(7+8)号与9号煤层、9号与13号煤层，9号与19号煤层兼容性最差。

表3 01井层间干扰静态评价结果Tab.3 Static evaluation of interlayer interference for well 01

为直观描述层间干扰的动态变化特征，本文引入层间干扰系数A。多层合采的层间干扰系数是确定多层合采组合界限的一个重要参数，本文将层间干扰系数定义为：排采过程中，目的层处井筒流体压力与该层压裂影响范围内储层平均压力的比值，该参数反映合采过程中整个层段对某一层的影响程度(图8)。该比值大于1时，储层发生层间干扰，数值越大，层间干扰作用越强；该比值等于1时，表明该层被暂时性封闭；比值小于1时，表明该层为正常生产状态。

此外，定义近井地带储层压力异常升高的程度为干扰强度。计算层间干扰系数，需要借助数值模拟技术(Eclipse)，建立多层合采的地质模型，并对排采过程进行简化，忽略煤粉等的影响。干扰系数计算式为

图8 01井层间干扰系数计算示意图Fig.8 Calculation diagram of interlayer interference coefficient A of well 01A=P/P0，

(3)

式中：A为层间干扰系数，无量纲；P为目的层处流体压力，MPa；P0为目的层近井压裂范围内储层平均压力，MPa。

多层气藏的总体开发效果表现在合采中各层的储量动用均衡程度，均衡程度越高，整体开发效果相对越好。为表征层间干扰对储量动用程度、动用难易程度的影响，提出合采层段整体层间干扰系数概念，定义整体干扰系数为合采各层层间干扰系数的最小值与最大值的比值，即

(4)

式中，A1，A2，A3，…，An为第1层、第2层、第三层、…、第n层的层间干扰系数，无因次。

整体干扰系数越接近1，表明合采各层段均能实现平稳、均匀、有效开发，开发效果好；反之，若接近0，则表明合采层段内存在开发难度较大的层位，各层产能释放不均匀，此时可能需要考虑合采层段重组[21-24]。

本文借助Eclipse软件对01井进行实例分析。如图9所示，在排采初期(约为20 d)，由于压力系统不匹配，下部的19号煤储层压力局部被动升高，此后随着排水作业的进行，19号煤储层压力又逐渐下降。

4 结 论

(1)重新定义了层间干扰概念，即不同条件影响下合采各层段能量的重分布或主动平衡，造成部分层段排采难易程度改变，表现形式以压力干扰为主。随排采作业动态的变化，层间干扰主导因素、表现形式及作用机理也相应改变。

图9 01井排采第5天时压降漏斗Fig.9 Pressure cone of the depression in the fifth day for well 01

(2)揭示了层间干扰的作用机理。层间干扰主要表现为物理形式的压力干扰，从而影响气-水赋存、运动状态及储层性质。

(3)鉴于以层间距和储层压力为评价指标的层间干扰静态评价的局限性，从压力干扰角度提出了层间干扰系数及其定量表征方法，初步实现了对合采煤层气井层间干扰程度的量化评价。借助数值模拟软件计算了动态层间干扰系数，发现排采前期干扰系数较大，随着排采的进行，干扰系数逐渐减弱。