地面井分层卸压的煤系气合采原理及方式探讨

李 瑞，金丽红，夏彬伟，葛兆龙

(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室，重庆 400044；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，重庆 400044；3.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044)

我国煤系气资源丰富且分布广泛，开发潜力巨大。煤系气储层类型多样，多产层叠合共生，多赋存态甲烷共存，气水分布关系复杂，产层间能量平衡关系脆弱等特点[1-3]，导致煤系气合采过程中的产能贡献率低甚至某些产层产能受到抑制，严重制约着我国煤系气资源的大规模开发[4-6]。造成煤系气合采层间干扰的首要原因为煤系气地质条件的复杂性。大部分地区多层煤系气合采发生层间干扰，且层间干扰与层间渗透率差异、储层压力差异等有关[7]。由数值模拟发现煤系气合采产能与层间压力系统差异、储层渗透率、压裂效果等有关[8-9]。通过叠置煤层气系统合采物理模拟实验发现，在合采初期流体能量大的储层会抑制流体能量小的储层产气能力，甚至出现能量大的产层流体倒灌进入能量小的产层当中，物理模拟实验表明煤系气合采中可能存在严重的产能抑制现象[10-12]。

近年来，我国煤系多气合采储层开发深度逐步增大，而深部储层地应力远大于浅部储层。例如，我国煤系气开发规模较大的鄂尔多斯盆地东缘临兴–神府区块，煤层埋深达到2 000 m，垂直应力达到50 MPa，最大水平主应力超过40 MPa[13-14]。沁水盆地的榆社–武乡区块，煤系气储层埋深超1 600 m[15]。在深部煤系气排采过程中，随着储层压力的下降，有效应力会显著增大。深部煤系气储层渗透率极低，在有效应力作用下，煤系气储层渗透性将进一步下降，从而限制煤系气的运移和产出。水力压裂是当前普遍应用于煤层气储层的增产改造技术，但以往研究结果表明，水力压裂存在着主要适用于煤体结构较为完好的煤层，压裂裂缝延伸规模较小，压裂主干裂缝单一，且压裂增能过程在裂缝两侧易形成应力集中区，导致远端煤层渗透性伤害等问题[16-17]。针对渗透性差、水力压裂造缝效果不佳的低渗煤系储层，桑树勋等[18-19]基于煤矿采动区卸压增透理论提出了应力释放开发构造煤理论，其原理是通过应力释放改变煤层孔隙率度和渗透率，从而促进煤层气间接降压解吸以及煤层气渗流产出。田守嶒[20]、李根生[21]等提出了水平井水力喷射分段造穴技术，通过水平井扩孔或诱导塌孔，实现煤层应力释放，通过优化喷嘴类型灵活调控洞穴形状和尺寸，提高储层渗透率从而增加单井产量。针对深部煤层地应力大、渗透率低、储层压力大的地质条件，卢义玉[22]、郭君[23]等借鉴矿井下煤层卸压增透理论，提出了地面定向井+水力割缝开发深部煤层气方法，该方法通过水力割缝形成多组缝槽改变应力状态，沟通天然裂隙增加导流通道裂缝，提高深部煤层气开发效率。改造地应力诱导储层压降方式适用于构造煤、深部煤层气等复杂煤层气储层，有望大规模应用推广。然而，多层叠合共生煤系气储层地质条件更加复杂，不同产层地质条件差异极大，如何通过卸压提高多层叠合共生煤系气储层多气协同合采效率，这方面的研究极为欠缺。

为了提高煤系多气合采效率，地质因素分析是煤系气多层协同合采的必备工作。基于改变地应力状态提高储层导流能力以及分层改变储层流体压力，满足多层合采动力条件的原理，笔者提出了地面井分层卸压的煤系气合采方式。在此基础上，分析该开发方式的优势及特点，探讨其地质适用性与应用前景，旨在为我国煤系气储层协同合采提供借鉴。

1 煤系气多层协同合采必备地质因素

煤系气储层地质条件的复杂性导致了煤系气开发的困难程度较大[24-25]。基于此分析了煤系气多层协同合采过程中的必备地质因素，为针对性的煤系气合采方式优化提供依据。

1.1 动 力

煤系气在储层内的运移动力主要为流体压力差。对于同一产气层而言，只有在一定的生产压差(储层压力与井底流压的差值)条件下，煤系气才能顺利产出。然而，对于多层叠合共生的煤系气储层而言，各个产气层与井底流压同时存在一定的生产压差，才能实现多气协同合采，如图1 所示。

图1 煤系气储层协同合采动力条件Fig.1 Dynamic conditions for coordinated commingled exploitation of coal-measure gas reservoirs

由于煤系储层类型以及地质构造等条件差异，某些地区煤系储层地应力随埋深呈非线性变化，常发生局部地层超压或欠压的现象，出现多套含气系统[26-27]，导致煤系气储层的压力梯度与生产井筒的压力梯度不匹配。其结果是各个产气层生产压差差异巨大，甚至出现合采过程中生产压差为负导致流体倒灌的产能抑制现象。因此，需要对不同含气系统煤系储层进行流体压力分层改造才能实现多套含气系统生产压差满足多气合采动力条件，实现煤系气协同合采。动力因素是决定多层叠合共生煤系气储层能否实现合采的先决条件。

1.2 通 道

通道是煤系气储层流体运移的途径，同时也是储层压降传递的介质。煤系气储层孔隙和裂隙的发育特征决定着储层渗透性，从而影响煤系气渗流速率和储层压降速率。

煤系气产出过程中，在有效应力作用下，运移通道可能发生压缩或闭合，从而对储层导流能力产生负效应。煤粉颗粒在煤储层通道内的运移和沉降也会对煤系气的产出产生重要的制约作用。考虑到煤系气运移通道对煤系气产出的重要影响，通道是目前煤系气储层最重要的改造对象。通道因素决定了煤系气储层能否实现高产。

由于煤岩、致密砂岩、泥页岩等岩石力学强度差异显著，导致改造过程中不同类型储层导流通道的改造效果差异显著[28]。由于非常规油气储层较强的非均质性，同一类型储层岩石力学性质也存在明显的差异，这在客观上给煤系气运移通道的改造造成了极大的影响，不同产层改造效果差异显著。

1.3 气 源

煤层、煤系页岩以及煤系致密砂岩中的天然气赋存状态存在较大差别(图2)，不同赋存态的储层产气机理不同。煤层气主要以吸附态存在基质当中，一般需要通过对储层进行排水降压才能实现煤层气的解吸和运移。煤系致密砂岩中主要发育游离态的天然气，依靠排气降压就能实现开采。煤系页岩中吸附气和游离气均较多，开发方式由排水降压与自然降压相结合[29]。气体赋存状态的差异是阻碍煤系多气合采的重要原因，例如煤层排水降压过程中的产出水进入页岩或致密砂岩将导致严重的水锁伤害，抑制合采效果。

图2 煤系气储层流体赋存状态Fig.2 Occurrence states of fluids in coal-measure gas reservoirs

煤层、煤系页岩以及煤系致密砂岩层均含有不同饱和程度的地层水，气水关系复杂多变[30]。这导致煤系气井生产峰值以及产气、产水量趋势存在明显差异。煤系气储层的含气饱和度控制着煤系气储层排水阶段的长短，煤系气储层的吸附时间影响着产气峰值的早晚，而煤系气储层含气量则在很大程度上影响煤系气储层生命周期。多类型煤系气储层合采过程中的产气、产水曲线均与煤系气的赋存状态密切相关。气源因素是决定煤系气储层生产周期的关键。

综上，为了提高煤系气各产气层产能贡献，实现煤系气协同、高效合采，合采方式需要达到煤系多层合采动力条件，改善储层流体通道的导流能力，降低有效应力对储层导流能力的伤害，最终增强煤系气的解吸、扩散和渗流。

2 地面井分层卸压方式及原理

2.1 方 法

分层卸压是指通过地面定向钻井，对选定的能量较高的目标储层进行高压水射流作业，通过人工创造卸压空间(缝、槽、穴等)，改变地应力状态，降低有效应力，并诱导岩层膨胀变形，促进储层流体压力下降，强化煤系气解吸，改善煤系各产气层流体运移的动力条件，促使煤系气向裂缝系统和井筒高效运移，如图3 所示。地面定向井的井型包括水平井、丛式井、多分支井等[31-32]，高压水射流措施包括水力割缝、水力冲孔、水力造穴等[33-34]。多层合采是通过分层卸压待目标储层的流体压力降至符合煤系气合采动力条件后，实现煤系多气多层协同合采。分层卸压方式有助于达到煤系多层合采动力条件，避免多气合采中的产能抑制，提高煤系合采各产层的产气贡献。

图3 水力割缝分层卸压开发煤系气方式示意Fig.3 Schematic diagram showing layered pressure relief by hydraulic slotting for coal-measure gas production

2.2 原 理

2.2.1 改变地应力状态-降低有效应力对导流通道的伤害

对于埋深较大的煤系气储层而言，地应力高，煤体压实程度高，储层渗透性极低，流体运移困难。在地应力不变的条件下，煤系气排采过程中随着储层压力的降低，有效应力随之增大，从而对储层裂缝导流能力产生伤害，且随着煤系储层地应力的增加，开采过程中储层导流能力伤害进一步增大。地面井分层卸压合采方式针对煤系气目标储层进行高压水射流作业，在储层中形成卸压空间后，地应力将得到释放。地应力的释放可有效减弱煤系气产出过程中有效应力的增加，降低有效应力作用下储层导流通道的伤害。有效应力σe与储层压力p及初始地应力σ之间的相关性[35]如下：

为研究分层卸压的效果，运用FLAC3D数值模拟软件，以山西某矿区9 号煤层为例，在长20 m、高20 m 的地层中割出一条倾角37°、长5 m、宽0.5 m 的缝槽。水力割缝建模参数见表1。采用摩尔库伦模型进行分析，获得纵向上和横向上的卸压范围，结果如图4 所示。

表1 水力割缝建模参数Table 1 Parameters of hydraulic slotting modelling

图4 水力割缝应力云图Fig.4 Isoline maps showing the stress distribution after hydraulic slotting

由图4 可知，煤层内创造水力缝槽后，垂向上及水平方向上储层应力状态改变效果均较为显著，单缝槽的垂直卸压范围达16 m，水平卸压范围达15 m。卸压范围与缝槽的长度、宽度、倾角、煤系地质条件、物理力学条件、地应力条件等均存在较好的对应关系，在实际工程实践中应根据具体的储层条件针对性设计卸压空间的形态、数量和规模。

2.2.2 诱导裂隙数量和开度增加，提高储层导流能力

高压水射流作业通过切割破碎岩层，创造卸压空间，改变应力状态，导致煤岩向卸压空间移动，煤岩发生膨胀变形。不仅可诱导产生大量新生孔、裂隙，且裂隙的张开度也显著增加。孔裂隙数量的增加以及裂隙张开度增大，极大地增加了流体运移通道，增强了裂隙导流能力，如图5 所示。

图5 水力割缝卸压诱导产生导流通道Fig.5 Diversion channels resulting from pressure relief by hydraulic slotting

地面井分层卸压的合采方式通过改变储层的应力状态，促使储层的导流能力增加，进而增大储层压降传递速率，气体解吸速率及气体运移速率增大，有利于气体的高效产出，改善煤系气产出效率。煤系气储层卸压增产机理如图6 所示。

图6 煤系储层卸压增产原理Fig.6 Principle of the production growth of coal-measure reservoirs through pressure relief

2.2.3 分层改变储层流体压力，达到多层合采动力条件

如前文所述，煤系储层各产气层与井底流压同时存在一定的生产压差是实现叠合共生煤系气储层协同合采的必备动力条件。实际生产中，产气层之间物性条件的巨大差异可能导致各产气层无法与井底流压同时形成生产压差，导致流体倒灌等产能抑制，如图7a 所示。通过针对性设计卸压空间的形态、数量和规模，高压水射流创造卸压空间，对能量较高产层进行一定程度卸压，改变储层应力状态，诱导储层压降，使煤系气合采储层的压力梯度逐渐趋于一致，从而达到煤系多层合采动力条件，有效避免产能抑制，提高煤系合采过程中各产层的产气贡献，如图7b 所示。创造卸压空间对储层进行卸压是对储层能量的一种弱化处理，这不同于常规水力压裂方法通过注入高压流体对储层进行增能的原理。因此，通过分层改变储层应力状态和储层压力，可为煤系气储层协同、高效合采提供重要保障。

图7 分层卸压前后效果对比Fig.7 Contrast of pressure distribution before and after layered pressure relief

3 分层卸压合采方式的优势

3.1 降低有效应力作用下的储层伤害

煤系气开发过程中，随着流体在储层孔、裂隙系统中的运移，有效应力将进一步增加，引起储层导流能力的伤害。通过改变地应力状态能够避免排采过程中有效应力的增加，保证储层孔、裂隙系统的开度，避免储层导流能力的快速下降。常规水力压裂增产方式通过注入高压流体仅对储层进行造缝，并不能有效释放储层应力，无法充分降低有效应力对储层渗透性的伤害。因此，对于深部煤系气储层而言，地面井分层卸压具有有效降低煤系气排采过程中的储层伤害的优势。

3.2 促进煤系气解吸和扩散

无论是煤层气储层还是煤系页岩气储层均存在大量的吸附态气体，在煤系气开发过程中吸附态气体需要解吸成为游离气才能运移和产出。通过创造卸压空间，改变储层应力状态，能够提高储层压降传递效率，从而促进煤系气的解吸。通过沿定向井分段切割缝槽以及岩层膨胀变形过程中张裂隙的大量生成，使原生煤系储层被分割成更小的基质块体，增加了煤系气扩散运移的路径，从而加快煤系气解吸和扩散的进程，提高煤系气的开发效率。有研究表明，煤系气解吸速率和扩散速率将随着基质颗粒的减小呈指数增长[36]。常规压裂形成的主要为主干导流裂缝，且主干裂缝形态较为单一，而对储层进行卸压能够在储层内形成立体裂隙网格通道，更有利于促进煤系储层的整体降压，加速吸附气的解吸和扩散。促进煤系气解吸和扩散是分层卸压在解决气源制约因素方面的显著优势。

3.3 降低层间干扰

通过对煤系气储层进行分层卸压，通过针对性改变目标储层应力状态，促进储层压力传递，平衡各产气层的流体能量，促使目标储层的储层压力与井筒压差满足煤系气储层合采的动力条件。在此条件下，各产气层的流体均能通过导流通道向井筒方向运移，从而避免流体倒灌等层间干扰现象，达到提高各产层产气贡献的目的。常规水力压裂方法通过对各产气层注入高压流体，对储层进行增能，可能加剧煤系各产气层的流体能量不均衡[37]。降低煤系储层层间干扰是分层卸压合采方式在解决动力制约因素方面的优势。

4 适用地质条件和应用前景

4.1 地质条件适用性

经过数十年的发展，我国高压水射流技术与装备已十分成熟，在油气、煤矿井下增渗增产，石门揭煤等实践过程中，取得了良好的应用效果[38-39]。这为地面井分层卸压的煤系气合采方式的快速推广应用奠定了良好的技术与装备基础。无论原生结构煤还是构造煤，均能够通过高压水射流措施进行卸压增透改造。此外，对于地应力大、渗透率低的深部煤系气储层而言，通过地面井分层卸压方式可以降低有效应力，减少导流能力伤害，提高储层压降传递效率。通过创造卸压空间，在垂向上也可形成较大的卸压范围，对于煤系气合采层数多且产层间距小的煤系气储层，通过分层卸压可以实现邻近多层的卸压，不仅可以提高煤系多层合采的开发效率，还能有效降低储层的改造成本。

4.2 应用前景

4.2.1 薄互层煤系气储层增产改造

薄互层煤系气储层层数多，层厚薄，层间距离小，含有多套含气系统且各个含气系统之间的动态平衡关系脆弱[40]。若对含气储层均进行常规改造方式，则不利于平衡各产层间的流体能量，且增加了开发成本；若仅改造部分产层，则难以充分释放所有含气储层的产能，且在目标产层优选上存在较大困难。采用分层卸压的合采方式，地面井创造卸压空间后在垂向和水平方向上均可形成大范围卸压空间，且通过针对能量较高目标层进行储层改造，有助于平衡薄互层各产层的能量。因此，地面井分层卸压方式对薄互层煤系气储层进行增产改造有望取得较好效果。

4.2.2 层间干扰严重的煤系气储层开发

无论是叠合共生煤层气储层还是叠合共生的煤系多类型气储层，合采过程中均可能出现严重的层间干扰问题，制约各产气层的产能贡献，降低多层合采的开发效益。山西晋城矿区、保德地区，河南平顶山矿区，贵州地区煤层气多层合采结果表明，产层间储层压力梯度、渗透率、临界解吸压力等地质条件差异较大会引起显著的层间干扰，制约煤层气井的合采效果[9,41]。一般通过优选地质条件差异较小的产层组合来提高煤层气多层合采效果[42]。地面井分层卸压的方式有助于平衡各产气层的流体能量，促使目标储层的储层压力与井筒压差满足煤系气储层合采的动力条件，降低多气合采中的层间干扰。因此，地面井卸压方式在层间干扰严重的煤系叠合共生储层具有较好的应用价值，且可大大扩展适合煤系气多层合采的储层开发范围。

尽管地面井分层卸压方式在薄互层煤系气储层增产改造以及降低煤系气合采过程中层间干扰方面具有良好的应用前景，但分层卸压目标层位选择，结合各产层地质条件的卸压空间形态、数量及规模的设计以及高压水射流固相颗粒的返排等均影响着该开采方式的应用效果，对此有必要开展更深入的研究。

5 结论

a.煤系气合采的必备因素包括动力、通道和气源。动力因素是决定多层叠合共生煤系气储层能否实现合采的先决条件，通道因素决定了煤系气储层能否实现高产，气源因素是决定煤系气储层生产周期的关键。

b.地面井分层卸压的煤系气合采方式是指通过地面定向钻井，对目标储层进行高压水射流作业，待目标储层的储层压力降至符合煤系气合采动力条件时(各个产层与井底流压同时存在一定的生产压差)进行合层排采。其原理是通过人工创造卸压空间，分层改变地应力状态，满足多层合采动力条件，降低有效应力伤害，诱导储层压降，提高各产气层产能贡献。

c.相比于常规的储层改造方式，地面井分层卸压开发煤系气方式具有降低有效应力作用下的储层伤害，促进煤系气解吸和扩散、提高储层压降传递效率，降低层间干扰等优势。对煤系储层进行卸压在矿井瓦斯抽采领域应用广泛，高压水射流卸压技术与装备成熟，为地面井分层卸压合采煤系气的应用奠定了良好的基础。

d.地面井分层卸压开发煤系气方式主要适用于地应力大、层间距小的煤系气储层开发，因此，在薄互层煤系气储层增产改造以及层间干扰严重的煤系叠合共生储层开发方面具有重要应用前景。今后有必要对分层卸压的煤系气合采方式开展更深入的研究。

符号注释

p为储层压力，MPa；α为有效应力系数；σ、σe分别为初始应力和有效应力，MPa。