多压力系统气藏合采物理模拟研究进展评述

2023-10-21李奇贤彭守建霍中刚舒龙勇闫发志

煤炭科学技术 2023年9期

李奇贤，许江，彭守建，霍中刚，舒龙勇，闫发志

（1.煤炭科学研究总院有限公司, 北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司, 北京 100013；3.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室, 重庆 400044；4.太原理工大学安全与应急管理工程学院, 山西太原 030024）

0 引言

煤系叠置含气系统在我国鄂尔多斯盆地、沁水盆地、黔西－滇东地区广泛分布，天然气储量巨大，是近年来倍受关注的天然气勘探开发新领域[1]。煤系叠置含气系统使储层总厚度较大、资源丰度较高，决定了多层合采技术成为多煤层发育地区提高煤系气开发效率、获取最佳经济效益的重要举措之一[2-3]。另一方面，叠置含气系统表现为同一煤系内部垂向上发育2 套及2 套以上地层流体压力系统相互独立的含气系统[4]，多层叠置的资源禀赋致使多层合采条件下出现产气量发生大幅度衰减，同时现阶段煤系气开发工艺技术应用性差，限制了煤系气资源的释放[5-6]。

现阶段，中国仍以单一气藏开发为主，煤系气合采尚处于探索阶段，鄂尔多斯盆地东缘韩城、延川南、吴堡、柳林以及沁水盆地南部潘庄、樊庄、成庄、北部寿阳、黔西-滇东地区等区块的煤层气合采案例整体开发效果也并不理想[2]。煤系气泛指煤系中赋存的各类天然气，仅是一个基于储层成因类型或地质载体做出的矿产资源定义。煤系气以煤系内生内储腐殖型气为主，源储同层或源储异层，可概括为内生自储、内生它储两大基本类型，包括煤层气和煤系砂岩气、页岩气以及煤系碳酸盐岩气等[7]，我国煤系气尚未实现规模化商业开发突破[8]。表明叠置含气系统合采致使煤系气产气过程中的兼容性差异明显、层间矛盾突出，合采工艺实施难度加剧[9]，多压力系统气藏合采与高效开发机理是制约煤系气高效勘探开发的关键科学问题之一。

目前，关于多压力系统合采的研究手段主要有物理模拟法、试井分析法和数值模拟法，三者手段各有利弊，互相补充。煤系气地质条件比较复杂，试井分析开展具体研究存在一定困难，数值模拟中必然存在若干假设和因素缺省，也无法考虑不可预见的地质工程因素[10]，而物理模拟试验手段是研究工程问题的重要科学研究方法。尽管无法较为全面系统再现现场合采现象，正是物理模拟的最大缺陷，需要数值模拟予以协同，但其具有易控制、可重复，且省人力、物力的优点。因此，多压力系统煤系气合采物理模拟手段成为探究煤系气合采工艺技术的重要技术手段。我国研究者围绕多压力系统气藏合采物理模拟开展了研究工作。立足于此，分析评述该领域物理模拟研究进展，以期深化汇总多压力系统气藏合采物理模拟试验装置成果，推动气藏合采理论发展和资源的高效开发利用。

1 多压力系统物理模拟试验装置

依据模拟类型，将相关物理模拟试验装置划分为煤层气领域（表1）与非煤层气领域2 个类型（表2）。

表1 煤层气领域多层合采物理模拟试验装置统计Table 1 Statistics of physical simulation devices of multi-layer co-production in coalbed methane field

表2 非煤层气领域多层合采物理模拟试验装置统计Table 2 Statistics of physical simulation devices of multi-layer co-production in non coalbed methane field

1.1 煤层气领域

双层煤层气藏合采解吸模拟试验装置由气源供给系统、储层模拟系统、流量测量系统和井底压力模拟系统组成（图1）。该装置结合了多层煤层气藏特征和多层合采产特征，实现了对各合采储层和各储层井底压力的同时模拟[11]。

双层煤层气合采物理试验装置由气源供给系统、压力调节系统、流量监测系统、储层模拟系统和井筒模拟系统5 大系统组成（图2）。该装置中井筒模拟系统中的两条气体流通之路的汇合之处为层间干扰发生创造了场所，并通过正反向流量计监测上下层的正反向流量[12-13]。

图2 双层煤层气合采模拟试验装置[13]Fig.2 Physical simulation device for co-production of double-layer coalbed methane reservoir[13]

多层叠置气藏联合开发试验装置由注入子系统、真空子系统、储层子系统、回压子系统、分离和计量子系统、温度与压力控制子系统和数据采集与处理子系统组成（图3）。该装置可模拟高温高压条件下多层叠置气藏煤层气合采过程中的气体和水流动过程，实现了对流入和流出储层试件的气体流量和水流量单独测量[14]。

图3 多层叠置气藏联合开发模拟试验装置[14]Fig.3 Physical simulation device for co-production in superposed gas-bearing systems[14]

多煤层组合开发物理模拟试验装置由轴压加载系统、围压加载系统、供气系统、采气系统、数据测量系统和数据采集系统6 部分组成（图4），其为了更符合实际地层的情况，相邻煤层之间使用的透气性材料使得层间窜流能够均匀地进行，可模拟多煤层气藏合采过程流体在单层内和多煤层之间的流动过程[15-16]。

图4 多煤层组合开发物理模拟试验装置[16]Fig.4 Physical simulation device for multilayer co-production[16]

多储层产量伤害物理模拟系统以“等当气井产量”测试基准，由供气装置、岩芯柱塞夹持器组、压力表、流量表、温度表、连接管线、气体汇集容器以及数据存储计算机等组成，并形成了高压独立气源模块、独立岩样模块、井筒测试模块和可拆卸模块四大模块（图5），煤层气合采产量涉及储层压力、温度、流量等数据，都可以在系统中设置。该装置能够以恒压法或恒流量法替代传统渗透率测量，模拟多岩性储层不同压力下同时进入井筒的流体流动状态[1,21-22]。

图5 多储层产量伤害模拟试验装置[1]Fig.5 Simulation experiment device for multi-reservoir production damage[1]

多场耦合叠置含气系统煤层气开采物理模拟试验装置主要由真三轴动力加载单元、试验控制与数据采集单元、煤储层模拟单元、独立注汽单元、煤层气开采单元和冷压成型单元组成（图6），其中，煤储层模拟单元和煤层气开采单元为该装置的核心单元，可实现对不同井型条件的叠置含气系统气藏与煤层气赋存条件的模拟，具有大尺度煤岩试件、真三轴应力加载、智能化数据监控、多用途集一体等功能优势。主要亮点为最大试件尺寸为400 mm×400 mm×1 050 mm，最多储层层数为4 层，最大密封压力为6.0 MPa，可对试验过程中煤储层参数进行多层次、多方位、多种类的实时监测、显示及采集[23-29]。

图6 叠置含气系统煤层气开采模拟试验装置[24]Fig.6 Simulation experiment device for CBM co-production of superposed gas-bearing systems[24]

1.2 非煤层气领域

运用双岩心夹持器并联设计，配以给气源、提供压力的泵、压力传感器、气体流量计及数据采集系统等设备构建了一套双气层无窜流并联物理模拟试验装置（图7）。该类设备能够在一定程度上获取双气层合采过程中单层产气、压力变化和单层产量贡献演化规律[30-36]。

图7 双层合采模拟试验装置[30]Fig.7 Simulation experiment device for two layers co-production[30]

复杂气藏双层流动多点测压开发模拟装置由多点测压模拟岩心系统、双流体注入系统和综合数据采集系统3 部分组成（图8），通过控制测点间阀门实现了储层间流体的交互流动。与常规多层并联合采实验不同，该装置能够保证层间流体的有效连通，以初步探究实际气藏多储层合采时层内渗流及层间越流规律[37]。

图8 复杂气藏双层流动多点测压开发模拟装置[37]Fig.8 Simulation experiment device for depletion development of complex gas reservoir with double-layer flow and multi-point pressure measurement[37]

针对常规驱替试验装置与管线不能满足特定气藏的高温高压环境，高温高压气藏多层合采物理试验装置被设计，该试验装置由注入系统、岩心系统和测量系统3 部分组成（图9），其中注入系统包括ISCO 双缸注入泵、中间容器、压力传感器、恒温箱及数个阀门。岩心系统包括高压围压泵、回压泵、岩心夹持器、回压阀及恒温箱；测量系统包括气液分离装置、气体质量流量计、数据收集装置和计算机，具有承受高温高压、保温性好、密封性强、实验效率高等特点[42-43,45-46]。

2 多压力系统合采研究认识进展

与常规油气开发不同，煤系气多压力系统合采技术尚处于摸索试验阶段，相关物理模拟成果研究较小，但仍有效指导了合采工艺优化和技术创新。目前已取得的共性认识：多压力系统合采条件下，井眼贯通作用导致各储层之间流体能量动态平衡状态遭受破坏，形成合采流体干扰现象，当不同储层之间流体能量差异显著时，流体会从高势储层向低势储层转移，以屏蔽或封堵较低势储层中流体向井眼方向的流动，甚至造成对低能势储层的“倒灌”[6]，许江团队利用物理模拟试验手段再现了“倒灌”形态[24]（图10）。与此同时，多储层来源气体从不同压力系统汇入井筒内相互干扰，反作用于储层中气体流动，引发储层产量伤害，降低储层产气能力[1]。

图10 流体流场对比[24]Fig.10 Comparison of flow field chart[24]

总结现有物理模拟成果，发现多压力系统合采对储层物性条件与合采模式较为敏感，层间压差、渗透性、有效应力、含水饱和度等因素差异均有可能诱发合采流体干扰和储层产气伤害，定压合采、定产合采、接替和递进开采制度与控制生产压差可能是降低合采流体干扰和储层产气伤害的办法（表3）。

表3 多层合采物理模拟的认识统计Table 3 Conclusion statistics of physical simulation experiments of multi-gas reservoirs co-production

目前主要认识包括：

1）储层渗透率大小影响其自身的产能贡献率，合采初期主要以相对高渗层产气为主，而相对低渗层则会被逐渐动用[12,35,38]；储层压力是储层内流体能量大小的反映指标，层间压差越大，各储层之间的初始流体能量差异增加，层间干扰剧烈程度越大[23]；储层物性差异越大，各分层在不同时期的产气贡献差异越大[38]；有效应力增加加剧了储层间供气能力差异，渗透率相对较低储层产气贡献明显下降，相对高渗储层增加[40]；储集层纵向非均质性、含水层含水饱和度、开发方式差异等影响合采时两相交互越流强烈程度，决定了气藏采收率的最终大小[37]。

2）定压合采模式下，压力存在差异的各个储层和井筒之间形成一种“动态压力平衡”关系，在压力平衡的作用下，来自高初始流体能量储层内流体被向低初始流体能量储层流动，定压值适当增加则会弱化储层属性差异性，优化兼容性[24]；定产合采模式下，稳产期内各储层之间会形成一种“动态分配”产气模式，即当高初始流体能量储层产气量过大，并超越定产值时，致使一部分来自高初始流体能量储层的流体向低初始流体能量储层反向注入，增加定产值有助于减小合采流体干扰剧烈程度[24,30,38]；接替合采和递进开采合采可以通过储层压力、临界解吸压力和产气压力等参数来调整不同储层开启时间，有效减弱高压层对低压层产气能力的抑制，避免倒灌现象的发生，提高低压层采收率[27,29,34-35,45-46]；合理的生产压差下，各储层之间可以达到“动态补给平衡”供气状态，生产压差过大或者过小都会打破这种动态平衡，影响单层供气能力[42]。

综上可知，上述研究认识是通过对比不同试验条件下得而到合采过程中储层压力与产气特征动态规律差异分析获取的。尽管通过此类方式获取的研究认识能够在一定程度上还原多压力系统合采过程中的储层参数与产气特征参数的动态响应规律，然而目前针对煤系气特殊地质背景研究较少，煤系气合采过程中的储层和产气动态响与常规油气藏差异较大，导致现有多压力系统合采物理模拟研究成果对认识煤系气多压力系统合采的局限性较大。