周效志桑树勋易同生金　军　黄华州　侯登才　敖显书

1.中国矿业大学资源与地球科学学院 2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心 3.贵州省煤田地质局



煤层气合层开发上部产层暴露的伤害机理

周效志1,2桑树勋1易同生2,3金军2,3黄华州1侯登才1敖显书1

1.中国矿业大学资源与地球科学学院 2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心 3.贵州省煤田地质局

周效志等.煤层气合层开发上部产层暴露的伤害机理.天然气工业， 2016,36(6):52-59.

摘 要煤层气开采过程中，上部暴露产层伤害对煤层气井产能的影响短期内有可能被下部未暴露产层产气能力的提高所掩盖，因此未引起研究人员的重视。为此，依托于贵州西部土城区块煤层气勘探开发工程实践，结合15号煤启动压力梯度、气水两相渗流及应力敏感性测试，分析了上部产层暴露的储层伤害机理，探讨了合层开发煤层气井高产、稳产的排采控制措施。结果表明：①随着低渗透煤储层中游离气量增多、气泡变大，气水两相渗流产生的贾敏效应增强，导致水相渗流的启动压力梯度增大，水相渗透率快速下降；②合层开发煤层气井上部产层被动暴露后，套压持续回升导致气体“反侵”进入已经暴露的煤储层，井筒周围依次形成高含气带、液相滞留带、应力敏感带、高含水带，近井地带形成液相低渗区，使地层水、压裂液难以排出，将导致上部暴露产层产水、产气量快速衰减。结论认为，为了提高合层开发的效果，可在套压降至0.5MPa后主动缓慢暴露上部产层，而在上部产层主动暴露后，应尽量避免套压的快速波动，杜绝套压的大幅回升，以免对近井地带煤储层造成永久性伤害。

关键词煤层气合层开发产层暴露储层伤害贾敏效应气水两相渗流应力敏感性贵州西部

黔西地区煤层气资源丰富，是我国煤层气勘探开发的重点有利区[1-4]。区内上二叠统龙潭组薄至中厚煤层群发育，单煤层煤层气资源丰度低，多煤层合采是提高开发效果的关键[5-6]。以往煤层气勘探开发实践表明：黔西龙潭组煤系富水性弱，目的煤层原始渗透率均较低，煤储层压力表现为略欠压—超压。因此具备合层开发的储层压力及水文条件[7-10]。

黔西龙潭组煤系厚度大，具有煤层气开发潜力的煤层分散于龙潭组各段中，产气层深度存在较大差异。煤层气井排采过程中，随着油套环空液面的下降，上部产层将逐渐面临暴露。上部产层暴露后，井筒附近气水两相流态在短期内急剧转换，必然造成储层伤害[11]。然而，煤层气开采过程中，上部暴露产层伤害对煤层气井产能的影响短期内有可能被下部未暴露产层产气能力的提高所掩盖。因此未引起研究人员的重视。

笔者基于黔西六盘水煤田土城区块煤层气勘探开发工程实践，结合工区主要目的煤层15号煤启动压力梯度、气水两相渗流及应力敏感性测试，分析了合层开发煤层气井上部产层暴露的储层伤害机理，探讨了避免上部暴露产层伤害的排采控制措施，以期指导黔西地区煤层气的合层开发具有指导意义。

1　地质与工程背景

1.1煤田地质条件

土城区块位于黔西六盘水煤田盘江矿区内，整体为一单斜构造，地层走向NW60°，倾向SW，出露地层由老至新为二叠系峨眉山玄武岩组（P3β）、龙潭组（P3l），三叠系飞仙关组（T1f）、永宁镇组（T1y）和第四系（Q）。区内查明断层主要为高角度正断层，走向NE—NEE，倾向45°～80°。含煤地层主要为上二叠统龙潭组，岩性以深灰—浅灰色粉砂岩、细砂岩为主，厚度约340m，含煤47～66层，煤类为JM、SM，煤层累厚37～47m，具煤层气资源富集的储层发育条件。龙潭组含可采煤层18层，其中全区可采或基本可采煤层为1+3号、4号、9号、12号、15号、16号、17号，可采煤层总厚约11.7m。

1.2合层开发特征

图1　TS-1井井身结构图

土城区块内9口煤层气井均采用合层开发方式。下面以TS-1井为例说明其井身结构、储层参数及合层开发特征。TS-1井为具“二开结构”的定向斜井（图1），自下而上对龙潭煤系原生结构煤为主的291号～293号、12号～16号、52号～9号3个煤层段进行分组压裂，避开了17号、18号、24号等碎粒煤、糜棱煤层段。

TS-1井压裂煤层垂深为531.8～786.5m，单煤层真厚0.83～2.68m，且煤储层表现出高温、超压、高含气量、高临储比及含气高—过饱和的特点，产层评价具有较好的资源开发潜力（表1）。TS-1井排采曲线如图2所示。

表1　TS-1井各压裂段煤储层特征表

图2　TS-1井排采曲线图

由图2可见，以236～243 d加深泵挂作业为界，TS-1井排采过程可划分为两个时期：加深泵挂作业前，分为排水憋压、控压增产、控压稳产3个阶段；加深泵挂作业后，又重复了以上3个排采阶段。

1）加深泵挂作业前：排水憋压阶段，产水量快速增加至20m3/d，液柱高度稳定在526.3～529.3m；随着排采第16 d套压出现并快速升高，液柱高度快速下降，并在39 d后稳定在20～50m。控压增产阶段，通过缓慢降低套压的方式逐步提高日产气量，排采200 d后产量稳定在1 000m3/d左右。

2）加深泵挂作业后：排水憋压阶段，套压重新憋到2.0MPa以上，并在第248 d使上部52号～9号煤、12号～16号煤2个产气层段快速暴露。控压增产阶段，通过降低套压逐步提高产气量至1 000m3/d；此阶段后期，随着套压及流压降幅减小，煤层气井产气量快速下降至800m3/d。控压稳产阶段，日产气量继续快速下降，并在390 d左右达到套压、流压及日产气量的稳定，稳定后产气量为300～400m3/d。

随着煤储层压降漏斗的不断扩展，煤层气井产量应持续增加或趋于稳定，但TS-1井加深泵挂作业后的产气情况却恰恰相反。分析认为：加深泵挂后，不合理的排采制度导致的煤储层伤害可能是煤层气井日产气量快速下降的原因。

2　贾敏效应对煤储层中气水两相渗流的影响

2.1煤储层中贾敏效应的形成

低孔、低渗透煤储层孔隙喉道狭小，显微裂隙发育不规则，因此气水两相渗流易产生贾敏效应[12-15]。此外，随着吸附气大量解吸、运移，煤储层中含水饱和度突变，形成不稳定的气水两相渗流，产生大量不连续的气泡、水珠，贾敏效应的影响将更为突出。由图3可以看出：煤中存在多个孔径变化较大且相互连通的孔隙及宽度变化的显微裂隙，两者共同组成了煤储层中气水两相渗流的微观孔裂隙通道及狭窄喉道，为贾敏效应的形成提供了渗流介质条件。

2.2贾敏效应影响下的启动压力梯度

贾敏效应导致多孔介质中两相渗流的压差增大，反映在渗流特征上就是增大了启动压力梯度[16-17]。为了研究贾敏效应、毛细管效应等渗流阻力对低渗透煤储层启动压力梯度的影响，垂直层理及沿层理方向分别钻取了直径约2.5cm的15号煤煤柱，通过70 ℃抽真空干燥4 h、10MPa加压饱和水4 h、1 000 r/min离心脱水方法，分别制取了干燥、饱和水、50 %饱和水煤柱，进行了水驱、气驱条件下的启动压力梯度测试，其结果如表2所示。

由表2可见：无论采用水驱还是气驱方式，含水饱和度对煤储层启动压力梯度均产生显著影响。水驱条件下，饱水煤样的启动压力梯度最低；随着含水饱和度下降，同一煤样启动压力梯度呈增大趋势。干燥样克氏渗透率分别为0.079、0.065和0.044 mD的平行煤柱启动压力梯度由0.37MPa/cm增大至0.89MPa/cm，表明煤储层渗透性对水驱启动压力梯度具显著影响，两者呈负相关关系[18]。气驱条件下，含水饱和度对启动压力梯度的影响则表现出相反的变化趋势。饱水煤样的气驱启动压力梯度最大；随着含水饱和度降低，启动压力梯度减小。

图3　土城区块15号煤微观孔裂隙发育SEM图

表2　不同含水饱和度下土城区块15号煤启动压力梯度表

2.3贾敏效应影响下的气水相渗特征

为了研究煤储层中气水两相渗流特征，沿层理方向钻取直径2.52cm、长度4.98cm的15号煤煤柱（肉眼可见裂缝），在实验温度22 ℃、环压12MPa条件下，测试煤柱覆压孔隙度为3.51%，气测渗透率为8.60 mD，液测渗透率为0.79 mD。利用CORE LAB-130流体相对渗透率仪进行“非稳态法”气水两相渗流实验，其结果如图4所示。

图4　土城区块15号煤气水相对渗透率变化图

由图4可见：在气驱水前期，随着煤柱中自由水空间含气饱和度升高，水相相对渗透率(Krw)快速下降，气体突破煤柱后气相相对渗透率(Krg)增速较慢，Krw+Krg亦表现出快速下降的趋势，表明贾敏效应对气水两相渗流的影响逐渐增强。当煤柱自由水空间含气饱和度超过42.1%，Krw、Krg及Krw+Krg均趋于稳定，此时Krw+Krg持续降低，Krw仅为0.02～0.14。当煤柱自由水空间含气饱和度超过85.4%，由于Krg及Krw+Krg快速增大，贾敏效应的影响逐渐减弱。此时，大量游离气侵占了自由水运移的通道，使Krw近乎为0，表明高含气饱和条件不利于煤储层中压裂液及地层水的产出[19-20]。

2.4含水煤样的液测应力敏感性特征

垂直层理方向钻取直径2.49cm、长度3.80cm 的15号煤煤柱，30 ℃下利用岩心敏感性流动实验装置，以过滤后的TS-1井返排液为驱替液，重复进行干燥、饱和水、50 %饱和水煤柱的液测渗透率应力敏感性实验，其结果如图5所示。

由图5可见：由于饱水煤样中单相水流动的贾敏效应较弱，因此净环压增加过程中饱水煤样具有较高的初始液测渗透率。在净环压增加的初期及后期，饱水煤样液测渗透率下降较快；当净环压大于8.0MPa后，饱水煤样的液测渗透率已低于含水50%及干燥煤样，从加压过程来看，饱水煤样总体表现出较强的应力敏感性，含水50 %、干燥煤样应力敏感性依次减弱。分析原因：随着有效应力的增加，煤储层孔裂隙压缩引起含水煤样中束缚水饱和度升高，导致液测渗透率快速下降。因此饱水煤样具有较强的应力敏感性。从卸压过程来看，随着净环压的减小，液测渗透率逐渐恢复并略低于加压过程获得的液测渗透率值，仅饱水煤样加压初始液测渗透率与卸压终止液测渗透率差别较大，渗透率不可逆损害率达27.3%。

图5　不同含水饱和度下15号煤液测渗透率应力敏感性图

对于煤层气开发井而言，低有效应力条件下高含水饱和度煤储层初始液相渗透率高，有利于前期压裂液返排及压降漏斗的扩展。然而，由于高含水饱和度煤储层具有较强的应力敏感性，持续排水降压将导致煤基质骨架所受有效应力增加，束缚水饱和度增大，液相渗透率快速下降[21-22]。土城区块所在的黔西盘县盆地形成于高挤压应力背景下[9]，区域地应力及煤储层压力呈显著高异常。因此煤层气井排采应避免井筒周围产生高含水饱和带，以缓解强应力敏感性对压裂液返排的不利影响。

3　上部产层暴露的伤害机理及排采控制

3.1上部产层暴露原因及类型

结合土城区块煤层气井合层开发经验，认为上部产层暴露主要存在以下3种情况：①煤层气井前期日排水量及环空液面降幅过快，压降漏斗未充分扩展，需要通过暴露上部产层来提高产气效果；②煤层气井经过长期排采，环空液面逐渐下降至最上部产层顶面，为了进一步提高或维持产气效果，需通过增大日产水量的方式缓慢暴露上部产层；③当下部存在超压、含气高—过饱和产层时，煤层气井排水憋压阶段见套压后持续憋压，导致环空液面快速下降并迅速暴露上部产层。如土城区块TS-1井下部293号煤层属超压、含气过饱和储层，加深泵挂作业后持续憋压导致上部两个压裂段快速暴露。

以上3种上部产层暴露情况，可归纳为“主动”与“被动”两种类型。第1、2种是排采人员以提高合层开发煤层气井产气效果为目标，通过增大日产水量人为暴露上部产层，属主动型；第3种是为了遵循既定的排采作业制度，在排水憋压阶段被迫暴露上部产层，属被动型。与主动型相比，被动暴露产层情况下，上部产层中气水两相流态不稳定，且产层暴露后套压变化幅度大，对暴露煤储层的不利影响更突出。

3.2上部产层暴露的储层伤害机理

合层开发煤层气井上部产层暴露后，套管环空压力即为井筒附近的煤储层压力。随着井底流压的下降，下部煤储层气体解吸或煤层气井憋压可引起套压的持续升高，并导致井筒附近上部暴露煤储层压力的上升。

在上部产层暴露情况下，煤层气井套压由p0升高至p1，则环空中气体侵入暴露煤储层并驱动自由水反向运移，导致井筒周围产生高含气带①（图6）。

图6　产层暴露后套压波动影响下的压降曲线特征图

在该高含气带①中，原本被煤储层孔裂隙自由水占据的空间被气体所取代，含气饱和度升高导致液相渗透率快速下降，使地层水、压裂液在该带外围积聚并形成高含水带①。在高含水带①中，煤储层压力逐渐回升，解吸的气体逆转为吸附状态，导致含水饱和度进一步增大。在高含水带①内侧，由于地应力与储层压力差值较大，且煤储层含水饱和度较高，因此可形成水相渗流的应力敏感带，导致井筒周围形成液相低渗透区①。

随着套压由p1持续升高至p2，气体侵入到距井筒更远的低渗煤储层中，使井筒周围液相低渗区②面积增大。此外，高压气体的侵入使远井地带低渗煤储层中毛细管效应、贾敏效应增强，液相渗流的启动压力梯度增大，并可能在高含气带②外围形成液相滞留带②，导致该带外围的压裂液及地层水无法排出。

液相低渗透区②形成后，即使后期逐步降低套压至初始值p0，由于液相低渗透区②煤储层应力敏感性强，且气水相渗产生较强的贾敏效应，井筒附近煤储层液相渗透率也难以恢复至套压升高前的水平。特别是，当液相滞留带②存在时，套压下降并未引起液相滞留带②外围的储层压力下降，难以起到扩展上部暴露产层压降范围的效果。

3.3上部产层暴露的排采控制措施

首先，应避免煤层气井排水憋压阶段液面大幅下降而被动暴露上部产层。当存在超压、含气高—过饱和煤储层时，煤层气井排水憋压阶段套压快速显现并可产生较高的套压。对于此类合层开发煤层气井，应显著降低见套压前的液面及流压降幅，延长见套压前的排水时间，尽可能在套压显现前排出更多的地层水及压裂液。见套压后，应控制套压上升幅度，避免套压持续升高造成上部产层被动暴露。当套压接近设定的憋压上限时，应通过逐步增大日产气量的方式稳定套压在憋压范围内。

其次，为了提高合层开发产气效果，可在套压降至0.5MPa后主动缓慢暴露上部产层，但应尽量延长上部产层暴露前的排采时间。煤层气井排采时间长，各项排采指标逐渐趋于稳定，产层中更易于形成稳定的气水两相渗流，有利于缓解上部产层暴露后不稳定两相渗流的影响。此外，在较高套压下暴露上部产层对套压变化起到一定的缓冲作用，降低了后续排采中套压快速大幅波动的风险[11]。

再次，上部产层主动暴露后，应尽可能避免套压的快速波动，杜绝套压的大幅回升，避免“气侵”导致井筒周围形成液相低渗区，对近井地带煤储层造成永久性伤害。暴露上部产层后，通过缓慢降低流压，逐步增大日产气量的方式保持套压稳定。当发现套压有回升趋势时，通过人工或自动控制平台及时减小液面降幅或稳定流压[23]，并通过逐步调整日产气量来稳定套压，杜绝套压的大幅回升。

4　结论

1）煤层气井排采过程中，随着低渗煤储层孔裂隙中游离气量增多、气泡变大，气水两相渗流所产生的贾敏效应增强。此时，水相渗流的启动压力梯度增大，水相渗透率亦快速下降，地层水及压裂液难以排出，压降漏斗扩展困难，是导致煤层气井难以高产、稳产的重要原因。

2）合层开发煤层气井上部产层暴露可分为“主动”与“被动”两种类型。上部产层被动暴露后，套压持续回升导致气体“反侵”入暴露煤储层，井筒周围依次形成高含气带、液相滞留带、应力敏感带、高含水带，近井地带形成液相低渗区，使地层水、压裂液难以排出，将导致上部暴露产层产水、产气量快速下降。

3）当合层开发煤层气井存在超压、含气高—过饱和煤储层时，见套压前应尽可能延长排水时间；见套压后，应控制套压上升幅度，避免套压持续升高而造成上部产层被动暴露。为了提高煤层气井合层开发的产气效果，可在套压降至0.5MPa后主动缓慢暴露上部产层。上部产层主动暴露后，应尽可能避免套压的快速波动，杜绝套压的大幅回升以免对暴露产层造成永久性伤害。

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(修改回稿日期2016-03-15编辑韩晓渝)

Damage mechanism of upper exposed producing layers during CBM multi-coal seam development

Zhou Xiaozhi1,2,Sang Shuxun1,Yi Tongsheng2,3,Jin Jun2,3,Huang Huazhou1,Hou Dengcai1,Ao Xianshu1
(1.School of Resources and Geosciences， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China; 2.Guizhou Research Center of Shale Gas and CBM Engineering Technology， Guiyang， Guizhou 550009， China; 3.Coal Mine Exploration of Guizhou Province， Guiyang， Guizhou 550009， China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.52-59,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:In the process of CBM (coalbed methane) production,the effect of upper exposed producing layer damage on CBM well productivity may be concealed in a short term by the improved gas production capacity of lower unexposed producing layers,so not much attention is paid to it.Based on the engineering practice of CBM exploration and development in the Tucheng Block of western Guizhou,the reservoir damage mechanism of the upper exposed producing layers was analyzed by using the starting pressure gradient,the gas-water phase flow and stress sensitivity test of No.15 coal seam.Then control measures for high-yield stable production of multi-coal seam development in CBM wells were discussed.It is shown that the Jamin effect gets stronger with the increase of free gas volume and the growth of gas bubbles in low-permeability coal reservoirs， resulting in the starting pressure gradient of water phase flow rising and the water permeability dropping fast.After the upper producing layers are exposed passively in CBM multi-coal seam development wells,the gas invades inversely into the exposed coal reservoirs due to the continuous buildup of casing pressure.The high gas-bearing belt,the liquid phase-detained belt,the stress-sensitive belt and the high water-bearing belt are formed successively around the borehole and the low-permeability liquid phase zone is formed near the borehole,so formation water and fracturing fluids cannot be drained out easily.As a result， the water and gas production rate of the upper exposed producing layers decline rapidly.It is concluded that for the improvement of multi-coal seam development effect,the upper producing layers should be actively exposed slowly when the casing pressure drops to 0.5MPa.After the active exposition of upper producing layers， rapid fluctuation of casing pressure should be avoided and high-rate buildup of casing pressure should be eliminated,so as to prevent permanent damage in the coal reservoirs near the borehole.

Keywords:Coalbed methane; Multi-coal seam development; Producing layer exposure; Reservoir damage; Jamin effect; Gas-water phase flow；Stress sensitivity; West Guizhou

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.008

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目“煤储层贾敏效应形成与排采控制机理研究”（编号: 51204162）、国家自然科学基金面上基金资助项目“煤层气—煤型气叠合型气藏成藏机理与地质预测方法研究”（编号: 41272154）、贵州省科技重大专项资助项目“贵州省煤层气地面抽采关键技术研究及工程示范”（编号: 黔科合重大专项字〔2014〕6002号）。

作者简介：周效志，1982年生，副教授，硕士生导师，博士；主要从事煤层气地质与开发技术研究工作。地址: （221116）江苏省徐州市大学路1号。ORCID: 0000-0001-7806-6112。E-mail: cumtzxz@163.com

通信作者：桑树勋，1967年生，教授，博士生导师，博士。电话: (0516)83590259。E-mail: shuxunsang@163.com