煤層氣合層開(kāi)發(fā)上部產(chǎn)層暴露的傷害機(jī)理

周效志桑樹(shù)勛易同生金　軍　黃華州　侯登才　敖顯書

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心 3.貴州省煤田地質(zhì)局

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煤層氣合層開(kāi)發(fā)上部產(chǎn)層暴露的傷害機(jī)理

周效志1,2桑樹(shù)勛1易同生2,3金軍2,3黃華州1侯登才1敖顯書1

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 2.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心 3.貴州省煤田地質(zhì)局

周效志等.煤層氣合層開(kāi)發(fā)上部產(chǎn)層暴露的傷害機(jī)理.天然氣工業(yè)， 2016,36(6):52-59.

摘 要煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，上部暴露產(chǎn)層傷害對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響短期內(nèi)有可能被下部未暴露產(chǎn)層產(chǎn)氣能力的提高所掩蓋，因此未引起研究人員的重視。為此，依托于貴州西部土城區(qū)塊煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐，結(jié)合15號(hào)煤?jiǎn)?dòng)壓力梯度、氣水兩相滲流及應(yīng)力敏感性測(cè)試，分析了上部產(chǎn)層暴露的儲(chǔ)層傷害機(jī)理，探討了合層開(kāi)發(fā)煤層氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的排采控制措施。結(jié)果表明：①隨著低滲透煤儲(chǔ)層中游離氣量增多、氣泡變大，氣水兩相滲流產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致水相滲流的啟動(dòng)壓力梯度增大，水相滲透率快速下降；②合層開(kāi)發(fā)煤層氣井上部產(chǎn)層被動(dòng)暴露后，套壓持續(xù)回升導(dǎo)致氣體“反侵”進(jìn)入已經(jīng)暴露的煤儲(chǔ)層，井筒周圍依次形成高含氣帶、液相滯留帶、應(yīng)力敏感帶、高含水帶，近井地帶形成液相低滲區(qū)，使地層水、壓裂液難以排出，將導(dǎo)致上部暴露產(chǎn)層產(chǎn)水、產(chǎn)氣量快速衰減。結(jié)論認(rèn)為，為了提高合層開(kāi)發(fā)的效果，可在套壓降至0.5MPa后主動(dòng)緩慢暴露上部產(chǎn)層，而在上部產(chǎn)層主動(dòng)暴露后，應(yīng)盡量避免套壓的快速波動(dòng)，杜絕套壓的大幅回升，以免對(duì)近井地帶煤儲(chǔ)層造成永久性傷害。

關(guān)鍵詞煤層氣合層開(kāi)發(fā)產(chǎn)層暴露儲(chǔ)層傷害賈敏效應(yīng)氣水兩相滲流應(yīng)力敏感性貴州西部

黔西地區(qū)煤層氣資源豐富，是我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)有利區(qū)[1-4]。區(qū)內(nèi)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M薄至中厚煤層群發(fā)育，單煤層煤層氣資源豐度低，多煤層合采是提高開(kāi)發(fā)效果的關(guān)鍵[5-6]。以往煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明：黔西龍?zhí)督M煤系富水性弱，目的煤層原始滲透率均較低，煤儲(chǔ)層壓力表現(xiàn)為略欠壓—超壓。因此具備合層開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)層壓力及水文條件[7-10]。

黔西龍?zhí)督M煤系厚度大，具有煤層氣開(kāi)發(fā)潛力的煤層分散于龍?zhí)督M各段中，產(chǎn)氣層深度存在較大差異。煤層氣井排采過(guò)程中，隨著油套環(huán)空液面的下降，上部產(chǎn)層將逐漸面臨暴露。上部產(chǎn)層暴露后，井筒附近氣水兩相流態(tài)在短期內(nèi)急劇轉(zhuǎn)換，必然造成儲(chǔ)層傷害[11]。然而，煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，上部暴露產(chǎn)層傷害對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響短期內(nèi)有可能被下部未暴露產(chǎn)層產(chǎn)氣能力的提高所掩蓋。因此未引起研究人員的重視。

筆者基于黔西六盤水煤田土城區(qū)塊煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐，結(jié)合工區(qū)主要目的煤層15號(hào)煤?jiǎn)?dòng)壓力梯度、氣水兩相滲流及應(yīng)力敏感性測(cè)試，分析了合層開(kāi)發(fā)煤層氣井上部產(chǎn)層暴露的儲(chǔ)層傷害機(jī)理，探討了避免上部暴露產(chǎn)層傷害的排采控制措施，以期指導(dǎo)黔西地區(qū)煤層氣的合層開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1　地質(zhì)與工程背景

1.1煤田地質(zhì)條件

土城區(qū)塊位于黔西六盤水煤田盤江礦區(qū)內(nèi)，整體為一單斜構(gòu)造，地層走向NW60°，傾向SW，出露地層由老至新為二疊系峨眉山玄武巖組（P3β）、龍?zhí)督M（P3l），三疊系飛仙關(guān)組（T1f）、永寧鎮(zhèn)組（T1y）和第四系（Q）。區(qū)內(nèi)查明斷層主要為高角度正斷層，走向NE—NEE，傾向45°～80°。含煤地層主要為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，巖性以深灰—淺灰色粉砂巖、細(xì)砂巖為主，厚度約340m，含煤47～66層，煤類為JM、SM，煤層累厚37～47m，具煤層氣資源富集的儲(chǔ)層發(fā)育條件。龍?zhí)督M含可采煤層18層，其中全區(qū)可采或基本可采煤層為1+3號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、12號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)，可采煤層總厚約11.7m。

1.2合層開(kāi)發(fā)特征

圖1　TS-1井井身結(jié)構(gòu)圖

土城區(qū)塊內(nèi)9口煤層氣井均采用合層開(kāi)發(fā)方式。下面以TS-1井為例說(shuō)明其井身結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層參數(shù)及合層開(kāi)發(fā)特征。TS-1井為具“二開(kāi)結(jié)構(gòu)”的定向斜井（圖1），自下而上對(duì)龍?zhí)睹合翟Y(jié)構(gòu)煤為主的291號(hào)～293號(hào)、12號(hào)～16號(hào)、52號(hào)～9號(hào)3個(gè)煤層段進(jìn)行分組壓裂，避開(kāi)了17號(hào)、18號(hào)、24號(hào)等碎粒煤、糜棱煤層段。

TS-1井壓裂煤層垂深為531.8～786.5m，單煤層真厚0.83～2.68m，且煤儲(chǔ)層表現(xiàn)出高溫、超壓、高含氣量、高臨儲(chǔ)比及含氣高—過(guò)飽和的特點(diǎn)，產(chǎn)層評(píng)價(jià)具有較好的資源開(kāi)發(fā)潛力（表1）。TS-1井排采曲線如圖2所示。

表1　TS-1井各壓裂段煤儲(chǔ)層特征表

圖2　TS-1井排采曲線圖

由圖2可見(jiàn)，以236～243 d加深泵掛作業(yè)為界，TS-1井排采過(guò)程可劃分為兩個(gè)時(shí)期：加深泵掛作業(yè)前，分為排水憋壓、控壓增產(chǎn)、控壓穩(wěn)產(chǎn)3個(gè)階段；加深泵掛作業(yè)后，又重復(fù)了以上3個(gè)排采階段。

1）加深泵掛作業(yè)前：排水憋壓階段，產(chǎn)水量快速增加至20m3/d，液柱高度穩(wěn)定在526.3～529.3m；隨著排采第16 d套壓出現(xiàn)并快速升高，液柱高度快速下降，并在39 d后穩(wěn)定在20～50m?？貕涸霎a(chǎn)階段，通過(guò)緩慢降低套壓的方式逐步提高日產(chǎn)氣量，排采200 d后產(chǎn)量穩(wěn)定在1 000m3/d左右。

2）加深泵掛作業(yè)后：排水憋壓階段，套壓重新憋到2.0MPa以上，并在第248 d使上部52號(hào)～9號(hào)煤、12號(hào)～16號(hào)煤2個(gè)產(chǎn)氣層段快速暴露?？貕涸霎a(chǎn)階段，通過(guò)降低套壓逐步提高產(chǎn)氣量至1 000m3/d；此階段后期，隨著套壓及流壓降幅減小，煤層氣井產(chǎn)氣量快速下降至800m3/d。控壓穩(wěn)產(chǎn)階段，日產(chǎn)氣量繼續(xù)快速下降，并在390 d左右達(dá)到套壓、流壓及日產(chǎn)氣量的穩(wěn)定，穩(wěn)定后產(chǎn)氣量為300～400m3/d。

隨著煤儲(chǔ)層壓降漏斗的不斷擴(kuò)展，煤層氣井產(chǎn)量應(yīng)持續(xù)增加或趨于穩(wěn)定，但TS-1井加深泵掛作業(yè)后的產(chǎn)氣情況卻恰恰相反。分析認(rèn)為：加深泵掛后，不合理的排采制度導(dǎo)致的煤儲(chǔ)層傷害可能是煤層氣井日產(chǎn)氣量快速下降的原因。

2　賈敏效應(yīng)對(duì)煤儲(chǔ)層中氣水兩相滲流的影響

2.1煤儲(chǔ)層中賈敏效應(yīng)的形成

低孔、低滲透煤儲(chǔ)層孔隙喉道狹小，顯微裂隙發(fā)育不規(guī)則，因此氣水兩相滲流易產(chǎn)生賈敏效應(yīng)[12-15]。此外，隨著吸附氣大量解吸、運(yùn)移，煤儲(chǔ)層中含水飽和度突變，形成不穩(wěn)定的氣水兩相滲流，產(chǎn)生大量不連續(xù)的氣泡、水珠，賈敏效應(yīng)的影響將更為突出。由圖3可以看出：煤中存在多個(gè)孔徑變化較大且相互連通的孔隙及寬度變化的顯微裂隙，兩者共同組成了煤儲(chǔ)層中氣水兩相滲流的微觀孔裂隙通道及狹窄喉道，為賈敏效應(yīng)的形成提供了滲流介質(zhì)條件。

2.2賈敏效應(yīng)影響下的啟動(dòng)壓力梯度

賈敏效應(yīng)導(dǎo)致多孔介質(zhì)中兩相滲流的壓差增大，反映在滲流特征上就是增大了啟動(dòng)壓力梯度[16-17]。為了研究賈敏效應(yīng)、毛細(xì)管效應(yīng)等滲流阻力對(duì)低滲透煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的影響，垂直層理及沿層理方向分別鉆取了直徑約2.5cm的15號(hào)煤煤柱，通過(guò)70 ℃抽真空干燥4 h、10MPa加壓飽和水4 h、1 000 r/min離心脫水方法，分別制取了干燥、飽和水、50 %飽和水煤柱，進(jìn)行了水驅(qū)、氣驅(qū)條件下的啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試，其結(jié)果如表2所示。

由表2可見(jiàn)：無(wú)論采用水驅(qū)還是氣驅(qū)方式，含水飽和度對(duì)煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度均產(chǎn)生顯著影響。水驅(qū)條件下，飽水煤樣的啟動(dòng)壓力梯度最低；隨著含水飽和度下降，同一煤樣啟動(dòng)壓力梯度呈增大趨勢(shì)。干燥樣克氏滲透率分別為0.079、0.065和0.044 mD的平行煤柱啟動(dòng)壓力梯度由0.37MPa/cm增大至0.89MPa/cm，表明煤儲(chǔ)層滲透性對(duì)水驅(qū)啟動(dòng)壓力梯度具顯著影響，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。氣驅(qū)條件下，含水飽和度對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。飽水煤樣的氣驅(qū)啟動(dòng)壓力梯度最大；隨著含水飽和度降低，啟動(dòng)壓力梯度減小。

圖3　土城區(qū)塊15號(hào)煤微觀孔裂隙發(fā)育SEM圖

表2　不同含水飽和度下土城區(qū)塊15號(hào)煤?jiǎn)?dòng)壓力梯度表

2.3賈敏效應(yīng)影響下的氣水相滲特征

為了研究煤儲(chǔ)層中氣水兩相滲流特征，沿層理方向鉆取直徑2.52cm、長(zhǎng)度4.98cm的15號(hào)煤煤柱（肉眼可見(jiàn)裂縫），在實(shí)驗(yàn)溫度22 ℃、環(huán)壓12MPa條件下，測(cè)試煤柱覆壓孔隙度為3.51%，氣測(cè)滲透率為8.60 mD，液測(cè)滲透率為0.79 mD。利用CORE LAB-130流體相對(duì)滲透率儀進(jìn)行“非穩(wěn)態(tài)法”氣水兩相滲流實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　土城區(qū)塊15號(hào)煤氣水相對(duì)滲透率變化圖

由圖4可見(jiàn)：在氣驅(qū)水前期，隨著煤柱中自由水空間含氣飽和度升高，水相相對(duì)滲透率(Krw)快速下降，氣體突破煤柱后氣相相對(duì)滲透率(Krg)增速較慢，Krw+Krg亦表現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)，表明賈敏效應(yīng)對(duì)氣水兩相滲流的影響逐漸增強(qiáng)。當(dāng)煤柱自由水空間含氣飽和度超過(guò)42.1%，Krw、Krg及Krw+Krg均趨于穩(wěn)定，此時(shí)Krw+Krg持續(xù)降低，Krw僅為0.02～0.14。當(dāng)煤柱自由水空間含氣飽和度超過(guò)85.4%，由于Krg及Krw+Krg快速增大，賈敏效應(yīng)的影響逐漸減弱。此時(shí)，大量游離氣侵占了自由水運(yùn)移的通道，使Krw近乎為0，表明高含氣飽和條件不利于煤儲(chǔ)層中壓裂液及地層水的產(chǎn)出[19-20]。

2.4含水煤樣的液測(cè)應(yīng)力敏感性特征

垂直層理方向鉆取直徑2.49cm、長(zhǎng)度3.80cm 的15號(hào)煤煤柱，30 ℃下利用巖心敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，以過(guò)濾后的TS-1井返排液為驅(qū)替液，重復(fù)進(jìn)行干燥、飽和水、50 %飽和水煤柱的液測(cè)滲透率應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)：由于飽水煤樣中單相水流動(dòng)的賈敏效應(yīng)較弱，因此凈環(huán)壓增加過(guò)程中飽水煤樣具有較高的初始液測(cè)滲透率。在凈環(huán)壓增加的初期及后期，飽水煤樣液測(cè)滲透率下降較快；當(dāng)凈環(huán)壓大于8.0MPa后，飽水煤樣的液測(cè)滲透率已低于含水50%及干燥煤樣，從加壓過(guò)程來(lái)看，飽水煤樣總體表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，含水50 %、干燥煤樣應(yīng)力敏感性依次減弱。分析原因：隨著有效應(yīng)力的增加，煤儲(chǔ)層孔裂隙壓縮引起含水煤樣中束縛水飽和度升高，導(dǎo)致液測(cè)滲透率快速下降。因此飽水煤樣具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。從卸壓過(guò)程來(lái)看，隨著凈環(huán)壓的減小，液測(cè)滲透率逐漸恢復(fù)并略低于加壓過(guò)程獲得的液測(cè)滲透率值，僅飽水煤樣加壓初始液測(cè)滲透率與卸壓終止液測(cè)滲透率差別較大，滲透率不可逆損害率達(dá)27.3%。

圖5　不同含水飽和度下15號(hào)煤液測(cè)滲透率應(yīng)力敏感性圖

對(duì)于煤層氣開(kāi)發(fā)井而言，低有效應(yīng)力條件下高含水飽和度煤儲(chǔ)層初始液相滲透率高，有利于前期壓裂液返排及壓降漏斗的擴(kuò)展。然而，由于高含水飽和度煤儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，持續(xù)排水降壓將導(dǎo)致煤基質(zhì)骨架所受有效應(yīng)力增加，束縛水飽和度增大，液相滲透率快速下降[21-22]。土城區(qū)塊所在的黔西盤縣盆地形成于高擠壓應(yīng)力背景下[9]，區(qū)域地應(yīng)力及煤儲(chǔ)層壓力呈顯著高異常。因此煤層氣井排采應(yīng)避免井筒周圍產(chǎn)生高含水飽和帶，以緩解強(qiáng)應(yīng)力敏感性對(duì)壓裂液返排的不利影響。

3　上部產(chǎn)層暴露的傷害機(jī)理及排采控制

3.1上部產(chǎn)層暴露原因及類型

結(jié)合土城區(qū)塊煤層氣井合層開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為上部產(chǎn)層暴露主要存在以下3種情況：①煤層氣井前期日排水量及環(huán)空液面降幅過(guò)快，壓降漏斗未充分?jǐn)U展，需要通過(guò)暴露上部產(chǎn)層來(lái)提高產(chǎn)氣效果；②煤層氣井經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期排采，環(huán)空液面逐漸下降至最上部產(chǎn)層頂面，為了進(jìn)一步提高或維持產(chǎn)氣效果，需通過(guò)增大日產(chǎn)水量的方式緩慢暴露上部產(chǎn)層；③當(dāng)下部存在超壓、含氣高—過(guò)飽和產(chǎn)層時(shí)，煤層氣井排水憋壓階段見(jiàn)套壓后持續(xù)憋壓，導(dǎo)致環(huán)空液面快速下降并迅速暴露上部產(chǎn)層。如土城區(qū)塊TS-1井下部293號(hào)煤層屬超壓、含氣過(guò)飽和儲(chǔ)層，加深泵掛作業(yè)后持續(xù)憋壓導(dǎo)致上部?jī)蓚€(gè)壓裂段快速暴露。

以上3種上部產(chǎn)層暴露情況，可歸納為“主動(dòng)”與“被動(dòng)”兩種類型。第1、2種是排采人員以提高合層開(kāi)發(fā)煤層氣井產(chǎn)氣效果為目標(biāo)，通過(guò)增大日產(chǎn)水量人為暴露上部產(chǎn)層，屬主動(dòng)型；第3種是為了遵循既定的排采作業(yè)制度，在排水憋壓階段被迫暴露上部產(chǎn)層，屬被動(dòng)型。與主動(dòng)型相比，被動(dòng)暴露產(chǎn)層情況下，上部產(chǎn)層中氣水兩相流態(tài)不穩(wěn)定，且產(chǎn)層暴露后套壓變化幅度大，對(duì)暴露煤儲(chǔ)層的不利影響更突出。

3.2上部產(chǎn)層暴露的儲(chǔ)層傷害機(jī)理

合層開(kāi)發(fā)煤層氣井上部產(chǎn)層暴露后，套管環(huán)空壓力即為井筒附近的煤儲(chǔ)層壓力。隨著井底流壓的下降，下部煤儲(chǔ)層氣體解吸或煤層氣井憋壓可引起套壓的持續(xù)升高，并導(dǎo)致井筒附近上部暴露煤儲(chǔ)層壓力的上升。

在上部產(chǎn)層暴露情況下，煤層氣井套壓由p0升高至p1，則環(huán)空中氣體侵入暴露煤儲(chǔ)層并驅(qū)動(dòng)自由水反向運(yùn)移，導(dǎo)致井筒周圍產(chǎn)生高含氣帶①（圖6）。

圖6　產(chǎn)層暴露后套壓波動(dòng)影響下的壓降曲線特征圖

在該高含氣帶①中，原本被煤儲(chǔ)層孔裂隙自由水占據(jù)的空間被氣體所取代，含氣飽和度升高導(dǎo)致液相滲透率快速下降，使地層水、壓裂液在該帶外圍積聚并形成高含水帶①。在高含水帶①中，煤儲(chǔ)層壓力逐漸回升，解吸的氣體逆轉(zhuǎn)為吸附狀態(tài)，導(dǎo)致含水飽和度進(jìn)一步增大。在高含水帶①內(nèi)側(cè)，由于地應(yīng)力與儲(chǔ)層壓力差值較大，且煤儲(chǔ)層含水飽和度較高，因此可形成水相滲流的應(yīng)力敏感帶，導(dǎo)致井筒周圍形成液相低滲透區(qū)①。

隨著套壓由p1持續(xù)升高至p2，氣體侵入到距井筒更遠(yuǎn)的低滲煤儲(chǔ)層中，使井筒周圍液相低滲區(qū)②面積增大。此外，高壓氣體的侵入使遠(yuǎn)井地帶低滲煤儲(chǔ)層中毛細(xì)管效應(yīng)、賈敏效應(yīng)增強(qiáng)，液相滲流的啟動(dòng)壓力梯度增大，并可能在高含氣帶②外圍形成液相滯留帶②，導(dǎo)致該帶外圍的壓裂液及地層水無(wú)法排出。

液相低滲透區(qū)②形成后，即使后期逐步降低套壓至初始值p0，由于液相低滲透區(qū)②煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性強(qiáng)，且氣水相滲產(chǎn)生較強(qiáng)的賈敏效應(yīng)，井筒附近煤儲(chǔ)層液相滲透率也難以恢復(fù)至套壓升高前的水平。特別是，當(dāng)液相滯留帶②存在時(shí)，套壓下降并未引起液相滯留帶②外圍的儲(chǔ)層壓力下降，難以起到擴(kuò)展上部暴露產(chǎn)層壓降范圍的效果。

3.3上部產(chǎn)層暴露的排采控制措施

首先，應(yīng)避免煤層氣井排水憋壓階段液面大幅下降而被動(dòng)暴露上部產(chǎn)層。當(dāng)存在超壓、含氣高—過(guò)飽和煤儲(chǔ)層時(shí)，煤層氣井排水憋壓階段套壓快速顯現(xiàn)并可產(chǎn)生較高的套壓。對(duì)于此類合層開(kāi)發(fā)煤層氣井，應(yīng)顯著降低見(jiàn)套壓前的液面及流壓降幅，延長(zhǎng)見(jiàn)套壓前的排水時(shí)間，盡可能在套壓顯現(xiàn)前排出更多的地層水及壓裂液。見(jiàn)套壓后，應(yīng)控制套壓上升幅度，避免套壓持續(xù)升高造成上部產(chǎn)層被動(dòng)暴露。當(dāng)套壓接近設(shè)定的憋壓上限時(shí)，應(yīng)通過(guò)逐步增大日產(chǎn)氣量的方式穩(wěn)定套壓在憋壓范圍內(nèi)。

其次，為了提高合層開(kāi)發(fā)產(chǎn)氣效果，可在套壓降至0.5MPa后主動(dòng)緩慢暴露上部產(chǎn)層，但應(yīng)盡量延長(zhǎng)上部產(chǎn)層暴露前的排采時(shí)間。煤層氣井排采時(shí)間長(zhǎng)，各項(xiàng)排采指標(biāo)逐漸趨于穩(wěn)定，產(chǎn)層中更易于形成穩(wěn)定的氣水兩相滲流，有利于緩解上部產(chǎn)層暴露后不穩(wěn)定兩相滲流的影響。此外，在較高套壓下暴露上部產(chǎn)層對(duì)套壓變化起到一定的緩沖作用，降低了后續(xù)排采中套壓快速大幅波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

再次，上部產(chǎn)層主動(dòng)暴露后，應(yīng)盡可能避免套壓的快速波動(dòng)，杜絕套壓的大幅回升，避免“氣侵”導(dǎo)致井筒周圍形成液相低滲區(qū)，對(duì)近井地帶煤儲(chǔ)層造成永久性傷害。暴露上部產(chǎn)層后，通過(guò)緩慢降低流壓，逐步增大日產(chǎn)氣量的方式保持套壓穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)現(xiàn)套壓有回升趨勢(shì)時(shí)，通過(guò)人工或自動(dòng)控制平臺(tái)及時(shí)減小液面降幅或穩(wěn)定流壓[23]，并通過(guò)逐步調(diào)整日產(chǎn)氣量來(lái)穩(wěn)定套壓，杜絕套壓的大幅回升。

4　結(jié)論

1）煤層氣井排采過(guò)程中，隨著低滲煤儲(chǔ)層孔裂隙中游離氣量增多、氣泡變大，氣水兩相滲流所產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)增強(qiáng)。此時(shí)，水相滲流的啟動(dòng)壓力梯度增大，水相滲透率亦快速下降，地層水及壓裂液難以排出，壓降漏斗擴(kuò)展困難，是導(dǎo)致煤層氣井難以高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要原因。

2）合層開(kāi)發(fā)煤層氣井上部產(chǎn)層暴露可分為“主動(dòng)”與“被動(dòng)”兩種類型。上部產(chǎn)層被動(dòng)暴露后，套壓持續(xù)回升導(dǎo)致氣體“反侵”入暴露煤儲(chǔ)層，井筒周圍依次形成高含氣帶、液相滯留帶、應(yīng)力敏感帶、高含水帶，近井地帶形成液相低滲區(qū)，使地層水、壓裂液難以排出，將導(dǎo)致上部暴露產(chǎn)層產(chǎn)水、產(chǎn)氣量快速下降。

3）當(dāng)合層開(kāi)發(fā)煤層氣井存在超壓、含氣高—過(guò)飽和煤儲(chǔ)層時(shí)，見(jiàn)套壓前應(yīng)盡可能延長(zhǎng)排水時(shí)間；見(jiàn)套壓后，應(yīng)控制套壓上升幅度，避免套壓持續(xù)升高而造成上部產(chǎn)層被動(dòng)暴露。為了提高煤層氣井合層開(kāi)發(fā)的產(chǎn)氣效果，可在套壓降至0.5MPa后主動(dòng)緩慢暴露上部產(chǎn)層。上部產(chǎn)層主動(dòng)暴露后，應(yīng)盡可能避免套壓的快速波動(dòng)，杜絕套壓的大幅回升以免對(duì)暴露產(chǎn)層造成永久性傷害。

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(修改回稿日期2016-03-15編輯韓曉渝)

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目“煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)形成與排采控制機(jī)理研究”（編號(hào): 51204162）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金資助項(xiàng)目“煤層氣—煤型氣疊合型氣藏成藏機(jī)理與地質(zhì)預(yù)測(cè)方法研究”（編號(hào): 41272154）、貴州省科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目“貴州省煤層氣地面抽采關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范”（編號(hào): 黔科合重大專項(xiàng)字〔2014〕6002號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：周效志，1982年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士；主要從事煤層氣地質(zhì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)研究工作。地址: （221116）江蘇省徐州市大學(xué)路1號(hào)。ORCID: 0000-0001-7806-6112。E-mail: cumtzxz@163.com

通信作者：桑樹(shù)勛，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，博士。電話: (0516)83590259。E-mail: shuxunsang@163.com