鄭力會(huì)，陶秀娟,2，魏攀峰，吳 通，劉 皓，曹章敬

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249; 2.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710021; 3.北京力會(huì)瀾博能源技術(shù)有限公司，北京 102200)

煤系是指有共生成因關(guān)系且含有煤層或煤線的沉積巖系。煤系儲(chǔ)層不是單一巖性，包括砂巖、泥頁(yè)巖、煤巖、碳酸鹽巖等，形成煤系致密砂巖氣、頁(yè)巖氣、煤層氣、碳酸鹽巖氣等，多種類型天然氣共存。煤系分布廣泛，天然氣儲(chǔ)量巨大，是近年來倍受關(guān)注的天然氣勘探開發(fā)新領(lǐng)域。鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊是中國(guó)典型的煤系氣區(qū)塊[1]，經(jīng)過5 a勘探開發(fā)，產(chǎn)量取得突破，有可能成為我國(guó)天然氣供給的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)[2]。

秦勇等[3]研究了實(shí)鉆信息，發(fā)現(xiàn)臨興地區(qū)古生界煤系中與煤層疊置存在的砂巖大約有8層、泥頁(yè)巖有15層、碳酸鹽巖有3層，多種巖性儲(chǔ)層共存;孔隙度范圍1.2%～17.5%，其中2%～10%占60%以上;滲透率主要分布10-21～10-15m2，其中0.5×10-15m2以低占80%以上，低孔低滲特性明顯;厚度有的13.1 m，有的只有5.2 m甚至1 m或更薄，儲(chǔ)層厚度差別較大(圖1)。層多、低孔低滲且差異性大、儲(chǔ)層厚度差異性大，成為煤系儲(chǔ)層傷害類型和程度評(píng)價(jià)需要重點(diǎn)攻關(guān)的目標(biāo)。

圖1 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊上古生界煤系地層柱狀[3]Fig.1 Comprehensive borehole column of Upper Paleozoic coal measures in Linxing block,Ordos Basin,China[3]

然而，煤系氣地質(zhì)條件比較復(fù)雜。對(duì)工程而言，層多層薄是施工重點(diǎn)考慮的因素。由于低孔低滲儲(chǔ)層需要壓裂增產(chǎn)，無法避免同時(shí)貫穿多個(gè)儲(chǔ)層，客觀上必須合采[4]。同樣，由于低孔低滲，提高開采效益需要同一井眼壓裂多個(gè)儲(chǔ)層增加單井產(chǎn)量，主觀上必需合采。主客觀因素認(rèn)為，聯(lián)探并采煤系氣是大勢(shì)所趨[5]。但是，實(shí)踐中有諸多科學(xué)難題和工程挑戰(zhàn)，制約著開發(fā)理論和開采技術(shù)跨越式發(fā)展。

煤系氣儲(chǔ)滲空間、巖石組分、流體性質(zhì)、流體能量、天然氣賦存分布、氣藏環(huán)境和儲(chǔ)層巖石性質(zhì)，具有典型的非均質(zhì)特性，致使力學(xué)特征和滲流特征非均質(zhì)。對(duì)工程而言，看似是開采一個(gè)儲(chǔ)層，由于非均質(zhì)性強(qiáng)、實(shí)質(zhì)上是合采多個(gè)儲(chǔ)層。合采過程中，儲(chǔ)層傷害程度是勘探開發(fā)過程必須考慮的關(guān)鍵因素。如果利用單一儲(chǔ)層或者單層均質(zhì)巖性儲(chǔ)層常用的滲透率變化評(píng)價(jià)儲(chǔ)層潛在傷害因素，因不同特征儲(chǔ)層的測(cè)量參數(shù)(如長(zhǎng)度、過流面積等)不一致，合采時(shí)儲(chǔ)層滲透率不能任取其中一個(gè)儲(chǔ)層的參數(shù)計(jì)算，儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)公式中傷害前后的滲透率無法得到，儲(chǔ)層傷害程度無法計(jì)算，定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害程度沒有具體的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。然而，滲透率是當(dāng)前技術(shù)條件下尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、優(yōu)化單井產(chǎn)量、優(yōu)選作業(yè)技術(shù)不可或缺的參數(shù)之一。為此，必須創(chuàng)新測(cè)試方法，以解決多層合采儲(chǔ)層滲透率無法測(cè)量、儲(chǔ)層傷害程度無法評(píng)價(jià)的難題。

例如，有的研究者將多個(gè)巖樣置于同一容器內(nèi)同時(shí)測(cè)量，然后用平均進(jìn)口壓力和平均滲流面積獲得平均滲透率作為儲(chǔ)層滲透率[6];有的用試井獲得的射孔段儲(chǔ)層滲透率擬合全井的生產(chǎn)曲線，研究多氣合采的單井產(chǎn)量[7]。這些方法的實(shí)質(zhì)是將非均質(zhì)儲(chǔ)層滲透率求平均，獲得平均滲透率。然而，平均法忽略了非均質(zhì)性是煤系儲(chǔ)層最主要特征的事實(shí)，假想或者虛擬一個(gè)等效的均質(zhì)地層，從本質(zhì)上把煤系儲(chǔ)層均質(zhì)化了，造成單井開發(fā)方案與實(shí)際符合程度低以及工程參數(shù)獲取不合理等，影響了勘探開發(fā)效益。

再如，為了獲得真實(shí)的地層滲透率，不少研究者用巖芯柱塞測(cè)得多個(gè)單儲(chǔ)層原始滲透率，通過數(shù)值模擬方法研究單井的合采產(chǎn)量。但這種方法忽略了不同儲(chǔ)層產(chǎn)出的流體進(jìn)入井筒后，滲透率差異對(duì)井筒中不同產(chǎn)層產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的影響，需要重新建立平衡系統(tǒng)，流體流動(dòng)狀態(tài)重新分布，井筒中的機(jī)械設(shè)備也會(huì)參與其中，致使產(chǎn)量也會(huì)有所變化[8]。而且這種滲透率的獲得方法，本身就忽略了多氣合采非均質(zhì)壓力特性間的相互作用。

為了消除或弱化上述影響，研究者在測(cè)試方法改進(jìn)方面做了大量努力。例如，為研究柴達(dá)木盆地澀北氣田砂巖氣藏的產(chǎn)能特征和動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量，并聯(lián)2個(gè)分別與地層滲透率相近的巖芯柱塞測(cè)試2層合采的壓力和流量，支持了氣井合采生產(chǎn)[9]。但是，僅考慮儲(chǔ)層的滲透率研究產(chǎn)量，不適用于煤系儲(chǔ)層的多類非均質(zhì)特性。僅僅考慮滲透率的設(shè)備也無法用于評(píng)價(jià)外來因素造成的儲(chǔ)層傷害，進(jìn)而優(yōu)選工程作業(yè)流體。因此，青海油田利用研制的多層合采井分壓測(cè)試技術(shù)，分層測(cè)試澀北氣田合采井，再用常規(guī)方法解釋儲(chǔ)層傷害程度，認(rèn)為合采時(shí)各單層的生產(chǎn)壓差差異較大[10]，從實(shí)測(cè)角度證明了僅考慮滲透率評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

總的來看，以往測(cè)試方法往往采取單層評(píng)價(jià)疊加求平均或者其他替代方法，其實(shí)質(zhì)都是數(shù)學(xué)平均法，無法兼顧煤系合采儲(chǔ)層非均質(zhì)性，造成生產(chǎn)實(shí)際與事先評(píng)價(jià)結(jié)果差距較大，合采儲(chǔ)層傷害因素不明確。因此，必須提出新的評(píng)價(jià)指標(biāo)來測(cè)試合采時(shí)內(nèi)外因素造成的產(chǎn)量下降程度。

由于煤系合采滲透率無法直接測(cè)定及不宜加權(quán)計(jì)算，筆者考慮采用試井、試采或者生產(chǎn)獲得的氣井產(chǎn)量為參照，通過調(diào)整模擬系統(tǒng)柱塞圍壓獲得相當(dāng)?shù)奈锢砟M合采流量，即“等當(dāng)氣井產(chǎn)量”，以此研究產(chǎn)量降低的程度、影響因素及作用機(jī)理?；谶@一思路，引入了多儲(chǔ)層開采產(chǎn)能傷害物理模擬系統(tǒng)。按照實(shí)際完井方式，以恒壓法或者恒流量法替代傳統(tǒng)滲透率測(cè)量，模擬多種巖性儲(chǔ)層、多種壓力下同時(shí)進(jìn)入井筒的流體流動(dòng)狀態(tài)。通過在不同測(cè)點(diǎn)安裝壓力與流量測(cè)量裝置，計(jì)算合采產(chǎn)層組中單儲(chǔ)層滲透率，測(cè)量單層生產(chǎn)壓差、井筒壓力等參數(shù)變化，創(chuàng)新了天然氣合采儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)測(cè)試手段[11]，為煤層氣合采適宜方法選擇提供了依據(jù)[12]。

以這套系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合需求者既要單層數(shù)據(jù)還要整體數(shù)據(jù)的目標(biāo)，按實(shí)際地層調(diào)整獨(dú)立模塊，希望較為切合實(shí)際地反映多層合采時(shí)天然氣在地層和井筒中的流量和壓力，計(jì)算主要流動(dòng)參數(shù)，反映天然氣流動(dòng)特征，進(jìn)而有效地評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害相關(guān)類型和程度，從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的角度，支撐產(chǎn)量傷害的機(jī)理研究和控制方法優(yōu)選。

1 物理模擬系統(tǒng)主要功能

模擬系統(tǒng)由供氣裝置、巖芯柱塞夾持器組、壓力表、流量表、溫度表、連接管線、氣體匯集容器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)等組成(圖2)。評(píng)價(jià)煤系氣合采產(chǎn)量涉及儲(chǔ)層壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，都可以在系統(tǒng)中設(shè)置。實(shí)際操作過中按四大模塊管理。

圖2 多儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of physical simulation system for multi reservoir gas recovery

(1)高壓獨(dú)立氣源模塊。配備5個(gè)獨(dú)立氣瓶，輔以充氣增壓裝置和出口穩(wěn)壓控制裝置。按照正常地層壓力系數(shù)設(shè)計(jì)，最高壓力45 MPa可以模擬垂深4 500 m油氣藏。可使用地層水或氮?dú)夥謩e模擬地層水相和氣相介質(zhì)。利用穩(wěn)壓控制裝置調(diào)節(jié)地層入口流體壓力使其接近實(shí)際儲(chǔ)層壓力，模擬多個(gè)儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)共存的合采工況。相比于單一恒體積氣瓶供氣，供氣初始?jí)毫Ω撸覍?shí)現(xiàn)長(zhǎng)期恒壓供氣。當(dāng)然，通過調(diào)壓閥控制壓力下降的速率，也可以模擬油氣藏衰竭過程中地層產(chǎn)量和壓力變化數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)多儲(chǔ)層合采過程中地層壓力衰減過程產(chǎn)量傷害。

(2)獨(dú)立巖樣測(cè)試模塊。由5組φ25～φ100 mm巖樣柱塞夾持器，輔以溫度控制套組成，也可以根據(jù)合采產(chǎn)層數(shù)量增加或者不使用，試樣直徑可選擇。依據(jù)SY/T 5358-2010儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，φ25和φ38 mm巖芯柱塞均能滿足測(cè)試要求。考慮煤系巖芯鉆孔尺寸較小，數(shù)量有限，煤系儲(chǔ)層傷害研究中，根據(jù)獲取的巖芯體積，2種直徑的巖芯柱塞隨實(shí)際鉆取情況作為測(cè)試樣品。既滿足了測(cè)試規(guī)范對(duì)巖芯尺度的要求，又協(xié)調(diào)了測(cè)試巖芯需求量大和現(xiàn)場(chǎng)鉆取巖芯數(shù)量不足的矛盾。同時(shí)，室內(nèi)所測(cè)試巖芯柱塞盡可能大，通過管線連接，實(shí)現(xiàn)地下儲(chǔ)層開采方式模擬，可以并聯(lián)任意數(shù)量?jī)?chǔ)層、任意巖性儲(chǔ)層，也可以串聯(lián)任意含裂縫巖芯柱塞，用于模擬不同巖性、不同厚度、不同溫度儲(chǔ)層合采流體流動(dòng)情況，評(píng)價(jià)基質(zhì)、裂縫中流體流動(dòng)對(duì)產(chǎn)量的傷害。相比于只考慮溫度和壓力的巖芯夾持器，本系統(tǒng)對(duì)地層環(huán)境因素考慮相對(duì)全面，便于獲取多因素作用下測(cè)量數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)合理的開采工藝或者研究層間相互作用規(guī)律提供支持。砂巖、煤巖或者泥頁(yè)巖流量計(jì)精度都達(dá)萬(wàn)分位，滿足低滲儲(chǔ)層的儲(chǔ)層敏感性分析需要。

(3)井筒測(cè)試模塊。每組巖芯柱塞附帶一個(gè)井筒，通過管線系統(tǒng)，調(diào)節(jié)井筒出口回壓閥實(shí)現(xiàn)井口壓力控制，計(jì)量流量和壓力，獲得地層流體進(jìn)入井筒后的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。煤系氣采用的開采方式較多，考慮多層一井合采，也考慮一層一井開采，預(yù)留多個(gè)井筒。這樣，既可以測(cè)量單個(gè)井筒中的壓力和流量，也可測(cè)量多個(gè)井筒的壓力和流量，用于研究同一井筒中的層間干擾、井筒內(nèi)流體的流動(dòng)特征，也可以研究多井開采同一個(gè)地層的井間干擾，以支持整體開采技術(shù)優(yōu)化。由于考慮了井筒內(nèi)流體壓力重新分布，獲得的信息更全面，支持了從儲(chǔ)層到井筒整體動(dòng)態(tài)研究需要。

(4)參數(shù)采集模塊。主要是采用符合儲(chǔ)層供氣面積與油管比例的1 mm管線，把地層和井筒連接起來。整個(gè)流動(dòng)過程任意連接位置可以安裝流量計(jì)和壓力計(jì)并與計(jì)算機(jī)連接，自動(dòng)采集，時(shí)間步長(zhǎng)可以自行設(shè)計(jì)?？紤]煤系多為低孔低滲儲(chǔ)層，產(chǎn)量低意味著流量小，采用萬(wàn)分位表，提高測(cè)量精度。相比于單個(gè)夾持器計(jì)量無阻狀態(tài)壓差或者直接加回壓測(cè)試的傳統(tǒng)方法，本系統(tǒng)更多地考慮了井筒內(nèi)相互作用流量和壓力測(cè)量，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更為接近。

2 模擬測(cè)試系統(tǒng)典型應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)經(jīng)過上百次調(diào)試，自身摩阻和精度穩(wěn)定，除了為非均質(zhì)油氣儲(chǔ)層完成產(chǎn)量傷害測(cè)試外，為煤系氣合采儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)操作規(guī)范的建立、井筒內(nèi)流體混合傷害類型發(fā)現(xiàn)以及控制儲(chǔ)層傷害的鉆完井流體優(yōu)選提供了測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.1 煤系儲(chǔ)層合采敏感性評(píng)價(jià)新標(biāo)準(zhǔn)的建立

在傳統(tǒng)模擬方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，煤系氣合采儲(chǔ)層長(zhǎng)度和過流面積不能準(zhǔn)確選擇，影響合采儲(chǔ)層傷害客觀評(píng)價(jià)。針對(duì)這一問題，利用多儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)，在室溫及變地層壓力(14，16，18，20 MPa)條件下，加載φ25 mm巖樣柱塞和裂縫夾持器，用氮?dú)饽M砂巖、煤巖、頁(yè)巖、碳酸鹽巖合采，井口油壓2 MPa。恒流量法測(cè)試每一枚巖芯柱塞出入口端的壓力和流量，同時(shí)測(cè)定出口的總流量。

采用臨興煤系樣品進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，擬合每枚巖芯柱塞在不同壓力下的流量，發(fā)現(xiàn)不同地層物性條件下，儲(chǔ)層滲透率與儲(chǔ)層壓力的乘積(本文稱之為滲壓積)與流量都有較高的相關(guān)性(圖3)。油藏工程研究認(rèn)為，地層壓力在15 MPa以上和以下流動(dòng)方程不同，造成產(chǎn)量公式不同[13]。但本系統(tǒng)模擬結(jié)果顯示，煤系氣開采不存在這一地層壓力界線，無論壓力高低都是服從一個(gè)統(tǒng)一的二元一次方程。

圖3 氣體流量與滲壓積關(guān)系Fig.3 Relationship between gas flow and product of permeability and pressure

另一方面，對(duì)于不同的巖性，儲(chǔ)層合采時(shí)相同氣體流量下的儲(chǔ)層滲壓積不同，合采效果使用流量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，數(shù)據(jù)可直接測(cè)得，省略了計(jì)算過程，降低了理論誤差。利用臨興煤系樣品，進(jìn)一步采用該模擬系統(tǒng)分析單采及合采效果，發(fā)現(xiàn)單層開采條件下滲透率損失率與流量損失率相近，差值小于3%，模擬實(shí)驗(yàn)條件和具體數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[14]，綜合對(duì)比結(jié)果如圖4所示。因此，對(duì)于煤系氣開采，可使用合采流量替代滲透率作為評(píng)價(jià)儲(chǔ)層傷害的依據(jù)，解決了以往煤系氣合采時(shí)產(chǎn)層長(zhǎng)度和過流面積無法選擇而無法獲得滲透率的難題，為煤系儲(chǔ)層合采敏感性評(píng)價(jià)新標(biāo)準(zhǔn)的建立提供基礎(chǔ)原理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 單層及3層合采條件下3種傷害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Fig.4 Comparison of three demange degree evaluation indicators under single and three-layer combined mining

2.2 煤系氣合采儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害新類型

為了分析合采產(chǎn)量損失機(jī)理，采用多儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)獲得流量數(shù)據(jù)，據(jù)此開展數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了煤系氣合采產(chǎn)量損失新類型。

鉆取12枚直徑25，38 mm的臨興地區(qū)煤系砂巖和煤巖巖芯柱塞模擬地層，以直徑50 mm、高500 mm圓管模擬產(chǎn)層段井筒結(jié)構(gòu)，以地層和井筒出口氣體流速表征地層與井筒產(chǎn)量。參考巖芯柱塞實(shí)際鉆取地層的試井?dāng)?shù)據(jù)，設(shè)定巖芯柱塞圍壓為14～18 MPa，地層溫度40～50 ℃，入口壓力12～14 MPa。調(diào)整井筒出口節(jié)流孔徑至出口壓力穩(wěn)定在5 MPa左右，井筒出口接入大氣。控制柱塞入口壓力穩(wěn)定，12枚柱塞兩兩組合，開展6組砂巖和煤層單采與合采對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲取壓力、流量等測(cè)試值，以作為數(shù)值模擬的初邊界條件。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示:① 砂巖與煤層單采柱塞出口氣量187.57～2 553.50 mL/min，2層合采柱塞出口氣量157.79～2 358.07 mL/min，合采產(chǎn)量損失率0.32%～15.88%;② 砂巖與煤層單采井筒出口氣量1 153.25～2 741.07 mL/min，2層合采井筒出口氣量1 108.67～2 515.86 mL/min，合采井筒產(chǎn)量損失率1.85%～8.22%。

利用FLUENT軟件建立2層合采井筒產(chǎn)量模擬方法[15]，設(shè)置油管長(zhǎng)度(1～10 m)、井筒直徑(0.05～0.15 m)、井筒出口壓力(0.1～2.0 MPa)、井筒出口節(jié)流孔徑(1～3 mm)、井筒與地層溫度差(0～20 ℃)等5個(gè)井筒因素，以上述模擬實(shí)驗(yàn)流量數(shù)據(jù)為約束，分析地層與井筒空間內(nèi)氣體流線、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布的關(guān)系(圖5)。

圖5 單層單采和雙層合采速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)分布云圖Fig.5 Velocity field and pressure field in single-layer production and two-layer commingled production modes

計(jì)算地層中氣體流動(dòng)熵產(chǎn)大小，從氣體流動(dòng)能量角度，建立了煤系氣合采時(shí)地層與井筒中熵產(chǎn)計(jì)算模型。設(shè)計(jì)2層合采時(shí)儲(chǔ)層溫度、長(zhǎng)度穩(wěn)定不變，定義2層合采單層熵?fù)p系數(shù)ΔST，表征恒溫條件下2層合采時(shí)單個(gè)儲(chǔ)層、單位長(zhǎng)度內(nèi)熵產(chǎn)損失量:

式中，ΔS為合采單層熵產(chǎn)損失值，J/K;T為氣體溫度，K;L為地層長(zhǎng)度,mm;pwt為合采時(shí)出口壓力，MPa;pwd為單采時(shí)出口壓力，MPa。

2層合采模式中，儲(chǔ)層與井筒組成整體空間，通過疊加多個(gè)儲(chǔ)層合采單層熵?fù)p系數(shù)，得到合采總熵?fù)p系數(shù)ST為

式中，ΔSTi為合采第i儲(chǔ)層的熵?fù)p系數(shù)，J。

結(jié)果如圖6所示，除儲(chǔ)層D1的合采單層熵?fù)p系數(shù)小于0，其余11個(gè)儲(chǔ)層合采單層熵?fù)p系數(shù)均大于0，分布范圍1.19～15.19 J。也就是說，相對(duì)于單層單采，煤系氣合采儲(chǔ)層熵產(chǎn)損失普遍存在，但不同儲(chǔ)層熵產(chǎn)損失程度不同。6套合采組合總熵?fù)p系數(shù)分布在7.18～28.15 J，均大于0，表明合采相對(duì)于單層單采存在額外的氣體流動(dòng)能量損耗。

圖6 合采過程單層及雙層熵?fù)p系數(shù)分布Fig.6 Distribution of entropy loss coefficient of single and two-layer commingled process

分析認(rèn)為，煤系氣合采時(shí)，多儲(chǔ)層來源氣體從不同壓力系統(tǒng)匯入井筒空間后相互干擾，反作用于儲(chǔ)層中氣體流動(dòng)，增大了氣體流動(dòng)能量損耗，降低了產(chǎn)氣能力，引發(fā)井筒產(chǎn)量傷害，本文稱之為“混合傷害”。這一發(fā)現(xiàn)，豐富了對(duì)煤系氣合采傷害或干擾現(xiàn)象的理論認(rèn)識(shí)，為研發(fā)產(chǎn)量損失控制措施提供了更多考慮的因素。

2.3 煤系氣合采鉆完井流體優(yōu)化選擇的依據(jù)

鉆井流體密度可能是造成合采儲(chǔ)層傷害原因。為了回答這一現(xiàn)場(chǎng)問題，利用本文物理模擬系統(tǒng)，對(duì)比評(píng)價(jià)了臨興地區(qū)在用3種鉆井流體(聚合物A體系，密度1.18 g/cm3;聚合物B體系，密度1.26 g/cm3;絨囊流體，密度0.89 g/cm3)對(duì)合采儲(chǔ)層的傷害程度[17]。

模擬條件為:室溫，地層壓力分別為14，16，18和20 MPa，加載φ25 mm巖樣柱塞和裂縫夾持器，用氮?dú)饽M砂巖、煤巖、頁(yè)巖和碳酸鹽巖4類儲(chǔ)層合采過程，井筒油管壓力2 MPa，圍壓12～18 MPa。采用恒壓法，模擬測(cè)試上述3種鉆井流體分別在4種不同壓力儲(chǔ)層中的開采過程，記錄鉆井流體出口端壓力和流量，計(jì)算滲透率恢復(fù)值，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種鉆井流體合采過程儲(chǔ)層傷害程度對(duì)比Fig.7 Comparison of reservoir damage degree under three drilling fluids in commingled production mode

由圖7可以看出，不同鉆井流體作用下，儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)能力不同。其中，對(duì)于不同的儲(chǔ)層，絨囊流體的滲透率恢復(fù)能力普遍大于85%，聚合物A和聚合物B流體的滲透率恢復(fù)50%～75%?；诮q囊流體封堵穩(wěn)定井壁[16]及儲(chǔ)層保護(hù)的特殊功能[17]，有可能在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此，模擬結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)多層合采過程中鉆井流體的選擇提供了依據(jù)，為臨興煤系儲(chǔ)層專用鉆井流體提供技術(shù)儲(chǔ)備。

3 存在問題及發(fā)展方向

用多儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)，通過測(cè)量任意儲(chǔ)層合采時(shí)單個(gè)儲(chǔ)層開采時(shí)的流量和壓力，進(jìn)而為煤系氣合采行為評(píng)價(jià)提供新的依據(jù)。除了上述3個(gè)方面應(yīng)用外，也通過模擬砂巖2層接替過程發(fā)現(xiàn)，接替壓力最大時(shí)干擾程度最低，建議現(xiàn)場(chǎng)選擇地層打開初期作為接替時(shí)機(jī)[18];測(cè)試了砂巖與頁(yè)巖2層合采效果，發(fā)現(xiàn)合采儲(chǔ)層物性及壓力差異會(huì)導(dǎo)致層間干擾，建議現(xiàn)場(chǎng)以控制井口壓力及儲(chǔ)層滲透率差最低來實(shí)現(xiàn)合采工藝參數(shù)優(yōu)化和地層組合優(yōu)選[19]。

盡管本文物理模擬系統(tǒng)在解決現(xiàn)場(chǎng)問題中得到較為廣泛的應(yīng)用，但目前僅提供了壓力和流量基本數(shù)據(jù)，存在很大的完善和發(fā)展空間:

(1)模擬數(shù)據(jù)使用深度不夠，存在精細(xì)挖掘的潛力。煤系氣開采產(chǎn)量傷害所提供的流量和壓力，可以進(jìn)一步成為數(shù)值模擬產(chǎn)量和壓力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為煤系合采增產(chǎn)提供更有力的支持[20]。

(2)模擬系統(tǒng)開發(fā)廣度不夠，需要為解決更多的工程問題提供依據(jù)。目前模擬實(shí)驗(yàn)研究停留在小尺度巖樣基礎(chǔ)上，合采層數(shù)已可增至5層，但仍可考慮更大尺度下的測(cè)試數(shù)據(jù)，解決尺度效應(yīng)和非均質(zhì)儲(chǔ)層效應(yīng);還可以用于水平井不同井段的產(chǎn)量測(cè)試和定向井穿多層的產(chǎn)量測(cè)試，為研究非均質(zhì)儲(chǔ)層流體流動(dòng)提供更多測(cè)試數(shù)據(jù);可以用于評(píng)價(jià)非均質(zhì)儲(chǔ)層封堵材料的適用性。除了工程數(shù)據(jù)測(cè)試外，還可以用于提采測(cè)試[21]，特別是非均質(zhì)儲(chǔ)層的封堵優(yōu)勢(shì)通道液流轉(zhuǎn)向。

(3)模擬系統(tǒng)為解決現(xiàn)場(chǎng)問題所提供的信息可以進(jìn)一步豐富。煤系氣生產(chǎn)過程中(特別是生產(chǎn)前期)多是產(chǎn)水的，測(cè)試系統(tǒng)可以模擬水氣同時(shí)注入條件下水氣相互影響規(guī)律[22]，同樣也可以測(cè)試由外來工作液與地層水不配伍產(chǎn)生的無機(jī)垢所造成的地層傷害?？紤]到煤系儲(chǔ)層特殊性，還可以結(jié)合吸附/解吸、擴(kuò)散等因素模擬產(chǎn)量傷害。

當(dāng)然，模擬系統(tǒng)本身還有進(jìn)一步完善改進(jìn)的空間，如提供更多的數(shù)據(jù)處理計(jì)算方法，豐富圖形化數(shù)據(jù)顯示方式等。

4 結(jié) 論

(1)多儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)用于煤系氣合采產(chǎn)量損失研究，獲得了合適的推薦測(cè)試方法，發(fā)現(xiàn)了新的產(chǎn)量傷害類型，優(yōu)選出適合現(xiàn)場(chǎng)的鉆完井流體，表明模擬系統(tǒng)適合于非均質(zhì)儲(chǔ)層合采行為分析研究，為優(yōu)化煤系氣合采技術(shù)提供可靠依據(jù)。

(2)多儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)在煤系氣合采領(lǐng)域的應(yīng)用，為煤系地層合采過程中儲(chǔ)層傷害控制理論、方法和工藝的研究提供了一套從地下、到井筒，再到地面的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法，彌補(bǔ)了煤系地層合采過程儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)方法缺乏的不足，解決了以往采用單點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果近似替代合采過程的研究現(xiàn)狀，為煤系合采過程中保護(hù)儲(chǔ)層、提高產(chǎn)能、深入挖掘機(jī)理和工藝，提供了一種可選擇的手段。

(3)多儲(chǔ)層產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)還可以用于研究煤系地層吸附狀態(tài)下、含水狀態(tài)下，不同管柱尺寸、不同開采方式下合采儲(chǔ)層的儲(chǔ)層傷害、混合傷害及其作用機(jī)理。在此基礎(chǔ)上有望為煤系合采建立系統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)，形成規(guī)范的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然而，評(píng)價(jià)參數(shù)的多樣性，促使多儲(chǔ)層開采產(chǎn)量傷害物理模擬系統(tǒng)更精細(xì)地挖掘儲(chǔ)層合采產(chǎn)量傷害系統(tǒng)所獲得的結(jié)果和現(xiàn)象，進(jìn)而從理論上和實(shí)踐中尋找依據(jù)和實(shí)例印證，為非均質(zhì)油氣資源開采，提供更有力的基礎(chǔ)理論研究手段。