賈 立，彭守建，許 江，陳捷仁，吳 斌

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;2.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0 引 言

煤層氣開(kāi)采兼具能源利用、煤礦安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等三重優(yōu)勢(shì)[1-3]。滇東-黔西煤層氣資源儲(chǔ)量約占全國(guó)10%，是繼鄂爾多斯盆地東緣和沁水盆地之后的又一煤層氣開(kāi)采甜點(diǎn)區(qū)[4]。該地區(qū)煤層具有層數(shù)多而薄、不同物性煤巖層在垂向上交替頻繁、儲(chǔ)層間存在較大能量差異等賦存特點(diǎn)，學(xué)者們稱之為“多層疊置含氣系統(tǒng)”[5]。這一復(fù)雜的賦存條件，為高效開(kāi)發(fā)煤層氣帶來(lái)了困難。鑒于此，學(xué)者們提出了單層開(kāi)采、合層開(kāi)采(合采)、接替開(kāi)采和遞進(jìn)開(kāi)采等增產(chǎn)制度，并認(rèn)為合采是一種相對(duì)理想的開(kāi)采制度[6-8]。

針對(duì)煤層氣合采方面的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了豐碩成果。在工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，美國(guó)在皮森斯盆地開(kāi)展了埋深為1 560～2 560 m的煤層氣合采試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了65口單井煤層氣產(chǎn)量穩(wěn)定在10 890 m3/d左右[9-10]；王家鵬[11]以云南老廠雨旺區(qū)塊為研究對(duì)象，指出合采過(guò)程中應(yīng)遵循“緩慢、穩(wěn)定、連續(xù)、長(zhǎng)期”的原則；孟艷軍等[12]以柳林地區(qū)為例，指出儲(chǔ)層物性差異，是造成層間干擾和流體“倒灌”的主要原因。在數(shù)值模擬試驗(yàn)方面，ZHAO等[13]獲得了兩層合采過(guò)程中的流體運(yùn)移規(guī)律，指出層間滲透率差是發(fā)生層間干擾的主要原因；趙巖龍[14]采用灰色格子 Boltzmann 方法，開(kāi)展了不同滲透率級(jí)差條件下的煤層氣合采數(shù)值模擬研究，分析了合采過(guò)程中的層間擾動(dòng)機(jī)理；張軍建[15]針對(duì)典型煤層氣井，開(kāi)展了多層合采數(shù)值模擬研究，探討了合采過(guò)程中孔滲動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。在物理模擬試驗(yàn)方面，彭守建等[16]針對(duì)疊置含氣系統(tǒng)成藏條件，研制了多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開(kāi)采試驗(yàn)裝置，探討了合采過(guò)程中的儲(chǔ)層參數(shù)變化規(guī)律；梁冰等[17]通過(guò)控制井底流壓和回壓，模擬了層間距對(duì)合采效果的影響；筆者[8]開(kāi)展了層間壓差為0.4 MPa的煤層氣合采物理模擬試驗(yàn)，探討了開(kāi)采制度對(duì)流體運(yùn)移特性的影響。

關(guān)于煤層氣合采方面的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量工作，且證實(shí)了物理模擬試驗(yàn)是一種重要的研究技術(shù)。然而，關(guān)于不同層間壓差條件下的煤層氣合采研究較少。鑒于此，本筆者通過(guò)自主研發(fā)的多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采物理模擬試驗(yàn)裝置，開(kāi)展不同層間壓差條件下的煤層氣合采試驗(yàn)，以探究?jī)?chǔ)層流體動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，并系統(tǒng)分析層間壓差對(duì)低壓儲(chǔ)層的壓力、流體和產(chǎn)氣的擾動(dòng)機(jī)理。

1 模擬試驗(yàn)方法

1.1 模擬試驗(yàn)裝置

煤層氣合采試驗(yàn)，采用重慶大學(xué)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開(kāi)采物理模擬試驗(yàn)裝置開(kāi)展。裝置主要包括疊置煤層試件箱體、主體承載支架、油泵加載系統(tǒng)、煤層氣開(kāi)采系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)[7]，可以在室內(nèi)模擬不同埋深、儲(chǔ)層壓力、層間距等條件下的煤層氣合采全過(guò)程，并能同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集儲(chǔ)層壓力、煤體溫度、煤體變形和產(chǎn)氣量等多物理場(chǎng)參數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣開(kāi)采物理模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 Physical simulation test device for commingled production of multi-layer superimposed CBM system

疊置煤層試件箱體是在單一煤層試件箱體的基礎(chǔ)上重新升級(jí)改造而成[19]，試件箱體內(nèi)部容積由原來(lái)的1 050 mm×410 mm×410 mm調(diào)整為1 050 mm×400 mm×400 mm，通過(guò)增加箱體壁厚度來(lái)提高箱體承載能力和提高其密封能力，箱體最大加載應(yīng)力為10 MPa，最大密封壓力為6 MPa。試件箱體底部重新設(shè)計(jì)加工了4個(gè)獨(dú)立的透氣鋼板，保證煤層充氣吸附過(guò)程可獨(dú)立進(jìn)行，同時(shí)，使得事件箱體由原先的“一井采一層”升級(jí)為“一井采四層”，即試件箱體內(nèi)部可鋪設(shè)4套獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)，每個(gè)煤儲(chǔ)層體積為212 mm×380 mm×390 mm。試件箱體內(nèi)部有效尺寸大，能降低邊界效應(yīng)的影響。此外，相鄰煤儲(chǔ)層之間、箱體四壁與煤儲(chǔ)層之間均設(shè)置隔水阻氣層(圖2)，從而為構(gòu)建擁有4套不同壓力系統(tǒng)的疊置煤層提供硬件基礎(chǔ)。

1.2 煤層設(shè)計(jì)及模擬材料

針對(duì)黔西地區(qū)疊置煤層具有“煤層數(shù)多、煤層薄、煤層累計(jì)厚度大”的特點(diǎn)，且合采層數(shù)以4層居多[6-8,20]，因此，從4層煤儲(chǔ)層疊置出發(fā)，研究4層合采過(guò)程中的流體動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。結(jié)合試驗(yàn)裝置特點(diǎn)，構(gòu)思了疊置煤層示意圖，如圖2a所示。即煤層由上至下依次設(shè)計(jì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)煤層，煤層之間鋪設(shè)隔水阻氣相似材料，起到隔水阻氣的作用。

圖2 煤層設(shè)計(jì)Fig.2 Coal seam design

模擬材料的選取主要包括煤儲(chǔ)層型煤相似材料和隔層相似材料。①型煤相似材料的配制，試驗(yàn)煤樣取自貴州省金佳煤礦，型煤由不同粒徑(0～0.15 mm，0.15～0.18 mm，0.18～0.25 mm，0.25～0.425 mm)的原煤煤粉、石膏和乳白膠按一定的質(zhì)量比配比而成[4]。乳白膠主要作用是增強(qiáng)煤樣塑性，石膏粉的作用是增強(qiáng)煤樣強(qiáng)度。②隔水阻氣相似材料的選取，疊置煤層之間常發(fā)育有高度隔水阻氣作用細(xì)粒碎屑巖致密巖層，使得垂向上不同煤儲(chǔ)層之間水力相互封閉，因此，隔水阻氣層材料選取封隔性強(qiáng)的黏土，選用重慶市歌樂(lè)山的黃泥作為隔層相似材料骨料，同時(shí)添加石膏和乳白膠作為配料，并按照一定的優(yōu)化配比方案配制[7]。配制的隔層相似材料具有較好的密封能力，能有效防止層間串流，其次，隔層材料的可塑性高，能夠很好的填充與設(shè)備接觸區(qū)域，使得煤儲(chǔ)層具有較好的包裹效應(yīng)，形成包裹體(圖2b)；最后，隔層材料的低強(qiáng)度特性能夠保證應(yīng)力加載過(guò)程中的應(yīng)力傳遞。型煤相似材料和隔層材料的力學(xué)與滲透特性以及優(yōu)化配比方案表以及煤樣基本物性數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)[7-8,16]。

1.3 模擬試驗(yàn)方案及步驟

儲(chǔ)層流體能量差異是影響多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采兼容性的重要因數(shù)，而層間壓差是儲(chǔ)層流體能量差異的直接反映。因此，制定層間壓差分別為0.2、0.4和0.6 MPa的3組煤層氣合采試驗(yàn)方案。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。需要指出的是：由于試件箱體較大，出于安全角度考慮，試驗(yàn)過(guò)程中使用CO2代替CH4；σHⅠ～σHⅣ分別為Ⅰ～Ⅳ號(hào)煤層最大主應(yīng)力；σv為Ⅰ～Ⅳ號(hào)煤層中間主應(yīng)力；σhⅠ～σhⅣ分別為Ⅰ～Ⅳ號(hào)煤儲(chǔ)層最小主應(yīng)力；PⅠ～PⅣ分別為Ⅰ～Ⅳ號(hào)煤儲(chǔ)層初始儲(chǔ)層壓力。

表1 模擬試驗(yàn)方案Table 1 Simulation test scheme

試驗(yàn)步驟主要包括：①型煤制備,現(xiàn)場(chǎng)取樣→破碎→篩分→烘干→攪拌。②試件成型與傳感器安裝,試件需要分4次進(jìn)行成型，每次成型過(guò)程都需要進(jìn)行傳感器的安裝，成型壓力為7.5 MPa，保壓時(shí)間為1 h，儲(chǔ)層壓力傳感器布置如圖3所示(圖中P1～P40為測(cè)點(diǎn)1～40處的壓力)。③箱體密封性檢查，煤儲(chǔ)層內(nèi)部密封性檢查借助氦氣檢查法，箱體蓋板連接處的密封性檢查借助肥皂水。④抽真空脫氣。⑤地應(yīng)力加載，各煤層的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小應(yīng)力分別加載至5、4和3 MPa[16]。⑥充氣吸附，在充氣吸附之前先進(jìn)行地應(yīng)力加載，然后再進(jìn)行充氣吸附，吸附時(shí)間48 h[7]。⑦煤層氣合采，待各煤層儲(chǔ)層壓力吸附平衡時(shí)，打開(kāi)出口閥門(mén)，進(jìn)行煤層氣合采。⑧合采結(jié)束后改變?cè)囼?yàn)方案，并開(kāi)展下一次試驗(yàn)。

圖3 傳感器布置示意Fig.3 Sensor layout

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 合采過(guò)程中儲(chǔ)層壓力動(dòng)態(tài)演化特征

基于前期對(duì)儲(chǔ)層壓力時(shí)空演化規(guī)律[18]的認(rèn)識(shí)，可知儲(chǔ)層壓力在X、Y、Z方向的演化特征具有相似性。因此，以X軸向的測(cè)點(diǎn)為例，分析合采過(guò)程中的儲(chǔ)層壓力動(dòng)態(tài)演化，如圖4所示。根據(jù)圖4a可知，Ⅳ號(hào)煤層的儲(chǔ)層壓力具有階段性變化特征，各階段的壓降速率大小存在明顯差異。在合采瞬間，在壓力梯度的驅(qū)使下，儲(chǔ)層壓力從2.8 MPa開(kāi)始緩慢減小，壓降速率小，儲(chǔ)層壓力下降量約為ΔP=0.41 MPa，即為階段1。隨著合采的進(jìn)行，氣體運(yùn)移進(jìn)入階段2，儲(chǔ)層壓力驟降速率增加，儲(chǔ)層壓力下降量約為ΔP=1.99 MPa。當(dāng)合采進(jìn)入階段3時(shí)，儲(chǔ)層壓力已經(jīng)接近枯竭壓力，儲(chǔ)層壓力梯度減小，氣體運(yùn)移困難，壓降速率減緩。觀察圖4b、圖4c可知，Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)煤層的儲(chǔ)層壓力演化規(guī)律與Ⅳ號(hào)煤層相似，即儲(chǔ)層壓力呈階段變化，先緩慢減小，后急速驟降，最后又緩慢降低。然而，通過(guò)進(jìn)一步仔細(xì)對(duì)比觀察圖4a—圖4c，可以發(fā)現(xiàn)，Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)、Ⅳ號(hào)煤層的儲(chǔ)層壓力演化也存在微小差異，這種差異主要發(fā)生在階段1，表現(xiàn)為Ⅳ號(hào)煤層在階段1的儲(chǔ)層壓力存在微小下降趨勢(shì)，Ⅲ號(hào)煤層在階段1的儲(chǔ)層壓力存在延遲驟降現(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間約為Δt=0.41 min，Ⅱ號(hào)煤層次之，約為Δt=1.42 min。對(duì)比觀察圖4d可知，盡管Ⅰ號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力演化同樣呈現(xiàn)階段變化，但就階段一而言，Ⅰ號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力呈現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象，這和Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)、Ⅳ號(hào)煤層存在顯著差異?；谏鲜龇治隹梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：在多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采過(guò)程中，儲(chǔ)層壓力演化過(guò)程可被分為3個(gè)階段，就階段1而言，各煤層儲(chǔ)層壓力演化具有明顯差異(具體差異后續(xù)分析)，當(dāng)開(kāi)采至階段2、階段3時(shí)，各煤層儲(chǔ)層壓力均呈現(xiàn)先急速驟降，后緩慢減小的變化規(guī)律。

為了進(jìn)一步細(xì)化了解合采過(guò)程中的儲(chǔ)層壓力演化類型，對(duì)階段一進(jìn)行局部放大處理，由圖4中的局部放大圖可知，Ⅳ號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力呈急速驟降的變化趨勢(shì)，Ⅲ號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力演化呈現(xiàn)先線性變化后緩慢減小的規(guī)律，Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)煤層呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，其中Ⅰ號(hào)煤層上升幅值最大，最大上升至1.25 MPa，Ⅱ號(hào)煤層上升幅值相對(duì)較小，最大上升至1.61 MPa。即儲(chǔ)層壓力演化可被劃分為3種類型，第1種類型為驟降型，儲(chǔ)層壓力呈現(xiàn)非線性減小的變化趨勢(shì)，以Ⅳ號(hào)煤層為代表；第2種類型為屏蔽型，儲(chǔ)層壓力演化先呈現(xiàn)維持初始儲(chǔ)層壓力不變，后緩慢減小，以Ⅲ號(hào)煤層為代表；第3種類型為倒灌型，儲(chǔ)層壓力演化呈現(xiàn)先上升至峰值，后緩慢減小，以Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)煤層為代表。

圖4 儲(chǔ)層壓力時(shí)間演化曲線Fig.4 Time evolution curve of reservoir pressure

分析認(rèn)為：針對(duì)多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采，一個(gè)煤儲(chǔ)層可視為一個(gè)獨(dú)立的能量體，井筒連通了不同的儲(chǔ)層壓力煤層，即連通了不同的能量體，煤儲(chǔ)層系統(tǒng)之間能量動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)遭到破壞，為尋求新的動(dòng)態(tài)平衡，流體會(huì)從高能量含氣系統(tǒng)向低能量含氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。如果不同含氣系統(tǒng)之間流體能量差異顯著，則較高能量系統(tǒng)的流體倒灌進(jìn)入較低能勢(shì)系統(tǒng)中，如果不同含氣系統(tǒng)之間流體能量差異相對(duì)較小，則較高能量系統(tǒng)的流體會(huì)屏蔽或抑制低能量含氣系統(tǒng)的流體釋放[5,20]。

2.2 合采過(guò)程中層間壓差對(duì)儲(chǔ)層壓力的影響

在對(duì)比分析層間壓差對(duì)儲(chǔ)層壓力的影響時(shí)，由于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)煤層的初始儲(chǔ)層壓力不同，不具有對(duì)比性，因此，在對(duì)比分析層間壓差對(duì)儲(chǔ)層壓力的影響時(shí)，僅對(duì)比Ⅰ號(hào)煤儲(chǔ)層(以測(cè)點(diǎn)P5為例)。由圖5層間壓差對(duì)儲(chǔ)層壓力演化的影響可知，當(dāng)層間壓差分別為0.2、0.4和0.6 MPa時(shí)，P5分別上升至1.05、1.16和1.25 MPa，恢復(fù)產(chǎn)氣時(shí)間，即儲(chǔ)層壓力從1 MPa開(kāi)始下降的時(shí)間依次增加。

圖5 層間壓差對(duì)儲(chǔ)層壓力演化的影響Fig.5 Effect of interlayer differential pressure on reservoir pressure evolution

由此可以得出結(jié)論，不同層間壓差條件下的多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采過(guò)程中，低壓儲(chǔ)層受到的層間干擾程度不同，層間壓差增大會(huì)擴(kuò)大煤儲(chǔ)層間的物性差異，致使層間干擾加劇，合采兼容性變差，最終呈現(xiàn)隨著層間壓差的增加，低壓煤儲(chǔ)層儲(chǔ)層壓力回升幅值增大，恢復(fù)產(chǎn)氣時(shí)間增加。

根據(jù)上述分析可知，低壓煤儲(chǔ)層壓力演化可分為擾動(dòng)階段(儲(chǔ)層壓力上升階段)和非擾動(dòng)階段(儲(chǔ)層壓力驟降階段)。為進(jìn)一步細(xì)化分析合采對(duì)低壓儲(chǔ)層的影響，選取合采至t=0.5 min(擾動(dòng)階段)和t=50 min(非擾動(dòng)階段)時(shí)的XY平面的各測(cè)點(diǎn)儲(chǔ)層壓力值，繪制了流體流動(dòng)場(chǎng)演化圖，如圖6所示。圖6中的箭頭表示流體流動(dòng)方向，箭頭越長(zhǎng)表示流速越大；曲線表示儲(chǔ)層壓力等值線，等值線越密集表示儲(chǔ)層壓力梯度越大。流場(chǎng)繪制方法參考文獻(xiàn)[7-8]。

由圖6a—圖6c可知，在擾動(dòng)階段，合采至t=0.5 min時(shí)，開(kāi)采管附近區(qū)域的矢量箭頭均指向四周，形成明顯離心流，越靠近開(kāi)采管，箭頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)。儲(chǔ)層壓力呈現(xiàn)以開(kāi)采管為中心向四周驟降，流體流動(dòng)方向和壓力減小的方向一致。而造成離心流原因是：反向流動(dòng)的流體倒灌進(jìn)入Ⅰ號(hào)煤儲(chǔ)層，即井筒和煤儲(chǔ)層之間動(dòng)態(tài)壓力平衡作用，使一部分流體向Ⅰ號(hào)煤儲(chǔ)層反向注入。距開(kāi)采管遠(yuǎn)端區(qū)域的矢量箭頭沒(méi)有明顯指向性，同時(shí)長(zhǎng)度很小，表明這種反向流動(dòng)形成的干擾效應(yīng)并未對(duì)全部煤儲(chǔ)層造成影響。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比圖6a—圖6c可知，隨著層間壓差的增大，箭頭長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)，儲(chǔ)層壓力等值線逐漸變得密集，即層間壓差越大，離心流現(xiàn)象越明顯，儲(chǔ)層擾動(dòng)范圍越廣，造成上述現(xiàn)象原因是：過(guò)大的層間壓差加劇了層間干擾現(xiàn)象，使儲(chǔ)層內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。

由圖6d—圖6f可知，在非擾動(dòng)階段，開(kāi)采管附近的矢量箭頭均指向開(kāi)采管，且越靠近開(kāi)采管，箭頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)，流體流動(dòng)速度越快。儲(chǔ)層壓力等值線以開(kāi)采管為中心近似呈圓環(huán)形分布，儲(chǔ)層壓力等值線密度隨著距開(kāi)采管中心距離的減小而增大。儲(chǔ)層壓力以開(kāi)采管為中心從內(nèi)到外逐漸增加，流體運(yùn)移是明顯的向心流。

圖6 層間壓差對(duì)流體流動(dòng)場(chǎng)的影響Fig.6 Effect of interlayer pressure difference on fluid flow field

2.3 合采過(guò)程中層間壓差對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響

煤層氣產(chǎn)能是評(píng)價(jià)合采效果的直接體現(xiàn)。q1、q2、q3和q4分別表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ號(hào)煤儲(chǔ)層的瞬時(shí)流量，累積流量Q和產(chǎn)能貢獻(xiàn)率X″的命名規(guī)則同上。瞬時(shí)流量q可通過(guò)流量計(jì)直接監(jiān)測(cè)采集，累積流量Q是通過(guò)瞬時(shí)流量的積分獲得，產(chǎn)能貢獻(xiàn)率X″表示單一煤層的累積流量占疊置煤層總累積流量的百分比。

由于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)煤層的初始儲(chǔ)層壓力不同，不具有對(duì)比性，因此，在對(duì)比分析層間壓差對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響時(shí)，僅對(duì)比Ⅰ號(hào)煤儲(chǔ)層，如圖7a～圖7c所示。由圖可知，當(dāng)存在層間壓差時(shí)，在合采的瞬間，Ⅰ號(hào)煤儲(chǔ)層的產(chǎn)氣為負(fù)值，即儲(chǔ)層流體釋放遭到屏蔽，甚至發(fā)生了流體倒灌現(xiàn)象。當(dāng)層間壓差分別為0.2、0.4和0.6 MPa時(shí)，q1分別為-1.99、-3.89和-10.37 L/min，恢復(fù)產(chǎn)氣時(shí)間，即瞬時(shí)流量q1從0開(kāi)始增加的時(shí)間分別為0.68、3.74和5.54 min。累積流量Q1在合采瞬間為負(fù)值，表明發(fā)生了流體倒灌，隨著層間壓差的增大，流體倒灌量依次為0.42、3.73和7.97 L，隨著合采的進(jìn)行，煤層氣逐漸恢復(fù)產(chǎn)氣，合采至360 min時(shí)，合采累積流量依次為218.74、208.61和192.21 L，即隨著層間壓差的增大，低壓儲(chǔ)層的合采累積流量反而減小。從產(chǎn)能貢獻(xiàn)率變化曲線可以看出，合采瞬間，Ⅰ號(hào)煤儲(chǔ)層為負(fù)值，隨著開(kāi)采的進(jìn)行逐漸增加，合采至360 min時(shí)，產(chǎn)能貢獻(xiàn)率分別為20.61%、17.19%和14.62%。

圖7 層間壓差對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響Fig.7 Effect of interlayer pressure difference on CBM productivity

綜上所述，在多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采過(guò)程中，由于儲(chǔ)層之間存在能量差異，使得低壓儲(chǔ)層產(chǎn)氣受到屏蔽或抑制，儲(chǔ)層間能量差異越小，流體倒灌量越小，而隨著儲(chǔ)層間能量差異的增大，煤層氣產(chǎn)量反而減小，產(chǎn)能卻降低。因此，在進(jìn)行多層疊置含氣系統(tǒng)煤層氣合采時(shí)，應(yīng)優(yōu)選層間壓差較小的煤儲(chǔ)層進(jìn)行合采，降低層間干擾，優(yōu)化合采兼容性，避免煤儲(chǔ)層發(fā)生流體倒灌和產(chǎn)氣抑制現(xiàn)象[20]。

3 結(jié) 論

1)在煤層氣合采過(guò)程中，儲(chǔ)層壓力演化具有階段性變化特征，儲(chǔ)層壓力變化曲線可分為驟降型、屏蔽型和倒灌型。層間干擾主要發(fā)生在合采初期，使得流體運(yùn)移呈現(xiàn)離心流變化規(guī)律，表明煤層氣發(fā)生反向流動(dòng)，且反向流動(dòng)主要發(fā)生在開(kāi)采管附近。

2)一個(gè)煤儲(chǔ)層可視為一個(gè)獨(dú)立的能量體，合采時(shí)，井筒連通了不同的能量體，不同含氣系統(tǒng)之間能量動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)遭到破壞，使得流體會(huì)從高能量含氣系統(tǒng)向低能量含氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。含氣系統(tǒng)之間流體能量差異小時(shí)，高能量系統(tǒng)的流體會(huì)屏蔽或抑制低能量含氣系統(tǒng)的流體釋放，隨著流體能量差異的增大，則高能量系統(tǒng)的流體會(huì)倒灌進(jìn)入低能勢(shì)系統(tǒng)中。

3)增大層間壓差，層間干擾現(xiàn)象加劇，合采兼容性變差，儲(chǔ)層壓力回升幅值增大，煤層氣流場(chǎng)離心流范圍擴(kuò)大，儲(chǔ)層傷害面積增廣。層間壓差從0.2 MPa增加至0.4 MPa和0.6 MPa時(shí)，煤層氣倒灌量分別從0.42 L增加至3.73 L和7.97 L，累積流量從218.74 L減小至208.61 L和192.21 L。