李艷昌，劉海龍，賈進(jìn)章

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，一方面是對(duì)能源的需求量不斷增大，另一方面是中國(guó)已宣布在2030年和2060年實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰和碳中和，目前正處于能源資源轉(zhuǎn)型的攻堅(jiān)時(shí)期。綠色能源不僅是人民群眾對(duì)美好生活向往的迫切需要，更是能源資源和產(chǎn)業(yè)安全的重要保障。煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，是一種潔凈、高效、安全的優(yōu)質(zhì)能源和化工原料，并憑借其資源儲(chǔ)量大和分布范圍廣的優(yōu)勢(shì)將迎來(lái)黃金發(fā)展時(shí)期[1]。世界上有74個(gè)國(guó)家蘊(yùn)藏著煤層氣資源，全球埋深淺于2 000 m的煤層氣資源量約240×1012m3，其中中國(guó)煤層氣資源量居世界第3位，約36.8×1012m3，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可采資源量為10×1012m3[2]，這奠定了中國(guó)煤層氣具有十分強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)潛力。其次，中國(guó)高瓦斯、煤與瓦斯突出煤礦占總礦井?dāng)?shù)的46%，而煤礦瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅之一，所以對(duì)煤礦瓦斯預(yù)抽采和對(duì)煤層氣的有效開(kāi)采，不僅可以改善煤礦安全狀況，減少瓦斯爆炸事故，還可以避免人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

因此煤層氣的有效開(kāi)采既有利于解決我國(guó)能源轉(zhuǎn)型所面臨的能源供應(yīng)問(wèn)題，還能有效減輕甲烷引起的“溫室效應(yīng)”，亦可從本質(zhì)上防止煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故。

中國(guó)大部分地區(qū)煤巖體不穩(wěn)定、易壓縮、彈性模量低，以及煤層氣低飽和、低壓、低滲、非均質(zhì)性、透氣性差，由于技術(shù)及成本原因，目前我國(guó)開(kāi)發(fā)煤層氣最常用的井型方式是垂直井，但煤層氣的開(kāi)采原理與石油不同，使用常規(guī)的水力壓裂方法可能會(huì)造成部分壓裂液的濾失，導(dǎo)致壓裂液不能及時(shí)返回地面，對(duì)煤儲(chǔ)層造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，尤其是滲透率的損害，致使煤層氣開(kāi)采單井產(chǎn)能較低、控制面積小、經(jīng)濟(jì)效益差。所以在低滲透性煤層地區(qū)采用多分支水平井能有效避免以上局限性，還能提高導(dǎo)流能力、減少對(duì)煤層的傷害、增大解吸波及面積，溝通更多割理和裂隙從而大幅度提高單井產(chǎn)量[4-5]。

諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層氣抽采使用多分支水平井進(jìn)行了大量研究。REN等[6]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和建立數(shù)學(xué)模型認(rèn)為鄂爾多斯盆地柳林區(qū)塊更適合多分支水平井，并且可以進(jìn)一步通過(guò)仿真優(yōu)化井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)從而使生產(chǎn)率最大化。姜瑞忠等[7]等建立了兩區(qū)復(fù)合煤層氣多分支水平井半解析模型，利用Sthfest數(shù)值反演方法進(jìn)行了敏感性參數(shù)分析。姜婷婷等[8]根據(jù)煤儲(chǔ)層中三維氣-水兩相流動(dòng)特性建立了煤層氣羽狀水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型并分析了各分支參數(shù)對(duì)單位長(zhǎng)度產(chǎn)能的影響規(guī)律。鄭軍領(lǐng)等[9]基于LBM數(shù)值模擬方法再現(xiàn)了煤層氣的運(yùn)移過(guò)程并分析了不同敏感性參數(shù)及井間干擾對(duì)產(chǎn)氣量的影響機(jī)理。李明忠等[10]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究了煤層氣多分支水平井主井筒和分支井筒之間的壓力和入流量分布規(guī)律。李琦琳[11]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)鄭莊區(qū)塊煤層氣的井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并應(yīng)用于ZP-6H井，對(duì)鄭莊區(qū)塊煤層氣多分支水平井施工起到重要作用。任建華等[12]根據(jù)柳林煤層氣區(qū)塊的地質(zhì)特征和煤層氣開(kāi)采數(shù)值進(jìn)數(shù)值模型模擬分析了地質(zhì)特征和井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響。鮮保安等[13]全面分析了制約煤層氣多分支水平井產(chǎn)能的主控因素，并利用數(shù)值模擬和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法對(duì)沁水煤層氣田分析得出利用多分支水平井可明顯提高經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。趙軍等[14]在示范區(qū)形成中煤階煙煤儲(chǔ)層開(kāi)采中進(jìn)行斜井連通工藝創(chuàng)新，成功實(shí)現(xiàn)了小井場(chǎng)部署多分支水平井。申瑞臣等[15]提出煤層氣多分支井中的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用于鄭莊區(qū)塊鄭0A-1H井，成功提高了煤層鉆遇率。

雖然目前多分支水平井技術(shù)在煤層氣藏開(kāi)采中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但罕有學(xué)者通過(guò)水電模擬試驗(yàn)方法對(duì)煤層氣藏中采用對(duì)稱(chēng)多分支水平井后對(duì)煤層氣壓力分布規(guī)律和井筒間的支間干擾現(xiàn)象進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[16-18]等認(rèn)為煤層氣符合多孔介質(zhì)中氣體的流動(dòng)，并遵循達(dá)西定律。YI等[19]設(shè)計(jì)水電模擬試驗(yàn)，得到煤層氣產(chǎn)能的影響力會(huì)隨著分支長(zhǎng)度、分支數(shù)和井筒直徑的增加而逐漸減小，且分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)能的影響優(yōu)先級(jí)高。胡博等[20]通過(guò)全面研究井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)魚(yú)骨刺井產(chǎn)能的影響發(fā)現(xiàn)存在分支間干擾度和最佳井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)。韓國(guó)慶等[21]通過(guò)設(shè)計(jì)電模擬試驗(yàn)研究了分支角度對(duì)分支井產(chǎn)能的影響，發(fā)現(xiàn)分支數(shù)超過(guò)4個(gè)，分支角度大于45°后，產(chǎn)量增加幅度明顯變緩。

筆者基于多孔介質(zhì)流體力學(xué)理論，根據(jù)實(shí)際礦區(qū)設(shè)計(jì)并搭建水電模擬裝置平臺(tái)，通過(guò)分析敏感性參數(shù)對(duì)對(duì)稱(chēng)多分支井總產(chǎn)能和單位長(zhǎng)度產(chǎn)能的影響研究支間干擾現(xiàn)象，并依此來(lái)比較分支數(shù)和分支長(zhǎng)度對(duì)減弱支間干擾現(xiàn)象的優(yōu)先級(jí)；根據(jù)電場(chǎng)等壓線(xiàn)對(duì)對(duì)稱(chēng)多分支井煤層氣壓力分布規(guī)律進(jìn)行描述。

所得結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究和數(shù)據(jù)方法分析設(shè)計(jì)研究提供重要參考和試驗(yàn)依據(jù)。

1 水電模擬試驗(yàn)原理及試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)對(duì)象概況

以韓城礦區(qū)3號(hào)煤層為對(duì)象進(jìn)行水電模擬試驗(yàn)，韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯地塊南緣的渭北隆起地段，煤層主要有太原組的11號(hào)、5號(hào)煤層(石炭系上統(tǒng))以及山西組的3號(hào)煤層(二疊系下統(tǒng))。含煤層系的深度較淺，大部分埋深小于1 000 m，韓城礦區(qū)3號(hào)煤層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 韓城礦區(qū)3號(hào)煤層參數(shù)

從表1可以看出3號(hào)煤層特點(diǎn)是低孔隙度，低滲透率。

1.2 試驗(yàn)原理

水電模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)是控制均質(zhì)流體通過(guò)多孔介質(zhì)流動(dòng)的微分方程和控制電荷通過(guò)導(dǎo)電材料流動(dòng)的微分方程之間的相似性。在多孔介質(zhì)中，流動(dòng)遵守Darcy定律：

q=-Kgradφ

(1)

式中：q為流動(dòng)速度，m/s；K為煤層氣滲透率，μm2；φ為水力梯度。

通過(guò)導(dǎo)體的電流遵循歐姆定律：

i=-σgradV

(2)

式中：i為通過(guò)單位面積的電流(矢量)，A/cm2；σ為導(dǎo)電介質(zhì)的導(dǎo)電系數(shù)，Ω-1cm-1；V為電位，V。不可壓縮流體通過(guò)剛性多孔介質(zhì)流動(dòng)的連續(xù)性方程是：

div(Kgradφ)=0

(3)

導(dǎo)體中的穩(wěn)定電流，其電壓V滿(mǎn)足：

div(σgradV)=0

(4)

對(duì)比式(1)—式(4)可以得出結(jié)論：任何具有壓φ(x，y，z)的不可壓縮流體的穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題可以用模擬裝置中的電流運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬。因此可以利用電場(chǎng)模擬煤層氣的滲流規(guī)律，即采用水電相似模擬方法。2個(gè)過(guò)程的各相似系數(shù)如下：

幾何相似系數(shù)：CL=Lm/Lo

壓力相似系數(shù)：CP=ΔUm/ΔP

阻力相似系數(shù)：Cr=Rm/Rf

流量相似系數(shù)：Cq=I/Q

電導(dǎo)相似系數(shù)：Cρ=ρμ/K

式中：Lm為模型幾何尺寸，m；Lo為實(shí)際煤層氣尺寸，m；ΔU為模型中的電位差，V；ΔP為煤層氣的壓力差，MPa；Rm為電解質(zhì)溶液的電阻；Rf為煤層氣的滲流阻力；I為模型中的電流，mA；Q為實(shí)際煤層氣產(chǎn)量(或注入量)，m3/d；ρ為電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，mS/cm；μ為煤層氣黏性系數(shù)，MPa·s。

各相似系數(shù)之間滿(mǎn)足一定的約束條件，如式(5)所示：

(5)

式(5)為模型必須滿(mǎn)足的相似準(zhǔn)則。其中有2個(gè)參數(shù)可以自由確定，第3個(gè)參數(shù)必須由相似準(zhǔn)則導(dǎo)出。圓形滲流區(qū)域穩(wěn)定滲流的壓力分布公式：

(6)

式中，Pw為地層原始?jí)毫?re為煤層氣供給直徑，m；rw為煤層氣井筒直徑，m。

結(jié)合達(dá)西定律，則在圓形滲流區(qū)域穩(wěn)定滲流的煤層氣產(chǎn)量計(jì)算公式：

(7)

根據(jù)相似原理可知，模擬模型中電壓與電流同樣滿(mǎn)足上述關(guān)系，“煤層氣井”的產(chǎn)量公式：

(8)

式中：rem為模型煤層氣供給直徑，m；rwm為模型煤層氣井筒直徑，m;hm為模型高度。

1.3 試驗(yàn)裝置

水電模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示。主要由3部分組成：煤層氣模擬系統(tǒng)、低壓高頻供電系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。煤層氣模擬系統(tǒng)由圓形亞克力玻璃電解槽(直徑500 mm、高100 mm)、電解槽邊緣銅帶(模擬供給邊界)、定量CuSO4電解質(zhì)溶液(模擬煤層滲流介質(zhì))構(gòu)成以及事先制作的銅絲(模擬井筒)；低壓高頻供電系統(tǒng)為凱盛儀器設(shè)備制造有限公司的HM-PR-I水電比擬儀提供安全高頻(600 Hz，避免極化現(xiàn)象)的供電；測(cè)量系統(tǒng)為FLUKE17B+高精度數(shù)字電工萬(wàn)用表和電解槽底部安放的坐標(biāo)紙A0(75 cm×105 cm)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental device

當(dāng)試驗(yàn)裝置接通電壓后，產(chǎn)生的電流會(huì)瞬間穩(wěn)定，因此水電模擬試驗(yàn)是針對(duì)地層中單相穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程。在試驗(yàn)裝置電場(chǎng)中所測(cè)得的電流、電壓和等壓線(xiàn)根據(jù)上述相似關(guān)系可以換算成煤層氣總產(chǎn)量、地層壓力和煤層氣等壓線(xiàn)。

2 水電模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨?/h2>

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)韓城礦區(qū)原始資料可知煤層氣參數(shù)、根據(jù)相似系數(shù)關(guān)系式和式(6)—式(8)可計(jì)算出試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)以及各相似系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤層氣參數(shù)、試驗(yàn)參數(shù)和相似系數(shù)Table 2 Coalbed methane parameters, test parameters and similarity coefficients

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案分兩部分進(jìn)行，第一部分通過(guò)繪制分支模型周邊的等壓線(xiàn)以反映近井地帶的滲流曲線(xiàn)；第二部分測(cè)量回路的電流，換算成產(chǎn)量后折算到單位長(zhǎng)度上來(lái)分析之間干擾現(xiàn)象。

1)以硫酸銅溶液模擬煤層氣供給邊界，用預(yù)先準(zhǔn)備的銅絲制作長(zhǎng)度均為160 mm、支間角度為45°的 2、4、6對(duì)稱(chēng)分支井模型。2分支井模型的分支在主井筒的1/2處；4分支井模型的分支在主井筒的1/3和2/3處；6分支井模型的分支在主井筒的1/4、1/2、3/4處，如圖2所示(圖中數(shù)字為電壓，V)。試驗(yàn)時(shí)將模型放置于電解槽中央，通過(guò)探針試驗(yàn)法測(cè)量相應(yīng)坐標(biāo)處的電壓并繪制等壓線(xiàn)曲線(xiàn)。根據(jù)對(duì)稱(chēng)定律和減少重復(fù)工作，試驗(yàn)時(shí)僅記錄一側(cè)的等壓線(xiàn)分布。

圖2 分支數(shù)對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)影響Fig.2 Influence of branch number on coalbed methane pressure curves

2)以硫酸銅溶液模擬煤層氣供給邊界，對(duì)不同分支井模型進(jìn)行試驗(yàn)反映分支形態(tài)和總產(chǎn)量及單位長(zhǎng)度產(chǎn)量的關(guān)系，用以研究支間干擾現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)電壓為18.0 V的高頻電流，并測(cè)量回路電流大小。分別對(duì)分支長(zhǎng)度為120、160、200 mm；分支數(shù)為2、4、6分支；分支井與主井筒分支夾角為30°、45°、60°的分支模型進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)的影響

分支井的存在，導(dǎo)致煤層氣近井筒地帶的煤層氣壓力曲線(xiàn)發(fā)生了較大幅度的形變，這是因?yàn)轫n城礦區(qū)3號(hào)煤層低孔隙度，低透氣性的特點(diǎn)，導(dǎo)致煤層氣在煤層中不易解吸擴(kuò)散，因此煤層氣只能以吸附態(tài)賦存于煤儲(chǔ)層中，當(dāng)煤層氣鉆井時(shí)，會(huì)破壞原有煤層氣壓力的平衡，在煤層中形成了流動(dòng)場(chǎng)。

3.1.1 分支數(shù)對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)的影響

煤層氣模擬系統(tǒng)在電壓為18 V，分支角度為45°，分支長(zhǎng)度為160 mm，分別取2、4、6分支數(shù)的分支井模型進(jìn)行研究分支數(shù)對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)形變的影響，繪制出的煤層氣壓力曲線(xiàn)圖如圖2所示。

縱向?qū)Ρ葓D2中的等壓線(xiàn)，隨著分支數(shù)量增加，在同等坐標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等壓線(xiàn)數(shù)值不斷變小(2分支為9.6 V，4分支為9.3 V，6分支為8.9 V)，整體呈現(xiàn)出等壓線(xiàn)變稀疏，變小幅度有所減緩的趨勢(shì)。說(shuō)明隨著分支數(shù)的增加，煤層氣壓力曲線(xiàn)的形變幅度增大，供氣范圍也隨之增大。橫向?qū)Ρ葓D2中的等壓線(xiàn)，隨著分支數(shù)的增加，壓降曲線(xiàn)在分支井覆蓋段被不斷拉直，說(shuō)明在煤層氣抽采過(guò)程中，由于其他分支的存在，引起煤層氣流動(dòng)變化規(guī)律發(fā)生改變，煤層氣壓力會(huì)向多個(gè)分支進(jìn)行分配，進(jìn)一步導(dǎo)致單個(gè)分支上所能抽采的煤層氣減少，出現(xiàn)支間干擾現(xiàn)象。

3.1.2 分支長(zhǎng)度對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)的影響

煤層氣模擬系統(tǒng)在電壓為18 V，分支角度為45°，分支數(shù)為4分支，分別取120、160、200 mm的分支長(zhǎng)度井模型進(jìn)行研究分支長(zhǎng)度對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)形變的影響，繪制出的煤層氣壓力曲線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 分支長(zhǎng)度對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)影響Fig.3 Influence of branch number on coalbed methane pressure curves

縱向?qū)Ρ葓D3中的等壓線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)隨著分支長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，在同等坐標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等壓線(xiàn)數(shù)值不斷減小(120 mm為9.1 V、160 mm為8.8 V、200 mm為8.2 V)，整體呈現(xiàn)出等壓線(xiàn)變稀疏的趨壓。說(shuō)明隨著分支長(zhǎng)度的增加，煤層氣的壓力曲線(xiàn)的形變幅度也會(huì)增大，抽采范圍也會(huì)隨之增大。

3.1.3 分支角度對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)的影響

煤層氣模擬系統(tǒng)在電壓為18 V，分支數(shù)為4分支，分支長(zhǎng)度為160 mm，分別取分支角度為30°、45°、60°的分支井模型進(jìn)行研究分支角度對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)形變的影響，繪制出的煤層氣壓力曲線(xiàn)圖如圖4所示。

圖4 分支角度對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)影響Fig.4 Influence of branch number on coalbed methane pressure curves

將試驗(yàn)所得電流換算成實(shí)際產(chǎn)量后，折合到單位長(zhǎng)度上來(lái)研究支間干擾現(xiàn)象，縱向?qū)Ρ葓D4中的等壓線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)支間角度從30°增加至45°時(shí)，在相同坐標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等壓線(xiàn)數(shù)值有所增加，但支間角度從45°增加至60°時(shí)，等壓曲線(xiàn)基本沒(méi)有變化(30°支間角度為9.1 V，45°支間角度為9.3 V，60°支間角度為9.3 V)。說(shuō)明分支角度對(duì)煤層氣壓力曲線(xiàn)的形變幅度影響存在最大臨界值，即45°支間角度。

從圖2—圖4可以反映出煤層氣壓力曲線(xiàn)整體呈現(xiàn)出在近井筒地帶密集、距井筒較遠(yuǎn)地帶稀疏的分布規(guī)律；主支和主支跟端的分支指端表現(xiàn)出煤層氣壓力曲線(xiàn)密集，但各分支間的煤層氣壓力曲線(xiàn)相對(duì)稀疏，整體表現(xiàn)為指端效應(yīng)。因?yàn)樵诿簩託忾_(kāi)采過(guò)程中，受抽采負(fù)壓影響，越靠近主井筒出口端，分支入流量越大；靠近主支跟端的分支井由于供氣范圍較大，沿分支井筒的入流量也較大；受井筒壓降和供氣范圍的雙重影響下，沿各分支中部的井筒入流量變化不大。結(jié)果表現(xiàn)為煤層氣壓力在主井筒出口和靠近主支跟端的分支指端的壓力曲線(xiàn)密集。

3.2 井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)支間干擾的影響

3.2.1 分支數(shù)對(duì)支間干擾的影響

分支井個(gè)數(shù)反映多分支水平井的生產(chǎn)規(guī)模，分支井個(gè)數(shù)越多，流入水平井筒的氣體越多，說(shuō)明生產(chǎn)能力越強(qiáng)。煤層氣模擬系統(tǒng)在電壓為18 V，分別取分支角度為30°、45°、60°，分支長(zhǎng)度為120、160、200 mm，分支數(shù)為2、4、6、8的分支井模型研究分支數(shù)與總產(chǎn)量和單位長(zhǎng)度產(chǎn)量間的關(guān)系，如圖5所示，進(jìn)而研究分支數(shù)對(duì)支間干擾的影響。

圖5 不同夾角時(shí)產(chǎn)能隨分支數(shù)變化Fig.5 Changes in number of branches at different angles

圖5整體呈現(xiàn)出隨著分支數(shù)的增多，總產(chǎn)量也在不斷增長(zhǎng)，單位長(zhǎng)度產(chǎn)量卻顯著降低。但分支長(zhǎng)度為120 mm的對(duì)稱(chēng)分支井在2到6分支數(shù)區(qū)間內(nèi)總產(chǎn)量增加幅度和單位長(zhǎng)度產(chǎn)量降低幅度都相對(duì)比較均勻；分支長(zhǎng)度為160 mm、200 mm的對(duì)稱(chēng)分支井在分支數(shù)增加到4后總產(chǎn)量增加幅度明顯變緩，單位長(zhǎng)度產(chǎn)量降低幅度明顯變緩且趨于一致，分支角度為45°和60°的對(duì)稱(chēng)分支水平井總產(chǎn)量和單位長(zhǎng)度產(chǎn)量基本相等?？烧J(rèn)為隨著分支數(shù)的增加，支間干擾現(xiàn)象逐漸顯露。

3.2.2 分支長(zhǎng)度對(duì)支間干擾的影響

煤層氣模擬系統(tǒng)在電壓為18 V，分別取分支角為30°、45°、60°，分支數(shù)為2、4、6，分支長(zhǎng)度為80、120、160、200 mm的分支井模型研究分支長(zhǎng)度與總產(chǎn)量和單位長(zhǎng)度產(chǎn)量間的關(guān)系，如圖6所示，進(jìn)而研究分支長(zhǎng)度對(duì)支間干擾的影響。

圖6 不同夾角時(shí)產(chǎn)能隨分支長(zhǎng)度變化Fig.6 Changes in branch length of yield at different angles

圖6整體呈現(xiàn)出隨著分支長(zhǎng)度的增加，單位長(zhǎng)度產(chǎn)量下降趨勢(shì)趨于平緩，可認(rèn)為是受到支間干擾現(xiàn)象的影響；但總產(chǎn)量卻隨著分支長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增漲幅度逐漸增大，說(shuō)明分支長(zhǎng)度對(duì)煤層氣總產(chǎn)能的影響級(jí)別最高，這與文獻(xiàn)中的結(jié)論是一致的[13,19]。當(dāng)分支長(zhǎng)度增加到160 mm后，由于會(huì)受到供給邊界的影響，分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)量影響增大；隨著分支長(zhǎng)度的增加，角度對(duì)產(chǎn)量影響逐漸減小。

3.2.3 分支角度對(duì)支間干擾的影響

煤層氣模擬系統(tǒng)在電壓為18 V，分別取分支數(shù)為2、4、6，分支長(zhǎng)度為120、160、200 mm，分支角度為30°、45°、60°的分支井模型研究分支角度與總產(chǎn)量和單位長(zhǎng)度產(chǎn)量間的關(guān)系，如圖7所示，進(jìn)而研究分支角度對(duì)支間干擾的影響。

圖7 分支角度對(duì)支間干擾的影響Fig.7 Influence of branch angle on inter-branch interference

從圖7可以看出，煤層氣總產(chǎn)量和單位長(zhǎng)度產(chǎn)量以及兩者的增漲幅度在45°分支角度達(dá)到最高，且在45°～60°增長(zhǎng)幅度明顯變緩趨于不變，這與文獻(xiàn)中結(jié)論是一致的[21]。當(dāng)分支長(zhǎng)度增加到160 mm后，由于會(huì)受到供給邊界的影響，分支長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)量影響增大；隨著分支長(zhǎng)度的增加，角度對(duì)產(chǎn)量的影響逐漸減小。

根據(jù)以上分析，總產(chǎn)量的增幅隨著分支數(shù)的增加而放緩，而隨著分支長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。分支角度為45°，分支長(zhǎng)度為120 mm，分支數(shù)從2分支增至4分支，4分支增至6分支，6分支增至8分支時(shí)的總產(chǎn)量增幅比率分別達(dá)到39.8%、25.2%和10.7%；分支長(zhǎng)度為160 mm的總產(chǎn)量增幅比率分別達(dá)到40.4%、19.7%、8.9%；分支長(zhǎng)度為200 mm的總產(chǎn)量增幅比率分別達(dá)到45.6%、13.7%、3.2%。結(jié)合對(duì)分支長(zhǎng)度、分支角度的研究，得出結(jié)論：各井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減弱支間干擾的優(yōu)先級(jí)為分支數(shù)>分支長(zhǎng)度>分支角度。在分支數(shù)較少和分支長(zhǎng)度較短時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮增加分支數(shù)來(lái)減弱支間干擾現(xiàn)象，在分支數(shù)最優(yōu)，即支間干擾度對(duì)產(chǎn)能的影響達(dá)到最低時(shí)，則應(yīng)考慮增加分支長(zhǎng)度從而使煤層氣開(kāi)采效率達(dá)到最佳。

4 結(jié) 論

1)對(duì)稱(chēng)多分支水平井的煤層氣壓力分布呈現(xiàn)出近井地帶密集、距抽采井較遠(yuǎn)地帶稀疏的規(guī)律，主井跟端處的分支井指端的煤層氣壓力分布曲線(xiàn)也很密集，表現(xiàn)為指端現(xiàn)象；隨著分支數(shù)或分支長(zhǎng)度的增加，煤層氣壓力曲線(xiàn)的形變程度也會(huì)加劇。

2)通過(guò)全面研究分支數(shù)、分支長(zhǎng)度、分支角度等井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煤層氣壓力分布規(guī)律、總產(chǎn)能和單位長(zhǎng)度產(chǎn)能的影響，認(rèn)為對(duì)稱(chēng)多分支水平井的分支井間存在支間干擾現(xiàn)象，各井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減弱支間干擾的優(yōu)先級(jí)為分支數(shù)>分支長(zhǎng)度>分支角度。所以在煤層氣開(kāi)采中，可以通過(guò)水電相似模擬試驗(yàn)確定最優(yōu)分支井?dāng)?shù)量和分支井長(zhǎng)度控制支間干擾現(xiàn)象，從而使煤層氣開(kāi)采達(dá)到最佳效率。

3)水電相似模擬試驗(yàn)存在最優(yōu)井眼結(jié)構(gòu)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)為4分支數(shù)、200 mm分支長(zhǎng)度、45°分支夾角時(shí)，煤層氣生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本綜合達(dá)到最佳；在2分支數(shù)或分支長(zhǎng)度為120 mm時(shí)，單位長(zhǎng)度產(chǎn)能很高，但煤層氣總產(chǎn)量很低，即煤層氣日產(chǎn)出效率低，無(wú)法保證企業(yè)利潤(rùn)；在6到8分支數(shù)區(qū)間，煤層氣總產(chǎn)量很高，但單位長(zhǎng)度產(chǎn)量卻很低，增大投入成本和維護(hù)成本。