多儲層產量傷害物理模擬系統及其在煤系氣合采中的應用

鄭力會，陶秀娟,2，魏攀峰，吳 通，劉 皓，曹章敬

(1.中國石油大學(北京) 石油工程學院，北京 102249; 2.陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021; 3.北京力會瀾博能源技術有限公司，北京 102200)

煤系是指有共生成因關系且含有煤層或煤線的沉積巖系。煤系儲層不是單一巖性，包括砂巖、泥頁巖、煤巖、碳酸鹽巖等，形成煤系致密砂巖氣、頁巖氣、煤層氣、碳酸鹽巖氣等，多種類型天然氣共存。煤系分布廣泛，天然氣儲量巨大，是近年來倍受關注的天然氣勘探開發新領域。鄂爾多斯盆地東緣臨興區塊是中國典型的煤系氣區塊[1]，經過5 a勘探開發，產量取得突破，有可能成為我國天然氣供給的一個新的增長點[2]。

秦勇等[3]研究了實鉆信息，發現臨興地區古生界煤系中與煤層疊置存在的砂巖大約有8層、泥頁巖有15層、碳酸鹽巖有3層，多種巖性儲層共存;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，儲層厚度差別較大(圖1)。層多、低孔低滲且差異性大、儲層厚度差異性大，成為煤系儲層傷害類型和程度評價需要重點攻關的目標。

圖1 鄂爾多斯盆地臨興區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，煤系氣地質條件比較復雜。對工程而言，層多層薄是施工重點考慮的因素。由于低孔低滲儲層需要壓裂增產，無法避免同時貫穿多個儲層，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儲層增加單井產量，主觀上必需合采。主客觀因素認為，聯探并采煤系氣是大勢所趨[5]。但是，實踐中有諸多科學難題和工程挑戰，制約著開發理論和開采技術跨越式發展。

煤系氣儲滲空間、巖石組分、流體性質、流體能量、天然氣賦存分布、氣藏環境和儲層巖石性質，具有典型的非均質特性，致使力學特征和滲流特征非均質。對工程而言，看似是開采一個儲層，由于非均質性強、實質上是合采多個儲層。合采過程中，儲層傷害程度是勘探開發過程必須考慮的關鍵因素。如果利用單一儲層或者單層均質巖性儲層常用的滲透率變化評價儲層潛在傷害因素，因不同特征儲層的測量參數(如長度、過流面積等)不一致，合采時儲層滲透率不能任取其中一個儲層的參數計算，儲層傷害評價公式中傷害前后的滲透率無法得到，儲層傷害程度無法計算，定量評價儲層傷害程度沒有具體的評價數據。然而，滲透率是當前技術條件下尋找優質儲層、優化單井產量、優選作業技術不可或缺的參數之一。為此，必須創新測試方法，以解決多層合采儲層滲透率無法測量、儲層傷害程度無法評價的難題。

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

再如，為了獲得真實的地層滲透率，不少研究者用巖芯柱塞測得多個單儲層原始滲透率，通過數值模擬方法研究單井的合采產量。但這種方法忽略了不同儲層產出的流體進入井筒后，滲透率差異對井筒中不同產層產量貢獻率的影響，需要重新建立平衡系統，流體流動狀態重新分布，井筒中的機械設備也會參與其中，致使產量也會有所變化[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，研究者在測試方法改進方面做了大量努力。例如，為研究柴達木盆地澀北氣田砂巖氣藏的產能特征和動態儲量，并聯2個分別與地層滲透率相近的巖芯柱塞測試2層合采的壓力和流量，支持了氣井合采生產[9]。但是，僅考慮儲層的滲透率研究產量，不適用于煤系儲層的多類非均質特性。僅僅考慮滲透率的設備也無法用于評價外來因素造成的儲層傷害，進而優選工程作業流體。因此，青海油田利用研制的多層合采井分壓測試技術，分層測試澀北氣田合采井，再用常規方法解釋儲層傷害程度，認為合采時各單層的生產壓差差異較大[10]，從實測角度證明了僅考慮滲透率評價儲層傷害是不恰當的。

總的來看，以往測試方法往往采取單層評價疊加求平均或者其他替代方法，其實質都是數學平均法，無法兼顧煤系合采儲層非均質性，造成生產實際與事先評價結果差距較大，合采儲層傷害因素不明確。因此，必須提出新的評價指標來測試合采時內外因素造成的產量下降程度。

由于煤系合采滲透率無法直接測定及不宜加權計算，筆者考慮采用試井、試采或者生產獲得的氣井產量為參照，通過調整模擬系統柱塞圍壓獲得相當的物理模擬合采流量，即“等當氣井產量”，以此研究產量降低的程度、影響因素及作用機理。基于這一思路，引入了多儲層開采產能傷害物理模擬系統。按照實際完井方式，以恒壓法或者恒流量法替代傳統滲透率測量，模擬多種巖性儲層、多種壓力下同時進入井筒的流體流動狀態。通過在不同測點安裝壓力與流量測量裝置，計算合采產層組中單儲層滲透率，測量單層生產壓差、井筒壓力等參數變化，創新了天然氣合采儲層動態測試手段[11]，為煤層氣合采適宜方法選擇提供了依據[12]。

以這套系統為基礎，結合需求者既要單層數據還要整體數據的目標，按實際地層調整獨立模塊，希望較為切合實際地反映多層合采時天然氣在地層和井筒中的流量和壓力，計算主要流動參數，反映天然氣流動特征，進而有效地評價儲層傷害相關類型和程度，從室內實驗測試的角度，支撐產量傷害的機理研究和控制方法優選。

1 物理模擬系統主要功能

模擬系統由供氣裝置、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據存儲計算機等組成(圖2)。評價煤系氣合采產量涉及儲層壓力、溫度、流量等數據，都可以在系統中設置。實際操作過中按四大模塊管理。

圖2 多儲層產量傷害物理模擬系統結構Fig.2 Structure diagram of physical simulation system for multi reservoir gas recovery

(1)高壓獨立氣源模塊。配備5個獨立氣瓶，輔以充氣增壓裝置和出口穩壓控制裝置。按照正常地層壓力系數設計，最高壓力45 MPa可以模擬垂深4 500 m油氣藏。可使用地層水或氮氣分別模擬地層水相和氣相介質。利用穩壓控制裝置調節地層入口流體壓力使其接近實際儲層壓力，模擬多個儲層壓力系統共存的合采工況。相比于單一恒體積氣瓶供氣，供氣初始壓力更高，且實現長期恒壓供氣。當然，通過調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量和壓力變化數據，評價多儲層合采過程中地層壓力衰減過程產量傷害。

(2)獨立巖樣測試模塊。由5組φ25～φ100 mm巖樣柱塞夾持器，輔以溫度控制套組成，也可以根據合采產層數量增加或者不使用，試樣直徑可選擇。依據SY/T 5358-2010儲層敏感性流動實驗評價方法，φ25和φ38 mm巖芯柱塞均能滿足測試要求。考慮煤系巖芯鉆孔尺寸較小，數量有限，煤系儲層傷害研究中，根據獲取的巖芯體積，2種直徑的巖芯柱塞隨實際鉆取情況作為測試樣品。既滿足了測試規范對巖芯尺度的要求，又協調了測試巖芯需求量大和現場鉆取巖芯數量不足的矛盾。同時，室內所測試巖芯柱塞盡可能大，通過管線連接，實現地下儲層開采方式模擬，可以并聯任意數量儲層、任意巖性儲層，也可以串聯任意含裂縫巖芯柱塞，用于模擬不同巖性、不同厚度、不同溫度儲層合采流體流動情況，評價基質、裂縫中流體流動對產量的傷害。相比于只考慮溫度和壓力的巖芯夾持器，本系統對地層環境因素考慮相對全面，便于獲取多因素作用下測量數據，為設計合理的開采工藝或者研究層間相互作用規律提供支持。砂巖、煤巖或者泥頁巖流量計精度都達萬分位，滿足低滲儲層的儲層敏感性分析需要。

(3)井筒測試模塊。每組巖芯柱塞附帶一個井筒，通過管線系統，調節井筒出口回壓閥實現井口壓力控制，計量流量和壓力，獲得地層流體進入井筒后的動態數據。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，預留多個井筒。這樣，既可以測量單個井筒中的壓力和流量，也可測量多個井筒的壓力和流量，用于研究同一井筒中的層間干擾、井筒內流體的流動特征，也可以研究多井開采同一個地層的井間干擾，以支持整體開采技術優化。由于考慮了井筒內流體壓力重新分布，獲得的信息更全面，支持了從儲層到井筒整體動態研究需要。

(4)參數采集模塊。主要是采用符合儲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。整個流動過程任意連接位置可以安裝流量計和壓力計并與計算機連接，自動采集，時間步長可以自行設計。考慮煤系多為低孔低滲儲層，產量低意味著流量小，采用萬分位表，提高測量精度。相比于單個夾持器計量無阻狀態壓差或者直接加回壓測試的傳統方法，本系統更多地考慮了井筒內相互作用流量和壓力測量，與現場實際更為接近。

2 模擬測試系統典型應用實例

系統經過上百次調試，自身摩阻和精度穩定，除了為非均質油氣儲層完成產量傷害測試外，為煤系氣合采儲層傷害評價操作規范的建立、井筒內流體混合傷害類型發現以及控制儲層傷害的鉆完井流體優選提供了測試數據。

2.1 煤系儲層合采敏感性評價新標準的建立

在傳統模擬方法和現場實踐中，煤系氣合采儲層長度和過流面積不能準確選擇，影響合采儲層傷害客觀評價。針對這一問題，利用多儲層產量傷害物理模擬系統，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，用氮氣模擬砂巖、煤巖、頁巖、碳酸鹽巖合采，井口油壓2 MPa。恒流量法測試每一枚巖芯柱塞出入口端的壓力和流量，同時測定出口的總流量。

采用臨興煤系樣品進行模擬實驗，擬合每枚巖芯柱塞在不同壓力下的流量，發現不同地層物性條件下，儲層滲透率與儲層壓力的乘積(本文稱之為滲壓積)與流量都有較高的相關性(圖3)。油藏工程研究認為，地層壓力在15 MPa以上和以下流動方程不同，造成產量公式不同[13]。但本系統模擬結果顯示，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統一的二元一次方程。

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

另一方面，對于不同的巖性，儲層合采時相同氣體流量下的儲層滲壓積不同，合采效果使用流量作為評價指標，數據可直接測得，省略了計算過程，降低了理論誤差。利用臨興煤系樣品，進一步采用該模擬系統分析單采及合采效果，發現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%，模擬實驗條件和具體數據見文獻[14]，綜合對比結果如圖4所示。因此，對于煤系氣開采，可使用合采流量替代滲透率作為評價儲層傷害的依據，解決了以往煤系氣合采時產層長度和過流面積無法選擇而無法獲得滲透率的難題，為煤系儲層合采敏感性評價新標準的建立提供基礎原理和基礎數據。

圖4 單層及3層合采條件下3種傷害程度評價指標對比Fig.4 Comparison of three demange degree evaluation indicators under single and three-layer combined mining

2.2 煤系氣合采儲層產量傷害新類型

為了分析合采產量損失機理，采用多儲層產量傷害物理模擬系統獲得流量數據，據此開展數值模擬，發現了煤系氣合采產量損失新類型。

鉆取12枚直徑25，38 mm的臨興地區煤系砂巖和煤巖巖芯柱塞模擬地層，以直徑50 mm、高500 mm圓管模擬產層段井筒結構，以地層和井筒出口氣體流速表征地層與井筒產量。參考巖芯柱塞實際鉆取地層的試井數據，設定巖芯柱塞圍壓為14～18 MPa，地層溫度40～50 ℃，入口壓力12～14 MPa。調整井筒出口節流孔徑至出口壓力穩定在5 MPa左右，井筒出口接入大氣。控制柱塞入口壓力穩定，12枚柱塞兩兩組合，開展6組砂巖和煤層單采與合采對比實驗，獲取壓力、流量等測試值，以作為數值模擬的初邊界條件。

實驗測試結果顯示: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，合采井筒產量損失率1.85%～8.22%。

利用FLUENT軟件建立2層合采井筒產量模擬方法[15]，設置油管長度(1～10 m)、井筒直徑(0.05～0.15 m)、井筒出口壓力(0.1～2.0 MPa)、井筒出口節流孔徑(1～3 mm)、井筒與地層溫度差(0～20 ℃)等5個井筒因素，以上述模擬實驗流量數據為約束，分析地層與井筒空間內氣體流線、速度場和壓力場分布的關系(圖5)。

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

計算地層中氣體流動熵產大小，從氣體流動能量角度，建立了煤系氣合采時地層與井筒中熵產計算模型。設計2層合采時儲層溫度、長度穩定不變，定義2層合采單層熵損系數ΔST，表征恒溫條件下2層合采時單個儲層、單位長度內熵產損失量:

式中，ΔS為合采單層熵產損失值，J/K;T為氣體溫度，K;L為地層長度,mm;pwt為合采時出口壓力，MPa;pwd為單采時出口壓力，MPa。

2層合采模式中，儲層與井筒組成整體空間，通過疊加多個儲層合采單層熵損系數，得到合采總熵損系數ST為

式中，ΔSTi為合采第i儲層的熵損系數，J。

結果如圖6所示，除儲層D1的合采單層熵損系數小于0，其余11個儲層合采單層熵損系數均大于0，分布范圍1.19～15.19 J。也就是說，相對于單層單采，煤系氣合采儲層熵產損失普遍存在，但不同儲層熵產損失程度不同。6套合采組合總熵損系數分布在7.18～28.15 J，均大于0，表明合采相對于單層單采存在額外的氣體流動能量損耗。

圖6 合采過程單層及雙層熵損系數分布Fig.6 Distribution of entropy loss coefficient of single and two-layer commingled process

分析認為，煤系氣合采時，多儲層來源氣體從不同壓力系統匯入井筒空間后相互干擾，反作用于儲層中氣體流動，增大了氣體流動能量損耗，降低了產氣能力，引發井筒產量傷害，本文稱之為“混合傷害”。這一發現，豐富了對煤系氣合采傷害或干擾現象的理論認識，為研發產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化選擇的依據

鉆井流體密度可能是造成合采儲層傷害原因。為了回答這一現場問題，利用本文物理模擬系統，對比評價了臨興地區在用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)對合采儲層的傷害程度[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，用氮氣模擬砂巖、煤巖、頁巖和碳酸鹽巖4類儲層合采過程，井筒油管壓力2 MPa，圍壓12～18 MPa。采用恒壓法，模擬測試上述3種鉆井流體分別在4種不同壓力儲層中的開采過程，記錄鉆井流體出口端壓力和流量，計算滲透率恢復值，結果如圖7所示。

圖7 3種鉆井流體合采過程儲層傷害程度對比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，儲層滲透率恢復能力不同。其中，對于不同的儲層，絨囊流體的滲透率恢復能力普遍大于85%，聚合物A和聚合物B流體的滲透率恢復50%～75%。基于絨囊流體封堵穩定井壁[16]及儲層保護的特殊功能[17]，有可能在現場應用。因此，模擬結果為現場多層合采過程中鉆井流體的選擇提供了依據，為臨興煤系儲層專用鉆井流體提供技術儲備。

3 存在問題及發展方向

用多儲層產量傷害物理模擬系統，通過測量任意儲層合采時單個儲層開采時的流量和壓力，進而為煤系氣合采行為評價提供新的依據。除了上述3個方面應用外，也通過模擬砂巖2層接替過程發現，接替壓力最大時干擾程度最低，建議現場選擇地層打開初期作為接替時機[18];測試了砂巖與頁巖2層合采效果，發現合采儲層物性及壓力差異會導致層間干擾，建議現場以控制井口壓力及儲層滲透率差最低來實現合采工藝參數優化和地層組合優選[19]。

盡管本文物理模擬系統在解決現場問題中得到較為廣泛的應用，但目前僅提供了壓力和流量基本數據，存在很大的完善和發展空間:

(1)模擬數據使用深度不夠，存在精細挖掘的潛力。煤系氣開采產量傷害所提供的流量和壓力，可以進一步成為數值模擬產量和壓力的基礎數據，為煤系合采增產提供更有力的支持[20]。

(2)模擬系統開發廣度不夠，需要為解決更多的工程問題提供依據。目前模擬實驗研究停留在小尺度巖樣基礎上，合采層數已可增至5層，但仍可考慮更大尺度下的測試數據，解決尺度效應和非均質儲層效應;還可以用于水平井不同井段的產量測試和定向井穿多層的產量測試，為研究非均質儲層流體流動提供更多測試數據;可以用于評價非均質儲層封堵材料的適用性。除了工程數據測試外，還可以用于提采測試[21]，特別是非均質儲層的封堵優勢通道液流轉向。

(3)模擬系統為解決現場問題所提供的信息可以進一步豐富。煤系氣生產過程中(特別是生產前期)多是產水的，測試系統可以模擬水氣同時注入條件下水氣相互影響規律[22]，同樣也可以測試由外來工作液與地層水不配伍產生的無機垢所造成的地層傷害。考慮到煤系儲層特殊性，還可以結合吸附/解吸、擴散等因素模擬產量傷害。

當然，模擬系統本身還有進一步完善改進的空間，如提供更多的數據處理計算方法，豐富圖形化數據顯示方式等。

4 結 論

(1)多儲層產量傷害物理模擬系統用于煤系氣合采產量損失研究，獲得了合適的推薦測試方法，發現了新的產量傷害類型，優選出適合現場的鉆完井流體，表明模擬系統適合于非均質儲層合采行為分析研究，為優化煤系氣合采技術提供可靠依據。

(2)多儲層產量傷害物理模擬系統在煤系氣合采領域的應用，為煤系地層合采過程中儲層傷害控制理論、方法和工藝的研究提供了一套從地下、到井筒，再到地面的系統評價方法，彌補了煤系地層合采過程儲層傷害評價方法缺乏的不足，解決了以往采用單點評價結果近似替代合采過程的研究現狀，為煤系合采過程中保護儲層、提高產能、深入挖掘機理和工藝，提供了一種可選擇的手段。

(3)多儲層產量傷害物理模擬系統還可以用于研究煤系地層吸附狀態下、含水狀態下，不同管柱尺寸、不同開采方式下合采儲層的儲層傷害、混合傷害及其作用機理。在此基礎上有望為煤系合采建立系統的測試指標，形成規范的評價標準。然而，評價參數的多樣性，促使多儲層開采產量傷害物理模擬系統更精細地挖掘儲層合采產量傷害系統所獲得的結果和現象，進而從理論上和實踐中尋找依據和實例印證，為非均質油氣資源開采，提供更有力的基礎理論研究手段。