0 引 言
新疆准噶尔盆地南部地区煤层气资源丰富，煤层以中低煤阶为主，是国家“十三五”规划纲要低煤阶煤层气勘探开发重点示范区[1-2]。阜康白杨河矿区位于准噶尔盆地南缘山前带，42号煤层520～1 200 m 埋深煤炭资源量为1.54×108 t，煤层气探明储量为11.11×108 m3，前期先导示范工程达产6×104 m3/d，最高单井产能突破2 522 m3/d，说明本区有较好的煤层气资源和产气潜力[3-6]。
阜康白杨河矿区构造形态受逆冲推覆作用控制形成大倾角煤层，最倾斜处倾角达到53°。大倾角煤层加剧了储层中气-水分异现象的产生，王洪利等[3]研究了基于气-水分异现象导致的大倾角煤层气量动态变化特征，模拟了当储层浅部处于封闭状态时，排采后期煤层浅部会形成煤层气聚集区。周三栋等[7]、尹淮新[8]对矿区构造、煤层、储层特征，以及该煤层气成藏模型进行研究，揭示了浅部煤层露出区和火烧区的存在，以及大倾角导致浅部煤层裸露，同时引起水动力条件变化等特殊的地质现象。现有研究[7-9]多关注到了大倾角煤层气生产中重力分异对液相的影响，而缺少研究浮力分异对气相运移造成的影响，笔者从阜康白杨河矿区42号煤地质及露出区特征出发，将浮力项影响加入煤层气渗流模型，通过数值模拟方法，仿真预测大倾角煤层浅部露出区煤层气溢出量，以期为后期开发提供理论建议减少煤层气溢出造成的资源浪费。
1 研究区煤系地层露出区域概况
阜康白杨河矿区总体上构造为地层南倾的单斜构造[10-11]，矿区内煤层整体走向为近东西向，煤层倾角达到45°～53°。受燕山运动II幕、Ⅲ幕及喜山期运动影响，侏罗系煤系地层被持续抬升并挤压，上覆岩层被剥蚀，上倾方向煤系地层出露，如图1所示。
图1 阜康白杨河区块地理位置图及大倾角煤层气成藏模式示意[12-13]
Fig.1 Location map and chematic of steep coalbed methane reservoir in Baiyanghe mining area of Fukang[12-13]
根据阜康矿区前期先导试验报告，区内含煤地层侏罗系下统八道湾组中的39号、40号、41号、42号、43号和44号煤层因自燃严重，地表上在矿区北部形成了一条近东西向的烧变岩带。火烧后的煤层呈灰褐色、黑褐色松散或胶结在一起的渣状物，其含水和透水性很强，局部可见火烧残留的部分，多分布在火烧底界面附近或两组烧变岩的中部，因受强烈的烘烤，虽隐约可见煤层的一些特征，但其物理性质化学性质已发生了不同程度的改变。煤层火烧影响强烈的围岩，呈浅红、褐、黑褐色熔融状物质，其岩石(层)的原始状态已无法辨认，具致密、坚硬、气孔发育之特征，多为煤层直接顶、底板。煤层火烧烘烤的围岩，呈浅红、灰白、棕红色，其大多数岩石(层)的原始状态仍清晰可辨，但已比原岩要致密坚硬，由于受烘烤后岩石(层)受重力作用，裂隙较为发育，有较强的透水性及贮水性，主要位于远离火源的外围地带。据钻探验证和磁法勘探的结果，区内煤层自燃形成的烧变岩深度大部地段在垂深250～550 m。沿东西向在本区北部侏罗系八道湾组下段38号～44号煤层地表露头位置形成宽100～300 m，并呈带状横贯全区，向两端延伸至区外。工作区ΔT磁异常(ΔT磁异常为磁异常点上总磁场强度的模量与正常场总磁场强度模量的差值)是由火烧层引起，北部正负高异常带为火烧层露头的反映：工作区南部中低异常带是隐伏火烧层的反映。本研究以其中的42号煤层为主要研究对象。
2 大倾角煤层煤层气渗流数学模型建立
大倾角煤层气数学模型的基础假设条件是煤层气初始为吸附态赋存于煤层基质孔隙表面，当压力降低到临界压力以下，煤层气开始解吸，通过扩散作用扩散到裂缝中，然后在煤层裂缝中通过渗流运移到井底。过程中解吸过程遵循Langmuir等温吸附方程，扩散过程遵循Fick第一定律，储层中的渗流遵循Darcy定律。张先敏等[14-17]建立的气、水两相双孔单渗煤层气三维流动模型将该过程准确地表征出来，如式(1)—式(3)所示。
(1)
(2)
(3)
式中：α为单位转换因子；krw为相对渗透率；k为裂缝绝对渗透率，10-15m2；μ为流体黏度，kPa·s；p为L相压力，kPa；H为L相密度，t/m3；H为标高，m；qvm为解吸的煤层扩散速度，m3/d；g为重加速度m/s2；qv为L相产量，m3/d；S为L相饱和度；公式中下标g表示气相，w表示水相。
吸附项qvw遵循Langmuir等温吸附公式：
式中：VE为压力为pg时煤层气吸附量，m3/t；VL为Langmuir体积，m3/t；PL为Langmuir压力，kPa。
解吸气向裂缝扩散过程采用非平衡拟稳态处理，遵循Fick第一定律[17]得到：
辅助方程：
Sw+Sg=1
(6)
王超文等[10]曾修正了大倾角煤层的渗流公式，但其只考虑了重力项受倾角的影响。上述模型采用微元法进行建模假设时，微元体保持水平，模型考虑气、水相的重力影响，但是没有考虑沿倾斜方向气相浮力的影响，如图2所示(图2中，采用微元体假设法，中心点坐标为(x,y,z)，Δx、Δy、Δz表示微元体的长宽高，Vx、Vy、Vz表示延x、y、z方向的微元体中心点的体积流速，下标x-Δx/2、x+Δx/2表示延x方向流入、流出微元体的位置，y、z方向同理)。所以需要对式(1)气相渗流公式进行补充浮力影响，以及对式(2)水相渗流公式的重力项添加倾角影响。展开压力梯度项，针对倾斜方向和z方向，添加浮力分量，这里假设微元沿y方向倾斜：
图2 水平微元假设与倾斜微元假设示意
Fig.2 Schematic of horizontal and inclined micro-element assumptions
(7)
(8)
式中：kx、ky和kz为各向异性渗透率，10-15 m2；θ为倾斜角度。
张先敏等[18-20]的模型可以通过对数学模型离散网格化，然后在建模的过程中模拟大倾角，本研究的修改针对于突出浮力项的影响。将式(3)—式(8)耦合起来，设定边界条件，就构成了大倾角煤层的数学模型。对修改后的模型式(7)—式(8)进行有限差分数值求解，得到大倾角煤层气-水两相各向异性非线性差分方程，再使用全隐式解联立求解差分方程。
为对比加入浮力项对模型气-水运移的影响，建立了网格数为1×1×10的柱状单孔-单渗气-水两相机理模型，基础参数设置见表1。将柱状模型初始含水饱和度全部设为0.5，即此时模型中含气饱和度也为0.5。因为只研究浮力项的影响，所以机理模型不考虑煤层属性。此时模型的压力系统是不平衡的，在不进行布井的情况下进行计算，便可以观察气-水运移情况。模拟1 a后机理模型中气-水分布情况，结果如图3所示，只考虑重力影响下顶部和底部网格的含水饱和度分别为0.437 8和0.601 5，整体气-水分布变化不大。而考虑了浮力项的顶部网格和底部网格的含水饱和度分别为0.312 4和0.793 0，表现出更明显的气-水分异特征。
表1 机理模型参数设置
Table 1 Property setting of mechanism model
机理模型物性参数原始参数物性参考深度/m700单网格厚度/m5垂向渗透率/10-15 m21孔隙度/%5参考深度储层压力/kPa6 000初始含水饱和度/%50压力梯度/(kPa·m-1)10
图3 机理模型含水饱和度变化
Fig.3 Water saturation change of mechanism model
3 结果与讨论
3.1 煤层气溢出数值模拟方法
以阜康白杨河矿区X1井的42号煤层实际地质资料、煤样解吸吸附试验数据和通过试井获得的煤层物性参数作为初始参数，设置地层倾角为45°，构建大倾角煤层的地质模型。首先通过历史拟合的方法对煤层物性参数进行再描述，使其更加符合研究区实际情况。原始参数和拟合后参数见表2，相对渗透率曲线如图4所示。大倾角煤层含气量梯度根据矿区先导试验报告的含气量等值线推导出，如图5所示。
表2 煤层物性测试参数与历史拟合参数
Table 2 Coal seam property of original dataand history matching data
42号煤储层物性参数原始参数历史拟合参数物性参考深度/m700700煤层厚度/m1818煤层倾角/(°)4545煤层裂缝渗透率/10-15 m2718渗透率各向异性系数55裂缝孔隙度/%0.751.5基质孔隙度/%15.2514.5参考深度含气量/(m3·t-1)8.358.35含气量梯度/(m3·(t·m)-1)0.0090.009参考深度储层压力/kPa6 0006 000压力梯度/(kPa·m-1)9.429.42Langmuir体积/(m3·t-1)36.11636.116Langmuir压力/kPa4.2994.299
图4 42号煤层历史拟合相对渗透率
Fig.4 History matching relative permeability curves for No.42 coal seam
图5 阜康白杨河矿区42号煤含气量等值线[21]
Fig.5 Gas content contour of No.42 coal seam in Baiyanghe mining area of Fukang[21]
选取了直井X1井的实际生产数据，采用定井底流压拟合产水量和产气量的方式，使用80%的历史数据用于历史拟合参数修正，20%的历史数据用于产能预测，来验证历史拟合调参准确性，模拟结果如图6所示。预测阶段累计产气量和累计产水量误差分别为3.23%和0.58%，说明通过储层物性再描述后的数值模型从产能模拟角度还原了真实煤层特征。
图6 X1井历史拟合结果
Fig.6 History matching result of Well X1
为了能够仿真模拟煤层气逃逸现象，设置模型埋深从0～1 200 m，地层倾角45°，沿倾向模型长度为1 697 m，沿煤层展布方向设置长度为500 m。根据实际情况在埋深300～700 m钻顺层井，即沿煤层倾斜方向钻井的水平井，井底压力设置为200 kPa。在埋深0处插入一排生产直井，用来仿真模拟煤层气从浅部逃逸，井底压力设置为151 kPa，因露出煤层上部有地层水，研究区为一单向斜构造，在伊林黑格尔山北麓煤系地层露头接收地表水补给，地下水沿陡坡由浅部向深部运移[7]，但深度不定，故井底压力设置为1.5个大气压。为了模拟地表水补给在埋深0处在生产井间插入注水井，井底压力同样设置为151 kPa。模拟时间为15 a，模拟结果如图7所示。
图7 单井模拟时浅部煤层气溢出量
Fig.7 Amount of coalbed methane leakage from shallow area during single well simulation
3.2 数值模拟结果及分析
模拟结果显示煤层气从浅部溢出现象并非伴随整个排采阶段，在该模拟方案中溢出现象发生在第1 339天，并在3 257天时结束，累计溢出718 373 m3，在第2 131天时达到峰值，每天最大溢出量为620 m3/d。此方案中单井的产气情况如图8所示，溢出开始的时间与产气量到达峰值的时间相近，此时单井产量为16 206 m3/d。顺层井产气控制面积大、产气能力强，溢出气量相对于整体产量占比较小为1.54%，下面模拟直井生产时煤层气溢出情况。
图8 顺层井日产气量与累计产气量
Fig.8 Gas daily production and cumulative production of lateral well
地质模型保持不变，分别模拟在300、500和700 m埋深钻直井时煤层气溢出情况，模拟结果如图9、表3所示。
图9 直井模拟结果
Fig.9 Simulation results of vertical well
表3 直井模拟结果
Table 3 Simulation results of vertical well
埋深/m开始时间结束时间累计溢出量/106 m3累计产气量/106 m3溢出量占比/%300第2 343天第3 429天0.102.015.06500第1 339天第5 475天后10.761.61668.02700第1 339天第5 475天后13.323.96335.77
模拟结果显示埋深300 m直井生产时，表现出和顺层井一样溢出气特征，在第2 343天开始，溢出量先增后减，在第3 429天结束，累计溢出量占直井累计产量的5.06%。埋深500 m和700 m直井生产时，溢出开始时间相差1个月，15年两个方案的煤层气溢出现象均未停止，直井埋深500 m方案中的溢出量已经到达拐点。煤层气的溢出量也随着钻井深度的增加而增加，埋深700 m的直井生产时，煤层气溢出量达到13.32×106 m3，相当于该井产量的3倍。埋深500 m的直井累计产气量是最差的，只有1.61×106 m3，溢出气量比例却达到668.02%。
从大倾角煤层压力降传播角度分析，压力波首先呈围绕井眼的圆形扩散，随着储层整体平衡被破坏，在气-水分异的作用下，向深部传播的压力波扩展速度要大于向浅部的，分析造成煤层气溢出现象的主要气源来自于井眼浅部煤层解吸的煤层气。埋深300 m的直井位于浅部，根据含气量梯度计算，此处含气量在4.75 m3/t，再往浅部就是火烧煤层区，气含量已经接近于0，所以浅部钻井煤层气溢出量较少。埋深500 m处含气量增加到6.55 m3/t，由于原始储层中浅部水在重力分异作用下会向下补充，导致其产能甚至不如埋深300 m处的直井。可见直井排采不适用于大倾角煤层，不仅产能较差，如果不配置合理井网还会造成大量的煤层气资源浪费。
使用无浮力项模型模拟300 m埋深和700 m埋深模拟方案，结果如图10所示。若不添加浮力项300 m埋深直井无法观测到溢出现象；700 m井虽然可以观测到溢出现象但溢出量要少，产量更高一些。不添加浮力项会导致溢出现象发生深度判断偏差，以及深部井溢出量和产气量计算错误。
图10 浮力项对煤层气溢出量的影响
Fig.10 Effect of buoyancy term on amount of coalbed methane leakage
3.3 煤层气直井溢出影响因素分析
为了挖掘阜康白杨矿区42号煤煤层气溢出现象开始时间和最大溢出量的规律性，增加400 m、600 m埋深模拟方案，同时延长模拟时间以保证观测到最大溢出量发生时间。
从图11a和图11b可以看出最大溢出量和最大溢出量发生时间均与埋深呈正相关。主要原因是大倾角煤层含气量分布与埋深同样成正相关，排采过程井眼浅部的煤层气解吸越多，在气-水分异作用下造成更多的煤层气溢出。溢出现象开始时间随着埋深增大逐渐缩短，如图11c所示，拐点在500 m埋深左右产生，500 m已深溢出现象发生时间几乎一致。分析原因为，溢出现象开始时间是由直井所在位置的含气量、储层压力、临界解析压力以及气体向浅部的运移距离和速度共同决定的，在本模型中深部煤层与浅部煤层压差是煤层气向上运移的主要作用力，当加入浮力项后，浮力主要到汽包体积影响，故浅部含气量低，降到临界解析压力所需的时间长，解吸量少，虽然距离露出区近，但运移速度慢。深部井虽然距离露出区相对较远，但解析气量大，气体运移快。通过模拟埋深500 m以下煤层气井见气时间每100 m见气时间间隔不到1月，可以忽略，拐点出现是因为储层压差为主要作用力，而浮力受压差作用和孔隙体积影响已接近恒定。
图11 埋深对煤层气层溢出现象的影响
Fig.11 Influence of buried depth on overflow phenomenon of coalbed methane
4 结 论
1)借鉴现有模型，考虑浮力项影响修正了大倾角煤层三维气-水两相渗流数学模型，通过数值模拟方法验证了大倾角煤层浅部煤层气溢出现象的存在。若无浮力项浅部煤层直井排采无法观测到溢出现象，深部煤层直井溢出量计算偏小。
2)阜康白杨河矿区大倾角煤层浅部煤层气溢出数值模拟研究表明，煤层气溢出现象是阶段式的。顺层井排采时，产气量快达到峰值时溢出现象开始发生，溢出量先增后减，直到溢出现象结束。直井排采时，溢出量远大于直井产能，造成了大量的资源浪费。
3)直井排采过程中，煤层气溢出总量和最大溢出量与直井的埋深呈线性关系，埋深越大溢出量越大。煤层气溢出现象发生时间随着埋深增加而逐渐缩短，由于储层压差影响增大，浮力项逐渐恒定，500 m以深发生时间基本一致。
4)在大倾角煤层气部署生产井时，中部到深部的直井产气能力差，且会造成大量煤层气溢出，溢出量远大于直井产能，造成了大量的资源浪费。顺层井降压范围大，控制面积广，既能保证煤层气产量，又能有效抑制煤层气从浅部露出部位的溢出现象，应以顺层井作为主力开发井型。
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