据国土资源部全国油气资源动态评价成果显示[1-2]，我国煤层气地质资源量高达36.81×1012m3，居世界第3，表明我国煤层气资源十分丰富。“十二五”期间，在国家支持和新技术研发推动下，我国煤层气产业迅速发展，煤层气钻井数及产量稳步增长，建成了沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘两大煤层气产业基地。“十三五”以来，国内煤层气勘探开发逐步由华北向华南地区发展，华南地区表现出显著的“煤层群”发育特征，虽然单煤层厚度不大，但多煤层的发育使得煤层总厚度较大，煤层气资源丰度远高于全国平均水平，具有巨大的开发前景[3]。对于同一煤系内部在垂向上发育2套及2套以上相互独立的含气系统这一成藏模式，秦勇等[4-7]初步提出和论证了“多层叠置煤层气系统”的学术观点并进行广泛研究。
针对多层叠置煤层气系统，多层合采不仅能降低单井投资，增加煤层气井的服务年限，同时还能提高煤层气的采收率，是一种理想的开采方式[8-9]。然而，在进行多层合采时，由于不同煤层气系统通过井筒贯通，如果不同煤层气系统之间流体能量差异显著，会导致较高能量系统的流体抑制或屏蔽较低能量系统中流体流向井筒，不利于煤层气的开采[10]。为此，广大学者围绕多层叠置煤层气合采开展了一系列相关研究:李国彪和李国富[11]探讨了煤层气井单层与合采异同点及其主控因素;彭龙仕等[12]采用灰色关联分析法评价了煤层气多层合采产能各影响因素的重要性;张军建等[13]针对叠置煤层气系统提出了“主地质参数权重优选+数值模拟产能最优化”垂向有利区优选方法;冯其红等[14]开展了煤层气与相邻砂岩储气层合采条件以及显著性影响因素的数值模拟分析研究;傅雪海等[15]和孙鹏杰等[16]分别构建3层叠置煤层气系统模型，数值模拟并分析了不同开采制度条件下各阶段的流体效应。
物理模拟试验方法作为一种行之有效的研究手段[17]，也取得如下进展:胡勇等[18]通过并联2个尺寸为φ38 mm×200 mm的天然岩心，搭建高低压双气层合采物理模拟试验平台，研究了不同初始气压合采时储层气压变化规律及产量贡献特征;朱华银等[19]在此基础上进一步扩展到3层产气层;游利军等[20]通过并联3层致密砂岩(φ25 mm×68 mm)，开展了不同有效应力与含水饱和度条件下致密砂岩气合采的试验研究;冯毅等[21]并联不同岩心(φ25 mm×50 mm)，模拟了砂岩气与页岩气两层合采试验，研究了合采过程中层间干扰机理。可见目前物理模拟试验装置以并联小尺寸圆柱体试件为主，且主要针对致密砂岩气、页岩气合采方面开展研究，虽然对煤层气合采具有一定的借鉴和参考价值，但由于其成藏特征、流动机理和开采规律[22]方面的差异难以完全照搬引用。为此，在总结前人研究成果的基础上，笔者设计了一套多层叠置煤层气系统合采试验装置，开展了4层煤层气系统合采试验研究，通过优化合采方式以提高合采采收率，为多层叠置煤层气系统合采提供了新的思路和方法。
1 试验装置研制
1.1 设计思路
通过对前人研发的合采试验装置进行总结，发现在以下方面有待进一步改进:① 试件多选用圆柱体岩心，其尺寸较小，边界效应较为明显;② 通过管路并联相互独立的岩心以模拟不同储层，降低了不同储层之间的关联性，尤其是隔绝了相邻储层之间地应力及流体压力的传递，和实际情况相差甚远;③ 只能对储层进行单一的围压加载，难以开展复杂地应力条件下多层合采试验研究;④ 数据采集通道少、自动化程度低、可视化效果差。
针对以上不足，结合已有成果，笔者提出如下合采试验装置构想:在1个长方体箱体内部制备4层型煤，每个煤层均对应1个分支水平井，相邻煤层间铺设相似材料，以确保“层间密封”，最终通过合采井筒连通不同煤层，实现多层合采，称之为叠置分支水平井。其工作原理示意如图1所示。
1.2 主体结构
多层叠置煤层气系统合采试验装置是在原有试验系统[23]基础上进行升级改造，重点是对试件箱体的重新设计及加工，如图2所示。试件箱体内部有效尺寸为1 050 mm×400 mm×400 mm;箱体底部设计有4个相互独立的进气通道(图2中11)，与煤层接触面积均为162 mm×300 mm(图2中10);箱体侧壁设计有3排共55个数据采集孔(图2中7)，每个数据采集孔均可安装1个气压传感器或2个温度传感器或1个水平井;本次共设计有4个水平井，有效尺寸为φ6.4 mm×330 mm，其周向和轴向设计有透气小孔，4个水平井均安装在第2排通道上，距箱体左侧距离依次为141，395，645，925 mm(图2(a))。图3(a)为叠置煤层地应力加载系统实物，忽略煤体自重等影响，则可等同为图3(b)的示意图，即将箱体内部划分为4个叠置煤层，有效尺寸均为262.5 mm×400 mm×400 mm，其中在Z向设计有1个加载油缸，可加载12 MPa地应力，在X向、Y向分别设计有4个加载油缸，每个油缸均可加载10 MPa地应力，9个加载油缸相互独立，可通过程序单独或编组操控，实现了叠置煤层真三轴应力加载。
图1 多层叠置煤层气系统合采试验装置原理(Vin，Vout，Vback分别表示进、出气阀门和回压阀门)
Fig.1 Schematic diagram of multiple layers superposed CBM system commingled drainage apparatus
1.3 控制与数据采集系统
试验装置设计一套98通道的控制与数据采集系统，包含:① 9路力控制与采集通道;② 9路位移控制与采集通道;③ 48路气压采集通道;④ 16路温度采集通道;⑤ 16路流量采集通道。利用配套测控软件MaxTest-coal，可对试验全程中不同位置储层参数及不同水平井产量进行实时监控、显示及采集，极大地提高了物理模拟试验的自动化及可视化。
图2 试件箱体结构
Fig.2 Structure diagrams of coal matrix box
1—箱体;2—盖板;3—防干涉板;4—压杆;5—压板;6—导向法兰套;7—数据采集孔;8—O型密封圈;9—盖板螺栓;10—透气钢板;11—进气通道
图3 叠置煤层真三轴应力加载系统
Fig.3 True triaxial loading system of superposed coal layers
1.4 试验装置功能及优势
设计研发的多层叠置煤层气系统合采试验装置，可开展不同储层气压、不同储层物性、不同储层地应力以及不同合采方式等条件下多层合采试验研究，同时具有以下优势:① 大尺度试件，能降低边界效应的影响;② 不同储层之间铺设相似材料，能还原现场储层赋存状态;③ 9个相互独立的加载油缸可实现最多4层储层的真三轴应力加载;④ 可对试验过程中不同储层参数进行多层次、全方位的实时监控、显示及采集;⑤ 试验装置自动化及可视化程度较高。
2 试验方案
2.1 型煤配比及制备
试验煤样取自贵州金佳煤矿，宏观煤岩类型为半亮煤，组分以镜质组为主，占比78.09%。镜质组反射率
为2.16%，煤质中水分(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vad)和固定碳(FCad)分别为1.83%,8.12%,9.32%,80.73%。笔者[24]针对煤层气开采所需型煤的力学及渗透特性进行了系统研究，基于最大密度曲线理论最终确定了试验所需型煤的最优配比，见表1;而相邻煤层间相似材料的选取主要考虑两点:一是渗透率极低或者不透气;二是力学性质和型煤接近，不影响应力的加卸载与传递，称之为“隔气传力”，配比见表2。型煤和相似材料的含水率分别是6%和10%。
表1 型煤配比方案
Table 1 Proportioning scheme of coal briquette
表2 相似材料配比方案
Table 2 Proportioning scheme of separating gas material
影响多层合采层间干扰的因素主要有两点，即不同储层之间的压力系统差异(储层气压差异)和物性差异(储层渗透率差异)[10,22]。笔者主要研究不同储层气压差异对合采的干扰特性，并通过优化合采方式提高其采收率。因此，在煤样成型过程中，4层煤层成型条件均保持一致，同时通过模具控制4层煤层和3层隔气层厚度分别为225和50 mm，而为了防止相邻煤层通过箱体内壁窜气，在煤样四周包裹1层2 mm厚的密封垫。在成型过程中同步预埋叠置分支水平井和相应传感器。最后利用He对箱体整体密封和层间密封能力进行检测，同时以CO2代替CH4进行试验。由于研究重点是合采过程中产量的变化规律，因此不再赘述煤层内传感器的布置情况，相关成果可参考文献[25-26]。
2.2 试验方案
由于相邻煤层间距较小，同时为了确保层间密封效果，因此不同煤层相同方向地应力大小相同，其中最大水平主应力、垂直主应力和最小水平主应力分别为5.0,4.0和3.0 MPa;而4层煤层储层气压由上到下分别为1.0,1.4,1.8,2.2 MPa，即以0.4 MPa气压梯度进行递增，见表3。同时结合前人研究成果，对常规合采方式进行优化，提出递进合采的思路和方法:
表3 试验方案
Table 3 Experiment scheme
常规合采:通过控制4个进气阀门Vin1～Vin4对4层煤层进行周期充气吸附，当吸附48 h后关闭进气阀门，此时储层气压基本保持稳定，达到吸附平衡状态。调节回压阀Vback为0.2 MPa，以模拟合采井筒套压。最后同时打开4个出气阀门Vout1～Vout4，则4层煤层同步产气，即实现常规合采。
递进合采:吸附平衡后关闭进气阀门同时调节回压阀Vback为0.2 MPa，然后打开4号高气压煤层出气阀门Vout4进行产气，待4号煤层气压降到和3号煤层气压接近时，再打开3号煤层出气阀门Vout3，此时3号和4号两煤层同步产气，然后按此方法依次分别打开Vout2和Vout1，最终4层煤层全部产气，称之为递进合采。递进合采的主要目的是控制合采煤层的储层气压一致即流体能量相接近，以降低层间干扰，从而提高合采采收率。
2.3 相关参数定义
为便于对比分析，统一对文中相关参数及含义作相关说明，首先是煤层原始含气量Q(0)、瞬时产量q及累积产量Q:
Q(0)=∑Qi(0)=Q1(0)+Q2(0)+Q3(0)+Q4(0)
(1)
q=∑qi=q1+q2+q3+q4
(2)
Q=∑Qi=Q1+Q2+Q3+Q4
(3)
式中，i表示煤层编号，取值1,2,3,4;Q(0)和Qi(0)分别为叠置煤层原始含气量和i号煤层单层原始含气量，L;q和qi分别表示叠置煤层瞬时产量和i号煤层单层瞬时产量，L/min;Q和Qi分别表示叠置煤层累积产量和i号煤层单层累积产量，L。
定义产能贡献率ω，表征不同煤层产气量占总产气量的比例:
(4)
式中，ωi表示i号煤层单层产能贡献率，%;可知总产能贡献率ω=ω1+ω2+ω3+ω4=100%。
定义采收率η，表征煤层累积产气量占煤层原始含气量的比例:
(5)
(6)
式中，ηi和η分别表示i号煤层单层采收率和叠置煤层整体采收率，%。
为了定量评价优化前后两种合采方式差异，定义差异系数D，表征递进合采累积产量相对常规合采累积产量的增幅:
(7)
(8)
其中，Di和D分别表示i号煤层单层差异系数和叠置煤层整体差异系数，%。文中分别以前缀“常规-”、“递进-”区分常规合采和递进合采相关参数。由式(8)可知，差异系数为正表明优化后递进合采效果较好，反之表明常规合采效果较好;而差异系数绝对值的大小则表示两种合采方式的差异程度。
3 试验结果及分析
3.1 常规合采效果分析
图4为常规合采时叠置煤层整体及单层对应瞬时产量q、累积产量Q、产能贡献率ω及采收率η等参数随时间演化曲线，合采10 h后各单层瞬时产量均下降至0.1 L/min左右，结束试验。由图4(a)可知，合采初期，储层气压较大的4号煤层(p=2.2 MPa)和3号煤层(p=1.8 MPa)对应瞬时产量瞬间达到峰值，分别为21.9和10.7 L/min，然后随着合采的进行而逐渐下降。而2号煤层(p=1.4 MPa)对应瞬时产量先是快速上升至3.5 L/min，随后稳定一段时间后才开始缓慢降低。储层气压最小(p=1.0 MPa)的1号煤层，合采初期出现了明显的气体倒灌现象，气体倒灌最大瞬时产量为3.9 L/min，合采3.6 min时停止倒灌，而后开始恢复产气，至18.2 min时，瞬时产量达到最大1.9 L/min，此时2～4号煤层对应瞬时产量分别为2.4，3.2及4.0 L/min，表明在合采过程中，储层气压对瞬时产量起控制作用，储层气压越高，对应瞬时产量越大，而储层气压越低越容易发生气体倒灌现象。
由图4(b)可知，1号煤层初期发生气体倒灌导致累积产量先下降后上升，合采3.6 min时倒灌量达到最大为3.8 L，合采8.3 min时变为0，之后开始上升。1～4号煤层单层累积产量整体趋势较为一致，均表现出前期上升速度较快，而后缓慢上升，且储层气压越高对应累积产量越大，试验结束后对应累积产量分别为231.8,309.1,352.4和457.4 L，计算可得当储层气压从1.0 MPa增加到1.4,1.8和2.2 MPa时，其累积产量增长率分别为33.3%,52.0%和97.3%;图4(c)中不同煤层产能贡献率呈现出不同的演化趋势，其中1号、2号煤层产能贡献率在前期明显上升，随后趋于稳定，而3号、4号煤层产能贡献率则刚好相反，先下降后趋于稳定，该现象表明在合采前期，储层气压较高的4号煤层和3号煤层占据产气主导地位，并对低储层气压1号煤层和2号煤层起到一定的抑制作用，同时抑制效果随着合采的持续进行逐渐减弱从而达到动态平衡，合采结束后1～4号煤层对应产能贡献率分别从初始的-13.0%,3.2%,36.0%和73.8%稳定至17.1%,22.9%,26.1%和33.9%，可知稳定之后2～4号煤层相比1号煤层的产能贡献率分别增加了5.8%,9.0%和16.8%;图4(d)中不同煤层采收率曲线变化规律较为一致但是出现多次交叉现象，主要是由于各煤层原始含气量的差异导致的，合采结束后1～4号煤层单层采收率以及叠置煤层采收率分别为50.3%，51.4%，50.6%，53.0%和51.5%，其中4号煤层采收率始终保持最大。
3.2 递进合采效果分析
图5为递进合采时叠置煤层整体及单层对应瞬时产量q、累积产量Q、产能贡献率ω及采收率η等参数随时间演化曲线，同样合采10 h后结束试验。
图4 常规合采时各参数演化曲线
Fig.4 Evolution of different parameters on commingled drainage
图5 递进合采时各参数演化曲线
Fig.5 Evolution of different parameters on progressive drainage
由图5(a)可知，在合采初期，只打开4号煤层，此时单层瞬时产量同时也是叠置煤层整体瞬时产量升至最大27.4 L/min，合采2.4 min时，打开3号煤层，3号煤层瞬时产量上升至12.4 L/min，而4号煤层由15.1 L/min下降至9.5 L/min随后有小幅回升，此时叠置煤层整体瞬时产量则由15.1 L/min增加到21.9 L/min，如此依次进行，在合采8.1和23.2 min时分别打开2号煤层和1号煤层，之后4个煤层同时合采至试验结束。可以看出递进合采瞬时产量曲线和常规合采瞬时产量曲线相比具有明显的不同，一方面表现为瞬时产量曲线不再出现负值，即不发生气体倒灌现象，另一方面则表现为瞬时产量曲线存在阶段性的“突变”，即在打开不同煤层时突然上升或下降，而常规合采瞬时产量曲线则全程呈现出平滑的变化趋势。
由图5(b)可知，在打开3号煤层、2号煤层和1号煤层时，对应煤层单层累积产量均为0，而叠置煤层累积产量分别为46.6,147.2和349.8 L。虽然4个煤层产气时长各不相同，但是累积产量曲线均表现出相似的变化趋势，即在前期增加速度较快，而后缓慢上升，合采结束后1～4号煤层对应累积产量分别262.1,311.3,354.0和469.0 L，相比1号煤层累积产量，2～4号煤层分别增加了18.8%,35.1%和78.9%;由图5(c)可知，合采初期，4号煤层产能贡献率达到100%，而后随着其他产气层的依次加入，4号煤层产能贡献率逐渐下降，其他煤层产能贡献率则分别增加，所有煤层都打开后很快达到平衡状态，合采结束后1～4号煤层对应产能贡献率分别为18.8%,22.3%,25.3%和33.6%，可知稳定之后2～4号煤层相比1号煤层的产能贡献率分别增加了3.5%,6.5%和14.8%;图5(d)中不同煤层采收率曲线同样出出交叉现象，合采结束后1～4号煤层单层采收率以及叠置煤层采收率分别为56.8%,51.8%,50.8%,54.3%和53.3%，其中1号煤层采收率前期最小，中期逐渐上升，至后期变成最大。
3.3 优化前后合采效果对比
图6为优化前常规合采和优化后递进合采两种方式对应叠置煤层瞬时产量和累积产量对比曲线，递进合采初期，仅有4号煤层产气，其瞬时产量明显低于常规合采时瞬时产量，且随着合采的进行差距逐渐增大，直到打开3号煤层产气时，瞬时产量得到较大提升并超过前者，如此依次打开所有煤层后，递进合采瞬时产量一直保持较高水平，直到合采约370 min时，两条曲线出现交叉，对应瞬时产量均为0.77 L/min，之后递进合采瞬时产量低于前者，直到试验结束，瞬时产量下降为0.36 L/min，而常规合采对应瞬时产量为0.42 L/min。从图6(b)可以看出，虽然两种合采方式瞬时产量在前期差异较大，但是累积产量却较为接近，两条累积产量曲线基本重合，从50 min左右开始出现明显的差异，此后常规合采累积产量始终低于递进合采累积产量，在370 min时两者分别为1 219.7 和1 278.6 L，差值达到最大58.9 L，而此时对应整体采收率分别为48.2%和51.0%，表明此时递进合采整体采收率较常规合采高1.8%;至试验结束时，两者累积产量分别为1 350.8和1 396.4 L，对应整体采收率分别为53.0%和54.3%，而此时递进合采整体采收率只比前者高出1.3%。
图6 叠置煤层瞬时产量和累积产量对比
Fig.6 Comparison of superposed coalbed flow rate and cumulative flow rate
以上分析是针对叠置煤层整体产气量而言，为了进一步探讨两种合采方式下各单层产气量差异，对合采结束后各单层累积产量及采收率进行对比，如图7(a)所示，可见递进合采对应各单层累积产量相比常规合采均有一定程度的提高，相对应的单层采收率同样得到提高，然而不同储层气压煤层对应采收率增加幅度差异较大，其中储层气压最低的1号煤层采收率增加量最大，为6.5%，其次依次为4号煤层、2号煤层和3号煤层，对应采收率分别增加了1.3%,0.4%和0.2%。递进合采过程中，1号煤层最晚打开，相比其他煤层生产时间较短，采收率反而增加的最为明显，说明打开煤层生产的时机非常重要，合理的分配不同煤层生产时机能有效避免气体倒灌、降低层间干扰，从而提高煤层产量和采收率。图7(b)为两种合采方式结束后不同煤层产能贡献率散点图，对其进行拟合，发现近似符合线性关系，即:y=ax+b，其中x和y分别表示储层气压和产能贡献率;a,b均为拟合系数;其中系数a表示直线斜率，其值越大说明合采过程中不同煤层产能贡献率差异越大，同时由于存在叠置煤层总产能贡献率为100%这一约束条件，即∑y=100%，因此两条直线必定存在一个交点，越靠近交点两种合采方式对应同一煤层产能贡献率越接近。由拟合结果可知，常规合采和递进合采产能贡献率拟合直线斜率分别为13.40和11.85，且在1.6 MPa附近出现交叉，说明递进合采通过优化煤层生产时机使得各煤层产能贡献率更加接近，产能分配更加合理。
图8(a)为单层差异系数曲线图，可见在生产前期，差异系数波动较大，其中只有4号煤层差异系数为正，其余煤层差异系数均为负值，主要是因为递进合采中不同煤层生产时间不同造成的。生产100 min后，不同差异系数进入平缓变化阶段，按其变化趋势可分为3类:第1类以1号煤层为代表，随着生产的进行，差异系数不断上升，表明对于1号煤层而言，递进合采效果优于常规合采，且优势不断积累;第2类以3号煤层为代表，差异系数始终处在D=0附近，表明3号煤层产量受合采方式影响不大;第3类以2号煤层和4号煤层为代表，差异系数虽然始终为正值，但是到合采后期开始缓慢下降，表明两种合采方式的差异在前期较大，后期逐渐缩小。相应地，叠置煤层整体差异系数如图8(b)所示，可见，整体差异系数除了前期波动外，始终为正值，整体呈现先上升后下降的变化趋势，在340 min左右达到最大，为4.92%，至试验结束时降至3.38%。表明递进合采产量整体高于常规合采，同时两者差异随着合采处于动态变化，在合采中期达到最大，之后略有下降。
图7 单层采收率和产能贡献率对比
Fig.7 Comparison of single coalbed recovery ratio and gas production contribution rate
图8 单层和叠置煤层差异系数对比
Fig.8 Comparison of single and superposed coalbed difference coefficient
综上，和常规合采相比，优化后的递进合采能有效避免气体倒灌现象，提高煤层采收率，且不同煤层提升效果各不相同，同时叠置煤层差异系数呈现先升后降的变化趋势，表明优化前后两种合采方式差异随着合采的进行处于动态变化之中，在合采中期达到最大，在后期略有下降。
4 结 论
(1)基于前人研究成果，设计并研发一套多层叠置煤层气系统合采试验装置，该装置具有98路数据采集通道，能实现大尺度条件下叠置煤层真三轴应力加载，同时保证相邻煤层间地应力和流体压力的传递，为开展不同条件下多层合采试验研究提供了可靠手段。
(2)开展了储层气压分别为1.0,1.4,1.8和2.2 MPa条件下常规合采试验，其中1号(1.0 MPa)和2号(1.4 MPa)煤层产能受到一定抑制，同时1号煤层出现明显的气体倒灌现象，表明在合采过程中，高气压煤层气体通过合采井筒流向低气压煤层，从而产生层间干扰，不利于煤层气的合采。
(3)通过优化不同煤层产气时间开展了递进合采试验，有效避免了不同煤层之间发生气体倒灌现象，试验结果表明叠置煤层整体采收率提高1.3%，而不同煤层单层采收率的增长各不相同，其中1号煤层采收率增加最为明显，为6.5%。
(4)不同煤层产能贡献率和储层气压近似呈线性关系，递进合采对应拟合直线斜率低于常规合采，且两条拟合直线在1.6 MPa附近出现交叉，表明递进合采能降低高储层气压煤层产能贡献率同时提高低储层气压煤层产能贡献率，使得产能分配更加合理。
(5)不同煤层单层差异系数表现出3种变化类型，而叠置煤层整体差异系数呈现先升后降的变化趋势，表明优化前后两种合采方式差异随着合采的进行处于动态变化之中，在合采中期达到最大，在合采后期略有下降。
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