煤層氣井排水采氣理論與技術研究

肖富強，鄒勇軍，桑樹勛，黃華州

（1.江西煤田地質勘察研究院，江西 南昌 330001；2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008）

1 煤層氣產出機理

煤層氣地面井的生產，是通過排出煤層中的水，使煤儲層的壓力降低，吸附在煤基質表面的甲烷開始解吸，并通過煤層的微孔隙擴散到煤層的孔裂隙中，最后以滲流的方式進入井筒產出。煤層氣的產出過程包含了煤層氣的解吸、擴散、滲流的過程，這是煤層氣排采的理論基礎。

1.1 煤層氣的解吸

研究顯示，煤儲層對煤層氣的吸附屬于物理吸附，解吸與吸附處于動態平衡，這個過程具有可逆性。在煤層氣地面井的實際生產中，是通過排出煤儲層中的水，降低儲層壓力，當儲層壓力降低到臨界解吸壓力以下后，煤層氣的吸附—解吸平衡才被打破，煤層氣開始解吸產出。

煤層氣的吸附與解吸過程符合Langmuir等溫吸附模型，所以煤層氣的解吸過程可通過煤的Langmuir等溫吸附曲線描述。煤層氣解吸服從Langmuir定律，其表達式為〔3〕：

式中：V 是吸附劑在氣體壓力為p時吸附氣體的吸附量，m3／t；pL為蘭繆爾壓力，MPa；VL為蘭繆爾體積，m3。

1.2 煤層氣的擴散

甲烷氣體在煤基質內的擴散，是在氣體分子濃度差驅使下向低濃度的地方擴散，這時候通過單位面積的擴散速率與濃度梯度表現為正比關系，此時屬于擬穩態擴散，遵循費克第一定律：

在煤基質體外表面，氣體分子濃度差異大，隨著運移長度的變化，分子濃度差是可變化的，這時候的擴散成為非穩態擴散，服從費克第二定律：

1.3 煤層氣的滲流

煤層的孔裂隙中一般賦存有大量的水，煤層氣經解吸、擴散到孔裂隙中，則孔裂隙中的流體變成了氣-水兩相流。煤層氣井生產就是通過排出煤儲層的水，使儲層壓力降低，在壓力差的作用下，氣液兩相流體向著壓力降低的方向流動，直至流到井筒后產出。在這一過程中，煤層氣在煤儲層的流動可以看作是層流運動，這個運動規律符合達西定律：

式中：ν為流速；k為煤層的滲透率；μ為瓦斯的濃度系數；p為瓦斯壓力。

2 煤層氣井排水采氣原理

2.1 單井排采模式

單井排采，就是在一定的區域范圍內只有一口煤層氣井生產的模式。在單井模式下，單口煤層氣井的排采不受其它生產井的影響。其中，單井排采又可劃分為單井單層排采和單井合層排采〔4〕。

（1）單井單層排采：生產層為單個煤層，排采過程中壓降漏斗在單個煤層中擴展，井底流壓主要取決于動液面高度。因此，單層排采時，排采制度的控制比較簡單，操作容易〔4〕。

（2）單井合層排采：在部分煤層群發育地區，為了高效開采地下煤層氣資源，合層排采是重要的舉措之一。原理是兩個或兩個以上煤層分層進行壓裂施工，但共用一套井筒設備產氣。分壓合采，對于多煤層群發育地區提高煤層氣資源采收率有重大的現實意義。

2.2 井網排采模式

在局部小范圍地區，單井排采模式或許可以實現單井的高產，但要實現煤層氣的商業化開發，大面積的煤層氣井連續高產、穩產，只有通過井網排采模式實現。井網排采就是在一定開采范圍內有兩口或者兩口以上的煤層氣井組合排采（見圖1）。

圖1 井網排采模式示意

在承壓含水層內，地下水的流動是線性的，壓力變化可以直接疊加，在壓降漏斗疊加的地方壓力變化等于多口井的壓力降低之和，這種現象就叫井間干擾。井網排采模式正是利用煤層氣井之間的井間干擾現象，使煤儲層的儲層壓力盡可能降低，促進煤層氣的解吸，使井網排采中的煤層氣井，無論是產氣速率或是累計產氣量都有明顯提升。

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3 煤層氣井排采階段劃分

根據我國長期以來的煤層氣開發經驗，煤層氣井的生產過程大致可劃分為三個階段（見圖2）。

3.1 排水降壓階段

這一時期的主要任務是通過排水，降低井筒中的動液面深度，以達到降低儲層壓力的目的。其中，又可以劃分為三個階段，第一階段是從排水開始到井筒中出現套壓，這個階段的排采重點是降低井筒中的動液面高度，排采速率可以適當加快，以不吐砂、不吐粉為控制標志。第二階段是從見套壓到初始產氣階段，井筒中開始出現套壓后，排水的速率應適當控制，防止儲層壓力降低到臨界解吸壓力以下后，大量煤層氣解吸出來并在煤層中聚集形成氣泡，有可能堵塞煤層中的導流裂縫，產生氣鎖效應。第三階段是初始產氣至穩定產氣階段，煤儲層中的流體已經進入兩相流階段。

3.2 產量穩定階段

隨著排采的進行，煤層氣的產能逐漸增大直至趨于穩定，并且出現產氣高峰，而產水量則相反，逐漸下降。這個階段的控制重點是維持排采作業的穩定性和連續性，控制住一定的井底流壓，盡量保持穩定的動液面，延長排采的時間，以求煤層氣井最大的產氣量。

3.3 產量衰減階段

煤層氣井排采到穩產期后，煤層氣單井控制范圍內的煤層氣已經被大量抽采出來了，煤基質解吸的氣體逐漸減少，盡管排采作業仍在繼續，但產水量和產氣量卻在不斷減少，這個階段通常持續時間較長。

圖2 煤層氣井排采曲線示意〔5〕

4 煤層氣井排采產能影響因素

4.1 儲層壓力

煤儲層壓力，是指作用于煤孔隙-裂隙空間上的流體壓力，包括水壓和氣壓，故又稱為孔隙流體壓力。煤層氣井中，煤儲層流體主要受到三個方面應力的作用，包括上覆巖層靜壓力、靜水柱壓力和構造應力。在被壓裂改造后滲透性較好的煤儲層，孔隙流體所承受的壓力為連通井筒中的靜水柱壓力，這就說明此時儲層壓力等于靜水壓力。

煤儲層壓力，一方面反映了儲層對瓦斯的儲藏能力，另一方面又能反映儲層供液能力的大小。儲層壓力對排采控制和排采工作制度的制定有非常大的影響。合層排采中，不同產層儲層壓力差別太大，勢必會影響排采過程中儲層的產水能力，高壓儲層可能將流體壓入低壓儲層，延長低壓儲層的排采時間，也可能導致儲層吐砂、吐粉，進而影響儲層的滲透率，對煤層氣井的產能產生不利。

表1是某采區部分分壓合采煤層氣井儲層壓力差和日產氣量關系。從表中數據可以看出，不同產層儲層壓力差較大的井產氣量反而有所減小，可見儲層壓力差過大對合層排采明顯有不利影響。同時，并不是儲層壓力差越小越好，35＃井儲層壓力差只有0.85 MPa，其產氣量卻非常小。綜合所述，認為煤層氣井合層排采，產層間儲層壓力差在一個適當范圍，對合層排采的產能是比較有利的。

表1 儲層壓力差和日產氣量關系

4.2 煤層厚度

在一定區域范圍內，煤層厚度的大小直接關系著煤層氣資源總量和該范圍內煤層氣井的產量，是評價煤層氣井生產潛力的重要參數。在其它地質條件相同的情況下，煤層厚度越大，單井控制的煤層氣資源總量越多，則煤層氣井單井的產氣量就相對越高，這對煤層氣的開采是非常有利的。

圖3為煤層氣井平均日產氣量與煤層總厚度關系圖。從圖中可以看出，煤層氣井單井的產能與煤層總厚度呈正相關關系，相關系數達0.75。即可認為，單井的煤層總厚度越大，則排采穩定后產能就越大。

圖3 平均日產氣量與煤層總厚度關系

4.3 儲層滲透率

滲透率是表征儲層滲流能力的量，煤儲層的裂隙發育程度直接影響滲透率的大小，從而影響煤層氣井產能。滲透率大小是影響煤層氣井產能的一個重要參數，在其它地質條件相近的情況下，滲透率越大，通常產氣量就越大，滲透率大小與氣井產能呈正相關關系（見圖4）。這是因為，滲透率越大，煤儲層中滲流通道越發育，越利于將煤層中的水排出，促進了壓降漏斗擴展，因而增加煤層氣井的產氣量。

5 煤層氣井排采數值模擬

目前為止，使用最廣泛的煤層氣數值模擬軟件是美國先進能源公司（ARI）研發的COMET 儲層模擬軟件，該軟件運用三重孔隙-雙重滲透率模型，能夠模擬煤層氣解吸、擴散、滲流過程。同時，該軟件還充分考慮了一些對煤層氣井生產有較大影響的參數，例如有效應力效應、煤基質收縮效應、水溶氣、氣體重吸收以及CO2注入等，因而，COMET 較其它軟件而言，更加科學地反映了煤層氣解吸、產出的基本規律〔6〕。

圖4 煤層氣井儲層滲透率與產氣量關系

利用COMET 進行排采數值模擬，首先要保證基礎數據的完整性和準確性，然后通過調整相應的工程參數和儲層物性參數，使模擬的數據結果盡可能地與實際排采情況相接近，即進行歷史擬合；再利用校正后的參數對煤層氣井進行產能預測。

1）歷史擬合。所謂歷史擬合，就是通過修正煤儲層損傷造成的儲層參數失真，使模擬的歷史動態與實際生產動態相一致，保證儲層參數的客觀性。煤層氣井的歷史擬合動態指標一般是指產氣量、產水量、累計產氣量、累計產水量等。在進行歷史擬合時，校正參數有一定限值，有的參數靈敏度大，微小調整就引起結果的巨大變化，表明該參數與結果的相關性很大，所以必須確定儲層的關鍵參數。同時，還需要確定煤層氣井的工作制度，包括定產水量、定產氣量、定井底流壓等。經驗顯示，擬合時，有些參數需要頻繁調整，有些參數則不必，裂隙滲透率和孔隙度是儲層模擬的關鍵參數，需要擬合調整〔7〕。

2）產能預測。在歷史擬合將儲層參數校正過后，參數校正值達到預期目標，能夠客觀真實地反映煤儲層的物性參數和煤層氣的生產能力，據此可以對煤層氣井產能進行合理、準確的評價。產能預測除了可以預測煤層氣井的產水量和產氣量之外，還可根據對比擬合產能曲線和實際產能曲線，發現煤層氣井生產過程中的不完善之處，并找出改善方案。同時，還可以檢測煤層氣井整個排采過程中的參數變化，掌握儲層動態，對于優化排采工藝有重大意義。

6 結語

1）煤層氣地面井的生產，是通過排出煤層中的水，使煤儲層的壓力降低，吸附在煤基質表面的甲烷開始解吸，并通過煤層的微孔隙擴散到煤層的孔裂隙中，最后以滲流的方式進入井筒產出。簡單來說，煤層氣的產出過程包含了煤層氣的解吸、擴散、滲流的過程。

2）煤層氣井排采，包括單井排采和井網排采。井網排采是在單井排采的基礎上，集合多口煤層氣井實現聯合產能，有助于提高煤層氣井的總產能。

3）本文將煤層氣井生產過程劃分為三個階段：排水降壓階段、產量穩定階段、產量衰減階段。

4）煤層氣井排采過程中，產能的影響因素眾多，主要包括有儲層壓力、煤層厚度以及儲層滲透率等。其中儲層壓力值在適當大小時對產能最有利，而煤層厚度和儲層滲透率與產氣量呈正相關關系，參數值越大，則產氣量越高。

5）煤層氣井數值模擬，就是通過擬合歷史產能曲線，修正煤儲層損傷造成的儲層參數失真，再利用修正后的參數對煤層氣井進行產能預測，掌握煤儲層的動態變化規律。

〔1〕張亞蒲，楊正明，鮮保安.煤層氣增產技術〔J〕.特種油氣藏，2006，13（1）：95-98.

〔2〕曹成潤，牛 偉，張遂安，等.煤層氣在煤儲層中的擴散及其影響因素〔J〕.世界地質，2004，23（3）：266-269.

〔3〕傅雪海，秦 勇，韋重韜.煤層氣地質學〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2007.

〔4〕李國彪，李國富.煤層氣井單層與合層排采異同點及主控因素〔J〕.煤炭學報，2012，37（8）：1354-1358.

〔5〕郭大立，貢玉軍，李曙光，等.煤層氣排采工藝技術研究和展望〔J〕.西南石油大學學報，2012，34（2）：91-98.

〔6〕趙 雯，朱炎銘，張曉莉，等.煤層氣井歷史擬合評述〔J〕.中國煤層氣，2010，7（3）：20-22.

〔7〕郭 晨，秦 勇，韋重韜.基于COMET3軟件的煤儲層數值模擬方法〔J〕.中國煤炭地質，2011，23（1）：18-20.