煤層氣從降壓到產氣過程的運移機理研究

吳雅琴

(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100)

邵國良

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

徐耀輝

(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100)

陳偉,李鵬鵬，王美思

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

煤層氣從降壓到產氣過程的運移機理研究

吳雅琴

(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100)

邵國良

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

徐耀輝

(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100)

陳偉,李鵬鵬，王美思

(中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

[摘要]煤儲層中孔隙結構的大小以及孔隙內部環境(相態、壓力等)共同影響著煤層氣的解吸-運移機理。在相同大小的孔隙結構條件下，根據基質孔隙與割理系統的不同相態組合建立了4種模型，分別為水-水、水-氣、氣-水、氣-氣，且由原始的水-水模型逐漸過渡到最終的氣-氣模型的過程中，煤層氣的解吸運-移機理是不斷變化的。其中在水-水模型下，煤儲層從降壓到產氣可分為4個過程：一是基質孔隙內壓力降低；二是基質孔隙內吸附氣的解吸；三是基質孔隙內溶解氣的運移；四是基質孔隙內游離氣的運移。煤層氣井的產量來源主要有2種途徑：一是基質孔隙內的溶解氣，其產氣量的比例較小；二是基質孔隙內的游離氣，其是油氣產量的主要來源。

[關鍵詞]煤層氣；基質孔隙；割理系統；解吸機理；模型

煤儲層是一種典型的雙孔隙巖層，由基質孔隙和裂隙系統組成[1]。對煤層氣解吸/吸附機理的研究，經歷了半個多世紀的發展，目前已經建立了許多理論與模型[2～18]。前人研究認為，煤儲層隨著煤階的不同其解吸機理是不一樣的，不論是雙孔單滲、雙孔雙滲還是三孔雙滲模型，其核心是煤層氣從基質孔隙運移至割理系統中的過程為擴散，在割理系統中的運移為滲流[7～15]。上述模型均是建立在基質孔隙內不含水的基礎上，分析了高、低階煤儲層中煤層氣解吸-運移的過程，忽略了水在煤層氣解吸運移過程中的影響。因此，傳統的模型存在一定的局限性，需更加全面地研究煤層氣從解吸到產氣過程的運移機理。化學上來講，結構決定性質，高、低階煤儲層中煤層氣解吸-運移機理不一致，主要是因為孔隙結構不同[18～20]。因此，筆者主要針對在相同的孔隙結構條件下，隨著基質孔隙與割理系統的相態組合方式不同，其解吸-運移機理是否存在著明顯區別進行了詳細的研究。

1賦存狀態

作為一種非常規天然氣，煤層氣以3種形式存在：吸附氣、游離氣和溶解氣。在煤層中，煤層氣的含量遠遠超過其自身孔隙的容積，因此煤儲層中吸附氣的含量遠大于游離氣和溶解氣[1,21～23]。

煤炭源于陸生高等植物，煤的原始有機物質主要是碳水化合物、木質素，成煤作用經過了泥炭化和煤化2個作用階段[3]。首先，在成煤作用過程中，由于壓實作用使得煤層基質孔隙和割理系統中的部分水被排除；其次，在熱壓作用和微生物的作用下，生成了大量的甲烷等低分子氣體，甲烷分子被排入基質孔隙和割理系統中，導致孔隙中的部分水被排出。據Mavor M J[24]研究顯示，水以2種形式存在于煤儲層中：基質孔隙內的束縛水和割理系統中的自由水。中國煤層多屬于高階煤，儲層物性較差，在煤層氣生產過程中都會進行人工壓裂，導致一部分水會被壓入基質孔隙中。因此，煤儲層基質孔隙中必然會存在一定的水分，甲烷氣體吸附于基質孔隙和割理系統中，煤儲層通常以固-液-氣3相并存，組成了一個穩定的壓力系統，共同維持著煤層壓力和相態平衡。隨著開采的進行，割理系統中的水被排出，壓力降低，隨后基質孔隙中的氣體或水分被排出，導致煤儲層的固-液-氣相發生變化。因此，隨著基質孔隙和割理系統所屬的環境(相態、壓力)變化，煤層氣解吸-運移的過程也在不斷的變化，該過程是一個動態變化的過程。

2煤層氣解吸運移模型的建立

煤層氣從降壓到井筒產氣需要經歷一個非常復雜的運移過程，傳統的理論模型忽視了基質孔隙中水對煤層氣運移的影響，因此筆者充分考慮到水的影響，建立了4種模型(圖1)，并詳細分析了煤儲層中煤層氣從降壓到產氣過程中的運移機理。

2.1水-水模型

圖1　煤儲層模型示意圖

圖2　煤儲層降壓模式圖

水-水模型(圖1(a))是當基質孔隙和裂隙系統均存在液相水時，固相煤、氣相甲烷和液相水3者構成了一個壓力系統，共同維持著煤儲層壓力及相態的平衡。當儲層壓力降低至臨界解吸壓力時，原先的平衡狀態被打破，發生煤層氣的解吸-運移。從煤儲層壓力降低到井筒產氣，煤層氣的解吸-運移主要經過以下4個過程：基質孔隙內壓力的降低、基質孔隙內吸附氣的解吸、基質孔隙內溶解氣的運移過、基質孔隙內游離氣的運移。

2.1.1基質孔隙內壓力的降低

在煤儲層中，隨著孔隙結構大小的不同，降壓的難易程度也不同(圖2)，孔隙直徑越大降壓越容易，反之則越困難。因此，從井筒→裂縫→割理→基質孔隙降壓越來越困難，按照孔隙由大到小儲層壓力是依次增大的。在煤儲層中，相互連通的孔隙之間因孔隙直徑大小不同存在一定的壓力梯度，孔隙直徑相差越大，壓力梯度越大。當基質孔隙內的壓力降到臨界解吸壓力之下時，煤層氣開始解吸，井筒底部流壓(p1)是小于臨界解吸壓力(p3)的。油田上通常把p1作為解吸壓力，而實際解吸壓力為p3。因此，在利用蘭氏方程計算生產井的含氣量時應用p3，而使用p1算出的含氣量偏小。

從分子運動論的觀點來看，氣體擴散的本質是氣體分子不規則熱運動的結果，根據氣體分子在多孔介質中的擴散機理研究，可用表示孔隙直徑和分子運動平均自由程相對大小的諾森數將擴散分為3種類型[25～30],即諾森型擴散、菲克型擴散和過渡型擴散(圖3)。其中諾森數為：

Kn=d/λ

式中：Kn為諾森數，1；d為孔隙平均直徑，nm；λ為分子平均自由程，nm。

1)諾森型擴散當Kn≤0.1時，孔隙直徑遠小于解吸氣體分子的自由程，解吸的氣體分子主要碰撞孔隙壁，而分子與分子之間的相互碰撞較少。當孔隙直徑在諾森型擴散的范圍之內，氣體分子從基質孔隙出來就十分困難，水分子要想從基質孔隙進入割理系統，必須存在較高的壓力梯度。基質孔隙中的束縛水在壓差的作用下滲流到割理系統中，而分子不規則熱運動導致擴散進入割理系統的占比相當小，直至基質孔隙中的壓力降低到臨界解吸壓力。該現象主要在高階煤中比較常見。

2)菲克型擴散當Kn≥10時，孔隙直徑遠大于孔隙解吸氣分子的平均自由程，基質孔隙內解吸氣分子與水分子主要發生分子間的碰撞，而與孔隙壁的碰撞較少。由于孔隙直徑變大，壓力梯度比諾森型擴散范圍內的壓力梯度小，水分子和解吸氣分子可以通過菲克型擴散進入割理系統，而由于壓力梯度產生的滲流起到輔助的作用。該現象主要在低階煤中常見。

3)過渡型擴散當0.1

總之，壓力梯度和分子間的不規則運動均可使得基質內的束縛水和解吸氣運移到割理系統來降低儲層壓力。當孔隙直徑越小，基質孔隙與割理系統間的壓力梯度越大，基質孔隙束縛水分子和解吸氣分子主要通過壓差滲流到割理系統中，而擴散只是起到輔助作用；當孔隙直徑越大，基質孔隙與割理系統間的壓力梯度越小，基質孔隙束縛水分子和解吸氣分子主要通過菲克型擴散進入割理系統中，而滲流起輔助作用。

圖3　擴散模式圖

2.1.2基質孔隙內吸附氣的解吸

煤層氣主要吸附于煤儲層的基質孔隙內部，基質孔隙中的壓力大于割理系統壓力，在開采過程中壓力梯度不斷的變大，當壓力梯度達到一定的值時，可以使得基質孔隙中的束縛水滲流到割理系統。隨著基質孔隙中水分不斷的滲流到割理系統，基質孔隙中的壓力持續降低，直到下降至臨界解吸壓力以下時，煤儲層基質孔隙中的吸附氣體開始解吸。解吸氣分子首先溶于吸附面附近水中，水中的溶解氣很快達到過飽和狀態，溶解氣分子不斷聚集，形成獨立的氣核，隨著氣核的不斷增多，可以形成連續氣相的氣泡。

2.1.3基質孔隙內溶解氣的運移

甲烷在煤層條件下溶解度低，主要受到溫度、壓力和礦化度的影響，而在同一區域中，地層溫度與礦化度基本相同，隨著壓力的增大，甲烷在水中的溶解度也相應增大[1]。解吸后的氣體首先溶于基質孔隙的溶液中，由于基質孔隙的壓力高于割理系統的壓力，基質孔隙中溶解態甲烷的濃度也大于割理系統中的濃度。

1)若孔隙直徑在諾森型擴散范圍內，甲烷分子和水分子主要與基質孔隙壁發生碰撞，只有很少量溶解氣是從基質擴散進入割理系統的，而主要是在壓力梯度作用下隨水分子一起滲流至割理系統中。由于割理系統中的壓力較低，水中的氣體溶解度降低，氣體逸出形成氣泡，沿著割理壓差方向流入井筒。

2)若孔隙直徑在菲克型擴散范圍之內，甲烷分子和水分子主要發生分子與分子之間的碰撞，基質孔隙與割理系統之間的壓力梯度比諾森型擴散范圍內的壓力梯度小，溶解氣主要通過菲克型擴散進入割理系統，而壓力梯度起到輔助作用。

3)若孔隙直徑在過渡型擴散范圍之內，分子間的碰撞和分子與基質孔隙壁之間的碰撞幾率相當，菲克型擴散和壓力梯度的滲流共同控制著溶解氣進入割理系統。從基質孔隙中解吸出來的氣體溶解在水中，在壓力梯度和濃度差的雙重作用下源源不斷地進入割理系統，最終匯入井筒。

2.1.4基質孔隙內游離氣的運移

圖4　基質孔隙游離氣運移模型圖

隨著氣體不斷解吸與成泡，基質孔隙中氣泡數量越來越多。氣泡聚集并形成連續流動通道進入割理系統(圖4)。根據孔隙結構大小的不同，連續氣相的運動方式是不一樣的。煤儲層中吸附氣主要存在于基質孔隙中，當基質孔隙游離氣的濃度高于割理系統中時，連續氣相在壓力梯度作用下由基質孔隙進入割理系統，不存在濃度差作用下的擴散。

1)在諾森型擴散范圍內，游離氣運移方式為非線性滲流，基質孔隙與割理系統之間壓力差是氣相流動的動力。游離氣要進入割理系統首先得克服黏滯力、毛細管力、界面張力等流動阻力的作用。因此，存在一個最小的啟動壓力梯度，只有當基質孔隙與割理系統間壓差達到一定程度時，游離氣才能迅速進入割理系統。即使基質孔隙與割理系統間存在濃度差，也不發生氣泡的擴散。因為擴散的條件有2個：一是存在一定的濃度差；二是滿足單相態流體狀態。

2)在過渡型擴散和菲克型擴散范圍內，由于孔隙直徑變大，壓力梯度變小，非線性滲流進行緩慢，但是由于氣泡通過直徑變大，仍有大量氣泡從基質孔隙中滲流而出。

煤層氣井的產量來源主要有2種途徑：一是基質孔隙內的溶解氣，溶解氣比例較小，溶解氣在壓力梯度或者濃度差的作用下以非線性滲流或者非穩態擴散的方式進入割理系統；二是基質孔隙內的游離氣，其是油氣產量的主要來源，游離氣在壓力梯度下以非線性滲流的方式進入割理系統。最終運移到割理系統中的溶解氣或者游離氣都在裂縫系統中以達西滲流的方式進入到井筒產氣。

2.2其他模型

1)水-氣模型基質孔隙中存在束縛水時，割理系統為氣體，該情況主要發生在煤層頂部，由于割理系統中大部分的水流入井筒，在重力作用下水流向煤層底部，導致煤層頂割理系統中的水可能會被完全排出。其解吸-運移過程與水-水模型過程基本一致，唯一區別就是基質孔隙內溶解氣是在壓力梯度下以非線性滲流的作用下進入割理系統，不存在擴散情況，因為基質孔隙溶解氣以液態形式存在，割理系統的是氣相，而在濃度差驅動下的擴散僅發生在單相流體中(圖1(b))。

2)氣-水模型該模型認為基質孔隙中不存在水，解吸氣體經過擴散到割理系統，然后再滲流至井筒[7～16]。隨著割理系統中的水被排除，基質孔隙與割理系統之間的壓力梯度不斷增加，當壓力梯度足以克服各種阻力以及氣體的吸附能時，基質孔隙氣體可以在壓力梯度下由吸附狀態進入割理系統，其過程類似于負壓抽排，直接將吸附的氣體抽排到割理系統中(圖1(c))。

3)氣-氣模型主要在2種情況下會出現該模型：一是干煤層，煤儲層中不存在水，只有吸附氣和游離氣；二是煤層氣井開發到一定程度時，無論之前是什么模型組合，最終會達到氣-氣模型的狀態，即煤層內水分基本被排出，主要剩余吸附氣體。基質孔隙中的吸附氣在壓力梯度和濃度差的作用下，以非線性滲流或者非穩態擴散的方式由基質孔隙進入到割理系統(圖1(d))。

3結論

1)煤儲層中孔隙結構大小以及孔隙內部環境(相態、壓力等)共同影響著煤層氣的解吸運移過程。在相同大小的孔隙結構條件下，根據基質孔隙與割理系統的不同相態組合建立了4種模式，分別為水-水模型、水-氣模型、氣-水模型、氣-氣模型。

2)在水-水模型的組合相態下，煤儲層從降壓到產氣可分為4個過程：基質孔隙內壓力的降低、基質孔隙內吸附氣的解吸、基質孔隙內溶解氣的運移、基質孔隙內游離氣的運移。

3)壓力梯度和分子間的不規則運動均可使得基質內的束縛水和解吸氣運移到割理系統來降低儲層壓力。當孔隙直徑越小，基質孔隙與割理系統間的壓力梯度越大，基質孔隙束縛水分子和解吸氣分子主要在壓力梯度的作用下滲流到割理系統中，而擴散只是起到輔助作用；當孔隙直徑越大，基質孔隙與割理系統間的壓力梯度越小，基質孔隙束縛水分子和解吸氣分子主要通過菲克型擴散進入割理系統，而在壓力梯度作用下的滲流起輔助作用。

4)煤層氣井中的氣體主要來源于基質孔隙內的溶解氣和游離氣，溶解氣占比較小，而游離氣是主要組成部分。

本文屬中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司科技專項(2013E-2208-2015-M05)基金產出論文。

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[編輯]鄧磊

[收稿日期]2015-12-10

[作者簡介]吳雅琴(1988-)，女，碩士生，主要從事煤層氣地質及油氣成藏機理方面的學習與研究；通信作者：徐耀輝，yaohuixu@126.com。

[中圖分類號]TE132.2

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)20-0009-05

[引著格式]吳雅琴，邵國良，徐耀輝，等.煤層氣從降壓到產氣過程的運移機理研究[J].長江大學學報(自科版),2016,13(20):9～13.