煤儲層孔隙中氣水分布模式及對注CO2增產措施的影響

彭英明 邵先杰 李明峰

（燕山大學石油工程系，河北 秦皇島 066044）

針對煤層氣的開發理論存在爭論，尤其是對煤儲層基質孔隙中煤層氣解吸、擴散機理等方面分歧最大，爭論點主要圍繞孔裂隙中的水對煤層氣解吸擴散是否具有重要影響。普遍認為煤層氣的吸附屬于氣相吸附規律[1]。但單純氣相吸附理論觀點沒有考慮基質孔隙中水的影響，導致固—氣界面等溫吸附、解吸理論及方法所預測的結果與實際生產相比有較大的誤差。因此，李相方等人又提出了煤層氣液相吸附規律理論[2]。

針對以上爭論，首先要弄清楚煤儲層中水的來源及氣水分布狀態，繼而再探討煤層氣的吸附解吸等開發理論。經過大量文獻調研，基于基質孔隙含水飽和度大小差異，細分了3種氣水分布模式，并進一步探討了氣水分布模式對煤層氣注CO2增產措施的影響，以期為煤層氣的開發理論提供一種新的參考思路。

1 煤儲層中水的成因及來源

一般認為煤層水來源主要有沉積水、滲入水、深成水、成巖水等。煤層氣是一種在成煤作用過程中與煤層伴生的氣體。由公式（1）～（3）可知，在煤化作用的成巖變質各階段均有水的生成[3]。從泥炭化（腐泥化）作用階段的強水環境，逐漸到以溫度、壓力為主的弱水環境，再到煤化作用階段的產水、孔隙壓縮排水過程，可知在整個成煤及產氣過程中，水作為一個極其重要的因素相伴存在，且若無外來水源補給的情況下，其煤中含氣量呈下降趨勢。

2 煤儲層中氣水分布模式

水在煤儲層孔隙中可以劃分為自由水和束縛水，并認為自由水主要存在大孔隙及裂隙中；束縛水存在于微孔中。李相方等[2]將煤儲層孔隙中氣水的分布狀態主要分為：部分孔隙甲烷吸附在顆粒表面而剩余孔隙空間為水充滿、游離氣充滿或水及游離氣充滿。但這種假設是以煤儲層孔隙中水是先于氣體而存在為前提條件的。因此，針對煤儲層中的氣水分布狀態需要分情況討論。

針對諸多氣水分布理論的局限性，以被廣大學者承認的“雙孔單滲”孔裂隙系統模型為例，以煤儲層中的基質孔隙作為煤層氣賦存的最小空間單元，根據孔隙中含水飽和度的不同進行分類討論。

2.1 飽和水孔隙下的氣水分布模式

飽和水孔隙，即在生氣以前，基質供氣體吸附的孔隙中含水100%。此時的甲烷吸附處于固—液相環境下，滿足液相吸附規律。當生氣量較少時，低于基質顆粒表面的極限吸附量，此時氣藏為欠飽和氣藏（圖1），其吸附特征為氣體只是吸附在基質顆粒的部分表面，不存在游離氣；隨著生氣量的增加，當基質孔隙表面吸附量達到極限吸附量以后，即飽和煤層氣藏。基質顆粒表面被吸附氣完全占據，多余的氣體以溶解態賦存溶解在水中，隨著產氣量的繼續增加，當水中甲烷濃度大于甲烷在水中的溶解度，此時，多余的甲烷氣體以游離態存在基質顆粒之間的空隙、割理之中（圖2）。

圖1 欠飽和氣藏飽和水孔隙下氣水分布模式（據文獻[4]修改）

圖2 飽和氣藏飽和水孔隙下氣水分布模式（據文獻[4]修改）

2.2 無水孔隙下的氣水分布模式

無水孔隙，即認為是在生氣以前，基質供氣體吸附的孔隙中含水為0。當孔隙中沒有水存在時，此時屬于完全意義上的氣相吸附。關于這類狀態下的氣體賦存研究較多，屬于當今煤層氣氣體吸附、解吸的主流觀點，忽略了水對氣體吸附、解吸特征的影響，常用蘭氏方程進行描述。甲烷生成后首先吸附在基質顆粒表面，當生氣量較低時，其吸附特征為氣體只是吸附在基質顆粒的部分表面，不存在游離氣，屬于欠飽和氣藏；隨著生氣量的增加，當甲烷產氣量達到基質顆粒極限吸附量以后，不存在未被氣體占據的顆粒表面，多余的甲烷以游離態的形式存在于基質顆粒之間的空隙、割理之中（圖3），此時氣藏為飽和氣藏。

圖3 無水狀態下氣體分布模式

2.3 非飽和水孔隙下的氣水分布模式

主流氣相吸附觀點和新提出的液相吸附觀點，都只是考慮了水存在（飽和度為100%和0）的極限情況下的氣體吸附特征，而常規煤樣含水量測試發現煤中含水量常常介于0～100%之間，即非飽和水孔隙下的氣體吸附特征卻少有提起或分析，但作為水在孔隙中存在最可能的情況，不可忽略，并且可能會是今后研究的重點。

當是非飽和水孔隙時，含水部分基質顆粒處于固—水環境下，認為氣體吸附符合固—液相氣體吸附特征；不含水部分基質顆粒表面處于固—氣環境下，認為氣體吸附符合固—氣相氣體吸附特征（圖4），且認為液相解吸后可以進行原地氣相吸附、氣相解吸后可以進行原地液相吸附。

圖4 非飽和水孔隙狀態下氣體分布模式

3 不同氣水分布模式下煤層氣產出機理

煤層氣主要通過排水降壓開采，因此，煤儲層中的水對煤層氣的開發具有重要的影響。在不同含水飽和度下，以及是否存在外來水補給，都會導致煤層氣的產出機理具有明顯差異性。以下討論均為無外來水源補給條件下的產氣機理。

3.1 飽和水孔隙下氣體產出機理

煤儲層壓力隨著排水活動而逐漸降低，對于欠飽和煤層氣藏，當儲層壓力低于臨界解吸壓力時，基質孔隙吸附氣發生解吸。解吸后的氣體在水中會發生以下兩種路徑：（1）基質孔隙水中甲烷濃度低于其溶解度時，則解吸氣會繼續溶解在水中，并隨著排水產出；（2）基質孔隙水中甲烷濃度大于等于其溶解度，則解吸的甲烷將以游離態的氣泡形式產出。對于飽和煤層氣藏，當儲層壓力低于臨界解吸壓力時，基質孔隙吸附氣發生解吸，以氣泡形式產出；且由于甲烷在水中的溶解度隨壓力降低而降低，此時，水中的溶解態甲烷轉化成游離態，也成氣泡形式產出。

3.2 無水孔隙下氣體產出機理

當基質孔隙中無水時，此時符合固—氣相吸附特征。排出的水主要來源為煤層上下頂底板的圍巖，通過排水活動，以取得圍巖及煤層中形成有效的壓降范圍。煤儲層孔裂隙中吸附的煤層氣發生解吸和原本存在的游離態氣體一起通過擴散、滲流產出。

3.3 非飽和水孔隙下氣體產出機理

非飽和水孔隙下的氣體產出分為固—液相氣體解吸部分、固—氣相氣體解吸部分及二者不同相態之間的轉化部分。固—液相氣體解吸部分和固—氣相氣體解吸部分產出機理分別屬于飽和水孔隙和無水孔隙下的氣體產出機理，而在不同相態之間存在的交叉轉換部分，其產出機理仍需探討。相態轉換會隨著排水降壓的進行而逐漸變弱，慢慢形成以氣相解吸特征為主的產氣特征。

4 水對注CO2措施的影響

煤層中可以通過埋存CO2既可以利用其強吸附性競爭置換驅替煤層氣，又可以達到減少溫室氣體排放的目的，已經在礦場中得到了研究和應用。煤儲層中水的含量及分布影響著煤層氣的產出機理，因此，通過對煤儲層中水的微觀分布情況分析，可以為煤層氣的開采增產措施提供一定的指導作用。

煤層中水對注CO2過程的影響比較復雜，主要包括以下方面：（1）若煤儲層含水量較高，主要以自由水存在時，即飽和水孔隙模式，認為氣體吸附符合單一液相吸附特征：① 水的存在增加了流體粘度，加大了氣體滲流阻力；② 若無外來水源補給的情況下，排水降壓，產生驅氣動力，利于煤層氣的解吸和產出；③ 水可作為一種反應溶劑，與注入的CO2反應生成碳酸，可與煤中方解石、白云石等碳酸鹽礦物發生反應，進而影響氣、水的滲流通道；④ 水存在可能導致前期CO2注不進去，注氣效果很差。（2）若煤儲層含水量較低，主要以束縛水存在時，即無水孔隙模式：氣體吸附可認為屬于單一氣相吸附特征，則此時孔隙中極少量的水對注入CO2提高煤層氣產量過程影響較小，其基本不參與反應。（3）隨著排水的進行，煤儲層水含量從高逐漸降低，會出現非飽和水孔隙模式。此時，液相吸附和氣相吸附特征都存在，應具體分析。

5 未來研究方向

煤儲層中水的含量及分布情況對煤層氣的吸附與解吸、擴散等產出機理具有重大影響作用，而不僅僅只是探討水與甲烷吸附量的關系。水在煤儲層基質孔隙中主要以非飽和水存在，導致其產出機理是固—氣相解吸特征、固—液相氣體解吸特征及二者相態交叉轉換三者的綜合，以往考慮只是單一情況下的理論研究，導致其數學產量模型等與實際情況差異較大，且關于其相態轉換部分研究較少。因此，對相態轉換部分中，液相氣體解吸后進行原地氣相吸附和氣相解吸后進行原地液相吸附等過程中二者是否獨立進行、對整個解吸過程影響大小及相關的數學模型研究是未來的研究重點。

6 結論

（1）根據煤儲層基質孔隙中水的含量差異，把煤基質孔隙分為飽和水孔隙、無水孔隙和非飽和水孔隙，并分別討論了其不同狀態下的氣水分布模式及產出機理。

（2）飽和水孔隙中，若無外來水源補給時，水主要對注CO2過程的前中期存在影響，且隨著水的不斷排出逐步轉化為非飽和水孔隙模式，這種情況下可以形成有效壓降，產氣量較好；若存在外來水源補給，水對注氣的整個過程都存在影響，往往不能形成有效壓降漏斗，產氣量較差。無水孔隙模式中，以單一氣相吸附特征為主，束縛水對其過程影響較小，基本不參與反應。

（3）非飽和水孔隙中相態轉換部分是否獨立進行、對整個解吸過程影響大小及相關的數學模型研究是未來的研究重點。