煤儲層中煤層氣采出機理及其影響因素的理論研究

2019-08-01 09:21:04孟蒙

山西化工 2019年3期

孟蒙

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城 048204)

引言

與常規的天然氣相比，煤儲層中煤層氣的解吸、擴散以及運移機理均不同。在不受外界干擾條件下，在煤基質中賦存的煤層氣處于吸附和解吸的平衡態，迄今為止諸多專家學者[1]對煤層氣的解吸擴散機理做了大量研究，部分人認為吸附遵循氣相吸附規律，還有部分人認為吸附遵循液相吸附規律，由此可見水對煤層氣的解吸和擴散均有較大的影響。故本次在分析儲層中氣水分布形態的基礎上，對煤層氣的解吸、擴散以及滲流規律進行研究，進而系統得到煤層氣的采出機理，同時對影響其采出的因素進行系統分析，為煤層氣采出的工業應用提供一定理論前提。

1 氣水分布特征研究

煤體中的水主要來源于成煤階段，而該階段可分別腐泥化作用過程以及煤化作用過程。在腐泥化過程中低等植物和高等植物在微生物的作用下逐步分別轉變為腐泥和泥炭，而該過程發生的區域主要位于富水區域；在煤化過程中，在地層高溫高壓作用下腐泥和泥炭發生化學反應，生成了大量水分。

當煤體的變質程度不同，則內部結合水和自由水的比例就不同，現有的“雙孔雙滲”模型[2]只考慮了自由水對煤層氣采出的影響，并未考慮結合水對其的影響，由此提出了“雙孔單滲”模型，該模型將煤基質內部孔隙視為煤儲層內部賦存甲烷的最小單元，基于孔隙結構中賦存水的飽和度情況可將孔隙結構分為以下三類。

1.1 飽和水孔隙

該類別的孔隙中甲烷處于固液相的環境，煤體含水率為100%，符合液相吸附規律；當煤體生氣量較小時，則孔隙對甲烷的吸附量要低于其飽和吸附量，吸附甲烷只處于煤體內部孔隙的部分表面，該狀態下煤體內部不存在游離態的甲烷；當煤體生氣量超過飽和吸附量時，剩余氣體會溶解于水中，當溶解于水的甲烷超過水的溶解度時，另外的甲烷在煤體內部孔隙以及割理結構中以游離態的形式存在，如圖1所示。

圖1 飽和水孔隙下氣水分布特征示意圖

1.2 無水孔隙

該類別孔隙中含水率為0，甲烷吸附符合氣相吸附規律，水對煤層氣的解吸和擴散等均不會造成影響。當煤體生氣量較小時，同樣吸附甲烷只處于煤體內部孔隙結構的表面，沒有存在于孔隙結構空間的甲烷；而煤體生氣量較大時，超過飽和吸附量的甲烷會游離于孔隙和割理結構中，如圖2所示。

圖2 無水孔隙下氣水分布特征示意圖

1.3 非飽和水孔隙

通常情況下煤體內部含水率介于0和100%之間，該類別孔隙為非飽和水孔隙，也就是說煤基質孔隙中含有部分水。對于該類別的孔隙，認為含水孔隙中甲烷吸附符合液相吸附規律，而不含水孔隙中甲烷吸附符合氣相吸附規律；另一方面，液相和氣相間可以相互轉變，即(氣相)液相解吸后可以原地進行(液相)氣相吸附過程，如圖3所示。

圖3 非飽和水孔隙下氣水分布特征示意圖

2 煤層氣解吸機理及其影響因素研究

2.1 煤層氣的解吸機理

通過排水降壓的方法進行煤層氣的采出，氣水分布特征隨著含水飽和度的改變而改變，故不同飽和度下煤層氣的解吸機理不同。

飽和水孔隙：當煤儲層壓力處于臨界解吸壓力之下時，則煤層氣發生解吸。對于解吸后的甲烷氣體，當孔隙水對甲烷的溶解度未達飽和狀態時，則甲烷氣體會繼續溶解；當孔隙水對甲烷的溶解度已經達到飽和狀態，則解吸氣體以游離態的氣泡方式排出。

無水孔隙：解吸氣體在煤體內部孔隙結構中擴散，最終以滲流形式排出。

非飽和孔隙：解吸氣體主要包括固液相解吸氣體、固氣相解吸氣體以及不同相態間相互轉化的部分解吸氣體三部分。固液相解吸氣體排出與飽和水孔隙氣體排出機理相同，固氣相解吸氣體排出與無水孔隙氣體排出機理相同；隨著排水降壓開采煤層氣的不斷進行，相態轉化過程會不斷減弱，逐步轉變為以固氣相解吸為主的排氣規律。

2.2 影響因素

影響煤層氣解吸的因素主要包括煤質、溫度以及壓力等。

煤質：煤體的變質程度、組成礦物以及顯微組分不同，則煤質就不同，煤質主要通過影響煤體的生氣能力來影響其解吸過程。通常煤體對甲烷的吸附性隨著礦物含量的提高而減弱。

溫度：溫度升高會加劇甲烷分子的熱運動過程，使得吸附臺的瓦斯容易發生解吸，進而增大氣體解吸量，同時作用于甲烷排出的壓差隨著溫度的升高而增大，進而會提高甲烷的擴散能力，影響氣體排出。

壓力：當排水量超過煤儲層的供水量時，會形成顯著的壓力降，進而降低煤儲層的壓力，當該值處于臨界解吸壓力之下時，甲烷氣體發生解吸。

3 煤層氣擴散機理及其影響因素研究

3.1 煤層氣的擴散機理

在存在濃度差的情況下甲烷氣體會從濃度高的區域流向濃度低的區域，諸多專家學者認為煤儲層內部孔隙直徑要高于10倍的分子運動自由程均值，故甲烷的擴散遵循Fick第一定律[3]，如公式(1)所示：

(1)

式中：v為流體擴散速率；A為流體擴散經過的面積；D為流體的擴散系數；dc/dx為濃度梯度。

3.2 影響因素

從公式1中可以看出，煤層氣的擴散主要受到擴散系數和濃度梯度的影響。

擴散系數：擴散系數D可通過公式(2)計算：

(2)

式中：L為煤儲層內部孔裂隙間距；τ為吸附時間。

濃度梯度：該參數反應了處于煤體內部孔裂隙內部煤層氣的濃度分布特征，流體的擴散速率與濃度梯度呈正相關關系，擴散速率愈大，則煤層氣的擴散量就愈大。在排水降壓開采煤層氣的過程中，隨著開采的不斷進行，濃度梯度會發生改變。

4 煤層氣滲流機理及其影響因素研究

4.1 煤層氣滲流機理

通過雷諾數這一指標反應煤層氣的滲流流態，通過公式(3)計算：

(3)

式中：μ為流體黏度；ρ為流體密度；VD為達西流；dg為儲層內部孔裂隙直徑均值。

從公式(3)中可以看出，雷諾數大小對流體流態的影響較為顯著，而雷諾數與孔裂隙直徑呈現為正相關關系。當孔裂隙直徑較小時，煤層氣流態為擴散方式；當孔裂隙直徑較大時，煤層氣流態為紊流方式。但煤儲層通常為非均質的多孔介質結構，其內部孔裂隙的分布形態和直徑不同，故煤層氣在滲流流態方式多樣。

在排水降壓采出煤層氣的過程中，煤層氣的滲流流態如圖4所示。在圖中，從井筒周圍開始煤儲層的壓力開始減小，此時存在壓力傳導，但沒有氣流流動，屬于飽和單相水流(階段Ⅰ)；當煤儲層內部壓力處于解吸壓力的臨界值之下時，煤層氣吸附的平衡狀態遭到破壞，部分煤層氣形成解吸同時以氣泡方式出現，屬于非飽和水單相流(階段Ⅱ)；隨著排水降壓開采煤層氣的繼續進行，解吸量逐步增加，氣泡數量也逐步變多，此時屬于氣水兩相流(階段Ⅲ)；在煤儲層內部壓力進一步減小過程中，解吸量進一步增加，溶于水的甲烷達到飽和狀態，此時水相的相對滲透率要低于氣相的相對滲透率，該時期為煤層氣采出的最優階段，為氣水兩相流(階段Ⅳ)。

圖4 煤層氣的滲流流態示意圖

4.2 影響因素

煤層氣滲流的影響因素可從煤體內部結構特征以及開采過程兩方面考慮。結構特征包括孔裂隙結構以及含水率，開采過程包括有效應力等。

孔裂隙結構：公式(3)中對孔裂隙直徑與滲流流態間的關系進行了定量表征，小直徑的孔隙比表面積較大，對煤層氣的吸附作用顯著，但其連通性較差，對于煤儲層的逾滲幾乎不會產生影響，但直徑較大的孔隙對煤儲層滲透率的貢獻顯著，如圖5a)所示。對煤體內部微觀結構進行觀測分析可得除了直徑較大的孔隙外，裂隙密度對滲透率的影響也較大，如圖5b)所示，究其原因，裂隙密度較大，則意味著裂隙間距小，煤層氣滲流的通道較多，其開采過程越容易。

煤體含水率：與甲烷分子相比，水分子的極性更強，在煤體內部孔裂隙表明啊多層的水分子容易吸附，從而弱化了煤體的表面能，減弱了其可壓縮特性，進而對煤儲層的滲透率造成影響。對含水率不同的煤體進行滲流試驗，結果顯示，流體滲流速率與煤體含水率呈現為負相關關系，如圖6所示。