煤炭学报席健论文

煤炭学报席健论文

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韩城地区煤层气井合理动液面高度控制方法探讨

翟雨阳1 胡爱梅1 王芝银2 段品佳2 张冬玲3

(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司 北京 100095 2.中国石油大学城市油气输配技术北京市重点实验室 北京 102249 3.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028)

摘要:韩城地区煤层属低渗透率煤层气藏，且地质条件复杂，煤岩结构及力学性能差。在煤层气开采初期，井筒内的液柱重力在井底流压中占很大的比例，而井底流压与井周煤岩的应力状态变化规律密切相关。排采降压过程中，过小的动液面高度使煤层处于进一步压密状态，并导致渗透率降低，而过大的动液面高度使井底压力过大进而引起井周岩石产生较大软化破碎区，形成煤粉堵塞渗流通道。因此，研究煤层气动液面高度的合理区间及降低速率对开采过程中有效保持井周应力的合理分布，维持或提高储层渗透率，具有十分重要的意义。本文以韩城示范区为例，利用韩城3#，5#煤层的岩石力学试验，分析了煤岩应力状态与渗透率的关系，通过井周弹塑性应力分析，建立了不同应力状态下保持或提高绝对渗透性的合理动液面高度区间和降低速率。利用所建立的模型对韩城地区WL1，WL2井组进行计算分析，获得了韩城煤层气井开采过程中动液面高度的合理变化区间和排采速率的合理值。本论文研究成果为韩城煤层气井排采强度定量化控制提供了重要的指导意义和借鉴方法。

关键词:煤岩 应力 动液面 渗透率 排采速率

基金项目: “十一五”国家科技重大专项项目 38———煤层气排采工艺及数值模拟技术 ( 2009ZX05038) 资助。

作者简介: 翟雨阳，男，1973 年生，博士，主要从事常规油气、煤层气排采及数值模拟研究工作，通讯地址:北京市海淀区地锦路 5 号中关村环保科技示范园 7 号楼，E mail: zhaiyy@ nccbm. com. cn

Discussion on Control Method to Reasonable Height of Dynamic Liquid Level for CBM Well

ZHAI Yuyang1，HU Aimei1，WANG Zhiyin2，DUAN Pinjia2，ZHANG Dongling3

( 1. China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co. Ltd. ;2. Beijing KeyLaboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology， China University of Petroleum，Beijing 102249，China;3. PetroChina CBM Company Limited，Beijing，100028，China)

Abstract: In China，Coal is of low permeability，complex geological conditions，and weak petrographical structure and mechanical performance. In the initial stage of the recovery，the gravity of the liquid column takes a large proportion in bottom-hole pressure ( BHP) ，and the stress state of surrounding rock are closely related with BHP. Thus，in the process of recovery，too small height of the dynamic liquid level makes coal seam be further compacted and leads to permeability reducing; reversely，too much height of dynamic liquid level easily causes BHP too large and induces the surrounding rock breaking in soften，and produces the coal powder and blocks the seepage channels. Therefore，the study on the rational range of dynamic liquid level and the reducing rate have the vital significance to effectively maintain the reasonable distribution of stress state of surrounding rock and increase reservoir permeability. Based on the 3#，5#coal rock mechanical experiments in Han-cheng，this paper analyses the relationship of the stress state and permeability of coal rock. Through the elastic-plastic stress analysis to the surrounding rock of well，the mathematical model is established，which is about the reasonable range and depres- surization rate of dynamic liquid level to maintain and improve the absolutely permeability. The established models are applied to calculate and analyze the field data of WL1 and WL2 Wells in Han-Cheng. Finally，the reasonable variations of dynamic liquid level are obtained. The researching results provide important instructions and refer- ences to the reasonable recovery control of the coal bed methane in Han-cheng.

Keywords: coal rock; stress; dynamic liquid level; permeability; depressurization rate

引言

煤层气作为非常规能源，对其有效的开采不但可以缓解我国能源短缺的问题，还可以提高煤炭资源的开采效益，并且能够减少对环境(温室效应)的影响。煤层气的有效开采受多种因素的影响，如地质构造特征、煤岩结构、煤阶、渗透率、含气量、解吸吸附特征和开采工艺等［1～5］。因此，煤层气的开采与常规油气开采相比既有相似之处，同时又存在着较大的差异。其中，应力敏感性问题在煤层气工程中表现的尤为显著［6～7］。煤岩储层的渗流能力受孔隙压力变化、煤层气解吸引起的基质收缩作用和滑脱效应的综合影响［8～10］。加载速率和加载方式的不同对煤岩的力学特性和破坏特征有较大的影响，如果加载速率较快，煤岩将呈脆性粉碎性破坏，抗压强度略有提高;相反若加载速率较低，则煤岩抗压强度偏低，延性增大。在煤层气工程实际中，煤岩结构复杂，裂隙(面割理和端割理)十分发育，随着排采的进行煤岩的应力状态将不断发生变化，导致煤岩的裂隙开始发生闭合，然后产生开裂，最终会发生破碎的过程，进而引起储层的渗流系统发生改变，而排采过程中渗透率的变化规律决定着煤层气是否能够高效的开采［11～12］。目前国内外煤层气行业在制定排采工作制度方面主要依靠经验及井筒液面变化来定性确定，这往往导致排采制度不合理，对储层造成伤害，影响开发效益。本文探讨如何通过排采过程中控制煤层气井的合理动液面高度变化规律提高煤层气效益，为煤层气排采强度定量控制提供了科学的理论依据。

1 韩城地区煤岩物理力学特性

1.1 试验测试

煤岩力学特性是反映和研究储层力学行为和应力敏感性的基础数据。利用RW2000岩石三轴压缩试验机对高径比为2∶1的煤岩心试件进行实验，测定了韩城3#，5#和11#煤岩的抗压强度和抗拉强度等参数。其中，抗压强度、弹性模量、泊松比由单轴压缩试验测得;抗拉强度由劈裂试验测得;内摩擦角、粘聚力、残余粘聚力和残余内摩擦角通过三轴压缩强度试验获得，试验结果见表1和表2。

表1 韩城煤岩单轴抗压抗拉强度及变形参数

表2 韩城煤岩三轴抗压强度试验结果

由表1和表2中的实验测试资料可见，韩城煤岩力学特性较差，抗压强度均在10MPa以下。三类煤岩比较而言，3#和5#煤的物理力学特性要比11#煤强，11#煤的残余强度非常低。因此，在煤层气工程中必须注意煤岩力学特性对排采强度控制的影响。

1.2 煤岩应力状态影响渗透率变化机理

基于对韩城主力产气煤层煤岩(3#，5#和11#煤)进行的室内试验和应力应变全曲线下煤岩应力状态对渗流能力影响关系研究表明，煤岩的绝对渗透率在初始弹性变形阶段是随有效应力的增加而减小，但减小的幅度并不大;当有效应力接近煤岩的峰值强度时，由于原有裂隙的开裂和新裂隙的出现导致渗透率缓慢增加当超过峰值强度后，渗透率迅速增大;但当有效应力接近煤岩的残余强度时，渗透率逐渐趋于稳定。

其中，煤岩弹性极限点为原生裂隙开裂、新裂纹开始萌生的临界点。

2 合理动液面高度的确定

在煤层气开采过程中，随着动液面的降低，储层煤岩应力状态不断发生变化，导致煤岩的结构特征和孔隙率等物理力学特性发生改变，因而影响了储层的渗流能力。在此过程中，储层渗透率的变化规律与煤岩的力学特性和煤岩的应力状态变化规律密切相关。根据煤岩应力状态对绝对渗透率的影响关系，考虑煤层气井井周具有破碎区的弹塑性应力状态，则可以通过对井周围岩进行应力状态变化规律分析，另由煤层气生产不同阶段井周应力分布与井底流压及套压和液柱高度之间的关系，忽略气柱摩擦阻力，推导得出保持储层处于塑性裂隙发育阶段的液柱高度合理区间为

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

则，动液面高度为h'w=H－hw

另由工程实际分析可知，井底流压的上限值不超过储层原始压力pe。式中:H为储层埋深;pe，pc，p0分别表示为储层压力，套管压力和原岩平均水平应力;c，φ，cr，φr，St分别表示煤岩的粘聚力，内摩擦角，残余粘聚力，残余摩擦角和抗拉强度;ρg表示液柱重度。

因此，要想提高渗透率，应控制合理的动液面高度变化范围，以保持井周应力状态为弹塑性状态，以在井周形成割理或裂隙贯通的流体运移通道，且随着开采过程中塑性区的发展，在井周出现塑性软化区或破碎区，但需防止井周出现过大塑性软化区。

合理的动液面高度变化范围与煤岩的力学性质、储层埋深密切相关，尤其是受内摩擦角影响较大。由于储层的软化区受煤粉的影响会使渗透率受到抑制，因此，在煤层气开采过程中需根据储层的力学特性及埋深来合理控制动液面高度，尽量避免软化区大范围产生，以免造成储层伤害而影响煤层气的进一步开采。

3 动液面合理降低速率

由煤岩的加载速率效应可知，加载速率对煤岩的强度呈正相关影响，同时煤岩脆性亦增强。对于各向异性的煤岩介质，过快的加载速率不利于煤岩中的原始裂隙裂缝的稳定扩展和煤层气的渗透的提高。同理，对于煤层气工程排采过程中的动液面降低速率对井周储层煤岩具有类似的影响机理，如果动液面降低速率过快，将会使储层煤岩有效应力快速增大，最终不合理的动液面降低速率导致煤岩出现脆性破碎并有大量煤粉产生，对储层造成巨大的伤害。所以，煤层气开采不同阶段需控制动液面降低速率在合理值域内。

当储层煤岩处于初始弹性应力状态下时，

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

当储层煤岩处于裂隙扩展的塑性阶段，即动液面高度满足(1)式时，

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:h'w表示动液面降低速率;ωcr、ωce为塑性软化阶段和弹性阶段的动液面降压速率上限值，可通过试验和现场数据综合分析确定。

4 韩城地区工程应用

韩城地区煤层气为多煤层储层联合排采，煤岩力学特性较差，合理的动液面变化规律对煤层气的高效排采具有很大的意义。根据韩城煤岩的试验力学参数和合理动液面高度变化规律的确定方法(见式1～3)，对韩城地区WL1和WL2的3#和5#煤联合开采的典型煤层气井排采数据进行了统计计算分析，结果见表3。

表3 合理动液面高度降低速率上限值

通过拟合分析可得:

在开采初期的弹性阶段，3#、5#煤联合开采井的动液面近似合理降低速率上限值h'w(m/d)随储层埋深h(m)的变化规律分别为:h'w≤0.022h～5.188;当井周煤岩处于塑性阶段，3#，5#煤联合开采井的动液面合理降低速率上限值h'w(m/d)随储层埋深h(m)的变化规律为:h'w≤0.006h～1.234。

开采过程中无论是初始弹性阶段或塑性破坏阶段，动液面降低速率上限值与储层埋深均近似呈线性递增的规律。煤岩力学特性对开采过程中降液速率影响较大，因此对于力学特性较差的储层，需控制好降液速率才能维持较高的排采能力。初始弹性阶段的降液速率比中期塑性阶段的降液速率一般高4～5倍，这也恰好与室内强度实验曲线峰值前后稳定加载的速率值相同。考虑到工程实际中的安全因素，建议取1.2的安全系数。

5 结论

(1)本文基于煤岩试验揭示了煤层气开采过程中井周煤岩应力状态对渗透率影响的力学机理;储层有效应力随着压降漏斗不断扩展而不断增大，煤岩从原岩区到井壁处，由原始的弹性状态进入塑性状态，在井壁处出现张拉破坏区，此时裂隙开裂积累，日产能达到最大。

(2)以韩城地区煤层气工程数据为依托，探讨提出了生产过程中为提高储层的渗流能力，合理动液面高度变化规律的控制范围及降低速率上限值，对煤层气井的合理排采具有借鉴意义。

(3)煤层气开采受多种因素的综合影响，还需考虑表皮效应(储层伤害)和压裂效果的影响，有待进一步考虑研究。

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煤层气藏开发初期单相水排采特征及其指示意义———以沁水盆地南部煤层气田为例

吕玉民 汤达祯 许 浩 陶 树 张 彪

( 中国地质大学 ( 北京) 能源学院 北京 100083)

摘 要: 研究欠饱和煤层气藏开发过程中独特性的单相水流阶段有助于加深了解这类煤层气藏早期排采特征及其对气井潜在产能的指示作用。本文以沁南煤层气田欠饱和煤层气藏为例，重点研究这类气藏开发初期单相水排采特征，揭示其与后期气井产能大小的关系，并分析其对气井潜在产能的预示意义。研究表明: 沁南地区气井单相水排采特征受断层影响大，其排采时间与累计产量之间存在指数关系; 排采时间介于 50 ～140 d、累计产水量小于 500 m3的气井显示较好的产气能力。

关键词: 欠饱和煤层气藏 单相水 排采特征 指示意义

基金项目: 大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项 ( 2011ZX05034 －001) ; 国家重点基础研究发展规划项目 ( 973) ( 2009CB219600) ; 中央高校基本科研业务费专项资金 ( 2011PY0211)

作者简介: 吕玉民，男，1985 年生，江西吉安人，博士生，现从事煤层气地质与开发研究。地址: 北京市海淀区学院路 29 号中国地质大学 ( 北京) 能源学院。电话: 。E-mail: yale1210@163. com

Single-Phase Water Flow Performance and Indication for Coalbed Methane Early Development: A Case of Southern Qinshui Basin

LV Yumin，TANG Dazhen，XU Hao，TAO Shu，ZHANG Biao

( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing，100083，China)

Abstract: Research on the unique single-phase water flow performance in the under-saturated reservoir devel- opment is favorable to acquire early pumping characteristics and forecast gas well productivity. This paper takes the case of the under-saturated CBM reservoirs in the southern Qinshui Basin，places emphasis on the characteristics of single-phase water pumping in the infancy of developing those under-saturated reservoirs，reveals the relation- ship between single-phase water pumping performance and gas well productivity，and analyses its indication of gas well potential production capacity. Results show single-phase water flow performance in Southern Qinshui Basin is mainly controlled by faults，and single-phase water pumping time has exponent relation to the accumulative water production. Additionally，those wells with pumping time of 50 ～ 140d and accumulative water production of less than 500 m3show excellent gas production performance.

Keywords: under-saturated coalbed methane reservoirs; single-phase water; pumping characteristics; indication

煤层气藏作为重要的非常规天然气藏，日益受到国内学者的广泛关注。近几年来，一大批国内学者在煤层气藏储层物性(陈振宏等，2007)、水文地质条件(王红岩等，2001;王勃等，2007)、边界及封闭机理(苏现波等，2005;宋岩等，2009)及成藏演化(宋岩等，2009;赵群等，2007;赵孟军等，2005)等方面开展了大量的研究工作并取得一定的成果。但与国外相比，我国煤层气藏基础研究起步晚，在煤储层发育地质环境及形成机理、高温高压下煤的吸附特性及描述模型和煤的吸附性能的地质控制因素等方面需要加强和深化(宋岩等，2005)。我国目前对煤层气藏开发缺乏系统的认识，尤其是对欠饱和煤层气藏开发初期单相水排采特征及其与气井产能之间的关系认识不足，制约了气田的合理开发部署。由于煤储层具有明显的应力敏感特性，因而欠饱和煤层气藏开发初期不合理的单相水排采措施将极大地损害储层绝对渗透率，降低气井潜在的产气能力，甚至影响整个煤层气田的后期开发部署和开发效果。

1 欠饱和煤层气藏气水产出特征

较强的吸附能力是煤储层的显著特点之一，煤层吸附态气体一般能达到80%以上(苏现波等，1999)。这种不同于常规天然气藏的特殊赋存机制，决定了煤层气产出机制的独特性。煤层气产出是一个排水→降压→解吸→扩散→渗流→产出的过程(冯文光，2009)。在这个过程中，煤层气藏气水产出机理受其含气饱和度大小的影响，也就是说煤层气藏含气饱和度不同，煤层气井的气水生产曲线也不同(苏现波等，2001)。

1.1 过饱和/饱和煤层气藏气水产出特征

过饱和煤层气藏指含气饱和度大于100%的煤层气藏，其特点是部分煤层气以游离态赋存于煤储层的孔裂隙系统中。当气井开井排水降压后，煤层气迅速解吸扩散，并与游离态的煤层气一同产出(图1a)。因而，开发这类气藏时，气井开井排水后立即产出煤层气，基本上不经历不饱和单相水流阶段，直接进入气水两相流阶段(如图1中III阶段)。

图1 不同含气饱和度的煤层气藏气水产出特征曲线

饱和煤层气藏指含气饱和度等于100%的煤层气藏。当气井开井排水降压后，煤层气立即解吸扩散。随着解吸和扩散的进行，煤层孔裂隙中游离气饱和度逐渐增大，直到其大于残余气饱和度后，气井才开始产出煤层气(图1b)。因而，开发这类煤层气藏，气井经历一段较短的不饱和单相水流阶段(如图1中II阶段)，之后才产出煤层气。

1.2 欠饱和煤层气藏气水产出特征

欠饱和煤层气藏指含气饱和度低于100%的煤层气藏。当气井开井排水降压后，煤层气基本上尚未发生解吸，直到储层压力低于临界解吸压力后，煤层气才开始解吸。此时气井仍未产出煤层气。只有当煤层孔裂隙中游离气饱和度大于残余气饱和度后，气井才开始产出煤层气(图1c)。因而，开发这类煤层气藏，气井先后经历饱和单相水流、不饱和单相水流(图1中I、II阶段)，之后才开始产出煤层气。

欠饱和煤层气藏开发初期单相水排采阶段需要较长的时间，少则1～2个月，多则数年之久。长时间单相水排采期内形成的气水排采特征是认识气藏储层特征和研究气井潜在产能的重要依据。

2 欠饱和煤层气藏开发初期单相水排采特征

表征欠饱和煤层气藏开发初期单相水排采特征的量化参数主要有2个:单相水排采时间和单相水累计产量。

2.1 单相水排采时间

单相水排采时间指开发欠饱和煤层气藏时煤层气井早期只产水不产气阶段所经历的时间。长时间的单相水排采时间势必增加煤层气井开发作业成本。因而，单相水排采时间的长短直接影响气田开发成本，是评价煤层气田开发经济性的重要参数。

2.2 单相水累计产量

单相水累计产量指开发欠饱和煤层气藏时煤层气井早期只产水不产气阶段地下水累计产出的总量。由于采出水大多具有高矿化度、高盐度等特征，不符合国家排放标准，必须经过处理后才能排放，以便不对地表水系及地下水造成污染(潘红磊等，1998;王志超等，2009)。采出水的处理无疑增加了煤层气开发成本，因而单相水累计产量的大小影响气田的开发成本，是评价煤层气田开发经济性的重要参数。

2.3 单相水排采时间与单相水累计产量之间的关系

欠饱和煤层气藏开发初期单相水排采时间与单相水累计产量同时受地质、工程以及人为因素等诸多相同因素的影响，两者之间必然存在一定的关系。从沁南煤层气田煤层气井单相水排采时间与单相水累计产量之间的关系图上可以看出(图2):当单相水排采时间小于250d时，其与单相水累计产量之间呈现较强的线性关系;当单相水排采时间大于250d时，其与单相水累计产量的相关性较差，呈指数关系;整体而言，两者之间呈指数关系:

y=144.37exp(0.0069x)

式中:x为单相水排采时间，d;y为单相水累计产量，m3。该拟合函数的R2值达到0.8323，表明该函数能较好地描述该地区单相水排采时间与单相水累计产量之间关系。

2.4 单相水排采特征的影响因素

影响单相水排采特征的因素很多，主要有气藏临储比、排采速度、构造地质条件和水文地质条件。

在排采速度相同的条件下，煤层气藏含气饱和度越高，临解比越大，即临界解吸压力越接近储层压力，意味着气井实现产气所需降压的幅度越小，因而单相水排采时间就越短，累计产水量也相对较小。

图2 单相水排采时间与单相水累计产量之间的关系图

在临储比相近的条件下，煤层气井排采速度越快，储层降压越快，实现产气的时间越短(即单相水排采时间就越短)，累计产水量也越小，如表1中的含气饱和度约为82.8%的J7与J10。

表1 单相水排采特征与断层的关系

构造地质条件和水文地质条件对单相水排采特征的影响极大。不同构造部分、不同水文地质条件的区域，其储层的渗透性、含水性以及地下水体的活跃性各不相同，造成气井的单相水排采特征也存在差异。沁南煤层气田多发育正断层(王红岩，2005)，这些断层附近的水文地质条件复杂，不利于排水降压，单相水排采时间较长、累计产量较大(表1)。

3 单相水排采特征与气井产能的关系

对于应力敏感的煤储层来说，欠饱和煤层气藏开发初期不合理的单相水排采措施(排采过快或过慢)必然引起储层渗透率的损害，降低气井后期的排水产气能力。研究探讨单相水排采特征参数与气井产能之间的关系可以为开发早期制定合理单相水排采方案、提前预测煤层气井产能以及采取必要的储层增产改造措施提供指导。

目前，沁南煤层气田处于开发初期阶段，大部分煤层气井排采时间不长。该区樊庄、潘庄及郑庄区块煤储层含气饱和度大体在80%～90%，属于欠饱和煤层气藏(要惠芳等，2009)。为了科学地评价单相水排采特征与气井产能之间的关系，选择气井产气后连续排采1年形成的平均产气量和最大产气量作为气井产能指标。

3.1 单相水排采时间与气井产能的关系

气井排采过快，单相水排采时间过短，往往引起储层不可恢复的应力伤害，降低渗透率，影响产能;同时单相水排采时间过长，储层中水量较大(或连通含水层)，不利于气井形成较好产能。

图3显示为沁南地区单相水排采时间与产气量之间的关系。从图中可以清楚地看出，气井的单相水排采时间与气井1年内的产气量之间存在4个明显的特点:1)单相水排采时间大于140d的煤层气井，其平均产气量基本上都小于3000m3/d，最大产气量则小于6000m3/d;2)单相水排采时间小于50d的煤层气井，其平均产气量基本上都小于3000m3/d，最大产气量则小于6000m3/d;3)出现较高产能的煤层气井(平均产气量大于3000m3/d，最大产气量大于6000m3/d)，其单相水排采时间均介于50～140d;4)部分单相水排采时间介于50～140d的煤层气井产能偏低。这表明过长/过短的单相水排采时间不利于煤层气井形成高产。

图3 单相水排采时间与气井产能的关系图

在煤储层含气饱和度相当、地下水总体不活跃的沁南地区，部分井出现过长的单相水排采时间意味着该井沟通了活跃的水层，造成气井降压困难，产气有限;而过短的单相水排采时间表明气井排采速度过快，储层渗透率出现不同程度不可逆转的伤害，不利产气。因而，沁南地区单相水排采时间大于140d或小于50d的煤层气井，指示其产能普遍偏低;而介于50～140d的煤层气井比较有利于形成较高的产能。

3.2 单相水累计产量与气井产能的关系

单相水累计产量的大小往往指示区域水文地质特征。在相同的水文地质背景下，某些气井长时间大量排采单相水，很可能表明储层与含水层沟通，不利排采，难以形成较好产能。

图4显示沁南地区单相水累计产量与产气量之间的关系。从图中可以清楚地看出:气井的单相水排采时间与气井1年内的产气量之间存在3个明显的特点:1)单相水累计产量大于500m3的煤层气井，其平均产气量基本上都小于2000m3/d，最大产气量则小于4000m3/d;2)出现较高产能的煤层气井(平均产气量大于2000m3/d，最大产气量大于4000m3/d)，其单相水累计产量小于500m3;3)有一部分单相水累计产量小于500m3的煤层气井产能偏低。

图4 单相水累计产量与气井产能的关系图

从表1看，沁南地区单相水累计产量偏高的煤层气井大多位于正断层附近。在煤层气藏成藏过程中，正断层绝大部分时间作为煤层气逸散的通道，导致正断层附近的煤层气保存条件较差，煤储层含气饱和度较低，增加了单相水排采阶段的排采时间和累计产水量。同时，正断层沟通附近的含水层，造成单相水排采阶段长时间降压困难，也延长了排采时间，增大了气井产水量。因而，沁南地区单相水累计产量大于500m3的煤层气井，指示其产能普遍偏低;而小于500m3的煤层气井比较有利于出现较高的产能。

4 结论

(1)过饱和、饱和和欠饱和煤层气藏开发过程中的气水产出特征各不相同，其中以欠饱和煤层气藏的气水产出特征最典型。欠饱和煤层气藏的气水产出特征最显著的特点是其开发初期存在较长时间的单相水排采阶段。

(2)单相水排采时间和单相水累计产量是描述欠饱和煤层气藏开发初期单相水排采特征的2个重要参数。单相水排采特征受断层影响大。沁南煤层气田气井的单相水排采时间与单相水累计产量之间存在指数关系。

(3)沁南煤层气田产能较好的煤层气井，其单相水排采时间为50～140d，单相水累计产量小于500m3;单相水排采时间大于140d及小于50d或单相水累计产水量大于500m3的煤层气井，其产能普遍偏低。

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煤层气勘探开发的几个基础问题浅析

傅雪海

（中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221008）

作者简介：傅雪海，1965年9月生，男，湖南衡阳县人，博士，教授，博士生导师，从事能源地质的教学与科研工作。

项目：国家重点基础研究发展规划——“973”煤层气项目（编号：2002CB211704）。

摘要 本文从煤层气的赋存方式、超临界吸附、低煤级煤的含气量的测试方法、采动影响区动态含气量、煤层气的多级压力降与多级渗流、煤储层渗透率的气体滑脱效应、有效应力效应、煤基质收缩效应、煤储层压力中水压与气压的关系、高煤级煤产气缺陷及煤层气平衡开发等方面对我国煤层气勘探开发的应用基础研究问题作了简要剖析。指出针对各煤级煤储层特征，实行平衡开发，是保障我国煤层气勘探开发持续、稳定发展的重要措施。

关键词 煤层气 动态含气量 动态渗透率 平衡开发

Brief Analysis on Several Basic Issues in CBM Exploration and Developme nt

Fu Xuehai

（China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008）

Abstract：This article briefly analyzed several basic issues in CBM exploration and development，including CBM existence ways，supercritical absorption，test method of gas content for low rank coal，dynamic gas content in mining impact zone，CBM multi-level pressure dropping and multi-level percolation flow，gas slippage effects of coal reservoir permeability，effective stress effects，coal matrix shrinkage effects，the relationship between gas pressure and water pressure in the coal reservoir，gas problems in high rank coal and CBM balance development and so author pointed out that the balance development of CBMfor various rank coals is important measure to ensure the continuing and stable development of China's CBM.

Keywords：CBM；dynamics gas content；dynamic penetration；balance development

引言

煤层气藏为介于固体矿藏与流体矿藏之间的一种特殊类型压力-吸附矿藏。美国通过30多年的研究，建立了中、低煤级煤生储优势、次生生物气成藏、煤储层双孔隙导流等基础理论体系，形成了煤储层孔、渗、吸附性等物性室内实验测试技术、排水降压开发煤层气技术、与储层物性相适应的完井技术、增产技术、多井干扰技术、储层压力与渗透率现场试验技术、煤层气、水产能数值模拟技术等为核心的煤层气勘探开发技术[1～8]。此理论除在加拿大有一定的适应性外，其他近30个国家或地区应用效果不佳，揭示该理论存在着较大的局限性。我国在各煤级煤矿区施工了600 多口煤层气井、10余个井组，大多进行了试气排采，煤层气、水产能稳定性差，井与井之间、同一口井不同排采阶段之间变化极大，煤层气产量与试井渗透率的关系并不十分一致，甚至高渗透率低产量，低渗透率却具有较高的稳定气产量[9]。这一现实使我国煤层气工作者感到迷惑，严重扰乱了我国煤层气的勘探开发部署。储层参数与排采工作制度怎样配置才能获得稳定、连续的产能呢？不同学者或工程技术人员从自己的专业范围就上述问题的某一方面曾作过一些有益探索，未从整体上去把握。本文就我国煤层气勘探开发工作中面临的应用基础研究问题提出一些想法，与大家一起讨论。

1 煤层气的赋存方式与低煤级煤含气性问题

1.1 固溶气问题

煤层气由吸附气、游离气、水溶气三部分组成已得到煤层气工作者的公认。但煤与瓦斯突出时的相对瓦斯涌出量是煤层含气量的数倍至近百倍也是不争的事实，就是煤层采动影响区的煤层气和围岩中的煤成气也不可能达到如此高的程度。显然艾鲁尼提出的固溶体是客观存在的，甚至在煤层气总量中的比例远高于艾鲁尼认为的替代式固溶体2%～5%、填隙式固溶体5%～12%这一比例[10]。固溶气（体）可能与天然气水合物——可燃冰类似，在煤与瓦斯突出时被释放出来，由此可见固溶气（体）亦是煤层气的一种重要赋存方式。

1.2 超临界吸附问题

平衡水条件下，煤对甲烷的吸附性呈“两段式”演化模式，即朗氏体积先随煤级的增大而增加，后随煤级的增大而降低，其拐点（即极大值点）大约在镜质组最大反射率3.5%～4.5%这一区间内，在褐煤和低煤化烟煤阶段受煤岩组分的影响波动性较大[11]。

地层条件下，煤层甲烷超临界吸附的现象是存在的。但只有当煤层甲烷压力（气压）超过5.18MPa（表1）才真正出现超临界流体，实际上在我国煤矿瓦斯实测压力中超过此压力的矿井是比较少的。但对于原位且处于封闭系统的煤储层，储层中水压等于气压，只要煤层埋深超过600m，煤层甲烷就可能成为超临界流体。

图1 二氧化碳和乙烷在正常温压梯度条件下的液化区间

对于甲烷和氮气，任一埋深储层温度均高于临界温度，无论压力多大，均不会液化；对于二氧化碳，当储层温度低于31.1℃（表1），对于乙烷，当储层温度低于32.4℃（表1），而储层压力（气压）高于液化压力，二者可以呈液态形式存在。按正常地温梯度3℃/100m、正 常 储层 压 力 梯 度0.98MPa/100m，设恒温带深度为20m、温度为10℃，则埋深400m左右，储层温度约为22℃、储层压力为3.9MPa，此时二者均低于临界温度和压力，二氧化碳和乙烷以气态形式存在；当埋深达到800m，储层温度约为34℃，高于临界温度，二氧化碳和乙烷仍为气态。但当二氧化碳压力大于7.38MPa、乙烷压力大于4.98MPa，二氧化碳和乙烷有可能成为超临界流体；只有在400～800m范围内的局部层段（封闭体系），储层温度低于临界温度，储层压力高于液化压力，二氧化碳和乙烷才可能以液态形式存在（图1）。

表1 煤层气组分的简明物理性质[12］

*在30℃时进行二氧化碳等温吸附实验时得出。

对于以甲烷为主，含有二氧化碳、氮气、乙烷的煤层气而言，其超临界状态和液化的温度和压力条件是下一步值得关注的问题之一。

1.3 低煤级煤含气量的测试问题

我国煤层含气量现场测试大多是基于MT-77-84解吸法标准得出的，对中、高煤级煤适应性较好，但对于分布在我国东北、西北地区的低煤级煤而言，实测含气量明显偏低，由于低煤级煤孔裂隙发育，取心过程在地层温度条件下快速解吸，到地面由于温度降低，解吸速度变慢，有的甚至没有解吸气，由解吸气推算的损失气也就明显偏低。中国煤田地质总局1995～1998年进行的煤层气资源评价时就没有涉及到褐煤，其他单位和个人大多基于褐煤平衡水等温吸附实验来推算褐煤的含气量，从而计算出资源量。因此低煤级煤储层中的煤层气资源量大小不同是造成我国各单位和个人计算煤层气资源量差异的根本原因。

基于低煤级煤层的含水性、孔裂隙特点、温度、压力条件，分别进行吸附气、水溶气和游离气的数值模拟，厘定低煤级煤含气量是我国下一步的研究方向之一。

1.4 采动影响区动态含气性的问题

煤矿采动影响区是地面煤层气开发或井下瓦斯抽放的有利部位。煤矿井巷开拓和煤炭生产改变了煤层的地应力场、流体压力场，打破了煤层内游离气、吸附气和水溶气之间的动态平衡关系。煤矿采动影响区因为煤层卸压，裂隙张开或形成新的裂隙，又因为矿井通风，采动影响区与暴露煤壁间连续出现甲烷浓度差，使煤层渗透性、扩散性能大大增强，煤层气发生解吸，并在浓度梯度、压力梯度作用下向巷道或工作面扩散、渗流或紊流。随着巷道和采煤工作面的连续推进，采动影响区内煤层的含气量呈现出动态变化特征。

煤矿采动影响区可划分为本煤层采动影响区（水平采动影响区）、邻近层采动影响区（垂向采动影响区）和煤炭资源残留区[13]。本煤层采动影响区又可进一步分为掘进巷道和采煤工作面采动影响区。采动影响区内煤层动态含气量与煤壁暴露时间（采煤或掘进工作面推进速度）和距暴露煤壁的距离有关，任何一点的煤层气流速、流向和瓦斯压力均随时间的变化而变化，即为非稳定流场，求其解析解很困难。只有采用数值模拟的方法，如有限元法、瓦斯压力连续测定法、瓦斯涌出量法、瓦斯排放效率法等来近似地估算[13]。

2 煤层气多级压力降与多级渗流问题

煤储层是由气、水、煤基质块等多种物质组成的三相介质系统。其中气组分具有多种相态，即游离气（气态）、吸附气（准液态）、吸收气（固溶体）、水溶气（溶解态）；水组分也有多种形态，即裂隙、大孔隙中的自由水、显微裂隙、微孔隙和芳香层缺陷内的束缚水、与煤中矿物质结合的化学水；煤基质块则由煤岩和矿物质组成。在一定的压力、温度、电、磁场中各相组分处于动平衡状态。在排水降压或外加场干扰作用下开发煤层气的过程中，三相介质间存在一系列物理化学作用，其储层物性亦相应发生一系列变化，单一相态的实验研究很难模拟煤储层的真实物性状态。

煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元结构系统[11]。在排水降压开发煤层气的过程中各结构系统压降程度不同，客观上存在着三级压力降，煤层气-水的运移也相应地存在着三级渗流场，即宏观裂隙系统（包括压裂裂缝）——煤层气的层流-紊流场、显微裂隙系统——煤层气的渗流场、煤基质块（孔隙）系统——煤层气的扩散场[14]。扩散作用又包括整体扩散、克努森型扩散和表面扩散，渗流亦存在达西线性渗流和非线性渗流。煤层气开发，上述三个环节缺一不可，且气、水产能受制于渗流最慢的流场。前期研究大多忽略气体的扩散作用，渗流方程只考虑前两个环节，数值模拟气、水产能与实际情况相差甚远，且过于强调宏观裂隙，即试井渗透率的研究，忽略煤岩体实验渗透率及扩散系数的测试分析。因此，与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的解吸—扩散—渗流—紊流多级耦合问题、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的煤层气产能模拟软件是下一步煤层气勘探开发应用基础研究方向之一。

3 储层压力中的水压与气压的关系问题

煤储层流体压力由水压与气压共同构成。美国煤储层压力以水压为主，气、水产能稳定、持续；我国煤储层压力构成复杂，气压占有较大比例，不同压降阶段，煤层气、水产能不同，在总体衰减的趋势下呈跳跃性、阶段性变化[15]。

水动力势是煤层气富集和开发的最活跃因素，是储层压力或地层能量的直接反映和主要贡献者；水的不可压缩性对裂隙起支撑作用，水动力又是煤储层渗透率的维持者。我国中、高煤级煤层为相对隔水层，煤层本身的水体弹性能较低，气体弹性能较高[16]。

美国以单相水流作为介质测试煤储层压力和渗透率的试井方法应用到我国以气饱和为主的煤储层肯定会存在较大缺陷，也就是说用美国的试井方法得出的我国煤储层压力和渗透率是不确切的，由储层压力、含气量和等温吸附曲线计算的含气饱和度、临界解吸压力、理论采收率同样是不确切的。

笔者认为处于封闭系统的煤储层，其水压等于气压，处于开放系统的煤储层，其储层压力等于水压与气压之和。煤储层压力构成及其传导、煤储层中气、水介质之间的相互关系，控制了煤层甲烷的解吸、扩散和渗流特征，是目前煤层气开发亟待解决的关键科学问题。

4 煤储层动态渗透率问题

煤储层在排水降压过程中，随着水和甲烷的解吸、扩散和排出，其渗透率存在有效应力效应、煤基质收缩效应和气体滑脱效应，三种效应综合作用使煤储层渗透率呈现出动态变化[11]。

4.1 有效应力效应

有效应力是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加会使裂隙闭合，使煤的绝对渗透率下降。渗透率越低，相对变化越大，有的减少两到三个数量级。在排水降压开发煤层气的过程中，随着水和气的排出，煤储层的流体压力逐渐降低，有效应力逐渐增大，煤储层渗透率呈现出快速减少、缓慢减少的动态变化过程[11]。

4.2 煤基质收缩效应

气体吸附或解吸导致煤基质膨胀或收缩，可用朗格缨尔形式来描述，笔者用CO2作为介质对不同煤级圆柱体煤样（每点只平衡12h）进行过吸附膨胀实验，结果表明煤基质收缩系数随煤级的增大而减少[11]。煤层气开发过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气开始解吸，煤基质出现收缩，由于煤储层侧向上受到围限，煤基质的收缩不可能引起煤储层的整体水平应变，只能沿裂隙发生局部侧向应变，使煤储层原有裂隙张开，裂隙宽度增大，渗透率逐渐增高，且中煤级煤增加的幅度大于高煤级煤[11]。

4.3 气体滑脱效应

在煤这种多孔介质中，由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上，气体分子就与流动路径上的壁面相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿通道壁表面滑移。这种由气体分子和固体间相互作用产生的滑移现象，增加了气体的流速，使煤的渗透率增大，且随着储层压力的降低，先缓慢增加，到低压时快速增大。

5 高煤级煤储层产气缺陷问题

高煤级煤储层渗透率对应力敏感性强，应力渗透率衰减快；高吸附性、微孔性，自封闭性效应明显；高煤级煤束缚水饱和度大，相渗能力低；经历的构造运动期次多，其反复加压和卸压，渗透性损害极大；煤基质收缩能力弱，煤层气开发过程中其渗透率较难得到改善[17]。

第一，高煤级煤储层显微裂隙不发育。高煤级煤储层大多经过强烈的构造运动，煤层呈碎裂煤、碎斑煤和糜棱煤。

第二，高煤级煤储层应力渗透率衰减很快。流体压力不变、围压不断增大的渗透率实验表明：高煤级煤岩体的渗透率随围压增大呈指数形式降低，且衰减系数远大于中煤级。由于地应力梯度（我国通常为1.6MPa/100m左右）大于储层压力梯度（正常压力梯度为0.98MPa/100m），因此，随煤层埋深的增加，煤储层有效应力增大，煤储层渗透率降低。

第三，高煤级煤相渗能力低。相对渗透率表明：高煤级煤束缚水饱和度大，介于71.3%～84.82%之间，单相水流和气、水双相渗流区域狭窄。气-水双相渗流时，高煤级煤最大气相相对渗透率与最大水相相对渗透率之和介于25.4%～40.78%之间，平均为33.2%，即气相与水相有效渗透率之和约为其克氏渗透率的1/3；束缚水下高煤级煤气相渗透率只有其克氏渗透率的15.7%～22.1%，平均为18.2%，即多相介质条件下，高煤级煤有效气相渗透率不及其克氏渗透率的1/5[11]。

在排水降压开发煤层气的过程中，流体沿渗透性较好的区域指进，使指进流体绕过较大面积的被驱替相，形成被驱替相的一座座“孤岛”。高煤级煤束缚水饱和度大，即这样的“孤岛”较多，排水降压困难，煤层气难于解吸，大部分煤层气被残留，然而由于其吸附时间只有1～9d，所以能较快（数月后）达到产气高峰，造成高资源量、低产能之“瓶颈”现象[17]。

第四，高煤级煤储层渗透率改善能力弱。多相介质煤岩体吸附/膨胀实验表明，高煤级煤吸附最大，膨胀量低于中煤级煤。反过来，煤的吸附/膨胀与解吸/压缩互为可逆过程，即在煤层气的开发过程中，高煤级煤的收缩能力较弱。数值模拟结果表明煤基质收缩引起的渗透率正效应低于有效应力引起的渗透率负效应，高煤级煤储层渗透率在煤层气排采过程中逐渐衰减。

开展不同煤级煤柱样甲烷吸附（吸附平衡时间长达数月）膨胀实验、测试不同压力降、不同孔裂隙结构的气、水流量和扩散能力是下一阶段煤层气勘探开发的重要研究方向。

6 煤层气平衡开发问题

煤储层由多元孔裂隙结构组成，煤层气排采时存在多级压力降和多级扩散/渗流场，由于前期受急功近利的思想支配，煤层气井排采常打破煤储层气-水相渗平衡，没有处理好套压、液面降深和井底压力三者之间的关系，因气、水产能的过度增加，势必加速原始储层内能的消耗，使生产的持续时间缩短。因此，在试气排采阶段，针对不同的储层物性条件，多开展关井测压工作，绘制压力恢复霍纳曲线图，求出压力恢复曲线的斜率，再进一步据关井测压前的平均日产量折算成储层内的体积流量，并结合储集系数和压缩系数来估算气井现实条件下储层内的气体流动系数和气相有效渗透率，从而确定该储层的平衡产能[18]。据沁南 TL007 井和铁法 DT3 井产能历史分析，沁南 TL007 井的平衡产能为2000m3/t左右，铁法DT3井的平衡产能为3000m3/t左右[9]。因此，在排采工作制定时，不断调整套压、液面降深和井底压力，维持气、水产能平衡开发，增长井孔服务年限，是下一步煤层气勘探开发所要关注的问题之一。

7 结论

中国煤层气开发目前处于商业化生产的启动阶段。煤层气超临界状态和液化的温压条件、低煤级煤的含气量测试方法、采动影响区动态含气量、排水降压开发的动态渗透率、煤储层压力构成及其传导、煤储层中气、水介质之间的相互关系、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的解吸—扩散—渗流—紊流多级耦合理论、与煤储层特征相适应的钻井、完井、增产技术、与煤储层孔裂隙结构系统相匹配的排采工作制度和产能模拟软件等均是下一步煤层气勘探开发的应用基础研究课题。

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