煤层气勘探开发的几个基本问题分析
(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，9月出生，1965，男，湖南省衡阳县人，博士，教授，博士生导师，从事能源地质学的教学和科研工作。
项目:国家重点基础研究发展计划——“973”煤层气项目(编号:2002CB211704)。
本文从煤层气赋存方式、超临界吸附、低阶煤含气量测试方法、开采影响区动态含气量、煤层气多级压降和多级渗流、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、高阶煤的产气缺陷、煤层气均衡开发等方面，简要分析了我国煤层气勘探开发的基础研究问题。指出根据不同煤级煤储层特征实施均衡开发是保证我国煤层气勘探开发持续稳定发展的重要措施。
动态含气量和动态渗透率平衡；煤层气开发
浅析煤层气勘探开发中的几个基本问题
傅雪海
(中国矿业大学，徐州221008)
文摘:简要分析了煤层气勘探开发中的几个基本问题，包括煤层气赋存方式、超临界吸附、低煤阶煤含气量测试方法、开采影响带动态含气量、煤层气多级降压和多级渗流、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、煤储层中气体压力与水压力的关系、高煤阶煤中的气体问题及煤层气平衡开发等。作者指出，不同煤级煤层气的均衡发展是保证中国煤层气持续稳定发展的重要措施。
关键词:煤层气；动态气体含量；动态渗透；平衡发展
介绍
煤层气藏是介于固体矿床和流体矿床之间的一种特殊类型的压力吸附矿床。美国通过30多年的研究，建立了中低阶煤的生储优势、次生生物气成藏、煤储层双孔分流等基础理论体系，形成了煤储层物性如孔隙度、渗透率、吸附等实验室实验测试技术，开发煤层气的排水降压技术，适合储层物性的完井技术，增产技术，多井干扰技术，储层压力和渗透率现场测试技术，煤层气和水能数值模拟技术等。这一理论在加拿大有一定的适应性，但在其他近30个国家或地区的应用效果并不好，暴露出这一理论有很大的局限性。我国各煤级煤矿区已建成600多口煤层气井和10多口井组，其中大部分已进行了产气试验。煤层气和水能稳定性差，井间、同井不同生产阶段间变化大。煤层气产量与试井渗透率的关系不是很一致，即使有高渗透率和低产量，低渗透率也有较高的稳产气产量[9]。这一现实困扰着中国的煤层气工作者，严重干扰了中国煤层气的勘探、开发和部署。如何配置油藏参数和排水系统才能获得稳定持续的产能？不同的学者或工程技术人员从各自的专业范围出发，对上述问题的某一方面进行了一些有益的探索，但并没有从整体上把握。本文就我国煤层气勘探开发中的基础研究问题提出一些想法，与大家探讨。
1煤层气赋存模式及低阶煤含气量
1.1固溶体气体问题
煤层气由吸附气、游离气和水溶气组成，这一点已被煤层气工作者所认识。但是，煤与瓦斯突出时的相对瓦斯涌出量是煤层瓦斯含量的几倍到近百倍，即使是煤层开采影响区的煤层气和围岩中的煤成气也达不到这么高的水平，这也是不争的事实。显然，艾路尼提出的固溶体是客观存在的，甚至其在整个煤层气中所占的比例远高于艾路尼认为的替代固溶体2% ~ 5%、间隙固溶体5% ~ 12%的比例[10]。固溶体气(体)可能类似于天然气水合物——可燃冰，是煤与瓦斯突出时释放出来的，可见固溶体气(体)也是煤层气的重要赋存方式。
1.2的超临界吸附
在平衡水条件下，煤对甲烷的吸附呈现“两阶段”演化模式，即朗缪尔体积先随煤阶增加而增大，后随煤阶增加而减小，其拐点(即极大值点)约为镜质组最大反射率的3.5% ~ 4.5%，受褐煤和低阶烟煤阶段煤岩组分的影响波动较大[16544
在地层条件下，煤层甲烷存在超临界吸附现象。但是，只有当煤层中的甲烷压力(空气压力)超过5.18MPa(表1)时，超临界流体才真正出现。实际上，国内实测瓦斯压力超过这个压力的矿井更少。然而，对于封闭系统中的原位煤储层，储层中的水压力等于空气压力。只要煤层埋深超过600米，煤层中的甲烷就可能变成超临界流体。
图1常温常压梯度下二氧化碳和乙烷的液化区间
对于甲烷和氮气，任何深度的储层温度都高于临界温度，无论压力如何都不会液化；对于二氧化碳，当储层温度低于31.1℃(表1)时，对于乙烷，当储层温度低于32.4℃(表1)且储层压力(气压)高于液化压力时，它们可以液体形式存在。根据正常地温梯度3℃/100m，正常储层压力梯度0.98MPa/100m，恒温带深度20m，温度10℃，埋深约400m，储层温度约22℃，储层压力3.9MPa，此时均低于临界温度和压力。当埋深达到800m时，储层温度约为34℃，高于临界温度，二氧化碳和乙烷仍为气态。但是当二氧化碳的压力大于7.38MPa，乙烷的压力大于4.98MPa时，二氧化碳和乙烷就可能变成超临界流体。只有在局部井段(封闭系统)400 ~ 800 m范围内，当储层温度低于临界温度，储层压力高于液化压力时，二氧化碳和乙烷才可能以液态形式存在(图1)。
表1煤层气组分简明物性[12]
*由二氧化碳在30℃的等温吸附实验获得。
对于以甲烷为主并含有二氧化碳、氮气和乙烷的煤层气来说，其超临界状态和液化温度压力条件是下一步值得关注的问题之一。
1.3低阶煤瓦斯含量测试
我国煤层瓦斯含量的现场测定大多基于MT-77-84解吸法标准，该标准对中高煤阶煤有很好的适应性。然而，对于分布在我国东北和西北地区的低阶煤，实测瓦斯含量明显偏低。由于低阶煤孔隙裂隙发育，取心过程在地层温度条件下解吸迅速，温度降至地面时解吸速度变慢，部分甚至不解吸，因此解吸计算的损失气体也会损失。中国煤田地质总局1995-1998进行的煤层气资源评价中未涉及褐煤，其他单位和个人大多根据褐煤平衡水等温吸附实验计算褐煤含气量，从而计算资源量。因此，低煤阶煤储层煤层气资源量的差异是我国各单位和个人计算煤层气资源量差异的根本原因。
基于低阶煤的含水量、孔隙和裂隙特征、温度和压力条件，分别对吸附气、水溶气和游离气进行了数值模拟，确定低阶煤的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问题
煤矿开采影响区是地面煤层气开发或井下瓦斯抽采的有利部位。煤矿巷道开拓和煤炭生产改变了煤层的地应力场和流体压力场，打破了煤层中游离气、吸附气和水溶气之间的动态平衡关系。由于煤层卸压，在采煤影响区打开裂隙或形成新的裂隙，又由于矿井通风，采煤影响区与裸露煤壁之间存在持续的甲烷浓度差，大大增强了煤层的渗透扩散性能，解吸煤层气，在浓度梯度和压力梯度的作用下向巷道或工作面扩散、渗透或紊流。随着巷道和采煤工作面的不断推进，采动影响区煤层瓦斯含量呈现动态变化特征。
煤炭开采影响区可分为煤层开采影响区(水平开采影响区)、相邻开采影响区(垂直开采影响区)和煤炭资源残留区[13]。该煤层的开采影响区可进一步划分为掘进巷道和采煤工作面的开采影响区。采动影响区煤层动态瓦斯含量与煤壁暴露时间(采煤或掘进工作面推进速度)和距暴露煤壁的距离有关。煤层气在任一点的速度、流向和气体压力随时间变化，是一个不稳定的流场，很难找到其解析解。只能采用数值模拟方法，如有限元法、瓦斯压力连续测量法、瓦斯涌出量法、瓦斯涌出效率法等。，能否估算一下大概[13]。
2煤层气多级压降和多级渗流
煤储层是由气体、水、煤基质块和其他物质组成的三相介质系统。其中，气体组分有各种相态，即游离气体(气态)、吸附气体(准液态)、吸收气体(固溶体)、水溶性气体(溶解态)；水组分也有多种形式，即裂隙、大孔隙中的自由水、微裂隙、微孔和芳香层缺陷中的结合水、煤中与矿物结合的化学水；煤基质块体由煤、岩石和矿物组成。在一定的压力、温度、电、磁场下，各相成分处于动态平衡。煤层气在排水降压或外场干扰作用下开发过程中，三相介质之间存在一系列物理化学相互作用，其储层物性也发生相应变化。单相态实验研究难以模拟煤储层的真实物性。
煤储层系统是由宏观裂缝、微观裂缝和孔隙组成的三元结构系统[11]。煤层气排采降压开发过程中，各构造系统的压降不同，客观上存在三级压降，煤层气-水运移也存在三级渗流场，即宏观裂缝系统(含压裂裂缝)-煤层气层流场、微观裂缝系统-煤层气渗流场、煤基质块(孔)系统-煤层气扩散场[14]。扩散包括整体扩散、努森扩散和表面扩散，渗流中还存在达西线性渗流和非线性渗流。以上三个环节是煤层气开发不可或缺的，气和水产可以通过渗流最慢的流场来控制。以往的研究大多忽略了气体的扩散，渗流方程只考虑了前两个环节。产气产水能量的数值模拟与实际情况相差甚远，过于强调宏观裂缝即试井渗透率的研究，忽略了煤岩体实验渗透率和扩散系数的测试与分析。因此，与煤储层孔隙和裂缝结构体系相匹配的解吸-扩散-渗流-湍流多级耦合问题以及与煤储层孔隙和裂缝结构体系相匹配的煤层气产能模拟软件是下一步煤层气勘探开发的基础研究方向之一。
3水库压力中水压与气压的关系
煤储层流体压力由水压和气压组成。美国的煤储层压力主要是水压，气和水产的能量是稳定持续的。我国煤储层压力组成复杂，空气压力占很大比重。在不同的压降阶段，煤层气和水能是不同的，在整体衰减趋势下呈跳跃式和阶段性变化[15]。
水动力势是煤层气富集和开发最活跃的因素，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缝起支撑作用，水动力是煤储层渗透性的维持者。我国中高煤阶煤层为相对隔水层，煤层本身水弹性低，而瓦斯弹性高[16]。
美国以单相水流为介质测试煤储层压力和渗透率的试井方法，应用于我国以含气饱和度为主的煤储层，肯定会有很大的缺陷，也就是说，美国试井方法得到的我国煤储层压力和渗透率不准确，由储层压力、含气量和等温吸附曲线计算出的含气饱和度、临界解吸压力和理论采收率也不准确。
作者认为封闭系统中煤储层的水压力等于空气压力，开放系统中煤储层的储层压力等于水压力和空气压力之和。煤储层压力的组成和传导以及煤储层中的气水关系控制着煤层气的解吸、扩散和渗流特征，是目前煤层气开发中亟待解决的关键科学问题。
4煤储层动态渗透率问题
在脱水降压过程中，随着水和甲烷的解吸、扩散和排出，煤储层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，三种效应的综合作用使煤储层渗透率呈现动态变化[11]。
4.1有效应力效应
有效应力是裂缝宽度变化的主要控制因素。有效应力的增加会使裂隙闭合，降低煤的绝对渗透率。渗透率越低，相对变化越大，有的下降两三个数量级。在脱水降压开发煤层气的过程中，随着水和气的排出，煤储层流体压力逐渐降低，有效应力逐渐增大，煤储层渗透率呈现快速降低和缓慢降低的动态变化过程[11]。
4.2煤基质收缩效应
气体吸附或解吸引起的煤基质膨胀或收缩可以用朗格汉斯模型描述。作者以CO2为介质，对不同煤阶(每个点仅平衡12h)的圆柱形煤样进行过吸附膨胀实验。结果表明，煤基质的收缩系数随着煤阶的增加而减小[11]。在煤层气开发过程中，当储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气开始解吸，煤基质收缩。由于煤储层的侧向约束，煤基质的收缩不会引起煤储层的整体水平应变，而只会沿裂缝发生局部的侧向应变，使煤储层的原始裂缝张开，裂缝宽度增大，渗透率逐渐增大，且中煤的增幅大于高煤[11
4.3气体滑脱效应
在煤这种多孔介质中，由于气体分子的平均自由程与流体通道处于一个数量级，气体分子在流道上与壁面相互作用(碰撞)，从而导致气体分子沿通道壁面滑移。这种由气体分子与固体相互作用引起的滑移现象，使气体速度和煤的渗透率增大，随着储层压力的降低，先缓慢增大，在低压时又迅速增大。
5高煤级煤储层的产气缺陷
高煤级煤储层渗透率对应力敏感，应力渗透率衰减快。高吸附、微孔和自封闭效果明显；高煤级煤束缚水饱和度高，相对渗透率低；经历了多次构造运动，其反复加压减压极大地损害了渗透率；煤基质收缩性弱，在煤层气开发过程中很难提高其渗透率[17]。
首先，高煤级煤储层中微裂缝不发育。高煤级煤储层大多经历了强烈的构造运动，煤层为碎煤、碎斑煤和糜棱煤。
其次，高煤级煤储层的应力渗透率衰减很快。恒定流体压力和增加围压的渗透率实验表明，高煤级煤岩渗透率随围压的增加呈指数下降，衰减系数远大于中煤级煤岩。由于地应力梯度(国内通常约为1.6MPa/100m)大于储层压力梯度(正常压力梯度为0.98MPa/100m)，随着煤层埋深的增加，煤储层有效应力增大，煤储层渗透率降低。
第三，高煤级煤的渗透性低。相对渗透率表明，高煤级煤束缚水饱和度大，从71.3%到84.82%，单相水流动和气水两相渗流区域较窄。气水两相渗流时，高煤级煤的气相最大相对渗透率和水相最大相对渗透率之和在25.4%-40.78%之间，平均值为33.2%，即气相和水相有效渗透率之和约为其凯氏渗透率的1/3。高煤级煤在水下的气相渗透率仅为其凯氏渗透率的15.7% ~ 22.1%，平均值为18.2%，即在多相介质条件下，高煤级煤的有效气相渗透率不是1/5 [165438+]
在煤层气排采降压开发过程中，流体沿渗透性好的区域指状流动，使得指状流体大面积绕过驱替相，形成驱替相“孤岛”。高煤级煤束缚水饱和度大，即有许多这样的“孤岛”，排水降压困难，煤层气解吸困难，大部分煤层气被留下。但由于其吸附时间仅为1 ~ 9天，能很快(数月后)达到产气高峰，造成资源高、产能低的“瓶颈”现象[17]。
第四，高煤级煤储层的渗透率改善能力较弱。煤岩体在多相介质中的吸附/膨胀实验表明，高煤级煤的吸附量最大，膨胀量低于中煤级煤。反之，煤的吸附/膨胀和解吸/压缩是相互可逆的过程，即在煤层气开发过程中，高煤级煤的收缩能力较弱。数值模拟结果表明，煤基质收缩对渗透率的正面影响低于有效应力对渗透率的负面影响，在煤层气抽采过程中，高煤级煤储层渗透率逐渐降低。
开展不同煤阶煤柱样品的甲烷吸附膨胀实验(吸附平衡时间长达数月)，测试不同压降、不同孔隙和裂隙结构下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煤层气均衡开发
煤储层由多孔隙裂隙结构组成，煤层气排采时存在多级压降和多级扩散/渗流场。由于前期急功近利的思想，煤层气井排水往往打破了煤储层的气水渗流平衡，未能妥善处理套压、液面下降和井底压力之间的关系。由于气水能量的过度增加，势必加速原始油藏内部能量的消耗，缩短生产持续时间。因此，在试气生产阶段，根据不同的储层物性条件，进行关井测压，绘制压力恢复霍纳曲线，求出压力恢复曲线的斜率，然后根据关井测压前的平均日产量换算成储层中的体积流量，结合储层系数和压缩系数，估算气井现实条件下储层中的气体流量系数和有效气体渗透率，从而确定储层的平衡产能[18]。根据秦南TL007井和铁法DT3井的产能历史分析，秦南TL007井的平衡产能约为2000m3/t，铁法DT3井的平衡产能约为3000m3/t [9]。因此，在排采工作的制定中，不断调整套压、液面下降和井底压力，保持气水能量平衡发展，增加井眼服务寿命，是下一步煤层气勘探开发应重视的问题之一。
7结论
中国煤层气开发目前正处于商业化生产的启动阶段。煤层气超临界状态及液化的温度压力条件、低阶煤含气量测试方法、开采影响区动态含气量、排采降压开发动态渗透率、煤储层压力组成及传导、煤储层中气与水介质的关系、与煤储层孔隙裂隙结构体系匹配的解吸-扩散-渗流-湍流多级耦合理论、与煤储层特征匹配的钻井、完井及增产技术。
参考
[1]哈帕林S，米佛森M j 1986。瓦斯压力对煤渗透性的影响。美国第二次矿井通风会议，369~375
[2]里维斯R，德克尔A D.1991。储层模拟研究地应力、孔隙压力和煤级对煤层气勘探策略的相互作用。气体技术会议录，83~91
[3]普里R，埃瓦诺夫J C.1993。煤割理孔隙度和相对渗透率的测量。见:国际煤层气研讨会，SPE 21491，93~103
[4]帕尔默L，曼苏尔J.1998。煤层渗透率如何依赖于应力和孔隙压力:一个新模型。SPE油藏评价与工程，12月，124~136
[5]Thotsaphon C，Chen H X和Lawrence T W.2001。渗透率各向异性和压力干扰对煤层气产量的影响。美国石油工程师协会石油技术会议论文集，石油技术-领先，323~329
[6]Scott A R.2002 .影响煤层中气体含量分布的水文地质因素。国际煤地质学杂志，50:363~387
[7]Joshua C E.2002 .煤层气井储层压力的简化预测。美国石油工程师学会东部地区会议论文集，49~57
[8]David S，Mike K.2003 .在低压下以高速率生产煤层甲烷。美国石油工程师协会年度技术会议和展览会论文集，4035~4042
傅，，范秉恒，等2004。铁法DT3井和秦南TL-007井煤层气产能对比研究。Acta煤炭，29 (6): 712 ~ 716。
[10]艾鲁尼。在。唐、、宋德淑等译。1992.煤矿瓦斯动力现象的预测与预防。北京:煤炭工业出版社，142 ~ 147。
[11]傅学海. 2001。多相介质条件下煤岩体(煤储层)物性的物理模拟和数值模拟[博士论文]。徐州:中国矿业大学。
[12]吴树森。1989.界面化学。武汉:华东化工学院出版，190 ~ 200。
[13]傅，泰莉，周，等2005。采动影响下煤层动态瓦斯含量的数值模拟。天然气地球科学，16 (3) 359 ~ 362。
[14]彭晋宁。2006.铁法盆地煤储层多期渗流特征研究(硕士学位论文)。徐州:中国矿业大学。
[15]叶建平。2002.水文地质条件对煤层气产能的控制机理及预测评价研究[博士论文]。北京:中国矿业大学(北京校区)
吴，泰莉，傅，林伯权。2005.煤基块体的弹性性质及其与地质控制因素的关系。中国矿业大学学报，34 (5): 636 ~ 639。
[17]傅，泰莉，姜波等，2004。高煤级煤储层煤层气产能“瓶颈”研究。地质评论，50 (5): 507 ~ 513。
【18】顾乾隆，曹立刚。2001.煤层气抽采关井测压卸压实验。中国煤田地质，13 (1): 25 ~ 27。