煤炭学报席健论文

冯其红 石洪福 张先敏

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266555）

摘 要：当前制约我国煤层气发展的瓶颈是单井产量低、经济效益差，因此提高煤层气单井产量是我国 煤层气开发亟须解决的问题。注气增产法是一种提高煤层气采收率的增产技术，其原理是通过向煤层中注入 其他气体（CO2、N2或混合气体），与甲烷竞争吸附或降低甲烷有效分压，促进煤层甲烷的解吸。该技术可 以保证煤层的能量，有利于甲烷产出，可大幅度提高煤层气单井产量和采收率，延长煤层气田的开采期。本 文主要对注气开采煤层气增产机理、室内现场实验以及数值模拟等方面的国内外研究现状进行了综述，总结 了该领域目前面临的主要难点，展望了进一步深入研究的方向。

关键词：煤层气；注气；解吸；数值模拟

注气驱替煤层气具有减少温室气体排放和提高煤层气采收率的双赢效果。相比传统的储层压力衰竭法 开采，注入气体可以保持地层能量，延长煤层气井寿命，提高采收率［1］，该技术还适用于开发深部低渗透 性松软煤层的煤层气。因此，气体驱替煤层气技术的相关研究受到世界主要发达国家的广泛重视。

1 注气驱替煤层气的机理

煤是一种孔隙高度发育的有机固体物质。气体在煤表面的吸附本质上是一种物理吸附，范德华力起 主要作用，不同气体在煤表面的吸附能力差异主要是分子间作用力的不同。Cunningham［2］和Parkash［3］ 认为这种作用力与相同压力下各种吸附质的沸点有关，沸点越高，被吸附的能力越强，因此煤对气体的 吸附能力表现为：CO2 ＞CH4 ＞N2。降文萍等［4］则从量子化学的角度计算发现煤表面CO2的吸附势阱要 大于CH4，因此CO2的吸附能力强于CH4。Marco Mazzotti［5］研究发现吸附气体会导致煤岩膨胀且膨胀 量为CO2 ＞CH4 ＞N2，因此注入CO2驱替煤层气会导致渗透率明显降低。

后来，杨涛等［6］建议采用注入超临界CO2来开采煤层气，超临界CO2能以气体的身份与CH4进行 竞争吸附，同时还能以液相的性质在渗流通道内萃取出极性较低的碳氢化合物和类脂有机化合物，从而 增加了其孔隙度和渗透性。

N2的吸附能力比CH4弱［7］，因此N2驱替煤层气的机理与CO2驱替不同（图1）。注入N2后可以 降低CH4的分压从而促进CH4的解吸，N2置换CH4后煤岩会收缩引起渗透率的上升，加拿大艾伯特省 Felm Big Vaney［8］试验区的单井注入试验已经证明了这一点。

图1 注CO2和N2驱替煤层气的原理示意图

总之，CO2驱替煤层气技术比较适合于高渗透、不可开采煤层，对于我国低渗透、可开采煤层有一 定的局限性。另外N2的成本比较低，提纯容易。因此，建议采用富含N2的混合气体驱替开采我国的 低渗透煤层气，一方面发挥了CO2的高驱替能力，另外一方面发挥了N2的增渗作用。

2 注气开采煤层气的试验

国内外开展了大量注气开采煤层气的室内以及现场试验。室内试验主要以气体的吸附/解吸、形变 和渗透率的测量为主，现场主要进行了CO2煤层埋存以及混合气体驱替煤层气的试验。

2.1 室内试验

煤对气体的吸附性大小主要取决于煤的岩石学组成、物理化学结构、煤阶、水分含量等自身因素，另外温度、压力也对煤岩的吸附性有较大的影响。针对煤对单组分气体的吸附，国内外的学者开展了大 量的深入研究［9～24］。

关于煤对多元混合气体的吸附，国内外专家学者［25～39］普遍认为多元气体吸附时，每种气体不 是独立吸附的，而是不同气体间存在着竞争吸附。二元气体的吸附等温线总是介于吸附能力强和吸 附能力弱的纯组分气体吸附等温线之间，混合体系中每一组分的吸附量都小于其单独在相同分压下 的吸附量。

室内的注气驱替实验的一般程序是：煤岩充分吸附CH4，然后注入其它气体，可以边注边抽，也可 以注入后待其它气体与甲烷充分竞争吸附后再抽，然后测试产出气体量和成分以及它们与注气压力、注 气速率等的关系。研究表明CO2/CH4的置换比高达1：7，N2/CH4可以达到1：4，产出气体中初期甲烷含 量几乎为100％，待注入气体突破后，甲烷含量明显降低［40，41］。

2.2 现场注气试验

美国、加拿大、日本、欧盟等先后进行了不同规模的注气驱替煤层气现场试验。1993年，美国的 BP Amoco公司在圣胡安盆地进行了世界上第一次注气（83％的N2和12％的CO2）提高采收率的相关 试验［42］。1995年，美国又在圣胡安盆地向Allison和Tiffany煤层进行纯CO2和纯N2注入试验［43］。为 了测试不同地质条件下ECBM技术的适用性，加拿大在Alberta［44］盆地进行了小规模的CO2-ECBM工 程，采收率得到明显提高。中国和加拿大也联合在沁水盆地南部的TL-003井也进行了CO2-ECBM的 微型先导性试验，测试数据显示注气后产气量明显上升，产水量有所下降［45，46］。除此之外，在日本在 北海道，欧盟在波兰也进行过类似的现场试验。

目前看来，几个国家的现场测试结果都比较令人满意，注入CO2后气井产量均有大幅增长，但是近 井周围的渗透率在注气后有所降低，随着排采过程又有一定程度的恢复。一方面是因为CO2的扩散趋 于均匀，不再像注入初期那样聚集在井筒附近，另一方面是排采过程中储层压力降低，煤基质收缩导致 渗透率有所增大。

3 注气开采煤层气的数值模拟

注入气体和煤层甲烷在煤层中赋存运移规律是注气开采煤层气的理论基础。注气开采煤层气的 实质是一个注入气体与甲烷在煤层中竞争吸附、解吸，扩散，以及水、气多相渗流的过程。ECBM 过程中煤层气的运移是一个非常复杂的过程，包括煤层气及注入气体的竞争吸附、解吸、扩散以及 达西流动等。气体的吸附、解吸会使煤岩产生膨胀、收缩变形，从而引起煤岩的孔隙结构变化，进 而引起煤岩渗透系数的变化。煤岩的孔隙结构和渗透系数变化反过来又影响气体在煤岩中的赋存与 流动。因此，ECBM过程是一个多组分气相-水相-煤岩固相耦合的过程。由于该过程非常复杂，即使建立了完整的数学模型，其求解也相当困难，因此，目前国内外学者Ekrem Ozdemir［47～50］，Julio Manik，Seto，吴嗣跃，孙可明［50～52］等在建立ECBM过程模型的时候一般都作了一些假设，忽 略某些因素，使求解变得简单。

常规煤层气模拟器一般可以模拟：(1)双重孔隙系统；(2)单组分气体在孔隙系统的吸附和扩散； (3)裂隙系统达西渗流；(4)吸附气体解吸产生的煤岩收缩。模拟ECBM过程还必须考虑：(1)CO2吸附引 起的煤岩膨胀；(2)混合气体吸附；(3)混合气体扩散；(4)由于注入气体和煤层和之间的温差造成的非等 温吸附等。

针对ECBM过程的这些特点，目前，国内外广泛使用的ECBM模拟器主要包括商业的模拟器，如： GEM、ECLIPSE、SIMED11、COMET2，METSIM2和非商业的模拟器，如：GCOMP、TOUGH2、CBM - SIM、IPARS-CO2等。David H.-S.Law［53］对注气驱替煤层气数值模拟做了深入的研究，详细比较了上 述几种模拟器的模拟效果，各自的功能特点见表1。

表1 目前主要的ECBM软件的功能特点

4 总结

总结国内外的研究成果，注气提高煤层气采收率的可行性和原理已经得到了充分的论证，然而，前人的研究工作多处于纯理论研究阶段，缺乏理论和实践的结合，而且存在如下可进一步研究的 问题：

（1）深入研究多组分气体在煤样中的竞争吸附/解吸效应，确定相对吸附（解吸）速率、置换速率 与吸附平衡压力、各组分气体分压、时间的关系。

（2）通过注气驱替渗流实验，研究煤层气采收率与注气方式、注气成分、注气周期、注气压力之 间的关系。

（3）研究煤变质程度及煤岩组分对注气效果的影响。

（4）开展高温、高压下的煤岩储层注气效果评价。

（5）采用格子Boltzmann方法［54］和分子动力学方法（MD）［55］进行注气开发的微观模拟。

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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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