煤层气井排水采气理论与技术研究

肖富强，邹勇军，桑树勋，黄华州

（1.江西煤田地质勘察研究院，江西 南昌 330001；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008）

1 煤层气产出机理

煤层气地面井的生产，是通过排出煤层中的水，使煤储层的压力降低，吸附在煤基质表面的甲烷开始解吸，并通过煤层的微孔隙扩散到煤层的孔裂隙中，最后以渗流的方式进入井筒产出。煤层气的产出过程包含了煤层气的解吸、扩散、渗流的过程，这是煤层气排采的理论基础。

1.1 煤层气的解吸

研究显示，煤储层对煤层气的吸附属于物理吸附，解吸与吸附处于动态平衡，这个过程具有可逆性。在煤层气地面井的实际生产中，是通过排出煤储层中的水，降低储层压力，当储层压力降低到临界解吸压力以下后，煤层气的吸附—解吸平衡才被打破，煤层气开始解吸产出。

煤层气的吸附与解吸过程符合Langmuir等温吸附模型，所以煤层气的解吸过程可通过煤的Langmuir等温吸附曲线描述。煤层气解吸服从Langmuir定律，其表达式为〔3〕：

式中：V 是吸附剂在气体压力为p时吸附气体的吸附量，m3／t；pL为兰缪尔压力，MPa；VL为兰缪尔体积，m3。

1.2 煤层气的扩散

甲烷气体在煤基质内的扩散，是在气体分子浓度差驱使下向低浓度的地方扩散，这时候通过单位面积的扩散速率与浓度梯度表现为正比关系，此时属于拟稳态扩散，遵循费克第一定律：

在煤基质体外表面，气体分子浓度差异大，随着运移长度的变化，分子浓度差是可变化的，这时候的扩散成为非稳态扩散，服从费克第二定律：