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：

1.3 煤层气的渗流

煤层的孔裂隙中一般赋存有大量的水，煤层气经解吸、扩散到孔裂隙中，则孔裂隙中的流体变成了气-水两相流。煤层气井生产就是通过排出煤储层的水，使储层压力降低，在压力差的作用下，气液两相流体向着压力降低的方向流动，直至流到井筒后产出。在这一过程中，煤层气在煤储层的流动可以看作是层流运动，这个运动规律符合达西定律：

式中：ν为流速；k为煤层的渗透率；μ为瓦斯的浓度系数；p为瓦斯压力。

2 煤层气井排水采气原理

2.1 单井排采模式

单井排采，就是在一定的区域范围内只有一口煤层气井生产的模式。在单井模式下，单口煤层气井的排采不受其它生产井的影响。其中，单井排采又可划分为单井单层排采和单井合层排采〔4〕。

（1）单井单层排采：生产层为单个煤层，排采过程中压降漏斗在单个煤层中扩展，井底流压主要取决于动液面高度。因此，单层排采时，排采制度的控制比较简单，操作容易〔4〕。

（2）单井合层排采：在部分煤层群发育地区，为了高效开采地下煤层气资源，合层排采是重要的举措之一。原理是两个或两个以上煤层分层进行压裂施工，但共用一套井筒设备产气。分压合采，对于多煤层群发育地区提高煤层气资源采收率有重大的现实意义。

2.2 井网排采模式

在局部小范围地区，单井排采模式或许可以实现单井的高产，但要实现煤层气的商业化开发，大面积的煤层气井连续高产、稳产，只有通过井网排采模式实现。井网排采就是在一定开采范围内有两口或者两口以上的煤层气井组合排采（见图1）。

图1 井网排采模式示意

在承压含水层内，地下水的流动是线性的，压力变化可以直接叠加，在压降漏斗叠加的地方压力变化等于多口井的压力降低之和，这种现象就叫井间干扰。井网排采模式正是利用煤层气井之间的井间干扰现象，使煤储层的储层压力尽可能降低，促进煤层气的解吸，使井网排采中的煤层气井，无论是产气速率或是累计产气量都有明显提升。

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3 煤层气井排采阶段划分

根据我国长期以来的煤层气开发经验，煤层气井的生产过程大致可划分为三个阶段（见图2）。

3.1 排水降压阶段

这一时期的主要任务是通过排水，降低井筒中的动液面深度，以达到降低储层压力的目的。其中，又可以划分为三个阶段，第一阶段是从排水开始到井筒中出现套压，这个阶段的排采重点是降低井筒中的动液面高度，排采速率可以适当加快，以不吐砂、不吐粉为控制标志。第二阶段是从见套压到初始产气阶段，井筒中开始出现套压后，排水的速率应适当控制，防止储层压力降低到临界解吸压力以下后，大量煤层气解吸出来并在煤层中聚集形成气泡，有可能堵塞煤层中的导流裂缝，产生气锁效应。第三阶段是初始产气至稳定产气阶段，煤储层中的流体已经进入两相流阶段。

3.2 产量稳定阶段

随着排采的进行，煤层气的产能逐渐增大直至趋于稳定，并且出现产气高峰，而产水量则相反，逐渐下降。这个阶段的控制重点是维持排采作业的稳定性和连续性，控制住一定的井底流压，尽量保持稳定的动液面，延长排采的时间，以求煤层气井最大的产气量。

3.3 产量衰减阶段

煤层气井排采到稳产期后，煤层气单井控制范围内的煤层气已经被大量抽采出来了，煤基质解吸的气体逐渐减少，尽管排采作业仍在继续，但产水量和产气量却在不断减少，这个阶段通常持续时间较长。

图2 煤层气井排采曲线示意〔5〕

4 煤层气井排采产能影响因素

4.1 储层压力

煤储层压力，是指作用于煤孔隙-裂隙空间上的流体压力，包括水压和气压，故又称为孔隙流体压力。煤层气井中，煤储层流体主要受到三个方面应力的作用，包括上覆岩层静压力、静水柱压力和构造应力。在被压裂改造后渗透性较好的煤储层，孔隙流体所承受的压力为连通井筒中的静水柱压力，这就说明此时储层压力等于静水压力。

煤储层压力，一方面反映了储层对瓦斯的储藏能力，另一方面又能反映储层供液能力的大小。储层压力对排采控制和排采工作制度的制定有非常大的影响。合层排采中，不同产层储层压力差别太大，势必会影响排采过程中储层的产水能力，高压储层可能将流体压入低压储层，延长低压储层的排采时间，也可能导致储层吐砂、吐粉，进而影响储层的渗透率，对煤层气井的产能产生不利。

表1是某采区部分分压合采煤层气井储层压力差和日产气量关系。从表中数据可以看出，不同产层储层压力差较大的井产气量反而有所减小，可见储层压力差过大对合层排采明显有不利影响。同时，并不是储层压力差越小越好，35＃井储层压力差只有0.85 MPa，其产气量却非常小。综合所述，认为煤层气井合层排采，产层间储层压力差在一个适当范围，对合层排采的产能是比较有利的。

表1 储层压力差和日产气量关系

4.2 煤层厚度

在一定区域范围内，煤层厚度的大小直接关系着煤层气资源总量和该范围内煤层气井的产量，是评价煤层气井生产潜力的重要参数。在其它地质条件相同的情况下，煤层厚度越大，单井控制的煤层气资源总量越多，则煤层气井单井的产气量就相对越高，这对煤层气的开采是非常有利的。

图3为煤层气井平均日产气量与煤层总厚度关系图。从图中可以看出，煤层气井单井的产能与煤层总厚度呈正相关关系，相关系数达0.75。即可认为，单井的煤层总厚度越大，则排采稳定后产能就越大。

图3 平均日产气量与煤层总厚度关系

4.3 储层渗透率

渗透率是表征储层渗流能力的量，煤储层的裂隙发育程度直接影响渗透率的大小，从而影响煤层气井产能。渗透率大小是影响煤层气井产能的一个重要参数，在其它地质条件相近的情况下，渗透率越大，通常产气量就越大，渗透率大小与气井产能呈正相关关系（见图4）。这是因为，渗透率越大，煤储层中渗流通道越发育，越利于将煤层中的水排出，促进了压降漏斗扩展，因而增加煤层气井的产气量。

5 煤层气井排采数值模拟

目前为止，使用最广泛的煤层气数值模拟软件是美国先进能源公司（ARI）研发的COMET 储层模拟软件，该软件运用三重孔隙-双重渗透率模型，能够模拟煤层气解吸、扩散、渗流过程。同时，该软件还充分考虑了一些对煤层气井生产有较大影响的参数，例如有效应力效应、煤基质收缩效应、水溶气、气体重吸收以及CO2注入等，因而，COMET 较其它软件而言，更加科学地反映了煤层气解吸、产出的基本规律〔6〕。

图4 煤层气井储层渗透率与产气量关系

利用COMET 进行排采数值模拟，首先要保证基础数据的完整性和准确性，然后通过调整相应的工程参数和储层物性参数，使模拟的数据结果尽可能地与实际排采情况相接近，即进行历史拟合；再利用校正后的参数对煤层气井进行产能预测。

1）历史拟合。所谓历史拟合，就是通过修正煤储层损伤造成的储层参数失真，使模拟的历史动态与实际生产动态相一致，保证储层参数的客观性。煤层气井的历史拟合动态指标一般是指产气量、产水量、累计产气量、累计产水量等。在进行历史拟合时，校正参数有一定限值，有的参数灵敏度大，微小调整就引起结果的巨大变化，表明该参数与结果的相关性很大，所以必须确定储层的关键参数。同时，还需要确定煤层气井的工作制度，包括定产水量、定产气量、定井底流压等。经验显示，拟合时，有些参数需要频繁调整，有些参数则不必，裂隙渗透率和孔隙度是储层模拟的关键参数，需要拟合调整〔7〕。

2）产能预测。在历史拟合将储层参数校正过后，参数校正值达到预期目标，能够客观真实地反映煤储层的物性参数和煤层气的生产能力，据此可以对煤层气井产能进行合理、准确的评价。产能预测除了可以预测煤层气井的产水量和产气量之外，还可根据对比拟合产能曲线和实际产能曲线，发现煤层气井生产过程中的不完善之处，并找出改善方案。同时，还可以检测煤层气井整个排采过程中的参数变化，掌握储层动态，对于优化排采工艺有重大意义。

6 结语

1）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。简单来说，煤层气的产出过程包含了煤层气的解吸、扩散、渗流的过程。

2）煤层气井排采，包括单井排采和井网排采。井网排采是在单井排采的基础上，集合多口煤层气井实现联合产能，有助于提高煤层气井的总产能。

3）本文将煤层气井生产过程划分为三个阶段：排水降压阶段、产量稳定阶段、产量衰减阶段。

4）煤层气井排采过程中，产能的影响因素众多，主要包括有储层压力、煤层厚度以及储层渗透率等。其中储层压力值在适当大小时对产能最有利，而煤层厚度和储层渗透率与产气量呈正相关关系，参数值越大，则产气量越高。

5）煤层气井数值模拟，就是通过拟合历史产能曲线，修正煤储层损伤造成的储层参数失真，再利用修正后的参数对煤层气井进行产能预测，掌握煤储层的动态变化规律。

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