煤層氣的開采機理研究

李傳亮，彭朝陽

（1.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室；2.中國石油煤層氣有限責任公司）

煤層氣的開采機理研究

李傳亮1，彭朝陽2

（1.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室；2.中國石油煤層氣有限責任公司）

煤層氣為自生自儲型非常規天然氣資源。為了更好地開發煤層氣，需要深入研究煤層氣的開采機理。煤層氣賦存于煤巖層的割理和基質孔隙中，以吸附狀態為主，且與地層水共存。煤層氣從孔隙壁面上解吸下來之后，才能被開采。開采地層水導致地層壓力下降，進而導致煤層氣解吸成為自由氣，解吸后的煤層氣沿割理滲流至井底后被采出地面。煤層氣的開采過程包括脫氣、解吸和滲流3個階段。擴散不是煤層氣的開采機理。

煤層氣；割理；基質；吸附；解吸；脫氣；擴散

煤層氣的開發已進入工業化時代，但其開發理論的研究卻明顯滯后于開發實踐。煤層氣的開采機理依然不是十分清楚，明顯制約著開發實踐的健康發展。

煤層氣的賦存狀態以吸附為主，其開采過程通常分為3個階段：解吸、擴散和滲流［1-3］。但根據筆者的研究，擴散并不是煤層氣的開采機理，煤層氣的開采過程應為：出溶（脫氣）、解吸和滲流。

1 賦存狀態

煤層氣是一種非常規天然氣，沒有圈閉，也沒有蓋層，屬于自生自儲類型。煤巖層既是烴源層，又是儲集層，煤層氣在煤巖層生成后就地儲集。

煤巖層沒有蓋層，就無法聚集自由氣，煤層氣是靠吸附作用附著在孔隙壁面而保存下來的（圖1）。煤巖層通過基質收縮和地應力作用產生了大量的多尺度裂縫（割理）［4］，割理把煤巖層切割成大量的基質巖塊，基質巖塊中發育有大量的基質孔隙。煤巖層的比表面積（比面）很大，如褐煤的比面約為200 m2/g，為煤層氣的吸附賦存提供了物質條件。

圖1 煤層氣賦存狀態示意圖Fig.1 Sketch of coalbed methane occurrence

煤巖層富含沉積有機質，它們在熱壓作用和微生物的作用下，生成了大量的甲烷等低分子氣體。甲烷分子被排入割理或基質孔隙中，而割理和基質孔隙充滿了地層水，由于甲烷在地層水中的溶解度極低，因此，大量的甲烷分子被迫吸附在孔隙壁面上，只有少量的甲烷溶解于地層水中。甲烷分子與水分子大小相當，且平衡共存。吸附的甲烷分子呈分散狀態，若生成的甲烷分子增多，就會聚集成連續相氣泡（自由氣）。由于煤巖層的親水特性［5］，氣泡生成后便會在浮力的作用下向上運移出煤巖層［6］，從而散失掉。沒有蓋層，煤巖層是很難聚集自由氣的。

煤巖層的地層水飽和了甲烷分子，是甲烷的飽和水溶液。煤巖層中的地層水比煤巖層之外的地層水溶解了更多的甲烷分子，因此，其甲烷濃度更高一些。在濃度差的作用下，煤巖地層水中的甲烷分子就會不斷向外擴散，并散失在煤巖層之外的地層之中，甚至擴散至地面散失掉。

煤巖層不斷生成甲烷氣，擴散作用和自由氣的運移又使甲烷氣不斷散失，生成與散失保持著一種動態的平衡。如今的煤層氣，是散失之后的剩余氣。

2 吸附規律

煤巖層沒有自由氣，只有散失之后的剩余吸附氣。如何采出呈吸附狀態的甲烷氣體，是煤層氣開發能否成功的關鍵。開發吸附氣的第一步，就是將吸附氣從孔隙壁面上解吸下來，然后采出煤巖層。

根據液相吸附理論，甲烷的吸附量與甲烷在地層水中的濃度（溶解氣水比）滿足下面的液相Langmuir方程［7］

式中：cad為煤層氣的吸附量，cm3/g；cadm為煤層氣的飽和吸附量，cm3/g；cm為煤層氣在地層水中的濃度，m3/m3；b為煤層氣的液相吸附系數，無因次。

由式（1）可以看出，煤層氣的吸附量隨甲烷濃度增高而增大，但最終趨于一個極限數值——飽和吸附量 cadm（圖 2）。

圖2 煤層氣液相吸附曲線Fig.2 Adsorption curve of coalbed methane to rock in liquid

煤層氣的飽和吸附量是衡量煤層氣開采潛力的關鍵參數，其值越高，開采潛力就越大。優質煤巖層的飽和吸附量可達50 cm3/g以上，即1 t煤中的吸附氣可達50 m3以上。由于散失的原因，煤巖層的實際生氣量遠遠大于飽和吸附量。

甲烷在地層水中的濃度隨溫度、壓力和礦化度的變化而變化，地層條件下的甲烷濃度通常很小，一般低于或在 1 m3/m3左右［8］。 根據式（1），要想使甲烷從孔隙壁面上解吸下來，可以通過降低地層水的甲烷濃度來實現，即在井底降低甲烷濃度，讓煤巖層中的煤層氣解吸，然后再擴散至井底而被采出（圖 3）。

圖3 煤層氣開采示意圖Fig.3 Sketch of flow of coalbed methane

通過擴散作用將解吸下來的煤層氣運移至井底并開采出來，理論上可行實際上卻不可行。因為目前尚沒有在井底有效降低甲烷濃度的好方法，而且甲烷在地層水中的溶解度和擴散系數（約為14.9×10-6cm2/s［9］）都很小，不能有效傳質。

3 排水采氣

排水采氣或抽水采氣［3］就是指通過開采地層水進而開采煤層氣的方法，其開采過程分為3個階段：脫氣、解吸和滲流。

3.1 脫氣

地層水飽和了甲烷分子，甲烷的濃度（溶解氣水比）隨地層壓力的變化曲線與原油的溶解氣油比曲線類似，近似為一條直線（圖4），可以用下面的方程描述［10］

式中：α 為甲烷的溶解系數，m3/（m3·MPa）；p 為地層壓力，MPa。

圖4 煤層氣在水中的溶解曲線Fig.4 Solution curve of coalbed methane in formation water

從煤巖層中開采地層水，地層壓力會下降，因此就會有氣體從地層水中脫出（出溶），從而形成連續的自由氣（圖5）。

圖5 地層水脫氣形成自由氣Fig.5 Free gas through degas from formation water

3.2 解吸

（1） 氣相解吸

自由氣一旦形成，氣相壓力與吸附氣之間就建立起了新的平衡關系。根據氣相吸附理論，甲烷的吸附量與地層壓力滿足下面的氣相吸附Langmuir方程［7］

式中：a為煤層氣的氣相吸附系數，MPa-1。

由式（3）可以看出，煤層氣的吸附量隨地層壓力增高而增大（圖6）。若想解吸吸附氣，就必須降低地層壓力。因此，開采煤層氣的一個必要條件就是先排水降低地層壓力，壓力降低后吸附氣便會解吸而成為自由氣。

圖6 煤層氣氣相吸附曲線Fig.6 Adsorption curve of coalbed methane to rock in gas

（2）液相解吸

根據式（2），壓力下降之后，地層水的甲烷濃度就會隨之降低；而按照式（1），甲烷的吸附量會減小，解吸量就會增加。把式（2）帶入式（1）可以得到

由式（4）可以看出，在被地層水飽和的孔隙中，甲烷的吸附量隨地層壓力的降低而降低。因此，在開采地層水之后，將有一部分吸附氣被解吸下來。解吸的甲烷分子無法溶解在水中（因為水已經飽和），只有進入自由氣，使自由氣體積增大。

3.3 滲流

煤層氣解吸成自由氣之后，就會按照滲流規律從高壓區向井底附近的低壓區流動，流入井筒后被采出地面。通常認為，煤層氣被解吸之后，先從小孔隙擴散至割理，然后再滲流到井底。其實，這種觀點是不正確的。根據Fick定律［11］，擴散是從高濃度區向低濃度區的傳質現象，需要濃度差或濃度梯度的驅動，而自由氣的濃度不論壓力高低皆為100%，是不能產生擴散現象的。因此，自由氣的傳質是流動行為，而不是擴散行為。壓力梯度導致流動，濃度梯度則導致擴散。

目前，煤層氣的開采均采用排水采氣的方法進行，即完井之后先大排量采水，地層壓力下降到一定程度之后，煤層氣便大量產出。擴散的速度太慢，靠擴散開采煤層氣目前尚不具有經濟價值。開采煤層氣的最有效方法就是排水采氣法。

4 結論

（1）煤層氣是以吸附狀態存在于煤巖層中的天然氣，且與地層水平衡共存。

（2）開采地層水導致的地層壓力下降，有利于煤層氣解吸而形成自由氣。

（3）靠擴散作用不能有效開采煤層氣，排水采氣是目前最有效的煤層氣開采方法。

（4）煤層氣的開采過程分為脫氣、解吸和滲流3個階段，而不是解吸、擴散和滲流3個階段。

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Research on the flow mechanism of coalbed methane

LI Chuan-liang1，PENG Chao-yang2
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；2.Coalbed Methane Co.Ltd.， PetroChina， Beijing 100082， China）

Coalbed methane is an unconventional natural gas resource ofself-generatingand self-preserving.In order todevelop the gas properly,it is necessarytostudydeeplythe flowmechanismofcoalbed methane.Coalbed methane is stored in the cheats of coalbed and pores of coal matrix,which is in the form of adsorption and coexists with formation water in coals.Coalbed methane must be desorbed from the pore wall before developed.Production of water from coalbed results in the drop of pressure,which leads to the desorption of coalbed methane to free gas.The coalbed methane desorbed flows towell bottomalongcheats in coals and then is developed toground surface.The development of coalbed methane can be divided into three stages:degassing,desorption and flowing.Diffusion is not a part of flow mechanismofcoalbed methane.

coalbed methane；cheat； matrix； adsorption； desorption；degas； diffusion

P618.11

A

2011-05-31；

2011-06-15

李傳亮，1962年生，男，博士，教授，主要從事油藏工程的教學和科研工作。地址：（610500）四川省成都市西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室。電話：（028）83033291。E-mail：cllipe@qq.com

于惠宇）