煤層氣滲流機理及產(chǎn)能影響因素分析

高潮 孫建博 李強 曹成 祁攀文（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院 西安 710075）

煤層氣是賦存于煤層及其圍巖中的一種自生自儲的非常規(guī)天然氣，是一種新型的清潔能源和優(yōu)質(zhì)化工原料。 但要成功開發(fā)煤層甲烷資源，還存在著許多問題需要研究和解決，其中煤層滲流機理是主要的問題之一。

一、煤層氣產(chǎn)出地質(zhì)模型

煤層氣產(chǎn)出地質(zhì)模型， 是為了適應數(shù)學模型的要求而對復雜實際系統(tǒng)的一種近似處理，其核心是煤儲層的基本特征、邊界條件和煤層氣的流態(tài)。

二、 煤層氣產(chǎn)出數(shù)學模型

煤層氣和水在煤層中的滲流機理包括兩種， 一種是煤層中的吸附氣體通過解吸與擴散進入到煤層中的裂隙， 可通過Langmuir 等溫吸附定理來描述； 另一種是煤層裂隙中的氣水二相滲流，可用流體的連續(xù)性公式和達西定律來描述。

1、解吸與擴散

甲烷的解吸可用Langmuir 等溫吸附定理來描述：

式中VL—Langmuir 體積；PL—Langmuir 壓力；

Pg—氣體的壓力；

C(P)—平衡吸附氣體濃度。g

公式(1)在煤基質(zhì)和割理之間提供了一個邊界條件，通過擴散進入裂隙的甲烷量可用Fick 定理來描述：

式中r—解吸時間；

Vm—煤基質(zhì)體積；

C(t)—t時刻基質(zhì)中甲烷平均濃度；

qm—由基質(zhì)進入裂隙的甲烷量；

將公式(2)寫成導數(shù)形式∶

2、水—氣二相裂隙流

煤層甲烷氣、 水在煤層裂隙中的二相滲流可用流體的連續(xù)性公式和達西定律來描述。

流體連續(xù)性公式

以上4 式中：φ—煤孔隙度;

K—煤層絕對滲透率;

h—標高;

ρ—流體密度;

S—流體飽和度;

Kr—相對滲透率;

μ—粘滯系數(shù);

g—重力加速度;

q—源匯項;

w,g—分別表示水和氣。

將公式(8)、(9)分別代入公式(6)、(7)中,可得∶

上述二公式中,Pw、Pg、Sw、Sg 分別滿足下面兩個附加公式：

式中：Pc—毛細管壓力。

將公式(1)、(2)、(4)和(9)、(10)、(11)、(12)耦合起來，這樣上述公式中就只含有4 個未知數(shù)Pw、Pg、Sw、Sg， 未知數(shù)個數(shù)和公式個數(shù)相同。 結(jié)合初始及邊界條件即構(gòu)成整個煤層甲烷氣藏的數(shù)學模型。

三、煤儲層產(chǎn)能影響因素

1、煤層滲透率

滲透率好的煤層， 井筒排水降壓才能有效地傳到更大的范圍，控制大面積煤層，使更多的煤層氣解吸，獲得更高產(chǎn)量。

2、含氣飽和度

煤層含氣飽和度的高低，決定其臨界解吸壓力的大小。 臨界解吸壓力越高，意味著煤層氣井需要排水降壓的幅度越小，開始產(chǎn)氣的時間越早，煤層解吸的甲烷氣量越大。

3、Langmuir體積

煤層的Langmuir 體積越大，煤層氣的吸附能力越強，氣體越不容易解吸。 當煤層的含氣量一定時，Langmuir 體積越小，煤層氣井氣產(chǎn)率越高，產(chǎn)氣高峰到來越早，累積氣產(chǎn)量越大。

4、煤層孔隙度

煤層為雙孔隙系統(tǒng)，即微孔隙和宏觀孔隙。 煤層孔隙度主要是割理孔隙度，在初始狀態(tài)，割理由100%的水充填，孔隙度增大時，煤層單位體積內(nèi)的水含量增高，氣含量相應地減小，當進行煤層氣開采時，儲層壓力下降的速度變小，直接影響煤層氣的解吸速度。 解吸氣體在裂隙網(wǎng)絡中的相對飽和度降低，氣相有效滲透率也降低，氣產(chǎn)率降低。

5、井網(wǎng)密度

井距選擇很大程度地受煤層滲透率的控制， 這是因為滲透率對煤層氣井的泄壓半徑有很大的影響。 因此，對低滲透率的煤層通常采用較小的布井井距，提高煤層泄壓效果，增加煤層氣產(chǎn)量。

四、 結(jié)語

煤層氣和水在煤層中的滲流可用Langmuir 等溫吸附定理和二相滲流來描述。 產(chǎn)能影響因素包括：①割理絕對滲透率；②割理孔隙率；③決定產(chǎn)氣率變化特征及最終采收率的吸附等溫線；④用以確定排采過程中某一時間原位含氣量和采收情況的初始含氣量。

[1]. 張培河.影響我國煤層氣可采性的主要儲層參數(shù)特征[J].天然氣地球科學,2007,18(6)∶880‐884.

[2]. 張培河. 基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)能控制地質(zhì)因素研[J].天然氣地球科學,2011,22(5)∶909‐914.