應力-地層水作用下煤層氣解吸特征實驗研究

邱小龍

(貴州省地質礦產開發局一一三地質大隊，貴州 553001)

1 引言

影響煤層氣井產量較低的因素有含氣量大小、地層壓力低、解吸困難等，其中解吸困難是其中的關鍵因素，對此，伊向藝、盧淵、張遂安、趙東、李相方、唐巨鵬、李景明等分別進行了煤巖微觀特征、煤巖應力敏感性、煤層氣解吸作用類型、煤巖固-氣-液作用機理、高壓注水的煤巖解吸規律、應力作用下煤層氣解吸規律研究，取得了煤層氣吸附和解吸方面研究的大量成果。而實際上，煤層氣的解吸過程是一個長期的受多場耦合作用的歷史過程，雖然這方面國內外的研究都取得一定的成果，但是，煤層氣解吸控制因素、解吸規律等還不明確，還需要進一步深入的研究。筆者在前人研究的基礎上，考慮了應力和地層水作用下煤層氣解吸的規律，取得了一些認識。

2 實驗裝置

實驗裝置能嚴格控制實驗溫度和實驗壓力，同時實驗數據能實時采集，可以模擬真實地層情況下的煤層氣吸附解吸特征。該實驗裝置主要包括壓力控制系統、溫度控制系統、數據傳輸和采集系統，實驗裝置流程如圖1所示。

3 實驗原理與方法

3.1 實驗原理

目前，許多學者研究煤層氣吸附與解吸特征是利用破碎后的煤粉進行實驗，這種方法破壞了煤巖的原生結構，不能較為真實描述吸附氣體在煤巖中解吸-擴散-滲流規律。另外煤層中一般都含水，且煤層水含有一定的礦化度，因而需考慮地層水對煤層氣解吸的影響。雖然現有的技術手段還很難在實驗室還原煤層氣的存付狀態和運移規律，但本研究旨在探索煤巖在應力-地層水作用下煤層氣的解吸特征，并未考慮其它因素的影響。本實驗的主要過程是對煤巖進行加載-吸附氣體-注入地層水-解吸。

圖1 實驗裝置圖中：1—夾持器；2—解吸容器；3—甲烷放空閥；4—氮氣進氣閥；5—甲烷進氣閥；6—進液閥；7—甲烷解吸閥；8—注水閥；9—計量容器；10—平流泵放空閥；11—回壓閥。

3.2 樣品制備

利用煤礦井下取樣的煤塊加工成一定規格的圓柱狀煤芯。測試圓柱狀煤芯的孔隙度、滲透率及其它物性，選取煤巖物性較好的樣品進行實驗，實驗前將樣品置于恒溫干燥箱30℃烘干12h，使煤巖樣品中的水分蒸發，確保樣品的干燥。

3.3 實驗條件

根據實驗的設計要求，本文煤巖吸附與解吸實驗條件如表1所示。

表1 煤巖吸附與解吸實驗條件

4 實驗結果與分析

4.1 應力、地層水對煤層氣解吸量的影響

解吸恢復率是不同解吸條件對試驗樣品作用后解吸恢復程度的物理量，由下式計算：

(1)

式中：VD1為試樣自然條件下(無圍壓、無地層水)的解吸體積，mL；VD2為試樣在不同解吸條件下的解吸體積，mL；H為解吸恢復率。

表2為試驗樣品在四種條件下煤層氣的解吸量和解吸恢復率，試驗數據表明，在應力和地層水共同作用下，煤層氣的解吸量是最低，解吸恢復率最小為25%。沒有應力、僅考慮地層水對煤層氣的解吸恢復率較高，為82%，因此，根據此表可對四種解吸條件下解吸恢復率進行排序：自然條件下>地層水作用>地應力作用>地應力和地應力共同作用。

表2 煤樣四種解吸條件下解吸量和恢復率對比

4.2 不同解吸條件下煤層氣解吸量與解吸壓力的關系

煤巖儲層存在很強的應力敏感性，在地應力作用下，煤巖儲層的滲透率、孔隙度會發生變化，導致煤巖在解吸-擴散-滲流過程中遇到的阻力會更大。在地層水作用下，由于煤巖具有很強的憎水性，而使煤層氣必須突破這層水膜才能擴散出來。從圖2可以看出，與其它解吸條件相比，自然條件下煤層氣的階段解吸量多，主要是由于煤巖沒有受到地應力和地層水的作用。在地應力和地層水共同作用下，初始階段解吸量很小，隨著壓力的降低，解吸量逐漸增大。這主要是由于隨著應力的釋放，被壓縮的孔隙和裂隙部分恢復，增大了煤巖的滲透率。另外，從數據可以看出，煤層氣的解吸量主要集中的低壓階段(0～0.6MPa)。因此，在煤層氣井生產中，在經濟可行的條件下制定合適的生產制度，提高煤層氣井的產量。

圖2 不同解吸條件下煤層氣解吸量與解吸壓力的關系

4.3 不同解吸條件下煤層氣解吸速率與解吸壓力的關系

解吸速率是影響煤層氣井產量的關鍵因素之一，本文中的解吸速率指單位時間內不同的壓降階段所能解吸出的煤層氣量。圖3為不同實驗條件下煤層氣解吸速率與解吸壓力的關系，從圖中可以看出，解吸速率隨著壓力的降低而增大。但是，在地應力和地層水共同作用下略有不同，隨著壓力的降低解吸速率先降低，后升高，在解吸初期，解吸速率很快。

圖3 不同解吸條件下煤層氣解吸速率與解吸壓力的關系

5 結論與建議

(1)四種解吸條件下煤巖的解吸恢復率排序為：自然條件下>地層水作用>地應力作用>地應力和地層水共同作用；

(2)在地應力和地層水共同作用下解吸量約為自然解吸條件下解吸量的25.3%，自然條件下平均解吸速率為地應力和地層水共同作用下平均解吸速率的3.6倍；

(3)在地應力和地層水共同作用下，隨著解吸壓力的降低解吸量和解吸速率逐漸增大，低壓段(1MPa以下)的解吸量占總解吸量的75%；