煤層氣井產氣機理和排采控壓的研究

靳 鵬

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204)

引 言

煤層氣是一種非常規天然氣，屬于清潔能源，其主要成分是甲烷，主要產生于煤層中。存在形式一般認為有以下三種。一種是吸附在煤層中的煤基粒中，與煤共生；一種是存在與煤層水中，呈水溶態；另一種則是以游離態存在于煤層地質縫隙中。我國煤層氣儲量居世界前列，科學合理地開發利用煤層氣資源，逐步替代常規非清潔能源，對改善我國長期以煤炭開采利用為主的能源結構，緩解國內資源儲備壓力，促進我國逐步向低碳、低污染、節能減排的可持續發展模式轉變具有重大意義。

1 煤層氣產氣機理

1.1 煤層氣的成因

煤層氣的成因主要有兩種，即生物成因和熱成因。生物成因主要是指地質結構中的微生物在復雜的化學條件下，將動植物等有機質通過一系列生物化學作用，轉化為煤層氣。熱成因是指煤層在地熱等誘因的作用下，其煤質本身發生的分解與裂解，從而形成煤層氣。

1.2 煤層氣排采流程

結合我國煤層氣儲存與地質條件的特點，經過多年探索研究，我國建立了一套自己獨立的煤層氣開采流程：排水-降壓-解析-擴散-滲流-采氣，該套流程也叫煤層氣的抽采工藝。煤層氣的排采工藝流程，是其利用的基礎。合理的排采流程一方面可以保證開采效率，節約開采成本；另一方面可以減少開采煤層氣的雜質含量[1]。

煤層氣主要儲存在煤質、煤層水以及煤層地質間隙中，儲層壓力的平衡使得其相對穩定。煤層氣排采時，主要通過排水的方式降低煤層中的壓力，煤層氣在壓力下降到一定臨界值時，其吸附狀態無法維持，逐步開始從吸附介質中解析出來，通過本井產出；還有一部分煤層氣通過擴散和高滲流作用，位移到周邊其他產氣井產出。滲流速度與壓力關系如圖1所示。產出的煤層氣通過集氣加壓等一系列工程手段，完成排采。

圖1 煤樣滲流速度與壓力梯度的關系

2 煤層氣排采制約因素

2.1 儲層傷害

煤層氣開發涉及的層面較廣，包括地質結構、熱力學、流體力學以及機械等方面。在排采過程中，煤層氣井中會出現程度不同的儲層傷害，影響煤層氣的解析。出現儲層傷害后，煤層的滲透率、煤層氣在煤層間的擴散能力以及煤層間的導流滲流能力都會降低，使排水降壓時間增加。而煤層氣的吸附解析過程一般可以看做是可逆過程，即解析的時候，吸附作用同樣在進行，當煤層氣中儲層壓力大于煤層氣解析壓力時，煤層氣處于吸附狀態，為單相流狀態；當煤層氣中儲層壓力小于煤層氣解析壓力時，煤層氣處于解析狀態，為氣水兩相流狀態，其流動狀態取決于相對滲透率，流體狀態示意圖如圖2所示。

圖2 煤層氣產出過程流體狀態示意

儲層傷害的形式多種多樣，誘因大致可分為以下幾種。1) 排采過程中經煤層氣井流入的外來流體與煤層水的物理化學反應對儲層的傷害[2]；2) 相態圈閉造成的水敏或液鎖傷害；3) 排水是一個動態的過程，人為的促使儲層流體的流動，導致其與煤層相互作用，改變了煤層的滲透性，并對煤層產生摩擦粉碎與煤粒遷移破壞；4) 煤層三相變化引起的煤層孔隙表面的吸附能力的變化，從而造成煤層潤濕性變化與流體運移傷害；5) 固相物質的運移對儲層孔隙率的傷害；6) 固相微粒傷害；7) 生物活動對儲層滲透性的傷害等。

2.2 固相微粒

煤層氣的儲存條件與其排采過程，均會導致煤層氣中含有固相微粒，這對開采工程是不利的。在煤層氣排采工程中，所說的固相微粒大部分是煤粉，這些微粒受氣-液-固三相流的耦合效應，在煤層氣儲層中的運移會在很大程度上影響煤儲層開發與煤層氣排采的最佳狀態。固相微粒隨排采在煤層等煤層氣儲層間隙中運移，富集在其中，使儲層的孔隙率降低，導流能力減弱，從而阻塞解析出的煤層氣的轉移通道，降低煤層氣本井和周邊產氣井的產量；而隨著管道，固相微粒亦會進入集氣加壓機械設備，影響設備性能，會出現凡爾漏失、管道堵塞或泵塞等故障，影響排采效率，使經濟效益受損。固相微粒力學生成機理為各工序中，包括鉆井、射孔、壓裂與排采等，機械設備與流體動能對煤層氣儲層造成的機械破壞與壓力變化誘導。化學生成機理為儲層圍巖中與經煤層氣井流入的外來流體的水巖反應[3]。

2.3 排采技術

在排采流程確定后，排采工作中的相關技術參數的選擇，更會直接制約煤層氣井產氣量，這些指標主要包括井口回壓、套壓、動液面、井底流壓等，而這些參數相互影響，存在一定的邏輯關系，并有著內在聯系，耦合關系如圖3所示。

技術參數選擇的合理性，是排采工作的基礎。一般來講，參數的選擇方向與煤層氣產氣量有如下關系：產氣量隨套壓的減小而增加，隨排采液面的變深而增加，隨排水量的降低而減小。

圖3 煤層氣井筒各參數間耦合關系

3 排采控壓

基于以上煤層氣排采制約因素的分析，需要尋找合適的解決措施以消除或降低其影響。針對儲層傷害問題，在排水降壓階段，首先需要控制排水速度，來降低抽排煤層水時的機械能，減少儲層的傷害強度；裂壓作業時，裂壓壓力的合理性也是降低儲層傷害的有效措施。解決固相微粒危害的措施可以從減少其形成數量入手。1) 合理調控排采強度，減少儲層所受到的外界壓力；2) 保證煤層氣排采連續穩定，使儲層壓力降連續穩定；3) 適度調控油套環空內氣體壓力與井底壓力，使儲層內壓降漏斗平穩、持續與充分擴展；4) 改善排采工藝中進入儲層中外來液體的數量與種類。排采技術中，各參數的確定并不是一個獨立的問題，需要根據儲層地質條件、排采工藝、煤層氣含量以及排采設備效能共同決定，值得注意的是，各參數間相互影響，相互制約，是一個統一的整體。

3.1 壓差控制

排采中固相微粒的產生大部分是由于壓力對儲層的作用，因此合理的控制排采時的壓差，可以有效控制固相微粒的生成。如圖3所示，排采工藝中，壓差的直接調控方式是控制井底流壓，控制的具體參數為控制產水量以調控動液面高度；調整油嘴大小以調整套壓[4]。

3.2 固相微粒產出速度的控制

排采工藝從本質上來講，就是通過壓力的調控，使煤層氣釋放出來。而壓差的存在或多或少都會都儲層產生傷害，使固相微粒富集在管道或機械設備中，其危害上面以做敘述。但若不使固相微粒排出，同樣也會對水平井段、人工裂縫、儲層造成傷害。因此要想減輕危害，需要對固相微粒進行合理的抽排。目前的工藝中，固相微粒的主要抽排方式是通過采排工藝中的排水工序。控制排水的速度也即控制了固相微粒的抽排速度，其排水速度需針對煤層氣儲層的不同理化性質而有所不同。

3.3 排采技術要求及排采工作制度

壓差的控制以及排水速度的控制，都需要工藝的連續性為保障。工藝的連續性同時取決于設備的性能以及排采的工作制度。排采設備必須具有可靠的性能，可以在復雜的工況下運行，且平時的維護保養簡單易操作。同時，排液設備的額定功率區間范圍要大，且排液能力要強。設備控壓精度需要高，且壓力檢測反饋需要靈敏。根據排采原理和排采經驗，煤層氣井排采可采用的工作制度只有定壓排采，無法實現定產排采。因為煤層氣井排采應在有效控制煤粉產出速率和合理的工作壓差的條件下，按照擬定的井底流壓進行生產。

4 結語

作為儲量大國，煤層氣的開采利用有著重要的意義。作為高熱值的新能源，其燃燒后的生成物與煤相比，對環境的污染非常小。降低煤炭的使用量，加大煤層氣的開發量，可以有效改善我國的能源結構，并有助于降低天然氣對外的依賴性。