煤儲(chǔ)層中煤層氣采出機(jī)理及其影響因素的理論研究

孟 蒙

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

引 言

與常規(guī)的天然氣相比，煤儲(chǔ)層中煤層氣的解吸、擴(kuò)散以及運(yùn)移機(jī)理均不同。在不受外界干擾條件下，在煤基質(zhì)中賦存的煤層氣處于吸附和解吸的平衡態(tài)，迄今為止諸多專家學(xué)者[1]對(duì)煤層氣的解吸擴(kuò)散機(jī)理做了大量研究，部分人認(rèn)為吸附遵循氣相吸附規(guī)律，還有部分人認(rèn)為吸附遵循液相吸附規(guī)律，由此可見水對(duì)煤層氣的解吸和擴(kuò)散均有較大的影響。故本次在分析儲(chǔ)層中氣水分布形態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤層氣的解吸、擴(kuò)散以及滲流規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而系統(tǒng)得到煤層氣的采出機(jī)理，同時(shí)對(duì)影響其采出的因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，為煤層氣采出的工業(yè)應(yīng)用提供一定理論前提。

1 氣水分布特征研究

煤體中的水主要來源于成煤階段，而該階段可分別腐泥化作用過程以及煤化作用過程。在腐泥化過程中低等植物和高等植物在微生物的作用下逐步分別轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗪湍嗵浚撨^程發(fā)生的區(qū)域主要位于富水區(qū)域；在煤化過程中，在地層高溫高壓作用下腐泥和泥炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了大量水分。

當(dāng)煤體的變質(zhì)程度不同，則內(nèi)部結(jié)合水和自由水的比例就不同，現(xiàn)有的“雙孔雙滲”模型[2]只考慮了自由水對(duì)煤層氣采出的影響，并未考慮結(jié)合水對(duì)其的影響，由此提出了“雙孔單滲”模型，該模型將煤基質(zhì)內(nèi)部孔隙視為煤儲(chǔ)層內(nèi)部賦存甲烷的最小單元，基于孔隙結(jié)構(gòu)中賦存水的飽和度情況可將孔隙結(jié)構(gòu)分為以下三類。

1.1 飽和水孔隙

該類別的孔隙中甲烷處于固液相的環(huán)境，煤體含水率為100%，符合液相吸附規(guī)律；當(dāng)煤體生氣量較小時(shí)，則孔隙對(duì)甲烷的吸附量要低于其飽和吸附量，吸附甲烷只處于煤體內(nèi)部孔隙的部分表面，該狀態(tài)下煤體內(nèi)部不存在游離態(tài)的甲烷；當(dāng)煤體生氣量超過飽和吸附量時(shí)，剩余氣體會(huì)溶解于水中，當(dāng)溶解于水的甲烷超過水的溶解度時(shí)，另外的甲烷在煤體內(nèi)部孔隙以及割理結(jié)構(gòu)中以游離態(tài)的形式存在，如圖1所示。

圖1 飽和水孔隙下氣水分布特征示意圖

1.2 無水孔隙

該類別孔隙中含水率為0，甲烷吸附符合氣相吸附規(guī)律，水對(duì)煤層氣的解吸和擴(kuò)散等均不會(huì)造成影響。當(dāng)煤體生氣量較小時(shí)，同樣吸附甲烷只處于煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的表面，沒有存在于孔隙結(jié)構(gòu)空間的甲烷；而煤體生氣量較大時(shí)，超過飽和吸附量的甲烷會(huì)游離于孔隙和割理結(jié)構(gòu)中，如圖2所示。

圖2 無水孔隙下氣水分布特征示意圖

1.3 非飽和水孔隙

通常情況下煤體內(nèi)部含水率介于0和100%之間，該類別孔隙為非飽和水孔隙，也就是說煤基質(zhì)孔隙中含有部分水。對(duì)于該類別的孔隙，認(rèn)為含水孔隙中甲烷吸附符合液相吸附規(guī)律，而不含水孔隙中甲烷吸附符合氣相吸附規(guī)律；另一方面，液相和氣相間可以相互轉(zhuǎn)變，即(氣相)液相解吸后可以原地進(jìn)行(液相)氣相吸附過程，如圖3所示。

圖3 非飽和水孔隙下氣水分布特征示意圖

2 煤層氣解吸機(jī)理及其影響因素研究

2.1 煤層氣的解吸機(jī)理

通過排水降壓的方法進(jìn)行煤層氣的采出，氣水分布特征隨著含水飽和度的改變而改變，故不同飽和度下煤層氣的解吸機(jī)理不同。

飽和水孔隙：當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力處于臨界解吸壓力之下時(shí)，則煤層氣發(fā)生解吸。對(duì)于解吸后的甲烷氣體，當(dāng)孔隙水對(duì)甲烷的溶解度未達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，則甲烷氣體會(huì)繼續(xù)溶解；當(dāng)孔隙水對(duì)甲烷的溶解度已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，則解吸氣體以游離態(tài)的氣泡方式排出。

無水孔隙：解吸氣體在煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散，最終以滲流形式排出。

非飽和孔隙：解吸氣體主要包括固液相解吸氣體、固氣相解吸氣體以及不同相態(tài)間相互轉(zhuǎn)化的部分解吸氣體三部分。固液相解吸氣體排出與飽和水孔隙氣體排出機(jī)理相同，固氣相解吸氣體排出與無水孔隙氣體排出機(jī)理相同；隨著排水降壓開采煤層氣的不斷進(jìn)行，相態(tài)轉(zhuǎn)化過程會(huì)不斷減弱，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨虤庀嘟馕鼮橹鞯呐艢庖?guī)律。

2.2 影響因素

影響煤層氣解吸的因素主要包括煤質(zhì)、溫度以及壓力等。

煤質(zhì)：煤體的變質(zhì)程度、組成礦物以及顯微組分不同，則煤質(zhì)就不同，煤質(zhì)主要通過影響煤體的生氣能力來影響其解吸過程。通常煤體對(duì)甲烷的吸附性隨著礦物含量的提高而減弱。

溫度：溫度升高會(huì)加劇甲烷分子的熱運(yùn)動(dòng)過程，使得吸附臺(tái)的瓦斯容易發(fā)生解吸，進(jìn)而增大氣體解吸量，同時(shí)作用于甲烷排出的壓差隨著溫度的升高而增大，進(jìn)而會(huì)提高甲烷的擴(kuò)散能力，影響氣體排出。

壓力：當(dāng)排水量超過煤儲(chǔ)層的供水量時(shí)，會(huì)形成顯著的壓力降，進(jìn)而降低煤儲(chǔ)層的壓力，當(dāng)該值處于臨界解吸壓力之下時(shí)，甲烷氣體發(fā)生解吸。

3 煤層氣擴(kuò)散機(jī)理及其影響因素研究

3.1 煤層氣的擴(kuò)散機(jī)理

在存在濃度差的情況下甲烷氣體會(huì)從濃度高的區(qū)域流向濃度低的區(qū)域，諸多專家學(xué)者認(rèn)為煤儲(chǔ)層內(nèi)部孔隙直徑要高于10倍的分子運(yùn)動(dòng)自由程均值，故甲烷的擴(kuò)散遵循Fick第一定律[3]，如公式(1)所示：

(1)

式中：v為流體擴(kuò)散速率；A為流體擴(kuò)散經(jīng)過的面積；D為流體的擴(kuò)散系數(shù)；dc/dx為濃度梯度。

3.2 影響因素

從公式1中可以看出，煤層氣的擴(kuò)散主要受到擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度的影響。

擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散系數(shù)D可通過公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：L為煤儲(chǔ)層內(nèi)部孔裂隙間距；τ為吸附時(shí)間。

濃度梯度：該參數(shù)反應(yīng)了處于煤體內(nèi)部孔裂隙內(nèi)部煤層氣的濃度分布特征，流體的擴(kuò)散速率與濃度梯度呈正相關(guān)關(guān)系，擴(kuò)散速率愈大，則煤層氣的擴(kuò)散量就愈大。在排水降壓開采煤層氣的過程中，隨著開采的不斷進(jìn)行，濃度梯度會(huì)發(fā)生改變。

4 煤層氣滲流機(jī)理及其影響因素研究

4.1 煤層氣滲流機(jī)理

通過雷諾數(shù)這一指標(biāo)反應(yīng)煤層氣的滲流流態(tài)，通過公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：μ為流體黏度；ρ為流體密度；VD為達(dá)西流；dg為儲(chǔ)層內(nèi)部孔裂隙直徑均值。

從公式(3)中可以看出，雷諾數(shù)大小對(duì)流體流態(tài)的影響較為顯著，而雷諾數(shù)與孔裂隙直徑呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)孔裂隙直徑較小時(shí)，煤層氣流態(tài)為擴(kuò)散方式；當(dāng)孔裂隙直徑較大時(shí)，煤層氣流態(tài)為紊流方式。但煤儲(chǔ)層通常為非均質(zhì)的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部孔裂隙的分布形態(tài)和直徑不同，故煤層氣在滲流流態(tài)方式多樣。

在排水降壓采出煤層氣的過程中，煤層氣的滲流流態(tài)如圖4所示。在圖中，從井筒周圍開始煤儲(chǔ)層的壓力開始減小，此時(shí)存在壓力傳導(dǎo)，但沒有氣流流動(dòng)，屬于飽和單相水流(階段Ⅰ)；當(dāng)煤儲(chǔ)層內(nèi)部壓力處于解吸壓力的臨界值之下時(shí)，煤層氣吸附的平衡狀態(tài)遭到破壞，部分煤層氣形成解吸同時(shí)以氣泡方式出現(xiàn)，屬于非飽和水單相流(階段Ⅱ)；隨著排水降壓開采煤層氣的繼續(xù)進(jìn)行，解吸量逐步增加，氣泡數(shù)量也逐步變多，此時(shí)屬于氣水兩相流(階段Ⅲ)；在煤儲(chǔ)層內(nèi)部壓力進(jìn)一步減小過程中，解吸量進(jìn)一步增加，溶于水的甲烷達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)水相的相對(duì)滲透率要低于氣相的相對(duì)滲透率，該時(shí)期為煤層氣采出的最優(yōu)階段，為氣水兩相流(階段Ⅳ)。

圖4 煤層氣的滲流流態(tài)示意圖

4.2 影響因素

煤層氣滲流的影響因素可從煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征以及開采過程兩方面考慮。結(jié)構(gòu)特征包括孔裂隙結(jié)構(gòu)以及含水率，開采過程包括有效應(yīng)力等。

孔裂隙結(jié)構(gòu)：公式(3)中對(duì)孔裂隙直徑與滲流流態(tài)間的關(guān)系進(jìn)行了定量表征，小直徑的孔隙比表面積較大，對(duì)煤層氣的吸附作用顯著，但其連通性較差，對(duì)于煤儲(chǔ)層的逾滲幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響，但直徑較大的孔隙對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的貢獻(xiàn)顯著，如圖5a)所示。對(duì)煤體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測分析可得除了直徑較大的孔隙外，裂隙密度對(duì)滲透率的影響也較大，如圖5b)所示，究其原因，裂隙密度較大，則意味著裂隙間距小，煤層氣滲流的通道較多，其開采過程越容易。

煤體含水率：與甲烷分子相比，水分子的極性更強(qiáng)，在煤體內(nèi)部孔裂隙表明啊多層的水分子容易吸附，從而弱化了煤體的表面能，減弱了其可壓縮特性，進(jìn)而對(duì)煤儲(chǔ)層的滲透率造成影響。對(duì)含水率不同的煤體進(jìn)行滲流試驗(yàn)，結(jié)果顯示，流體滲流速率與煤體含水率呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖6所示。

圖5 孔裂隙結(jié)構(gòu)與滲透率關(guān)系示意圖

圖6 流體滲流速率與煤體含水率關(guān)系示意圖

有效應(yīng)力：煤體內(nèi)部孔裂隙空間在有效應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生改變，有效應(yīng)力越大，其直徑越小，滲流通道越窄，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，隨著有效應(yīng)力的增大，煤層氣滲流速率在不斷減小，但最終趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文基于“雙孔單滲”模型對(duì)儲(chǔ)層中飽和水孔隙、無水孔隙以及非飽和孔隙中的氣水分布形態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，進(jìn)而對(duì)煤層氣的解吸、擴(kuò)散以及滲流規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了煤層氣的采出機(jī)理，本文所得結(jié)論為煤層氣采出的工業(yè)應(yīng)用提供一定理論前提。