排水降壓開采后地下氣化煤層氣藏的機(jī)理淺析＊

康園園 楊鵬舉 呂建國(guó) 李馨語

（1.陜西省延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，陜西延安 716000；2.陜西省川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司第二工程項(xiàng)目部，陜西西安 710000；3.陜西省延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安 716000）

我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量居于世界第三，這昭示著我國(guó)在煤層氣開發(fā)方面具有非常好的前景。目前國(guó)內(nèi)外提高煤層氣采收率的方法主要有水力壓裂、高能氣體壓裂等儲(chǔ)層激勵(lì)技術(shù)以及多分支水平井、采煤采氣一體化等改善開發(fā)技術(shù)條件的技術(shù)。但依然普遍出現(xiàn)開采投資高、部分井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)期非常短，經(jīng)濟(jì)效益低等問題[1-2]。因此提高煤層氣井的產(chǎn)能和采收率的新技術(shù)亟待創(chuàng)新和研究。筆者基于前人的火燒煤層開采煤層氣及煤炭地下氣化理念提出對(duì)煤層氣藏進(jìn)行地下氣化，既可提高甲烷的解吸速度提高煤層氣采收率，又可實(shí)現(xiàn)煙煤燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹猓踩⒏咝А⑼顿Y少，一舉兩得。

該技術(shù)就是把氣體自注氣井中注入煤層，并通過地面系統(tǒng)控制煤層的燃燒以加快煤層氣的解吸提高煤層氣的采收率，并使得煙煤燃燒轉(zhuǎn)化為煤氣。研究該技術(shù)的機(jī)理之前，需先了排水降壓開采下解煤層氣的解吸運(yùn)移規(guī)律、煤炭的燃燒過程以及地下氣化后煤層氣的解吸運(yùn)移規(guī)律。

1.常規(guī)開采下煤層氣的解吸運(yùn)移規(guī)律

煤層氣吸附是通過分子間的引力實(shí)現(xiàn)的，是可逆的、屬于物理吸附。地層壓力降低至臨界解吸壓力后，吸附氣解吸。由于溶解氣符合亨利定律，因此壓力降低部分溶解氣從水中分離出來。此時(shí)在基質(zhì)大孔隙中存在氣水兩相，其起初氣泡是很小且不連續(xù)的，隨著氣量的增多，分散的氣泡聚集成氣相，由此可見解吸氣和溶解氣變?yōu)樽杂蓺夂笫菈毫Σ畹淖饔孟聺B流至裂隙。但在基質(zhì)微孔隙中由于孔隙直徑的限制，無法形成大氣泡，因此這部分煤層氣需要足夠大的生產(chǎn)壓差才能開采出來[3-4]。未分離出的溶解氣則是濃度差的作用下擴(kuò)散至裂隙中，可用Fick定律來表征。

2.煤的燃燒過程

當(dāng)把空氣或氧氣注入煤層并點(diǎn)燃，溫度繼續(xù)升高，煤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱分解，形成揮發(fā)物和熱解剩余產(chǎn)物焦炭。當(dāng)溫度達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)揮發(fā)物開始燃燒，接著焦炭開始燃燒，放出大量的熱，燃燒生成物向前移動(dòng)。如果在整個(gè)過程中，氧氣不間斷的注入，則燃燒前緣不斷向前推進(jìn)，當(dāng)熱量突破采出井后燃燒生成物被采出[5-6]。

結(jié)合上述煤的燃燒過程、煤層氣的解吸以及化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)弱可將注氣井與生產(chǎn)井之間劃分為氧化帶、還原帶、干餾干燥帶。

（1）氧化帶。這個(gè)區(qū)域氧氣含量最高，煤層溫度最高，煤層氣解吸量最大，隨著燃燒生成物和空氣所形成的混合物向前推進(jìn)，釋放出的熱量也向前推進(jìn)。當(dāng)氧化區(qū)的O2濃度為0時(shí)，氧化反應(yīng)結(jié)束，氧化帶消失。

（2）還原帶。這個(gè)區(qū)域的氧氣含量次于氧化帶，氧化帶的燃燒生成物與表面升溫的煤發(fā)生還原反應(yīng)，吸收大量的熱，煤層溫度低于氧化帶，因此煤層氣的解吸量也不如氧化帶多，但是燃燒生成物繼續(xù)向前推進(jìn)。

（3）干餾干燥帶。這個(gè)區(qū)域沒有發(fā)生燃燒，但是前面的燃燒生成物攜帶的熱量使得煤層溫度增加，部分煤層氣解吸出來。

從化學(xué)反應(yīng)角度而言，氧化帶、還原帶及干餾干燥帶并無明顯界限，只是反應(yīng)程度的強(qiáng)弱差別。

3.地下氣化煤層氣藏的機(jī)理

通過上述煤的燃燒過程可知地下氣化煤層氣藏開采煤層氣的機(jī)理如下：

第一，煤層溫度升高，甲烷的吸附能力的降低。隨著煤層的燃燒溫度增高，甲烷的吸附量降低，解吸速度加快。因此，在氧化帶、還原帶及干燥干餾帶均有甲烷氣的快速解吸，只是解吸速度不同，氧化帶解吸速度最快，還原帶次之，干燥干餾帶最慢。

第二，煤對(duì)CO2的吸附能力比CH4強(qiáng)。Harpalani和Pariti（1993）進(jìn)行了CO2和CH4的吸附實(shí)驗(yàn)，在44.4℃下，對(duì)純CH4，PL=299Pa，VL=11.6cm3/g；對(duì)純CO2，PL=116Pa，VL=17.1cm3/g；可見CO2不僅附著煤的能力強(qiáng)于CH4，而且吸附得更快。除了CO2的沸點(diǎn)高于CH4，更容易被吸附外，氣體分子的極性也起作用，極性分子比非極性分子有較強(qiáng)的吸附能力。因此隨著煤層中CO2濃度的增加，CO2“排擠”甲烷并“占據(jù)”其原來位置，這樣甲烷被置換解吸出來[7-8]。

第三，煤層經(jīng)過高溫燃燒會(huì)干裂形成通道，增加了煤層滲透率，煤層氣滲流量發(fā)生明顯增加，有利于提高煤層氣的采收率[9-10]。這個(gè)機(jī)理非常關(guān)鍵。因?yàn)闇囟壬撸皆诿夯|(zhì)表面的甲烷分子發(fā)生脫附變?yōu)橛坞x態(tài)，這是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)平衡過程，游離態(tài)的甲烷分子在煤基質(zhì)表面不停震蕩，如果孔隙內(nèi)的甲烷不能有效的排出，則有可能再次發(fā)生吸附。

4.地下氣化后煤層氣的解吸運(yùn)移規(guī)律

前期采用排水降壓開采煤層氣藏，部分地層水滯留煤層，后實(shí)施地下氣化，地層水氣化，基質(zhì)、割理中沒有液態(tài)水的存在，只有固體和氣態(tài)混合物，解吸后的甲烷在基質(zhì)中的濃度大于割理中的濃度，根據(jù)相律，同相之間發(fā)生擴(kuò)散，甲烷在濃度差的作用下擴(kuò)散運(yùn)移至割理中，符合Fick定律。割理中的混合氣在壓差的作用下滲流至采出井。

5.未來的方向

地下氣化煤層氣藏不僅是為了獲得甲烷，更是為了使得煙煤氣化成煤氣，因此煤氣的熱值與成分就非常重要。溫度場(chǎng)對(duì)煤氣熱值有顯著的影響，同時(shí)注入空氣的氧體積分?jǐn)?shù)和流量也決定著出口煤氣的有效組分和熱值， 因此未來的方向會(huì)著重針對(duì)地下氣化煤層氣藏進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)不同注入流量和組分（氧濃度），監(jiān)測(cè)對(duì)溫度場(chǎng)變化和煤氣組分及含量的影響等問題，在此基礎(chǔ)上觀察煤體結(jié)構(gòu)在溫度升高過程中的變化等，進(jìn)一步完善該技術(shù)的機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)問題。

6.結(jié)語

地下氣化常規(guī)開采后的煤層氣藏的機(jī)理主要是溫度升高，甲烷解吸速度加快，而且煤的燃燒物二氧化碳替換甲烷也促進(jìn)甲烷的解吸等，因此既可以提高煤層氣井的產(chǎn)量，也可以使得煙煤氣化成煤氣，實(shí)現(xiàn)環(huán)保、安全的采煤方式。