煤层甲烷解吸_扩散_渗流过程的影响因素分析

文章编号:100121986(2003)0420026203
煤层甲烷解吸—扩散—渗流过程的影响因素分析
李前贵,康毅力,罗平亚
(西南石油学院油井完井技术中心,四川南充　637001)
摘要:从煤层甲烷产出机理入手,分析了影响煤层甲烷解吸、扩散和渗流过程的因素。

结果表明:影
响解吸的因素主要是压力、含气量、煤的水分含量、基块尺寸、温度等;影响甲烷扩散的因素主要是甲烷浓度、扩散距离、平均自由程和煤岩孔隙分布;而影响渗流的因素有渗透率、裂隙发育状况、压差、储层损害等。

进而指出,解吸、扩散和渗流3个环节紧密相连,相互影响,相互制约,三者的最佳匹配将是煤层气经济开发的必要条件。

关　键　词:煤层甲烷;解吸;扩散;渗流;影响因素中图分类号:P618111 文献标识码:A
1　引言煤层甲烷是一种新型洁净能源,其开发利用不仅可弥补常规能源的不足,对改善煤矿生产安全和
保护大气环境也有重要意义[1]。

煤层甲烷主要以吸附状态赋存于煤基块的微孔隙中,在一定压力下处于动平衡状态,其产出机理遵循“解吸—扩散—渗流”的过程,即:从煤基块孔隙表面解吸,通过基块和微孔隙扩散到裂隙中,以达西流方式经裂隙流向井
筒3个过程[2,3]。

Zuber ,M.D 等[4],Reid ,G.W.等[5],罗山强等[6]
采用数值模拟方法分析了影响煤层气井产能的因素,主要包括储层压力、渗透率、解吸等温线、扩散作用、流体性质以及合理井距等。

他们均是从产出的宏观和整体角度出发,但对于具体的产出过程受哪些因素影响、如何作用没有给出详细的阐述。

本文试图从煤层甲烷的产出机理入手,分析控制甲烷产出3个过程的因素,以便采用合理措施,提高煤层气单井产量和经济效益。

2　解吸过程的影响因素
煤层甲烷在煤层中的解吸是吸附的完全可逆过程,可用等温吸附曲线描述。

当储层压力降低时,被吸附的甲烷分子就从煤的内表面脱离,解吸出来进入游离相。

解吸是煤层气开发的先决条件,弄清解吸过程中所受的影响因素意义重大。

影响解吸过程的因素很多,主要包括压力、含气量、煤的水分含量、基块尺寸、温度等因素。

211　压力
压力降低是煤层甲烷解吸的基础。

煤层气井开采时,只有储层压力降低到临界解吸压力以下后,煤层甲烷才能大量解吸,所以煤层气开发时,要求最大程度地降低储层压力,以增大解吸气量。

甲烷解吸量取决于呈高度非线性的吸附等温线,如地层压力下降50%,解吸的吸附甲烷量通常不到20%,一般情况下,只有将煤层压力降到接近大气压时,煤层中的吸附甲烷才能全部解吸、扩散出来。

收稿日期:2002212211
作者简介:李前贵(1979—
),男,土家族,湖南桑植人,西南石油学院在读博士研究生,研究方向为油气层损害与保护技术1Discussion on technical problems for injection /fall 2off w ell test in the
coalbed methane w ell
CHE N Zhi 2sheng 1
,LI AN Y ou 2xuan 2
　(1.X i ′an Branch ,CCRI ,X i ′an 710054,China ;
2.Environment Engineering Department ,Zhengzhou Economic Management Institute ,Zhengzhou 450053,China )
Abstract :Based on the actual application of injection/fall 2off well test for the coalbed methane exploration and development in China ,combined with practical experience for many years ,from the view point of application ,s ome technical problems for well 2test design ,process of construction and data analysis are studied and discussed in this paper ,it is presented that s ome suggestions and measures of im provement ,and provided im por 2tant basis for construction of well test in future.
K ey w ords :coalbed methane well ;injection/fall 2off well test ;technical problem ;discussion
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62・煤田地质与勘探C OA L GE O LOGY &EXP LORATI ON
V ol.31N o.4
Aug.2003
表1　煤中解吸90%甲烷所需的理论时间
基块尺寸90%的甲烷解吸时间
1μm4165s
10μm10m in
100μm13h
1mm1m onth
1cm15a
1m150000a
212　煤的水分含量
煤中的束缚水含量是影响甲烷解吸因素之一。

由于甲烷赋存于微孔隙中,毛细管压力高,具有很强的自吸能力,在钻采作业过程中,由于水的侵入,会造成水相圈闭损害,使压力难于降低,抑制甲烷的解吸。

开发过程中,必须防止液相的侵入,同时尽可能排干煤层水。

213　含气量
含气量有理论含气量和实际含气量之分。

理论含气量指等温吸附线上储层压力对应的吸附量;而实际含气量指通过取心直接测定的含气量。

在等温吸附线上,实际含气量对应压力称为临界解吸压力。

此值越高,越接近储层压力,甲烷越容易解吸,也就是说含气量越高,越有利于甲烷的解吸。

214　基块尺寸
研究表明,解吸时间的长短对基块尺寸极为敏感,尺寸越小,解吸时间越短(表1)[7]。

通常,解吸时间短,初始产气速度高;解吸时间长,初始产气速度则低。

所以基块大小对总解吸速率有着很大的影响,它直接影响着气体的扩散、运移距离和产出速度。

215　温度
室内实验表明,随温度的升高,煤对甲烷的吸附能力减弱,解吸速率加快;反之,解吸速率降低。

甲烷在煤中的解吸属于吸热反应,随着甲烷的解吸,煤层中的温度会局部下降,从而降低解吸速率。

增加煤层温度可以提高甲烷的解吸速率。

3　扩散过程的影响因素
解吸的煤层甲烷需要经孔隙或微裂隙扩散到裂缝中,才能形成达西流,流向井筒。

煤层甲烷的扩散是甲烷分子从高浓度区向低浓度区的运动过程,本质是气体分子不规则热运动的结果。

定义K nudsen 数为:
Kn=
d
λ　,
(1)
式中　d———孔隙平均直径,μm;
　λ———气体分子的平均自由程,μm。

根据K nudsen数,将甲烷在煤中的扩散模式分
表2　
甲烷在煤层中的扩散模式
为Fick扩散、K nudsen扩散、过渡型扩散[8](表2)。

可见,随着Kn值的减小,甲烷气体在煤孔隙中的扩散阻力越大,就越不易扩散。

提高煤层中较大裂隙和孔隙的数量或减小甲烷气体的分子平均自由程可以增加甲烷气体的扩散能力。

影响甲烷扩散的因素主要是甲烷浓度、扩散距离、平均自由程和煤岩孔隙分布等。

311　甲烷浓度
煤层甲烷的扩散是甲烷分子从高浓度区向低浓度区的运动过程。

甲烷在煤层中的扩散符合Fick 定律:
Ψ=-D9c
9x　,(2)式中　Ψ———扩散通量,kgΠ(m2・s);
　D———扩散系数,m2Πs;
　C———浓度,kgΠm3;
　x———扩散距离,m。

可见,浓度梯度越大,扩散运动越强烈。

这就要求煤层中含气量高,气源充足,解吸气量大;同时要求裂缝畅通,及时排出从孔隙中扩散出来的甲烷气体,从而保持较高的甲烷浓度梯度。

312　扩散距离
扩散距离取决于煤基块尺寸大小。

煤基块尺寸越大,裂隙间距越大,扩散距离也越大,解吸时间越长,扩散速度越慢。

313　平均自由程对扩散的影响
平均自由程对扩散的影响是通过压力、温度体现出来的。

常温下,甲烷分子平均自由程随压力的变化曲线参见图1[8]。

从整体看,平均自由程λ随压力增大而减小,在011～1MPa之间,随压力的增大迅速地减小;大于1MPa后,趋于稳定。

对于相同的煤样来说,煤层中孔隙压力越大,其分子平均自由
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第4期 李前贵,康毅力等:煤层甲烷解吸—扩散—渗流过程的影响因素分析
图1　常温下甲烷分子平均自由程与压力的关系
程越小,扩散能力越强;但在大于1MPa后,增大趋势不太明显。

常压下,甲烷分子平均自由程随温度的变化曲线参见图2[8]。

可以看出,平均自由程λ随温度的增加呈线性增加,但仅仅是缓慢增加,影响并不大。

然而,随着温度升高,甲烷的吸附量减少,游离甲烷量增大而使压力增大;另外,根据理想气体状态方程,温度升高,在体积不变时压力也升高,所以这两者共同作用使λ的减小比仅有温度引起的增加量更甚,使得甲烷的扩散能力加强。

314　煤岩孔隙分布对扩散的影响
煤层中的孔隙类型主要有微孔、过渡孔、中孔、大—巨孔。

微孔隙极其发育的煤层,以K nudsen扩散为主;过渡孔和中孔比较发育的煤层,以过渡型扩散为主;中、大孔中,Fick扩散为主;几种孔隙分布较均衡,上述扩散模式都要考虑。

可见较大裂隙和孔隙有利于甲烷在煤层中扩散。

4　甲烷渗流过程的影响因素
扩散至煤层裂隙系统的煤层气(游离气)和煤层中的水产生了混相流动,沿煤层裂隙系统的压降方向渗流运移至井筒采出地面。

该过程符合达西定律。

渗透率是决定储层水、水流动的主要因素。

同时裂隙发育状况、压差、储层损害也对煤层甲烷渗流产生影响。

411　渗透率
煤层气的产出很大程度上取决于储层的导流能力,可以用产气指数来定量表示储层的产气能力: PI=0100708Kh/[ln(r e/r w)+S]　,(3)式中　PI———储层产气指数;
　r
e———产气半径,m;
　r
w———井底半径,m;
　S———表皮系数;
　K———渗透率,10-3μm2;
　h———储层厚度,m。

式(3)表明,PI∝K,在储层厚度一定的情况下, K无限小时,PI约等于零,储层流体不能有效渗流。

图2　常压下甲烷分子平均自由程与温度的关系
故渗透率是影响甲烷渗流的主要因素。

412　裂隙发育状况
裂隙网络系统是煤层气在煤储层中的主要通道。

煤层中的煤岩裂隙、内生裂隙和微裂隙愈发育,则渗透率就愈高,越有利于排水降压和煤层气的运移、产出。

裂隙密度和宽度越大,则连通性越好,渗透率也就越高。

413　压差
压差是气体在流动通道中快速通过的原始动力。

流动速度与压差有如下关系:
q p=PI[k rp/(B pμp)](P a-P wf)　,(4)式中　q
p———流动速度,mΠs;
　k
rp———相对渗透率,无量纲;
　P
a———平均储层压力,MPa;
　P
wf
———井底压力,MPa;
　μ
p
———粘度,mPa・s;
　B
p———地层体积系数。

较高的有效压差可以保证煤层中甲烷流动的驱动能量,所以具有异常高压的煤层产气量高。

可以通过提高储层压力、减小井底压力来获得高产气量。

414　储层损害
煤岩由于具有特殊的孔隙结构和渗流特征,存在很大的损害潜力,对外界条件变化比较敏感,易受外来固相和液相的损害。

损害方式主要有裂缝应力敏感、固相侵入、水相圈闭、处理剂吸附和粘土矿物损害。

煤岩层损害会影响降低裂缝有效宽度、降低裂缝绝对渗透率和气相渗透率,从而影响甲烷的渗流,最终使产气量和采收率明显低于预期值[9]。

要说明的是,储层损害不仅影响甲烷渗流,同时,固相侵入、水相圈闭、处理剂吸附和粘土矿物损害也会影响煤层有效降压、抑制甲烷的解吸、降低微孔内甲烷扩散速率,严重阻碍甲烷的产出[9]。

所以,在煤层气开发的全过程中,无论是钻井完井,还是水力压裂增产的实施,都必须重视对储层的保护。

5　煤层甲烷解吸—扩散—渗流过程之间的关系煤层甲烷的产出受解吸—扩散—渗流过程的共
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同控制,3个环节紧密相连,相互影响,相互制约,任一过程受制,都将严重影响煤层甲烷的产出。

渗流是解吸发生的前提,有了渗流,才有降压,降压之后才有解吸;在压力梯度下的渗流造成了通道中甲烷分子的浓度差,然后才有在浓度差下的扩散。

煤才能快速的释放其吸附的气体。

同时,解吸会引起基块收缩,增大裂隙宽度,提高煤层渗透率,有利于甲烷的渗流。

扩散在解吸与渗流之间起着桥梁作用,畅通的渗流加速扩散的进行,而甲烷的快速扩散促进解吸的发生。

可见,解吸、扩散及渗流的最优匹配是煤层气经济开发的必要条件。

6　结论
a1　煤层甲烷的产出受解吸—扩散—渗流过程的共同控制,这3个环节紧密相连,相互影响,相互制约,三者的合理搭配是煤层气经济开发的必要条件。

b1　影响解吸的因素主要是压力、含气量、煤的水分含量、煤屑粒度、温度等;影响甲烷扩散的因素主要是甲烷浓度、扩散距离、平均自由程和煤层孔隙分布;而渗流的影响因素有渗透率、裂隙发育状况、压差、储层损害等。

c1　煤岩气层损害会抑制甲烷的解吸、降低微孔内甲烷扩散速率、降低裂缝有效宽度、降低裂缝绝对渗透率和气相渗透率,最终使产气量明显低于预期值。

在煤层气开发的全过程中,无论是钻井完井,还是水力压裂增产的实施,都必须重视对储层的保护。

参考文献
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Analysis of the factors affecting processes of CBM desorption,di ffusion and percolation
LI Qian2gui,K ANG Y i2li,LUO Ping2ya
(Well C om pletion T echnology Center,X inan Petroleum Institute,Nanchong637001,China)
Abstract:S tarting with the mechanism of C BM production,this paper analyzes the factors that affect the processes of coalbed methane des orption, diffusion and percolation from coal seams.Results show that the main factors in fluencing methane des orption include pressure,gas content,coaly m oisture content,matrices size and tem perature etc.;the factors in fluencing methane diffusion mainly include methane concentration,diffusion dis2 tance,mean free path and pore distribution in coal seams;whereas the main factors in fluencing methane percolation include permeability,status of fracture growth,pressure difference and formation damage etc.Furtherm ore,it is pointed out that des orption,diffusion and percolation of C BM from coal seams are three inseparable processes interacted each other.Their optimum matching will be a necessary condition for economic development of coalbed methane.
K ey w ords:coalbed methane(C BM);des orption;diffusion;percolation;in fluencing factors
陕北侏罗纪煤田2003～2004年重点地质勘查项目正式启动
2003年5月8日,陕北侏罗纪煤田2003～2004年重点地质勘查项目合同签字暨开工典礼仪式,在榆神矿区曹家滩井田陕西省煤田地质局一八五队钻探施工现场隆重举行。

陕西省投资公司、陕西省煤田地质局、榆林市发展计划委员会及各施工单位代表出席签字和开工典礼仪式。

这一项目是根据陕西省政府的要求,由陕西省煤田地质局组织实施的。

项目包括陕北侏罗纪煤田榆横矿区小纪汗勘查区普查、详查;榆神矿区凉水井勘查区详查、香水河勘查区详查、马王庙勘查区详查;神府矿区袁家梁勘查区详查、郭家湾预留区详查、青龙寺勘查区详查;榆神矿区金鸡滩井田勘探(精查)、曹家滩井田勘探(精查)等10个地质勘探工程,预获普查区资源量4119亿t,7个详查区资源量共57143亿t,两个井田勘探区资源量53182亿t,要求在2003年至2004年两年完成,本次勘查工作完全按市场招投标机制运作,施工单位通过招标取得2003年6个勘查区地质勘探项目。

拓宝生(陕西省榆林市西沙一八五队)
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第4期 李前贵,康毅力等:煤层甲烷解吸—扩散—渗流过程的影响因素分析。