《有关煤层气开采机理的讨论》

割理
煤基质
地层水
图 2 煤岩在水环境中形成 Fig. 2 coal seams formed in water-saturated circumstance
煤层中大部分微孔隙的直径小于2nm，一般为1.2nm，占69%—80%[3]。经典理论认为微孔隙吸附的 甲烷是煤层气开采的主力。甲烷分子的大小为0.4nm，水分子为0.3nm。甲烷分子能进入的孔隙，水分 子也能进入。因此甲烷只能在煤岩微孔隙中有水的情况下吸附在微孔隙表面。 地层中的沉积有机质都是大分子量的生物尸体碎片，有机质表面有一定的极性（活性），它们对极 性分子（如CO2，H2O）具有较强的亲和力，而对非极性分子（如N2，CH4）的亲和力较弱。由于CO2 的分子极性更强，所以在煤岩吸附实验中，CO2的吸附量大于CH4，所以国外也广泛应用CO2驱来作为 煤层气生产后期提高采收率的主要方法[4]。水是极性最强的分子，因此，水分子是被煤岩优先吸附的， 甲烷的吸附处于弱势地位。 大量的等温吸附实验表明， 随着煤岩中含水量的增加， 甲烷吸附量明显减小。 同一煤岩的干燥煤样的甲烷吸附量要远远大于水润湿煤样的吸附量[5]。由于煤岩亲水，因此在微孔表面 覆盖了一层水膜，甲烷如果要吸附到微孔上，必须通过溶解到水中以后才有可能被煤岩吸附。 但是，作为描述煤层气吸附行为的使用最广泛的Langmuir方程（1）式其实是Langmuir在1915年提 出的用于描述固体金属表面吸附自由态气体的气相吸附方程，该方程与气体的压力p有关。其实验条件
1 引言
我国煤层气产业不断发展，随着煤层气勘探开发的日益深入，对煤层气的认识逐渐成熟。在煤层气 开发生产中出现了一些异常的现象， 例如一些煤层气井钻完井过程中出现了气侵现象； 鄂尔多斯东缘煤 层气田某水平井实施大液量分段压裂后，在压裂液返排阶段，获得日产几百方的稳定产气量；整个鄂东 气田的开发显示出煤岩吸附含气量与气井产气量明显的负相关关系； 构造高位的煤层气井见气更早， 产 气量更大， 表现出类似常规气藏受盖层封隔成藏的特征。 这些现象明显相悖于经典的煤层气吸附赋存理 论和排水降压解吸开采理论。 煤层气开发经典理论提出煤层气主要吸附在煤层的微孔隙表面上。 煤层气产出过程为： “排水→储 层降压→基质解吸→表面扩散→裂缝渗流”[1]。煤层气开采的第一步是排水降压，储层压力下降到临界 解吸压力之后，吸附在微孔表面上的吸附气解吸（图1），解吸出来的气在浓度差的作用下从微孔隙扩 散到割理（裂缝）中，逐渐形成孤立的、不连续的气泡，当裂缝中的含气饱和度达到最小临界流动饱和
顶天裂缝
裂缝系统 煤基质
图 5 顶天裂缝储气 Fig. 5 upward fractures store gas
煤基质中生成的甲烷气体运移到裂缝中以后， 在浮力的作用下会继续往上运移。 当遇到良好的盖层， 就和常规裂缝性气藏一样，在裂缝系统中储集成藏（图6）。在煤层气井的排采初期，有一部分井开井 即见气，产出的就是这部分受良好盖层条件封隔的储存在裂缝系统中的气体。由于煤层埋深较浅，构造 简单，倾角相对平缓，盖层岩石压实程度较低，封隔条件较差，所以依靠盖层圈闭起来的这部分气体相 对较少。 并且煤岩裂缝系统密集发育， 因此储存在顶天裂缝中的自由气体才是煤层气开采的主力气体。
基金项目：国家科技重大专项鄂尔多斯盆地东缘煤层气开发示范工程（2011ZX05062）资助。 1 第一作者及通讯作者：彭朝阳，男，1982 年 3 月生，2011 年西南石油大学博士研究生毕业，主要从事煤层气勘探开发 研究。E-mail：penaldo@163.com
2
度的时候，气泡开始流动，在压差的作用下沿裂缝渗流到井底。
溶解甲烷
图 3 煤岩吸附水中溶解的甲烷 Fig. 3 coal seams adsorb solublemethane
cad cadm
bcm 1 bcm
（2）
式中， cadm为甲烷的极限吸附量，cm3/g；cm为甲烷在地层水中的浓度，m3/m3；b为甲烷的液相吸 附系数，无因次。 液相吸附系数b与溶质和溶剂对煤岩的亲和程度有关。cadm是溶质（甲烷）的极限吸附量，类似于 气相吸附中的单分子层饱和吸附量。但在液相吸附中受到溶剂（水）吸附的干扰，甲烷的极限吸附量比 “气-固”体系中的饱和吸附量要小得多。煤岩对溶质（甲烷）的吸附量随着水中甲烷浓度的升高而增 大，最终趋近于极限吸附量。因此通过先溶解，然后再吸附到煤基质表面上去的甲烷数量很少，基本上 不具有开采价值。吸附-解吸理论在很大程度上高估了煤岩对甲烷的真实吸附能力。 实际情况并不是甲烷分子先溶解再吸附，而是先由煤基质生成甲烷分子，然后再溶解到地层水中。 由于煤基质的生烃数量大，地层水的溶解能力很小，致使大量的甲烷分子都堆积出来。这就像往一杯水 里放入过量的糖一样， 只有少量的糖溶解了， 大量的糖在重力分异的作用下以固体的形式都堆积在了杯 子的底部。这种堆积在煤基质内的甲烷分子数量巨大，按照重力分异的观点，多余的甲烷应该以自由气 的形式出现在煤基质微孔隙中， 并在浮力的作用下向上运移到裂缝中， 最终遇到封隔条件较好的盖层或 致密煤基质，在毛管压力的作用下以自由气的形式在裂缝顶端聚集起来（图4）。在盖层封隔条件好于 煤基质的条件下，煤基质运移出来的气泡受毛管压力的影响，也会在煤基质里储存起来，因此煤基质里 也有可能会有自由气的存在[6]，但比煤基质还致密的岩层很少，所以煤基质里储存自由气很少。由于裂 缝中的堆积自由气不是吸附量，因此也不能用吸附公式进行描述。开采煤层气，主要就是开采这部分堆 积甲烷气体。
（1）
式中，cad为甲烷的吸附量，源自文库m3/g；cadm为甲烷的饱和吸附量，cm3/g； a为煤层气的气相吸附系数， 无因次。
2 赋存机理
这个被普遍接受的煤层气开采机理存在一些理论上的缺陷。煤岩层都是由煤基质岩块和裂缝组成 的，而煤在饱和水和不饱和水的情况下吸附和扩散行为是完全不同的。事实上，煤岩都是在水环境中沉 积形成的，所以原始状态下基质和裂缝中都充满了地层水（图2）。
理论含气量 解吸点 实际含气量
cad
临界解吸压力 原始压力 P 图 1 煤岩吸附 Langmuir 曲线 Fig. 1 Langmuir adsorption curve of coal seams
根据气相吸附理论，甲烷的吸附量与地层压力满足气相吸附的Langmuir方程[2]
cad cadm
ap 1 ap
1
有关煤层气开采机理的讨论
彭朝阳1 李传亮 2 李星涛 1
（1.中石油煤层气有限责任公司 北京 100028； 2.西南石油大学国家重点实验室 四川成都 610500）
摘要：煤层气的开发已进入工业化时代，但煤层气的开采机理依然不是十分清楚，其研究明显滞后于生产实践。本文通 过对煤层气的赋存状态和微观渗流机理的研究，再结合钻井、压裂、排采过程中发生的现象，分析了经典的“解吸-扩散 -渗流”流动模式的不合理性，提出了新的赋存和渗流模式：煤层气主要以自由气的形式储存于煤储层的割理（裂缝）中， 通过排水降压，气体发生膨胀，然后在压差的作用下以渗流的方式开采出来，煤层气的采收率取决于储层压力降低程度 的大小。因此，解吸、扩散不是煤层气主要的开采机理。在有关认识的基础上，提出了高效开发煤层气的一些建议和具 体措施。 关键词：煤层气；渗流；自由气；吸附；解吸；扩散
自由气
溶解甲烷
图 4 堆积甲烷形成自由气
4 Fig. 4 accumulated methane produce free gas
煤岩中的裂缝类型很多，如果没有遇到良好的盖层，裂缝就成为散失气体的通道。而顶天的小裂缝 中的气体无法逃逸，就地聚集成了无数个微型气藏（图5）。由于煤的裂缝中充满了地层水，煤基质生 成的甲烷气都堆积在裂缝的上部，靠致密的煤基质遮挡成藏。开采煤层气必须先排水降压后，才能采出 裂缝中膨胀的那部分气体。
2.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploration, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China） Abstract: The CBM development has become industrialized nowadays, while its exploitation mechanism has not been clearly understood, which restricts the industry development. In this paper, through analyzing the storage status and the micro-seepage principle of the CBM and the evidence in the drilling, fracturing and production, the incorrectness of the old mode of desorption-diffusion-seepage is proved and a new mode of the CBM storage and seepage is proposed: the CBM is mainly stored in the cleats(fractures) of the coal seam as free gas, through dewatering, the formation pressure drops and gas expands, then flow to well as result of the pressure gradient. The recovery of the CBM depends on the formation pressure drop extent. So desorption and diffusion are not the exploitation mechanism of CBM. Under the new mode, some suggestions and treatment are given on high-efficiently development of CBM. Keyword: Coalbed Methane; Seepage; Free Gas; Absorption; Desorption; Diffusion
3
与煤层中饱含水的实际状况完全不同。经典理论认为，煤层中不存在自由气或者自由气极少。如果该理 论成立的话，那么用研究“气-固”体系中吸附行为的气相吸附Langmuir方程来描述煤层气的吸附就没 有理论基础。并且，用液相（地层水）的压力来替换掉原方程的气体压力p也缺乏理论依据的支持。 事实上，用来描述“液-固”体系中固体表面（煤岩）对溶液中溶质（甲烷）吸附行为的理论模型 应用最为广泛的是液相吸附Langmuir方程[2]，描述固体表面吸附量与溶质溶解浓度之间的关系。在煤岩 被水膜覆盖的条件下， 若在地层水中溶解一定浓度的甲烷分子， 将会有少量的甲烷分子吸附到煤基质表 面上去（图3），吸附浓度满足下面的液相Langmuir方程。此时的吸附量与液相（水）的压力没有关系， 而与地层水中的甲烷浓度（溶解气水比）有关。
A Discussion on Exploitation Mechanism of Coalbed Methane
Peng Chaoyang1 Li Chuanliang2 Li Xingtao1
（1.PetroChina CBM Co., Ltd., Beijing 100028, China ;
致密盖层 气水界面
自由气 煤基质 裂缝系统
图 6 微小背斜构造聚集成藏 Fig. 6 small anticline reservoirs
若仅靠开采煤基质孔隙吸附的甲烷， 煤层气的储量就会很小， 煤岩的吸附气估计还没有水中的溶解 气多。 甲烷在水中的溶解很低， 大约为1~3m3/m3[7]。 在常规天然气藏开发中这部分溶解气是忽略不计的， 基本上不具备商业开采价值， 世界上仅在日本有投入商业开发的水溶性气藏。 但水中还富含工业元素碘， 综合开发才有经济效益[8]。因此，煤层气开采不会是以吸附气或溶解气为主。 对于煤基质微孔表面上吸附的少量气体， 排水降压并不能把它们从煤基质上剥离下来， 排水降压的 目的是让地层水脱气[9]。因为地层水是饱和甲烷的，只要地层水压力稍有降低，就会有气体脱出。根据 液相吸附的理论，地层水脱气后，地层水中甲烷的浓度降低，吸附气就会在浓度差的作用下，以液相 Langmuir方程描述的行为加入到地层水中。 一旦地层中出现了自由气相， 吸附气便会加入进去形成更大 的自由气相，只有这样才能把这部分吸附的煤层气开采出来。