煤层气井采气机理煤层气井的采气方式由石油天然气井的生产工艺演变而来，但因储层类型不同，煤层气井的采气机理完全不同于石油天然气井，在时间和空间上煤层气井的产气都是一个相当复杂的过程。空间上涉及煤储层、上覆顶板与下伏底板组成的三维地层，时间上涵盖了煤层气井压裂后排水采气的整个过程。因此，煤层气井的采气过程和机理研究必须采用系统的、动态的观点，分析整个系统在不同时问和不同情况的排水过程和甲烷生产过程。 煤层气井的生产是通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，促使煤储层中吸附的甲烷解吸的全过程。即通过排水降压，使得吸附态甲烷解吸为大量游离态甲烷并运移至井口。这是目前惟一可以来用的方法，因此，通过抽排地层中的承压水，暂时、相对地降低煤储层压力是煤层气井采气的关键。1 煤层气井采气过程简析 煤层气井采气前，井中液面高度为地下水头高度，此时井筒与储层之间不存在压力差，地下水系统基本平衡，属于稳定流态；当煤层气井开始排采后，井筒中液面下降，井筒与煤储层之间形成压力差，地下水从压力高的地方流向压力低的地方，地下水就源源不断地流向井筒中，使得煤储层中的压力不断下降，并逐渐向远方扩展，最终在以井筒为中心的煤储层段形成一个地下水头压降漏斗，随着抽水的延续该压降漏斗不断扩大和加深；当煤储层的出水量和煤层气井井口产水量相平衡时，形成稳定的压力降落漏斗，降落漏斗不再继续延伸和扩大，煤储层各点压力也就不能进一步降低，解吸停止，煤层气井采气也就终止。根据所形成的降落漏斗体积，结合朗格缪尔方程，即可求出该井所能产出的甲烷气总量。 在地层稳定、地质条件简单的地区，煤层气井的采气可以看作是对承压含水层的抽水过程。根据地下水的流态和压力降落漏斗随时间延续的发展趋势，将煤层气生产分为单并排采和井群排采。其中单井采气可以分为形成稳定压降漏斗、压降漏斗不断扩展、压降漏斗先扩展后稳定3种情况，其理论意义最为重要。2 稳定压力陷落漏斗的形成与扩展 当煤储层存在补给边界或越流补给时，随着抽水时间的延续，最终形成稳定的压力降落漏斗。2.1 煤储层存在补给边界 压力降落漏斗随着排采的继续在上覆地层中不断扩展，当其遇到张性断层时，若该断层与地表水或其他地下水层相沟通，这些水系的水就会通过断层补给煤储层。当补给量与抽出量相当时，压力降落漏斗达到稳定，不再扩展，煤储层甲烷解吸停止(图1)，煤层气井不再产气。2.2 煤储层存在越流补给 煤储层的顶板或底板为弱透水层，且其相邻的地层为含水层，此时煤储层存在越流补给。煤储层中压力的降低使得邻近含水层中的地下水通过顶板或底板补给煤储层。压力降落漏斗的扩大使得补给量不断增加，当补给量与抽出量相当时，降落漏斗达到稳定，不再扩展，煤储层甲烷解吸停止(图2)，煤层气井产气终止。2.3 降落漏斗的扩展 当煤储层中存在隔水边界(如逆断层、推覆断层等)时，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展。当降落漏斗扩展至隔水边界时，由于隔水边界无法补给或补给量小于抽出量，降落漏斗不再向远处发展，而迅速加深，煤储层压力快速下降，甲烷大量释放，井口表现为气产量大增(图3)。3 定流量排水与定陷深排水 目前，在煤层气勘探开发的初期阶段，随着抽水时间的延续，降落漏斗不断扩展，并逐渐稳定，煤储层无越流补给且水平无限延伸(附近无补给边界或给水边界)。 排水降压过程可分为初期定流量排水与定降深排水两个阶段。3.1 初期定流量排水阶段 煤层气井抽排初期，抽出的水量依泵的排量而定，当抽出的水量一定时，井简中的动液面不断下降。根据无补给承压水完整井定流量非稳定流计算公式 (Theis公式)，抽水井影响范围内任一点任一时刻的水位降为式中 将上式改写成无量纲降深形式，即 关系曲线如图4。式中 T为导水系数，TKM，表示水力坡度等于l时，通过整个含水层厚度上的单宽流量；为贮水系数，是衡量承压含水层弹性释水能力的参数；S为煤层气井影响范围内，任一点任一时刻的液面降深；Q为煤层气井的产水量；r为计算点到煤层气井的距离。 可见，在定流量排水阶段，在煤层气井影响范围内的任一点，参数Q，T，r是一定的，随着抽水时间t的延续，该点(包括煤层气井井中的液面)降深S不断加大，但加大的速度逐渐降低。其物理意义是由于压力降落漏斗的扩大，使得汇水面积增加。因此在煤层气井生产初期的定流量排水阶段，煤储层压力降落漏斗的变化逐渐增大，但增大的速度逐渐变缓。煤层气井井口表现为产水量稳定，产气量逐渐增加。3.2 定降深排水阶段 煤层气井采气时井中的液面是不能无限下降的，当液面降低到接近抽排煤储层时，降深就无法继续，煤层气井进入定降深采气阶段。由定流量阶段转入定降深阶段的时间主要取决于煤储层的渗透系数和井壁的污染程度。渗透性差、井壁污染严重的煤层气井采气开始后很快进入定降深排水阶段。 根据无越流补给侧向无限延伸承压含水层定降深井流的流量函数G()，并作出G()与关系曲线 (图5)。此阶段，由于降落漏斗扩展，汇水面积不断增大，使得漏斗远处平缓，即只有井口附近的煤储层压力降幅较大，而远离井口的大部分煤储层的压力降幅较小。结合朗格缪尔曲线 (图6)可以知道，煤储层降压初期的压降引起的甲烷解吸量远小于后期相同压降所引起的甲烷解吸量。因此该阶段虽然井口仍然产气，但大部分煤储层的甲烷并没有被解吸出来，且存在解吸逐渐减缓的趋势。4 井群开发形成井间干扰 煤层气井的商业生产是利用井群抽水降压，而不是单独的一口或相距甚远的几口井来降压的。一定范围内的两口或两口以上抽水生产井称为井群。当井群中的井与井之间的距离小于各井的影响半径时，彼此之间的流量和降深都要发生干扰。在承压含水层中，地下水的流动方程是线性的，可以直接运用叠加原理，即当两口井的降落漏斗随抽水的延续不断扩展至两个压力降落漏斗相互交接、重叠时，重叠处的压力降等于两个降落漏斗所形成的压力降之和（图7）。如果流场内有多口井同时抽水，则影响范围内任一点的压力降为这种情况下，井间干扰对煤层气井的采气具有促进作用。产气速度上：煤层气井两井间的煤储层压力降幅由于压降的叠加而成倍提高，因此相对于单井来说，单位时间内的压力下降幅度大，煤储层甲烷的解吸速度快，井口表现为一定时间内产出的甲烷气量多，即气产量高。 总产气量上：当两个降落漏斗相接时，双方就相当于分别遇到了前述的隔水边界，此时随着抽水的延续，压力降落漏斗不再在水平方向上扩大，而是在垂直方向上加深，最终使得两井间的煤储层压力可以降低到很低的程度，根据前述，这将使得两井间范围内的煤储层中的大部分甲烷气都解吸出来，使煤层气井的总产气量增加很多。煤层气井单井采气过程可分为形成稳定压降漏斗、压降漏斗不断扩展、压降漏斗先扩展后稳定几种理论模型。在实际生产中，各单井的情况可能相对复杂，空间上，地层形式可能是上述几种情形的组合。如：一侧为补给边界，另一侧为无补给水平无限延伸的煤储层；或一侧为补给边界，另一侧为隔水边界等形式。在时间上，随着抽水的延续，煤储层压力逐渐降低，其与邻近含水层的压力差逐渐增大，原本隔水的断层可能发展成为弱透水断层或透水断层，原本无补给的邻近含水层也可能形成越流补给(隔水和透水，有或无越流补给都是相对而言的)。煤储层的压力降低是一个动态的过程，系统中的各项条件和因素都可能随时间的推移而发生变化；井群排采时，一口煤层气井的四周都存在抽水井时，各个方向上的煤储层压力都能得到充分的降低，该井控制范围内的煤储层甲烷也就能最大限度地解吸出来。井群的采气机理虽然以单井采气机理为基础，但要比单井采气复杂得多，有待在今后在实践中进一步研究。