劉賀++王靜

摘 要：煤層氣井的生產(chǎn)是通過(guò)抽排煤層中的地下水，從而降低煤層壓力使煤層中吸附的甲烷氣釋放出來(lái)的過(guò)程。需要長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定的排水降壓。然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，排采速率過(guò)快會(huì)使儲(chǔ)層中的裂縫所受有效應(yīng)力快速增加，進(jìn)而快速閉合，大大降低滲透率，而地應(yīng)力又是影響煤儲(chǔ)層滲透率中最主要的因素，這將嚴(yán)重影響煤層氣井的產(chǎn)能。文章通過(guò)對(duì)快速排采過(guò)程中地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的影響的研究，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際排采情況，總結(jié)了排采初期排采強(qiáng)度的確定方法，為煤層氣井的排采提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤層氣 快速排采 地應(yīng)力 煤儲(chǔ)層 滲透性 應(yīng)力敏感

中圖分類號(hào)：P618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0079-02

煤層滲透率的影響因素十分復(fù)雜，分為地質(zhì)因素和工程因素，地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖煤質(zhì)特征、煤級(jí)及天然裂隙都不同程度地影響煤層滲透率[1]。其中兩個(gè)因素起主要作用，一個(gè)是裂隙發(fā)育程度，一個(gè)是現(xiàn)今地應(yīng)力[2]。裂隙發(fā)育程度前期受煤的變質(zhì)程度影響，屬于成煤作用的范疇，而后期煤層氣排采作用過(guò)程中裂隙的發(fā)育程度主要受地應(yīng)力的影響，因而地應(yīng)力的大小和應(yīng)力狀態(tài)對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性起著至關(guān)重要的作用。煤層氣排采過(guò)程中，由于排水降壓而使煤層氣井周圍地層有效應(yīng)力重新分布，排水降壓強(qiáng)度直接關(guān)系到壓降的傳播程度和范圍，壓降不僅影響煤層氣的解吸過(guò)程，也改造了煤儲(chǔ)層的有效應(yīng)力及滲透性指標(biāo)。

1 煤層氣快速排采機(jī)理

煤層段地層含水為承壓水，煤層氣井排采前，井中液面的高度即為煤層中地下水的水頭高度，此時(shí)不存在壓力差，地下水系統(tǒng)基本平衡，沒(méi)有地下水的流動(dòng)。當(dāng)煤層氣井開(kāi)始排采后，井筒中的液面下降，在煤層氣井筒和煤層中形成壓力差，地下水從壓力高的地方流向壓力低的地方，因此煤層中的地下水就源源不斷地流向井筒中，使得煤層中的壓力不斷下降，并逐漸向遠(yuǎn)方擴(kuò)展，最終在以井筒為中心的煤層段形成一個(gè)水頭壓降漏斗，并隨著抽水的延續(xù)該壓降漏斗不斷擴(kuò)大和加深。當(dāng)煤層的出水量和井口產(chǎn)水相平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的壓力降落漏斗，降落漏斗不再繼續(xù)延伸和擴(kuò)大，煤層各點(diǎn)儲(chǔ)層壓力也就不能得以進(jìn)一步降低，解吸停止，產(chǎn)氣也就終止[3]。

但是，排采階段如果排采速率過(guò)快， 井筒附近的流體就會(huì)以較高的速度和較大流體壓差流向井筒，煤層裂隙中流體壓力被降低，上覆地層的壓力保持恒定，所以導(dǎo)致作用在煤骨架上的有效應(yīng)力增大。由于煤相對(duì)于其他巖石的可壓縮性更大，如表1所示。

所以煤層更易變形，從而導(dǎo)致煤層中的割理、裂縫急劇閉合，使煤層的滲透率降低，特別是對(duì)中高煤階的煤層，降壓排采時(shí)煤層滲透率降低的效應(yīng)更為明顯[4]。有效應(yīng)力快速增加，裂縫過(guò)早閉合，煤層無(wú)法將壓力傳遞到更遠(yuǎn)處，造成降壓漏斗得不到充分?jǐn)U展，排采半徑得不到有效延伸.只有井筒附近很小范圍內(nèi)的煤層得到了有效降壓，有效排采半徑變得很小，氣井產(chǎn)氣量在達(dá)到高峰后，由于氣源的供應(yīng)不足而急劇下降，無(wú)法長(zhǎng)期持續(xù)生產(chǎn)，甚至停產(chǎn)[5]。

2 地應(yīng)力與滲透率之間的關(guān)系

煤儲(chǔ)層的滲透性是指在一定壓力差下，允許流體通過(guò)其連通孔隙的性質(zhì)。滲透率作為衡量多孔介質(zhì)允許流體通過(guò)能力的一項(xiàng)指標(biāo)，是影響煤層氣產(chǎn)生量高低的關(guān)鍵參數(shù)[6]。前面已經(jīng)指出地應(yīng)力是影響煤儲(chǔ)層滲透性的關(guān)鍵因素，隨著應(yīng)力的增加，煤層滲透率降低。Enever通過(guò)對(duì)澳大利亞煤層滲透率與有效應(yīng)力的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，煤層滲透率與地應(yīng)力增加呈指數(shù)關(guān)系降低。孟召平[1] [7]，何偉鋼[8]等也得出煤儲(chǔ)層的滲透率隨著地應(yīng)力的增加呈指數(shù)降低的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)沁水盆地南部煤儲(chǔ)層試井滲透率與地應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)， 煤儲(chǔ)層試井滲透率與地應(yīng)力具有相關(guān)性， 隨著地應(yīng)力的增加煤儲(chǔ)層試井滲透率降低。

通過(guò)前人回歸分析結(jié)果表明， 煤儲(chǔ)層滲透率與地應(yīng)力之間具有如下指數(shù)關(guān)系：

（1）

（2）

式中：式中：、為滲透率、初始滲透率，10-3μm2；為從初始到某一應(yīng)力狀態(tài)時(shí)有效應(yīng)力的變化值，MPa；為應(yīng)力敏感系數(shù)（或滲透率模量），MPa-1；為有效應(yīng)力，MPa；為原巖應(yīng)力或初始地應(yīng)力，MPa；為有效應(yīng)力系數(shù)，取=1；為儲(chǔ)層壓力，MPa，為比例系數(shù)。

由公式（2）可得有效應(yīng)力變化值可以表示為：

（3）

由式（1）、（2）、（3）可以看出，在煤儲(chǔ)層壓力不斷降低的過(guò)程中，煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力不斷增大，滲透率隨之降低，初期表現(xiàn)劇烈，后期比較平緩；當(dāng)有效應(yīng)力降低以后，煤儲(chǔ)層滲透率有所恢復(fù)，但是由于有效應(yīng)力增大的過(guò)程中，煤中孔隙-裂隙壓密閉合，造成滲透率損害，滲透率不能恢復(fù)到原始水平，整個(gè)變化過(guò)程中煤儲(chǔ)層表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力敏感性。應(yīng)力敏感性的強(qiáng)弱可以通過(guò)滲透率應(yīng)力敏感系數(shù)（或滲透率模量）來(lái)表示，值越大，表明煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。同時(shí)，我們根據(jù)煤層中主應(yīng)力的狀況就能推測(cè)出滲透率的大小，這為我們定量研究二者之間的關(guān)系提供了理論依據(jù)。

3 實(shí)例分析

在沁水盆地煤層氣排采井中，有很多井前期由于排水速度過(guò)快，導(dǎo)致有效應(yīng)力迅速增加，滲透率下降過(guò)快，對(duì)儲(chǔ)層造成了不可逆的傷害，我們稱其為儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性。大部分井或多或少地表現(xiàn)出應(yīng)力敏感的特點(diǎn)。應(yīng)力敏感主要發(fā)生在排水期，之后隨著壓降漏斗的擴(kuò)大，產(chǎn)氣量逐漸增大。當(dāng)排采到一定程度，壓降漏斗不再擴(kuò)大，泄氣范圍內(nèi)的儲(chǔ)層壓力持續(xù)不斷的降低，產(chǎn)氣量進(jìn)入遞減期，但氣井累計(jì)解吸量不斷增加。

TS-145井位于沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊，于2012年2月19日開(kāi)始排采，開(kāi)始排采時(shí)排采速度過(guò)大，動(dòng)液面下降速度很快，產(chǎn)水量很大，產(chǎn)生了極強(qiáng)的應(yīng)力敏感，導(dǎo)致氣井不出氣，氣井日產(chǎn)氣量為零。隨著排采的進(jìn)行，有效解吸區(qū)域增大，雖然產(chǎn)水量在增加，但動(dòng)液面趨于平緩，氣井開(kāi)始產(chǎn)氣，最大值可以達(dá)280 m3/d，產(chǎn)氣效果依然不理想，主要原因在于排采開(kāi)始時(shí)，排水降壓速度快，導(dǎo)致煤層出現(xiàn)極強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，煤儲(chǔ)層在應(yīng)力作用下發(fā)生壓密的塑性變形，造成滲透率傷害，致使排采穩(wěn)定后，產(chǎn)氣量很低。應(yīng)力敏感性依然表現(xiàn)出階段性和多周期性的特征。無(wú)論從理論分析還是氣井排采實(shí)例分析，都說(shuō)明煤儲(chǔ)層存在應(yīng)力敏感性，在實(shí)際生產(chǎn)中不容忽視（圖1）。endprint

4 解決方法

為解決快速排采對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率造成的傷害，合理的排采制度和精細(xì)的排采控制是非常重要的兩個(gè)方面。排采制度中的定壓排采制度和排采控制中的降液面階段又是非常重要的兩個(gè)方面，饒孟余[9]等對(duì)排采工藝做過(guò)非常詳細(xì)的研究，指出合理的排采制度和精細(xì)的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關(guān)鍵因素。曹立剛等[10]對(duì)排采過(guò)程中各排采參數(shù)間關(guān)系做過(guò)深入的探討，排采中產(chǎn)氣量、排水量、井口壓力和液面深度間的關(guān)系，提出了井底壓力的作用及估算方法，將有利于煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程的認(rèn)識(shí)和合理開(kāi)發(fā)。

排水降壓過(guò)程初期是定流量排水階段，因此康永尚等[11]建立的排采定量數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)值模擬的方法，通過(guò)試算來(lái)確定合理的降壓制度，并給出相應(yīng)制度的定量解非常必要。倪小明、王延斌等[12]根據(jù)煤層氣井排采特點(diǎn)，結(jié)合達(dá)西定律建立的煤層氣井初期排采強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型可以通過(guò)不同的煤儲(chǔ)層參數(shù)，得出合理的排采強(qiáng)度，為確定其他地區(qū)煤層氣井初期排采強(qiáng)度提供了理論指導(dǎo)，具有較好的應(yīng)用前景。

在具體模擬時(shí)，分級(jí)降低煤層氣井的井底流壓，這樣能使每一級(jí)降壓保證足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使壓力波傳播到盡可能遠(yuǎn)處，從而使降壓漏斗得到充分的擴(kuò)展，煤層氣的解析范圍得到擴(kuò)大，煤層氣的產(chǎn)量也會(huì)增加。雖然在每一級(jí)降壓過(guò)程中，不可避免的會(huì)造成裂隙、割理發(fā)生一定程度的閉合，但是由于降壓的幅度很小，割理、裂隙的閉合也很小，對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響也不會(huì)很大，單井的采收率也會(huì)得到提高。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）煤層氣井排采初期過(guò)快的排采速度會(huì)使井筒附近煤儲(chǔ)層的壓力迅速降低，與之對(duì)應(yīng)的是地應(yīng)力的快速升高，由于排采速度過(guò)快，煤層氣井的降壓漏斗得不到充分的擴(kuò)展，使煤層氣解析的范圍變小，同時(shí)，地應(yīng)力的升高對(duì)儲(chǔ)層造成了不可逆的傷害，加速了裂隙的閉合，降低了煤儲(chǔ)層的滲透率，雖然初期煤層氣井能夠在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)很高的產(chǎn)量，但氣源有限，不能持續(xù)高產(chǎn)，對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。

（2）地應(yīng)力與滲透率之間具有一定的相關(guān)性，煤儲(chǔ)層滲透率與地應(yīng)力的增加呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系降低，其實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力對(duì)滲透率的控制，這就為定量研究快速排采過(guò)程中地應(yīng)力與煤儲(chǔ)層滲透率之間的關(guān)系提供了理論依據(jù)。

（3）為解決快速排采過(guò)程中地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率造成的傷害，確定合理的排采強(qiáng)度是關(guān)鍵，前人在詳細(xì)研究排采工藝以及排采過(guò)程中各排采參數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了排采定量以及排采強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬，分級(jí)降壓對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響最小，能夠使煤層氣井達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的產(chǎn)氣量。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟召平，田永東，李國(guó)富.沁水盆地南部煤儲(chǔ)層滲透性與地應(yīng)力之間關(guān)系和控制機(jī)理[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2009，19（10）：1142-1148.

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4 解決方法

為解決快速排采對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率造成的傷害，合理的排采制度和精細(xì)的排采控制是非常重要的兩個(gè)方面。排采制度中的定壓排采制度和排采控制中的降液面階段又是非常重要的兩個(gè)方面，饒孟余[9]等對(duì)排采工藝做過(guò)非常詳細(xì)的研究，指出合理的排采制度和精細(xì)的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關(guān)鍵因素。曹立剛等[10]對(duì)排采過(guò)程中各排采參數(shù)間關(guān)系做過(guò)深入的探討，排采中產(chǎn)氣量、排水量、井口壓力和液面深度間的關(guān)系，提出了井底壓力的作用及估算方法，將有利于煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程的認(rèn)識(shí)和合理開(kāi)發(fā)。

排水降壓過(guò)程初期是定流量排水階段，因此康永尚等[11]建立的排采定量數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)值模擬的方法，通過(guò)試算來(lái)確定合理的降壓制度，并給出相應(yīng)制度的定量解非常必要。倪小明、王延斌等[12]根據(jù)煤層氣井排采特點(diǎn)，結(jié)合達(dá)西定律建立的煤層氣井初期排采強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型可以通過(guò)不同的煤儲(chǔ)層參數(shù)，得出合理的排采強(qiáng)度，為確定其他地區(qū)煤層氣井初期排采強(qiáng)度提供了理論指導(dǎo)，具有較好的應(yīng)用前景。

在具體模擬時(shí)，分級(jí)降低煤層氣井的井底流壓，這樣能使每一級(jí)降壓保證足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使壓力波傳播到盡可能遠(yuǎn)處，從而使降壓漏斗得到充分的擴(kuò)展，煤層氣的解析范圍得到擴(kuò)大，煤層氣的產(chǎn)量也會(huì)增加。雖然在每一級(jí)降壓過(guò)程中，不可避免的會(huì)造成裂隙、割理發(fā)生一定程度的閉合，但是由于降壓的幅度很小，割理、裂隙的閉合也很小，對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響也不會(huì)很大，單井的采收率也會(huì)得到提高。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）煤層氣井排采初期過(guò)快的排采速度會(huì)使井筒附近煤儲(chǔ)層的壓力迅速降低，與之對(duì)應(yīng)的是地應(yīng)力的快速升高，由于排采速度過(guò)快，煤層氣井的降壓漏斗得不到充分的擴(kuò)展，使煤層氣解析的范圍變小，同時(shí)，地應(yīng)力的升高對(duì)儲(chǔ)層造成了不可逆的傷害，加速了裂隙的閉合，降低了煤儲(chǔ)層的滲透率，雖然初期煤層氣井能夠在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)很高的產(chǎn)量，但氣源有限，不能持續(xù)高產(chǎn)，對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。

（2）地應(yīng)力與滲透率之間具有一定的相關(guān)性，煤儲(chǔ)層滲透率與地應(yīng)力的增加呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系降低，其實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力對(duì)滲透率的控制，這就為定量研究快速排采過(guò)程中地應(yīng)力與煤儲(chǔ)層滲透率之間的關(guān)系提供了理論依據(jù)。

（3）為解決快速排采過(guò)程中地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率造成的傷害，確定合理的排采強(qiáng)度是關(guān)鍵，前人在詳細(xì)研究排采工藝以及排采過(guò)程中各排采參數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了排采定量以及排采強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬，分級(jí)降壓對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響最小，能夠使煤層氣井達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的產(chǎn)氣量。

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4 解決方法

為解決快速排采對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率造成的傷害，合理的排采制度和精細(xì)的排采控制是非常重要的兩個(gè)方面。排采制度中的定壓排采制度和排采控制中的降液面階段又是非常重要的兩個(gè)方面，饒孟余[9]等對(duì)排采工藝做過(guò)非常詳細(xì)的研究，指出合理的排采制度和精細(xì)的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關(guān)鍵因素。曹立剛等[10]對(duì)排采過(guò)程中各排采參數(shù)間關(guān)系做過(guò)深入的探討，排采中產(chǎn)氣量、排水量、井口壓力和液面深度間的關(guān)系，提出了井底壓力的作用及估算方法，將有利于煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程的認(rèn)識(shí)和合理開(kāi)發(fā)。

排水降壓過(guò)程初期是定流量排水階段，因此康永尚等[11]建立的排采定量數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)值模擬的方法，通過(guò)試算來(lái)確定合理的降壓制度，并給出相應(yīng)制度的定量解非常必要。倪小明、王延斌等[12]根據(jù)煤層氣井排采特點(diǎn)，結(jié)合達(dá)西定律建立的煤層氣井初期排采強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型可以通過(guò)不同的煤儲(chǔ)層參數(shù)，得出合理的排采強(qiáng)度，為確定其他地區(qū)煤層氣井初期排采強(qiáng)度提供了理論指導(dǎo)，具有較好的應(yīng)用前景。

在具體模擬時(shí)，分級(jí)降低煤層氣井的井底流壓，這樣能使每一級(jí)降壓保證足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使壓力波傳播到盡可能遠(yuǎn)處，從而使降壓漏斗得到充分的擴(kuò)展，煤層氣的解析范圍得到擴(kuò)大，煤層氣的產(chǎn)量也會(huì)增加。雖然在每一級(jí)降壓過(guò)程中，不可避免的會(huì)造成裂隙、割理發(fā)生一定程度的閉合，但是由于降壓的幅度很小，割理、裂隙的閉合也很小，對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響也不會(huì)很大，單井的采收率也會(huì)得到提高。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）煤層氣井排采初期過(guò)快的排采速度會(huì)使井筒附近煤儲(chǔ)層的壓力迅速降低，與之對(duì)應(yīng)的是地應(yīng)力的快速升高，由于排采速度過(guò)快，煤層氣井的降壓漏斗得不到充分的擴(kuò)展，使煤層氣解析的范圍變小，同時(shí)，地應(yīng)力的升高對(duì)儲(chǔ)層造成了不可逆的傷害，加速了裂隙的閉合，降低了煤儲(chǔ)層的滲透率，雖然初期煤層氣井能夠在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)很高的產(chǎn)量，但氣源有限，不能持續(xù)高產(chǎn)，對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。

（2）地應(yīng)力與滲透率之間具有一定的相關(guān)性，煤儲(chǔ)層滲透率與地應(yīng)力的增加呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系降低，其實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力對(duì)滲透率的控制，這就為定量研究快速排采過(guò)程中地應(yīng)力與煤儲(chǔ)層滲透率之間的關(guān)系提供了理論依據(jù)。

（3）為解決快速排采過(guò)程中地應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率造成的傷害，確定合理的排采強(qiáng)度是關(guān)鍵，前人在詳細(xì)研究排采工藝以及排采過(guò)程中各排采參數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了排采定量以及排采強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬，分級(jí)降壓對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響最小，能夠使煤層氣井達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的產(chǎn)氣量。

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