朱蘇陽，李傳亮，杜志敏，李澤沛，彭小龍（西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610599）

煤層氣開采過程中的逸散

朱蘇陽，李傳亮，杜志敏，李澤沛，彭小龍
（西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610599）

分析煤層氣的賦存方式、成藏過程以及開采過程中的逸散問題，通過定義逸散速度比與逸散距離比，提出了判斷煤層氣在開采過程中是否發(fā)生逸散的條件，模擬計算了開采過程中的煤層氣逸散量及其分布情況，同時研究了圍巖滲透率、煤層的初始含氣量以及氣井產量對煤層氣逸散量的影響。若煤層氣逸散距離比大于逸散速度比的最大值，則可以認為煤層氣無法發(fā)生逸散。實例計算表明，距離井筒越遠越容易發(fā)生逸散；開采過程中煤層氣的逸散可以損失10%～15%儲量，超過占儲量10%的煤層氣是在開采初期逸散的。高含氣量和低含氣量的煤層氣在開采過程中的逸散量較少，而中等含氣量的煤層氣逸散較多。減少開采過程中煤層氣逸散量的關鍵是在煤層中快速建立生產壓差，實現開發(fā)初期的快速生產。

煤層氣；賦存方式；液相吸附；逸散條件；逸散速度比；逸散距離比

煤層氣的逸散指煤層氣以游離或溶解態(tài)從煤層中逸散到圍巖的現象。雖然大多數煤層氣藏呈欠飽和吸附狀態(tài)［1-5］，煤層中沒有游離氣，但煤巖的生烴量遠大于其保存量，大部分煤層氣發(fā)生了逸散［6-10］。而煤礦開采過程中發(fā)現，原本不含氣的圍巖在采煤過程中出現了一定的含氣現象［11-12］。由于煤層本身并不具備游離氣的圈閉條件，煤層氣在開采過程中同樣會發(fā)生逸散。本文通過煤層氣的賦存方式以及開采過程中的逸散，提出了判斷發(fā)生逸散的條件，模擬計算了煤層氣開采過程中的逸散量，并研究了煤層氣逸散量的影響因素。

1　煤層氣的圈閉

常規(guī)氣藏的圈閉由儲集層、蓋層以及遮擋條件構成。由于蓋層比儲集層更致密，孔喉半徑更小，因而具有更大的毛細管壓力。游離氣由于蓋層的毛細管壓力封閉作用而被保存在儲集層內。

煤層是由裂縫系統與基質系統組成的雙重介質儲集層，但多數煤層構造比較平緩，也沒有明顯的遮擋條件（圖1a）。生產動態(tài)與實驗研究表明，在初始狀態(tài)下，大多數煤層氣藏并不存在游離氣，所有氣體均處于吸附狀態(tài)，氣藏中也不存在氣水界面［13-16］。因此煤層氣需要經歷排水降壓才能解吸產氣。煤層氣在儲集層原始條件下以液相吸附的形式賦存于煤層中［17-20］。

液相吸附理論中，煤層氣在水的作用下吸附在固體壁上，形成單分子吸附層，水中溶解少量的氣體分子（圖1b）。吸附層中的甲烷與水中溶解的甲烷達到動態(tài)平衡，滿足液相Langmuir方程，即

圖1　煤層氣的圈閉及賦存形式

煤層氣的液相吸附量與水相壓力沒有直接的關系，而與水中的煤層氣的體積分數有關。煤層氣的體積分數即煤層氣在水中的體積，煤層氣在水中呈欠飽和狀態(tài)，體積分數的最大值為煤層氣在水中的溶解度，其與壓力的關系大致滿足

煤層氣是吸附于儲集層的吸附氣，只需要儲集層具有一定壓力即可，成藏并不依賴蓋層的發(fā)育。同時煤層本身非常致密，基質孔隙的尺寸大多為納米級別［21-23］，若要封蓋煤層中的游離氣，則需要更為致密的巖層；多數煤層的構造比較平緩，也難以形成較好的遮擋條件，因此煤層及其圍巖很難形成游離氣圈閉。

2　成藏過程中的逸散

煤層在經歷多期構造運動后，埋深發(fā)生變化，隨著溫度的變化進入不同的演化階段［24-25］。對煤層演化階段的研究認為，煤層在演化的過程中生成了大量的烴類氣體，大部分煤層的累計生烴量為100～280 m3/t，而煤層氣的保存量則只有5～30 m3/t［26-31］。

煤層的生烴量遠遠大于其保存量，這說明大部分煤層氣在成藏過程中由于構造運動發(fā)生了逸散。目前大多數煤層氣藏中只保留了吸附氣，而沒有游離氣。沁水盆地3號煤層存在致密的泥巖頂板，在初始條件下同樣不存在游離氣，但泥質頂板越厚，則煤層含氣量越高［32-34］。因此，致密頂板雖然難以封蓋游離氣，但可以延緩吸附氣以溶解態(tài)逸散的速度，對成藏后煤層氣的保存有重要作用。

根據煤層氣的成藏結果可知，煤層及其圍巖并不能構成游離氣圈閉，而只能形成吸附氣圈閉。因此，煤層并不能圈閉游離氣。

3　開采過程中的逸散

開采過程中的逸散主要指煤層氣以游離態(tài)的逸散。而煤層氣必須由吸附態(tài)解吸，形成游離氣才能開采［35］，因此解吸形成的游離氣就可能在流向井筒的過程中發(fā)生逸散。假設煤層氣在距離煤層頂板h與距離井筒r的A點解吸（圖2），在滲流過程中，煤層氣受到浮力的作用，具有垂向的速度vv；受到生產壓差的作用，具有水平方向的速度vh.煤層氣是否發(fā)生逸散，不僅與煤層氣的滲流速度有關，而且與其所在位置有關。

圖2　開采過程中的煤層氣逸散

假設氣井只射開煤層，壓裂縫不穿透煤層頂板。煤層氣流動至井筒時，若氣體沿路徑1或路徑2在煤層中運移，則煤層氣無法逸散（圖2）。若氣體沿路徑3流動，即尚未到達井筒就離開煤層，則認為煤層氣發(fā)生了逸散。煤層氣在垂直方向與水平方向的流動服從Darcy方程

不同方向的流動具有不同的壓力梯度。垂直方向的壓力梯度由浮力產生，可以表示為

則垂直方向上的速度vv可以表示為

垂直方向上的速度與煤層氣所處的位置無關，與煤層氣在裂縫中的飽和度有關。

水平方向上的壓力梯度由生產壓差決定，可以表示為

則水平方向的速度vh可以表示為

煤層氣的滲流速度不僅與飽和度有關，而且與流動半徑r有關。

定義逸散速度比為氣體在煤層中垂向與水平方向的速度比，逸散速度比越大，則煤層氣垂向上的逸散速度越大，煤層氣越容易從煤層中逸散。逸散速度比的計算式為

逸散速度比本身并不能決定煤層氣是否發(fā)生逸散。這是因為煤層氣的逸散不僅與氣體的滲流速度有關，還與氣體所在位置有關。定義逸散距離比為煤層氣所在位置距煤層頂部距離與距井筒距離的比值。逸散距離比越小，則煤層垂向厚度越小，煤層氣越容易從煤層中逸散。逸散距離比的計算式為

煤層氣的逸散速度比與逸散距離比是共同決定煤層氣是否發(fā)生逸散的物理量，若Mmax＜λ，則可以認為煤層氣無法發(fā)生逸散。假設氣井產量為1.4× 104cm3/s（約1 200 m3/d），煤層厚度為5 m，流體性質如文獻［36］，絕對滲透率為1 mD，相對滲透率由文獻［37］提供。繪制不同含水飽和度的逸散速度比與距煤層頂板為1 m，2 m和3 m的3條逸散距離比的半對數曲線（圖3）。

圖3　不同含水飽和度下距井筒距離與煤層氣逸散速度比和逸散距離比的關系

根據逸散速度比與逸散距離比變化可知（圖3），近井筒帶由于生產壓差較大，煤層氣逸散的難度較大，煤層氣在煤層頂部發(fā)生逸散的可能性更大。圖3中距井筒50 m以外的煤層氣在流動過程中均會發(fā)生逸散。

4　實例驗證與計算

根據沁水盆地YZ井組與TS井組生產動態(tài)可知，YZ井組井均產量600～800 m3/d，TS井組井均產量400～600 m3/d，同時YZ井組的生產情況明顯好于TS井組。統計2個井組中生產一段時間后，由于工程因素停產之后又開井生產的井數，停產后開井產氣延遲的井數，以及YZ井組中，停產后開井的最大產氣量。

當氣井因工程因素關井時，如果煤層有游離氣蓋層和遮擋物時，那么裂縫中的游離氣就不會逸散，短時間內恢復生產，氣井在開井后應立即見氣。反之，裂縫中的游離氣就會逸散，開井后需要經歷一個解吸的過程才能產氣，因此產氣會有一定的延遲。根據統計情況，YZ井組有9口井由于工程因素關井后開井，其中6口井出現了延遲；而TS井組停產后開井的8口井全部出現了延遲。這說明TS井組所在的煤層上覆圍巖對游離氣的封蓋能力較差，裂縫中的游離氣發(fā)生了逸散。同時YZ井組9口井中另外3口井，停產后開井均獲得了1 000 m3/d以上的高產。這是因為YZ井組所在的煤層上覆圍巖對游離氣有一定封蓋能力，裂縫中的游離氣并沒有逸散而是一部分被圈閉在煤層中，使得部分氣井停產后開井立即見氣，并獲得高產。因此，YZ井組和TS井組的生產動態(tài)可以間接驗證煤層氣開采過程中的逸散問題，而煤礦開采過程中發(fā)現原本不含氣的圍巖在采煤過程中出現了一定的含氣表征，則可以直接驗證煤層氣開采過程中的逸散問題。

為計算煤層氣的逸散量及其分布，以沁水盆地YZ井組地質資料為依據，建立均質煤層與圍巖的地質模型，基礎參數見表1.模型中，圍巖與煤層直接接觸，且圍巖不能封蓋煤層中的游離氣，模擬位于煤層中部、井距為300 m的2口井15 a內的生產過程。

表1　地質模型基礎參數

逸散比例為煤層氣的逸散量占總儲量的比例。通過計算煤層頂板的含氣量可以得到煤層氣在開采過程中的逸散量，進而得到煤層氣的逸散比例。根據不同時間段的逸散比例（圖4a）可知，煤層氣的逸散主要發(fā)生于開發(fā)早期，超過70%的逸散發(fā)生于前3年；而中后期的逸散量有所增長，但總體變化不大。

根據圍巖中部（距頂面40～60 m）不同時間逸散量的分布（圖4b）可知，近井筒帶的逸散小于遠井筒帶的逸散，這與逸散條件判斷的結果一致。逸散的氣體由于浮力作用不斷向上運移，因此煤層的含氣量隨時間不斷降低。在沒有蓋層的條件下，開采過程中煤層氣的逸散可以導致煤層氣的損失占儲量10%～15%，其中占儲量10%的煤層氣是在開采初期損失的。

5　逸散量的影響因素

為研究開采過程中煤層氣逸散的影響因素，在上述地質模型的基礎上，根據（7）式的關系設置圍巖與煤層的滲透率比、煤層的初始含氣量和煤層氣井的最大產氣量3個變量。模擬2口井生產15 a內不同變量對煤層氣逸散量的影響。

圖4　煤層氣的逸散量計算

（1）圍巖與煤層的滲透率比模擬圍巖與煤層滲透率比（Kt/Kc）為1，2，4，6，8和10的開采過程中煤層氣逸散量。根據逸散比例與滲透率比的關系（圖5a）可知，逸散比例隨滲透率比增大而增大。這是由于圍巖的滲透率越高，逸散出的煤層氣在圍巖中運移的阻力越小，因而逸散速度越快。同時，當滲透率比為4時，煤層氣的逸散比例明顯增加；在滲透率比大于或小于4時，逸散比例變化緩慢。因此可以通過研究圍巖與煤層的滲透率比來大致估計開采過程中的煤層氣逸散程度。

（2）煤層的初始含氣量模擬煤層氣初始含量為13m3/m3，16m3/m3，19m3/m3，22 m3/m3和25 m3/m3的開采過程中煤層氣逸散量。根據初始含氣量與逸散比例的關系（圖5b）可知，當含氣量大于19 m3/m3（煤層的初始含氣飽和度為76%）時，初始含氣量越高，逸散比例越??；而含氣量小于19 m3/m3時，初始含氣量越小，逸散比例越小。因此高含氣量與低含氣量的煤層氣開采過程中發(fā)生逸散的程度較?。欢械群瑲饬浚ǔ跏己瑲怙柡投葹?0%～80%）的煤層氣開采過程中的逸散量較大，在計算采收率時需要校正。

（3）煤層氣井的最大產氣量模擬2口井的最大產氣量分別為960 m3/d，1 280 m3/d，1 520 m3/d，1 720 m3/d 和1 920 m3/d時開采過程中煤層氣逸散量。根據氣井最大產氣量對逸散比例的影響（圖5c）可知，逸散比例隨最大產氣量的增大而減小。氣井的產量越大，則煤層中生產壓差越大，煤層氣的逸散速度比越小，煤層氣的逸散難度增大，逸散量減小。

圖5　煤層氣逸散量的影響因素

煤層氣的逸散大多是在開發(fā)初期。這是因為開采初期，煤層氣處于上產階段，煤層中尚未建立有效的生產壓差，逸散速度比較大，解吸出的煤層氣更容易逸散。因此，減少開采過程中煤層氣逸散的關鍵是在煤層中快速建立有效的生產壓差，提高氣井產量，在開發(fā)初期快速生產。

6　結論

（1）大多數煤層是吸附氣的圈閉，而不是游離氣的圈閉。初始狀態(tài)下不存在游離氣的煤層，在開采過程中就會發(fā)生煤層氣的逸散。

（2）煤層氣的逸散速度比與逸散距離比是決定煤層氣是否發(fā)生逸散的物理量，若最大逸散速度比小于逸散距離比，則可以認為煤層氣無法發(fā)生逸散，距離井筒越遠越容易發(fā)生逸散。

（3）煤層氣逸散主要發(fā)生于開發(fā)早期，開采過程中煤層氣的逸散可以導致10%～15%的儲量損失，同時超過10%的煤層氣儲量是在開采初期逸散的。

（4）高含氣量和低含氣量的煤層開采過程中發(fā)生逸散的逸散量較少；而中等含氣量的煤層氣逸散較多，在計算采收率時需要校正。

（5）氣井產量越大則逸散量越少，減少開采過程中煤層氣逸散量的關鍵是在煤層中快速建立有效的生產壓差，在煤層氣藏的開發(fā)初期實現快速生產。

符號注釋

a——甲烷液相吸附系數，無因次；

cm——地層水中甲烷的體積濃度，m3/m3；

cms——甲烷在水中的溶解度，m3/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h——煤層氣距煤層頂部的距離，m；

hc——煤層的厚度，m；

Ka——絕對滲透率，D；

Kg——氣相滲透率，D；

Krg（Sw）——氣相的相對滲透率，f；

M——逸散速度比，f；

Mmax——最大逸散速度比，f；

p——氣藏的壓力，MPa；

Δp/ΔL——氣體的壓力梯度，MPa/m；

qg——氣體的產量，cm3/s；

r——流動半徑，m；

Sw——含水飽和度，%；

Vad——液相吸附量，m3/m3；

Vadm——最大液相吸附量，m3/m3；

v——氣體的滲流速度，m/ks；

vh——氣體在水平方向的滲流速度，μm/s；

vv——氣體在垂直方向的滲流速度，μm/s；

α——甲烷的溶解系數，m3/（m3·MPa）；

λ——逸散距離比，f；

μg——氣體的黏度，mPa·s；

ρg——氣體的密度，g/cm3；

ρw——煤層水密度，g/cm3.

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（編輯曹元婷）

Escaping Loss of Coal-Bed Methane during Production

ZHU Suyang，LI Chuanliang，DU Zhimin，LI Zepei，PENG Xiaolong
（State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

This paper analyzes coal-bed methane（CBM）preservation，accumulation and the escaping loss during production，presents several factors to identify coalbed methane escaping loss by defining 2 parameters-escaping velocity ratio and escaping distance ratio.Then the escaping loss volume and distribution of CBM escaping are calculated by simulation.Meanwhile，the impact of surrounding rock permeability，initial entrapped gas volume in coal beds and gas production on CBM escaping loss volume are studied.If CBM escaping distance ratio is larger than the maximum CBM escaping velocity ratio，it is considered that CBM will not escape from coal beds.Case calculation shows that the escaping loss is likely to occur in the areas far from wellbores and 10%～15%of CBM reserves will be lost during production，and more than 10%of CBM reserves escapes during the early production stage.Relative low loss commonly occurs in the coal-beds with high and low CBM content，however，the coal-beds with intermediate CBM content may suffer relative high losses.Therefore，the key to reducing CBM escaping loss is to establish producing pressure-drop quick ly in coal beds to realize rapid production at the early stage.

coalbed methane；preservation；liquid-phase adsorption；escaping condition；escaping velocity ratio；escaping distance ratio

TE311

A

1001-3873（2016）03-0321-06

10.7657/XJPG20160315

2015-11-13

2016-02-03

國家自然科學基金（51174169）；國家科技重大專項（2011ZX05060）

朱蘇陽（1989-），男，江蘇如皋人，博士研究生，油藏工程，（Tel）15828512977（E-mail）zhusuyang1989@aliyun.com