蘇雪峰，劉巖，崔周旗，張建國，余麗，王楷

（1.中國石油煤層氣開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地，河北任丘 062552；2.中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院，河北任丘 062552；3.中國石油華北油田煤層氣事業(yè)部，河北任丘 062552；4.中國石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西晉城 048000）

0 引言

煤層氣降壓解吸主要經(jīng)歷流體壓力降至臨界解吸壓力之前的地層水單相流、吸附氣開始少量析出的氣-水兩相流、基質(zhì)與割理孔隙水基本排出后的氣相單相流3個(gè)排采階段[1-4]。根據(jù)對(duì)美國與澳大利亞等煤層氣主要開采國家的排水采氣方式調(diào)研，中—低階煤層的滲透率均較高[5-7]，降壓方式較為簡單，排采方式是以最快的速度將井筒水位抽到煤層以下并保持煤層持續(xù)暴露于水面之上。中國20世紀(jì)90年代開始煤層氣開發(fā)，渤海灣盆地冀中坳陷大城凸起中階煤發(fā)育區(qū)大參1井用上述排采方式進(jìn)行試采，獲得較高的初期產(chǎn)氣量，但產(chǎn)氣量快速衰減。研究認(rèn)為排水降壓速率過快，造成大量煤粉運(yùn)移堵塞產(chǎn)氣通道是導(dǎo)致該井產(chǎn)量快速衰減的主要原因[8]?；谶@個(gè)認(rèn)識(shí)，研究者們開始提出控壓慢速排采的理念[9-12]，即：①慢速排水降壓，盡量加大甲烷解吸之前壓降漏斗波及范圍，為解吸后氣源有效供給提供基礎(chǔ)；②控制采水強(qiáng)度，減少儲(chǔ)集層中煤粉運(yùn)移，緩解因煤粉堵塞孔隙而導(dǎo)致的滲透率下降現(xiàn)象。

華北油田2006年開始在山西沁水盆地高階煤發(fā)育區(qū)進(jìn)行大規(guī)模煤層氣勘探開發(fā)，一直采用控壓慢速排采的理念，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展深化了“五段三壓四點(diǎn)”排采控制方法[13-14]。該方法在樊莊區(qū)塊取得了較好的效果，但在沁南、夏店、鄭莊等區(qū)塊大規(guī)模開發(fā)中并未有效地提升產(chǎn)量、釋放產(chǎn)能。而采用快速降壓排采方式試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于地質(zhì)條件好的煤層氣區(qū)塊，快速降壓排采可以達(dá)到較好的產(chǎn)氣效果。

以上問題促使筆者對(duì)控壓慢速排采策略的必要性進(jìn)行深入思考?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多是針對(duì)儲(chǔ)集層滲透率變化模擬和煤粉運(yùn)移的探討[15-17]，關(guān)于排水降壓速率對(duì)產(chǎn)氣量影響方面的模擬實(shí)驗(yàn)幾乎是空白。本文設(shè)計(jì)了地層條件下煤巖降壓解吸模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)相同流體飽和順序（先飽和氣體進(jìn)行吸附，吸附平衡后進(jìn)行高壓注水）、不同降壓速率下的瞬時(shí)產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量進(jìn)行分析比較，考察降壓速率對(duì)高階煤解吸-滲流耦合過程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用法國生產(chǎn)的BRP-350氣液相滲儀，該設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)控10項(xiàng)參數(shù)，所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)均為計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集記錄、最小采集時(shí)間間隔為1 s。采用高精度壓力傳感器實(shí)時(shí)記錄夾持器兩端的壓力、壓差、圍壓、回壓、閾壓等；高精度濕式氣體流量計(jì)測(cè)量質(zhì)量流量計(jì)無法測(cè)量的微小氣量；采用長周期內(nèi)氣體平均流量計(jì)算滲透率，可對(duì)滲透率小于1.0×10-7μm2的樣品進(jìn)行精確測(cè)試。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 BRP-350氣液相滲儀測(cè)試裝置

為保證穩(wěn)定控制降壓速率，對(duì)回壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用充入高壓氣體的中間容器作為緩沖裝置，同時(shí)利用高精度驅(qū)替泵組（見圖2）進(jìn)行程序升壓、降壓，保證對(duì)回壓的精確控制，實(shí)現(xiàn)模擬排采降壓的過程。

圖2 用于控制降壓的精密驅(qū)替泵組

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品選自晉城大寧煤礦井下，挑選發(fā)育有較均勻割理的部位，沿水平層理制備成質(zhì)量為214.5 g、長度為78.58 mm、直徑為50 mm的圓柱形樣品。煤柱樣品在8 MPa圍壓下水測(cè)滲透率為0.001 8×10-3μm2。實(shí)驗(yàn)氣體為氦氣，圍壓保持在8 MPa，逐漸降低流壓，進(jìn)出口壓差基本保持在0.34 MPa左右，對(duì)空氣干燥基樣品進(jìn)行變流壓滲透率變化測(cè)試，得到滲透率隨有效應(yīng)力變化曲線（見圖3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氣測(cè)滲透率隨有效應(yīng)力的增加而逐漸降低，當(dāng)有效應(yīng)力增至6 MPa時(shí)，氣測(cè)滲透率基本穩(wěn)定在0.04×10-3μm2。

圖3 氣測(cè)滲透率隨有效應(yīng)力變化圖

在覆壓條件下對(duì)多塊次煤柱樣品進(jìn)行了滲透率測(cè)試，大多數(shù)樣品的滲透率值為（0.010～0.112）×10-3μm2（見表1）。鄭莊區(qū)塊78.9%的評(píng)價(jià)井試井解釋滲透率低于0.1×10-3μm2?？涤郎械萚18]提到沁水盆地柿莊區(qū)塊3號(hào)煤滲透率為（0.010～0.075）×10-3μm2，中國34%的煤巖滲透率低于0.1×10-3μm2。以上資料表明樣品的滲透率與柿莊、鄭莊區(qū)塊大多數(shù)測(cè)試資料較為接近，具有較好的代表性。

表1 沁水盆地南部煤柱樣品實(shí)測(cè)滲透率結(jié)果表

采取煤柱周邊樣品進(jìn)行鏡質(zhì)體反射率、等溫吸附、工業(yè)分析等基礎(chǔ)分析。晉城樊莊地區(qū)華固、華溪3號(hào)煤巖平均鏡質(zhì)體反射率為3.51%，鄭莊區(qū)塊39口評(píng)價(jià)井3號(hào)煤巖鏡質(zhì)體反射率為3.29%～3.98%，平均值為3.67%。本文樣品鏡質(zhì)體反射率為3.38%，與樊莊、鄭莊區(qū)塊演化程度一致。本文樣品的工業(yè)分析結(jié)果為：水分2.91%、灰分10.10%、揮發(fā)分6.73%、鏡質(zhì)體反射率3.38%，屬于典型的無煙煤范疇。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)置于25 ℃恒溫環(huán)境。夾持器圍壓保持在8 MPa，模擬500 m深度煤巖所受應(yīng)力。甲烷飽和壓力2.5 MPa，飽和時(shí)間超過7 d，待關(guān)閉氣源24 h內(nèi)壓力變化不超過0.007 MPa認(rèn)為飽和完成，模擬臨界解吸壓力。甲烷飽和完成后，進(jìn)行注水平衡，注水壓力5 MPa，此時(shí)出口端回壓閥壓力保持3.0 MPa，以保證吸附甲烷不解吸。模擬地層流體壓力下氣、水競(jìng)爭吸附，注水過程持續(xù)48 h以上，待出口見到水流出，表明系統(tǒng)中自由空間、煤巖裂隙等均已由水充填完成。實(shí)際注水量為20 mL，根據(jù)計(jì)算已超過煤巖中裂隙容積。結(jié)束注水平衡時(shí)間為出口見到水流出后12 h左右，系統(tǒng)完成地層條件氣、水飽和模擬重建。每個(gè)實(shí)驗(yàn)過程開始前均進(jìn)行相同的氣、水飽和操作，保證樣品初始條件盡量一致。

模擬地層排水降壓過程，逐漸降低出口回壓閥壓力，回壓通過精密驅(qū)替泵程序降壓，保證了回壓按照預(yù)定的幅度連續(xù)遞減，以模擬實(shí)際排采過程中由于井筒液面的逐漸降低而產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力下降，儀器自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)過程中氣體產(chǎn)出量及樣品兩端壓力變化，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)氣速率小于2 mL/h后結(jié)束實(shí)驗(yàn)?？紤]到模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的樣品比實(shí)際小，如降壓速率選取過低則整個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化過小。首先選取0.5 MPa/d的降壓速率進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)（實(shí)際生產(chǎn)區(qū)塊一般降壓速率在0.1 MPa/d左右），后續(xù)又進(jìn)行了0.3，1.0，3.0 MPa/d共3個(gè)降壓速率的實(shí)驗(yàn)過程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最終解吸率

對(duì)煤柱樣品周邊取樣進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃，與沁南地區(qū)主力區(qū)塊地層溫度一致，與整個(gè)排采模擬實(shí)驗(yàn)溫度也一致。得到平衡水條件下蘭氏體積為40.544 cm3/g，蘭氏壓力為4.561 MPa（見圖4）。據(jù)此推算煤巖在2.5 MPa時(shí)可以吸附甲烷量為14.2 cm3/g。4個(gè)降壓速率下的樣品最終解吸量均接近3 000 mL（見表2），解吸率均超過90%。說明無論降壓速率高低，只要解吸時(shí)間足夠長，煤巖中吸附的甲烷均能有效解吸出來。同時(shí)也說明煤柱樣品在前期甲烷飽和時(shí)已經(jīng)達(dá)到吸附平衡。

圖4 平衡水等溫吸附測(cè)試結(jié)果

表2 不同降壓速率下的最終解吸量

2.2 不同降壓速率下的產(chǎn)氣速率

不同降壓速率下甲烷產(chǎn)出量隨時(shí)間的變化顯示，解吸過程中甲烷產(chǎn)出曲線均有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之后甲烷產(chǎn)出速度大幅提升，出現(xiàn)一個(gè)快速解吸產(chǎn)氣的階段（見圖5）。拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間隨降壓速率的降低而延長，當(dāng)降壓速率為3.0 MPa/d時(shí)，拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間為48 h；當(dāng)降壓速率為1.0 MPa/d時(shí)，拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間為69 h；當(dāng)降壓速率為0.3 MPa/d時(shí)，拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間為138 h。對(duì)應(yīng)生產(chǎn)實(shí)踐，這個(gè)快速解吸拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間應(yīng)該就是氣井產(chǎn)氣量出現(xiàn)快速上升并達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)刻。

圖5 不同降壓速率下解吸氣量隨時(shí)間變化曲線

2.3 產(chǎn)氣量與煤柱前后端壓力的關(guān)系

將降壓解吸過程中煤柱前后端壓力與產(chǎn)氣曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)（見圖6），產(chǎn)氣量發(fā)生突變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)在煤柱進(jìn)口壓力（遠(yuǎn)端壓力）降至解吸壓力之下后。這是由于遠(yuǎn)端壓力降至臨界解吸壓力以下時(shí)，整個(gè)煤體已經(jīng)開始解吸產(chǎn)氣，割理系統(tǒng)中的殘余水飽和度較小、含氣飽和度較高，氣相滲透率快速提高，從而導(dǎo)致產(chǎn)氣速率開始快速提升?？焖俳馕A段均出現(xiàn)在樣品進(jìn)口（遠(yuǎn)端）壓力降至2.5 MPa飽和壓力之下后。不同降壓速率下，出現(xiàn)快速解吸節(jié)點(diǎn)時(shí)出口（近端）壓力卻相差很大（見圖6）。以上現(xiàn)象說明無論降壓速率高低，快速產(chǎn)氣階段始終出現(xiàn)在煤體開始整體產(chǎn)氣、裂隙中水被解吸氣基本驅(qū)替完全的時(shí)候。

2.4 不同降壓速率下的經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算，在2.5 MPa飽和壓力下煤體吸附甲烷理論值為3 046 mL，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到2 000 mL時(shí)解吸率接近三分之二，采用2 000 mL累計(jì)產(chǎn)氣量作為不同降壓速率下經(jīng)濟(jì)效益的考察基準(zhǔn)。不同降壓速率下的產(chǎn)氣曲線顯示（見圖6），累計(jì)產(chǎn)氣量超過2 000 mL以后，產(chǎn)氣速率均開始下降。

階段產(chǎn)氣量及時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（見表3），快速降壓達(dá)到快速產(chǎn)氣階段的時(shí)間比慢速降壓更早。3.0 MPa/d降壓速率下48 h開始快速產(chǎn)氣，而0.3 MPa/d降壓速率下138 h才開始快速產(chǎn)氣。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)出口端壓力都是從3.0 MPa降壓，如都從系統(tǒng)平衡壓力5.0 MPa左右開始降壓，則慢速降壓真正開始產(chǎn)氣的時(shí)間更要大大延長。

快速降壓總產(chǎn)氣量達(dá)到2 000 mL的時(shí)間也早于慢速降壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著降壓速率的降低，總產(chǎn)氣量達(dá)到2 000 mL的時(shí)間逐漸延長。3.0 MPa/d降壓速率下僅需要101 h，而0.3 MPa/d降壓速率下則需要240 h。表明快速降壓不僅達(dá)到高產(chǎn)的時(shí)間更短，總體解吸效率也將高于慢速降壓。

雖然快速降壓模式下解吸前期發(fā)生了一段時(shí)間的產(chǎn)氣停滯，但無論是煤塊壓力整體降到解吸壓力之下的時(shí)間，還是通道暢通后解吸到2 000 mL的時(shí)間，快速降壓都要短于慢速降壓，因此快速降壓排采從經(jīng)濟(jì)效益上來看，明顯好于慢速降壓排采。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與討論

3.1 快速解吸段解吸速率影響因素

從快速解吸開始后的產(chǎn)氣速率來看，快速降壓的樣品單位產(chǎn)氣率明顯高于慢速降壓樣品，分析認(rèn)為通道暢通后的兩端壓差（即滲流壓差）不同是造成這一現(xiàn)象的根本原因。3.0 MPa/d降壓速率下進(jìn)出口壓力變化曲線顯示，煤樣開始快速解吸后，近端壓力早已降至零，而遠(yuǎn)端壓力剛剛降到解吸壓力之下，最大滲流壓差可達(dá)2.2 MPa，單位產(chǎn)氣率高（見圖6f、圖6h）；1.0 MPa/d降壓速率下滲流壓差也可達(dá)2.2 MPa左右，單位產(chǎn)氣率較高（見圖6e、圖6g）；而0.3 MPa/d降壓速率下，由于壓力下降太過緩慢，當(dāng)遠(yuǎn)端壓力降至1.8 MPa時(shí)，近端壓力才降至1.3 MPa，這時(shí)雖然滲流通道已經(jīng)全部通暢，但由于樣品兩端滲流壓差只有0.5 MPa，產(chǎn)氣速率明顯低于前兩個(gè)降壓過程（見圖6a、圖6c）。

降壓速率分別為1.0 MPa/d和0.3 MPa/d時(shí)的滲流壓差與產(chǎn)氣速率變化曲線顯示（見圖7），產(chǎn)氣速率隨著滲流壓差的逐漸增大先逐漸降低后迅速升高，雖然滲流壓差最大時(shí)解吸速率并未同步達(dá)到最高，但快速解吸發(fā)生時(shí)，具有較高滲流壓差的產(chǎn)氣速率明顯高于低滲流壓差。隨著解吸時(shí)間的延長，解吸速率均呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。表明甲烷的解吸速率受滲流壓差影響較大，高滲流壓差有利于氣體快速解吸。

3.2 快速降壓前期產(chǎn)氣停滯原因分析

降壓速率為3.0 MPa/d時(shí)，降壓時(shí)間為24～48 h時(shí)產(chǎn)氣出現(xiàn)中斷并存在一個(gè)平臺(tái)（見圖6h），這一現(xiàn)象在其他幾個(gè)較慢的降壓過程中沒有出現(xiàn)，原因值得深入分析。

圖6 不同降壓速率下樣品兩端壓力與產(chǎn)氣量變化綜合對(duì)比圖

表3 不同降壓速率下的階段產(chǎn)氣量及時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

圖7 不同降壓速率下滲流壓差與產(chǎn)氣速率對(duì)比圖

以3.0 MPa/d降壓速率降壓24 h，出口端壓力已經(jīng)降至大氣壓，進(jìn)口端壓力為2.84 MPa，仍高于2.5 MPa的甲烷飽和壓力，說明此時(shí)煤柱進(jìn)口端（解吸遠(yuǎn)端）還沒有開始解吸，發(fā)生解吸的界面仍停留在煤柱內(nèi)部，產(chǎn)氣量達(dá)233.7 mL，遠(yuǎn)高于其他較慢解吸過程。降壓48 h時(shí)產(chǎn)氣緩慢段結(jié)束，出口端壓力仍為大氣壓，進(jìn)口端壓力降至2.25 MPa，低于飽和壓力，說明此刻煤柱中解吸界面已傳導(dǎo)到最遠(yuǎn)端。

1.0 MPa/d降壓速率下的進(jìn)出口壓力變化曲線顯示（見圖6e），解吸界面?zhèn)鲗?dǎo)時(shí)間與降壓速度基本匹配，出口端壓力降至大氣壓用時(shí)72 h，降壓69 h左右進(jìn)口端壓力降至2.25 MPa。如果將2.5 MPa作為解吸壓力，1.0 MPa/d和3.0 MPa/d降壓速率下的解吸界面?zhèn)鲗?dǎo)時(shí)間分別為57 h和44 h。

前期產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表顯示（見表4），3.0 MPa/d降壓速率下，降壓24～48 h階段產(chǎn)氣量為17.3 mL，高于其他降壓過程該階段的產(chǎn)氣量。由于降壓48 h后進(jìn)入快速解吸段，降壓72 h的產(chǎn)氣量已經(jīng)達(dá)到1 221 mL；而1.0 MPa/d降壓速率下降壓72 h剛剛進(jìn)入快速解吸模式不久，產(chǎn)氣量只有155 mL，實(shí)際降壓69 h產(chǎn)氣量僅有60 mL。

表4 不同降壓速率下的前期階段產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)表

以上分析認(rèn)為，解吸界面?zhèn)鲗?dǎo)階段煤巖產(chǎn)氣量很少，壓降主要消耗在裂隙水的滲流產(chǎn)出上。1.0 MPa/d降壓速率降壓模式下的壓降速度與解吸界面?zhèn)鲗?dǎo)速度匹配，裂隙水持續(xù)產(chǎn)出，煤基質(zhì)中吸附氣受裂隙水抑制，難以解吸，因此整個(gè)降壓時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)氣量極少。而3.0 MPa/d降壓速率快速降壓模式下，樣品出口端壓降速率大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于解吸界面的傳導(dǎo)速率，與裂隙水的滲流產(chǎn)出速度不匹配，致使煤柱前端出現(xiàn)部分裂隙被解吸氣充填，打開了部分解吸通道，煤柱前端氣體部分解吸；當(dāng)出口端壓力降至大氣壓，中、后端煤巖由于還沒有開始解吸，其裂隙中的水仍未排出，隨著解吸界面后端的水向已降壓前端推移，煤柱前端裂隙空間再次被水充填，滲流通道被堵塞，氣相滲透率快速下降，這時(shí)便產(chǎn)生了產(chǎn)氣中斷，隨著中后端煤巖中的水逐漸排出，遠(yuǎn)端煤巖壓力下降至解吸壓力，滲流通道再次打開，煤巖開始快速解吸。

0.3 MPa/d降壓速率降壓模式下，裂隙水有充分的滲流時(shí)間，因此其壓力傳導(dǎo)界面得以順利向遠(yuǎn)端移動(dòng)，在出口壓降不大的時(shí)候就使整個(gè)煤體進(jìn)入整體解吸。這種模式下，產(chǎn)氣雖然不會(huì)出現(xiàn)快速遞減，但快速解吸段出現(xiàn)之前產(chǎn)氣量僅為150.5 mL，整體降壓時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于快速降壓。

3.3 關(guān)于慢速降壓提高煤層氣產(chǎn)量的討論

中國學(xué)者普遍認(rèn)為煤層氣排采應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“緩慢、長期、持續(xù)、穩(wěn)定”的原則。趙群等[9]通過數(shù)值模擬研究認(rèn)為山西寧武盆地某井產(chǎn)氣量陡降的原因是排水降壓速度過快?？涤郎械萚19]基于數(shù)值模擬研究提出逐級(jí)慢速降壓可以得到更大的波及體積。李金海等[10]認(rèn)為焦作礦區(qū)某井后期產(chǎn)氣量快速降為零的原因主要是降壓速率過快造成裂縫過早閉合。后續(xù)多數(shù)文獻(xiàn)均基于這些認(rèn)識(shí)對(duì)不同地區(qū)的煤巖應(yīng)力敏感性進(jìn)行探討，均認(rèn)為快速降壓會(huì)導(dǎo)致井筒周邊煤巖滲透率快速下降，進(jìn)而造成產(chǎn)氣量下降。

上述理論模型計(jì)算及分析忽略了慢速降壓帶來的排采降壓時(shí)間延長所造成的影響，雖然慢速降壓排采后得到了更大的波及體積，但并不意味著可以獲得更高的平均日產(chǎn)氣量，特別是將全部的排采降壓時(shí)間都計(jì)算在內(nèi)的情況下；同時(shí)，理論模型計(jì)算基于壓降漏斗以井筒為圓點(diǎn)放射性向四周擴(kuò)散的井筒模型，而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，煤層氣井均需要進(jìn)行壓裂，壓裂后的滲流模型與理論模型完全不同，模擬計(jì)算結(jié)果會(huì)有偏差。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，造成煤層氣井前期產(chǎn)氣量快速下降的原因有很多。根據(jù)對(duì)沁水盆地南部區(qū)塊煤層氣開發(fā)井資料分析認(rèn)為，由于煤粉產(chǎn)出堵塞排采設(shè)備而造成頻繁停泵，致使排采不連續(xù)是最重要的影響因素，而排水期的降壓速率高低造成的影響則不明確。李金海等[10]認(rèn)為焦作礦區(qū)X-1井排采時(shí)液面快速降至煤層底板，由于多次停泵導(dǎo)致液面在煤層上下來回波動(dòng)，產(chǎn)氣量由500 m3/d下降至300 m3/d時(shí)伴隨有煤粉吐出，說明煤粉已經(jīng)在滲流通道中運(yùn)移，停泵會(huì)造成儲(chǔ)集層傷害而導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降。趙群等[9]研究認(rèn)為寧武盆地某井由初期高峰產(chǎn)氣量3 112 m3/d很快降低至1 000 m3/d的原因是液面下降速度過快造成波及面積小而供氣不足，排采曲線顯示后期雖然氣產(chǎn)量大幅下降，但水產(chǎn)量一直保持150 m3/d左右的高值，井底流壓變化較小，說明儲(chǔ)集層滲流通道一直暢通，滲透率沒有顯著降低。說明前期的快速排水降壓并沒有對(duì)煤層造成顯著傷害。

快速降壓與慢速降壓相比，對(duì)煤巖的滲透率傷害沒有明顯增大。雖然快速降壓模式下煤基質(zhì)所受有效應(yīng)力快速增大，相同時(shí)間內(nèi)滲透率降幅比慢速降壓要大；但當(dāng)降壓幅度達(dá)到一致時(shí)，其滲透率基本一致。許小凱[20]利用5塊煤巖進(jìn)行降壓強(qiáng)度對(duì)滲透率影響模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，降壓強(qiáng)度的不同對(duì)煤巖整體滲透率的傷害程度有限。高彩霞等[21]對(duì)沁水盆地高階煤的應(yīng)力敏感性系列實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，高階煤在未遭受應(yīng)力破壞之前，滲透率雖然隨應(yīng)力增大而急劇下降，但應(yīng)力釋放后滲透率基本能夠恢復(fù)。

本文模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示快速降壓排采有利于盡快獲得產(chǎn)氣高峰，總體經(jīng)濟(jì)效益好于慢速降壓排采。受限于實(shí)驗(yàn)對(duì)象的代表性及樣品量較少，尚無法完全證明其普遍適用性。

4 實(shí)例應(yīng)用

華北油田在沁水盆地南部樊莊區(qū)塊和鄭莊區(qū)塊進(jìn)行煤層氣商業(yè)化開發(fā)，其中，樊莊區(qū)塊于2006年投入開發(fā)，主力煤層為山西組3號(hào)煤層，主要包括樊莊、成莊、鄭村等3個(gè)井區(qū)；鄭莊區(qū)塊于2011年投入開發(fā)，主力煤層為山西組3號(hào)煤層。截至2017年底，樊莊區(qū)塊共完鉆直井1 162口，建產(chǎn)規(guī)模為7.70×108m3/a；鄭莊區(qū)塊完鉆直井1 135口，建產(chǎn)規(guī)模為7.87×108m3/a。

生產(chǎn)中將煤層氣井開始排水降壓至井筒出現(xiàn)套壓這段時(shí)間稱為見氣時(shí)間，降壓開始直到氣井產(chǎn)量達(dá)到預(yù)期產(chǎn)量的時(shí)間稱為達(dá)產(chǎn)時(shí)間。降壓速度的快慢對(duì)見氣時(shí)間、達(dá)產(chǎn)時(shí)間均有直接的影響。

樊莊區(qū)塊煤層氣井的大規(guī)模開發(fā)至今已歷時(shí)12年。前期采用長期緩慢排采降壓的策略，2006—2011年投產(chǎn)的6批次直井[22]見氣前純排水時(shí)間平均為103 d，實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到高峰時(shí)間為6～18個(gè)月，平均為12個(gè)月左右；2016—2018年樊莊老區(qū)年產(chǎn)3×108m3穩(wěn)產(chǎn)調(diào)整井排采時(shí)采用了快速降壓策略，在見氣后采用低恒套壓的管控方式，排采見氣前的排采時(shí)間減為1個(gè)月左右，同時(shí)從投產(chǎn)到產(chǎn)量達(dá)到1 000 m3所需時(shí)間為5個(gè)月左右（見表5）。

表5 不同降壓策略下煤層氣井生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

與樊莊區(qū)塊類似，鄰近的鄭莊區(qū)塊也采用了不同的排采策略。2012—2013年采用長期緩慢的排水降壓策略，見氣前平均排采時(shí)間為133 d，大部分井產(chǎn)氣效果不佳，平均單井產(chǎn)氣量僅為500 m3/d。2017—2018年后續(xù)投產(chǎn)的49口試驗(yàn)井采用了快速降壓策略，排采見氣時(shí)間縮短為2個(gè)月，大大提高降壓速度的同時(shí)，平均單井產(chǎn)氣量突破2 600 m3/d，取得了提產(chǎn)速度快、達(dá)產(chǎn)時(shí)間短、穩(wěn)產(chǎn)氣量高的效果（見圖8）。

圖8 鄭4-11-1井生產(chǎn)曲線

上述兩個(gè)區(qū)塊的生產(chǎn)實(shí)踐表明，慢速降壓策略并不能提高地質(zhì)條件較差地區(qū)煤層氣井的產(chǎn)氣量，而快速排水降壓策略可以顯著提高煤層氣的生產(chǎn)效果。因此煤層氣井“緩慢、長期”排采降壓的原則是值得商榷的。

5 結(jié)論

排采模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐表明，無論排水降壓速率高低，高階煤的吸附氣均能有效解吸，甲烷最終解吸率均較高，產(chǎn)氣速率均在煤整體解吸后得到大幅提升。不同降壓速率下甲烷產(chǎn)出曲線均有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后甲烷產(chǎn)出速度大幅提升?？焖佼a(chǎn)氣階段發(fā)生在煤體整體解吸之后，產(chǎn)氣速率受當(dāng)時(shí)煤體兩端壓差控制。甲烷的解吸-流動(dòng)耦合速率受壓差的影響較大，高滲流壓差有利于氣體的快速解吸。無論是煤塊整體降到解吸壓力之下的時(shí)間，還是大部分吸附氣（約占66%）解吸出來的總時(shí)間，快速降壓都要短于慢速降壓，因此從經(jīng)濟(jì)效益上來看，快速降壓排采策略好于慢速降壓。