肖宇航,朱慶忠,楊延輝,劉 忠,魯秀芹,呂帥鋒,周秋成,張 晨,王 剛，王玉婷

(1.中國石油華北油田公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552；2.中國石油天然氣集團公司 煤層氣開采先導試驗基地，河北 任丘 062552；3.中國地質(zhì)大學(武漢) 資源學院，湖北 武漢 430000)

鄭莊區(qū)塊作為國內(nèi)較早規(guī)模開發(fā)高階煤煤層氣區(qū)塊，其內(nèi)部至今已投產(chǎn)不同增產(chǎn)開發(fā)工藝煤層氣井上千口。但因區(qū)內(nèi)目標煤儲層制約煤層氣產(chǎn)出主控因素一直不甚明確，開發(fā)增產(chǎn)改造工藝目標模糊，針對性不強，導致低效井數(shù)占總井數(shù)比例高，嚴重影響整體開發(fā)收益[1-4]。

針對該科學問題，雖然眾學者已從多個角度開展了大量研究工作。如：魏建平、唐巨鵬、孫培德[5-9]等以煤樣三軸力學實驗為基礎(chǔ)，分析地應力及流體壓力對煤巖滲透率以及煤層氣解吸影響，發(fā)現(xiàn)一定參數(shù)區(qū)間內(nèi)，地應力與滲透率負相關(guān)，儲層流壓與解吸時間及解吸量正相關(guān)。周剛、宋黨育、王剛[10-13]等利用X射線三維CT掃描和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，對毫米級煤樣內(nèi)孔-裂隙結(jié)構(gòu)進行表征，指出顯微裂隙的數(shù)量和分布對煤巖內(nèi)部離散孔隙連通有重要影響。趙賢正等[14]基于煤巖心測試和煤層氣井開發(fā)資料統(tǒng)計，建立單位長度顯微裂隙寬度與氣井峰值日產(chǎn)氣量關(guān)系模板，提出顯微裂隙發(fā)育程度是煤層氣井獲得高產(chǎn)重要條件。楊棟、彭永偉[15-16]等通過對比不同尺寸煤樣室內(nèi)應力-滲流模擬試驗，發(fā)現(xiàn)煤樣間存在“尺寸效應”，認為大尺寸巖樣包含信息更多，對地下工程巖體代表性更強。于是，王生維、陳立超[17-19]等選擇煤礦井下巷道壁面直接觀測方式，從宏觀角度認識煤儲層，解剖、測繪巷道壁面肉眼各類可見裂隙，發(fā)現(xiàn)天然裂隙分布受煤巖組分影響，裂隙密集發(fā)育帶之間連通程度差，主壓裂裂縫長度影響單井生產(chǎn)控制范圍?？涤郎?、徐文軍[20-23]等通過統(tǒng)計多個區(qū)塊煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)塊不同位置單井產(chǎn)出特征差異大，產(chǎn)水與產(chǎn)氣相關(guān)性不明顯，高、低產(chǎn)水都存在對應高產(chǎn)氣井。

但所獲成果與認識對現(xiàn)階段煤層氣開發(fā)和生產(chǎn)推動作用有限。一方面，新部署煤層氣井產(chǎn)量不可預測性強；另一方面，在運用其分析問題時，也時常無法自洽，存在特殊井，如：大埋深低產(chǎn)區(qū)中個別高產(chǎn)井，與臨近相同開發(fā)工藝煤層氣井產(chǎn)出特征迥異氣井等。有鑒于此，筆者認為前人所做研究工作多從煤儲層開發(fā)物質(zhì)基礎(chǔ)出發(fā)，未充分考慮地下煤儲層賦存能量對煤層氣開發(fā)影響。因此，筆者嘗試從能量平衡與轉(zhuǎn)化角度出發(fā)，將煤儲層視作熱力學系統(tǒng)，在明確氣、液、固三相物質(zhì)所承載能量類別和形式基礎(chǔ)上，綜合分析煤層氣開發(fā)全過程中各相態(tài)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換與變化及能量變化后物質(zhì)狀態(tài)改變。并于鄭莊區(qū)內(nèi)選定地質(zhì)條件相似但能量特征不同相鄰4個煤層氣井組，結(jié)合其產(chǎn)出特征深入探討煤儲層能量對煤層氣開發(fā)影響。以期為煤儲層開發(fā)單元劃分與評價，增產(chǎn)開發(fā)工藝選擇和優(yōu)化，主控因素分析，提供理論依據(jù)和方向。

1 研究目標區(qū)概況

鄭莊區(qū)塊地處沁水盆地東南部NNW傾向單斜構(gòu)造相對低部位一端，其北部與盆地軸部相接，東部及南部以寺頭斷層為邊界，西部無構(gòu)造形跡邊界。區(qū)內(nèi)東南部垂直寺頭斷層走向上，依次發(fā)育后城腰斷層和鄭莊斷層。目標煤儲層(3號煤)全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，平均厚度約5.7 m；受多期次地質(zhì)構(gòu)造作用影響，其局部位置與不同含水層或弱透水層之間存在一定程度水力聯(lián)系與溝通[24-26]。3號煤儲層形成于三角洲平原亞相；其煤儲層鏡質(zhì)組反射率介于3.2%～4.0%，孔隙度介于3.4%～6.5%，試井滲透率介于0.01×10-15～0.15×10-15m2；主體海拔介于-200～540 m，除北部邊緣外，埋深整體介于500～900 m(圖1)。

圖1 鄭莊區(qū)塊區(qū)域地質(zhì)特征概況Fig.1 General geological characteristics of Zhengzhuang Block

區(qū)內(nèi)以ZS19井為中心井組位于西部寬緩斜坡中部；分別以ZS80井、ZS27井為中心井組位于中西部平緩構(gòu)造轉(zhuǎn)折端處；以ZS31井為中心井組位于中部短軸背斜頂部。中心參數(shù)井周邊煤儲層產(chǎn)狀與構(gòu)造形貌平緩，未發(fā)生急劇變化；自西向東，兩兩間直線距離依次為：4.6，4.5，4.8 km，海拔高度介于150～180 m。

2 煤儲層中不同相態(tài)物質(zhì)能量

2.1 煤巖基塊彈性勢能

受外力作用發(fā)生彈性形變物體，內(nèi)部組分間距離發(fā)生改變，并儲存能量，存在恢復原樣釋放積蓄能量的趨勢，該趨勢即為彈性勢能[27]。地下原位煤巖受地應力作用處于被壓縮狀態(tài)，積聚、存儲彈性勢能，其單位體積彈性變形勢能(ES)[28]可表示為

(1)

式中，ES為單位體積彈性變形勢能，受煤巖力學特性、變質(zhì)程度、溫度條件等因素影響，kJ/m3；E為煤巖彈性模量，GPa；μ為煤巖泊松比；σ1，σ2，σ3分別為三向主地應力，MPa。

當外力條件減弱時，處于壓縮狀態(tài)煤巖會以彈性膨脹變形方式釋放彈性勢能。不考慮溫度影響，煤巖基塊壓縮系數(shù)[29-30]為

(2)

其中，CS為煤巖基塊壓縮系數(shù)，GPa-1；VO為原始狀態(tài)下，煤巖基塊體積，m3；dV為外力條件變化后，煤巖基塊體積變化量，m3；dP為外力變化，MPa。煤巖基塊由基質(zhì)骨架和內(nèi)部細微孔-裂隙組成，其中內(nèi)部細微孔-裂隙的體積變化是煤巖基塊受壓時體積變化的主要貢獻者[30-31]。如圖2所示，煤巖基塊四周受煤巖限制，除下部裂縫空間外，無膨脹空間。當裂縫內(nèi)壓力作用減弱時，主要由內(nèi)部細微孔-裂隙膨脹所引起煤巖基塊膨脹變形，可近似看作彈簧回彈。則煤巖基塊體積應變變?yōu)檩S向應變：

圖2 煤巖基塊彈性膨脹與等效彈簧模型Fig.2 Elastic expansion of coal matrix and the equivalent springmodel

(3)

式中，dS為煤巖基塊平行裂縫方向橫截面面積，m2；dl為煤巖基塊垂直裂縫方向上長度變化量，m；L為煤巖基塊垂直裂縫方向上長度，m。

(4)

式中，Wt為彈簧回彈對外做功，kJ；Ft為彈簧回彈彈力，kN；Δx為彈簧單位變形量，m；K為彈簧勁度系數(shù)，kN/m；Ws為煤巖基塊膨脹對外做功，kJ；Fs為煤巖基塊膨脹力，kN；Kc為煤巖基塊類比彈簧勁度系數(shù)，計算公式為

(5)

由式(5)可知，Kc值與煤巖彈性模量E呈正比關(guān)系。假定在垂直裂縫方向上L值為一個單位長度，則Kc在數(shù)值上等于E，聯(lián)立式(1),(4),(5)可得

(6)

則，裂縫開度(τ)因煤巖基塊膨脹而產(chǎn)生最大縮減量(μm)為：Δτmax=2Δlmax。

2.2 煤層水機械能

煤儲層中地下水(煤層水)，在溫度15～115 ℃，壓力7～42 MPa條件下，為微可壓縮流體，壓縮系數(shù)數(shù)量級為10-4(MPa-1)[29]；在1 000 m以淺，常溫、欠壓煤儲層中，因其壓縮變形程度極低，可被視為不可壓縮流體，不再考慮彈性勢能。則單位質(zhì)量煤層水具有機械能(Ew)分別為：重力勢能(Eg)、動能(Em)、壓強能(Ei)[32]。

Eg=gz

(7)

Em=v2/2

(8)

Ei=P/ρ

(9)

Ew=Eg+Em+Ei

(10)

式中，g為重力加速度，N/kg；z為重力場中單位質(zhì)量煤層水相對參照面所具有相對高程，m；v為單位質(zhì)量煤層水流動速度，m/s；P為單位質(zhì)量煤層水所處位置流體壓強，MPa；ρ為煤層水密度，kg/m3，不可壓縮流體密度為定值，不隨時間和外界條件變化而變化，此時，流體壓強能(Ei)僅與該處壓強相關(guān)。

在靜止流場中，P=ρgh，h為自由液面到單位質(zhì)量流體處深度，m。此時，單位質(zhì)量流體機械能(Ew)包括重力勢能(Eg)和壓強能(Ei)。當流體在同一水平高度，因壓力梯度發(fā)生流動時，流體壓強能(Ei)部分轉(zhuǎn)化為動能(Em)[32]。同時，因流體黏性以及流體流動通道固有性質(zhì)，部分機械能隨流體流動轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量耗散。當流動流體滿足：① 定常流動；② 不可壓縮；③ 黏性不為0；④ 沿流線流動。由納維-斯托克斯方程可知，單位質(zhì)量流體一維流動過程中能量變化為

(11)

其中，hl為流體流動過程中能量損失，主要因流動通道復雜多變和摩擦而產(chǎn)生，kJ；v1，P1為位置1處流體流速(m/s)和壓強(MPa)；v2，P2為位置2處流體流速(m/s)和壓強(MPa)(圖3)。流體壓強能是流體流動的驅(qū)動力。

圖3 單位質(zhì)量流體流動過程中能量損失Fig.3 Energy loss of fluid element in the flowing process

2.3 煤層氣膨脹能

煤層氣(吸附質(zhì))主要以物理吸附方式，賦存于地下煤儲層(吸附劑)離散分布孔-裂隙中[33-35]。在原始儲層條件下，吸附質(zhì)中游離部分與吸附部分處于“吸附-脫附”動態(tài)平衡。當煤儲層內(nèi)流體壓力下降或溫度升高時，游離部分煤層氣具有膨脹對外做功能力；而吸附部分在流體壓力或溫度超過某一臨界值之后，會發(fā)生脫附轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x部分，從而具備膨脹對外做功能力[36-38]。

游離部分煤層氣膨脹對外做功過程為多變過程，滿足多變過程方程式[39-41]：

(12)

式中，p1，u1為煤層氣某一多變過程初始壓力(MPa)和體積(m3)；p2，u2為煤層氣某一多變過程終了壓力(MPa)和體積(m3)；n為某一多變過程對應多變指數(shù)，在等溫條件下n≈1，式(12)變?yōu)閜1u1=p2u2。

任意1 mol游離煤層氣具有膨脹能(Ep)[37-40,42]，可表示為

(13)

其中，Ep為1 mol游離煤層氣具有膨脹能，kJ；R為摩爾氣體常數(shù)；T某一多變過程初始溫度，在等溫條件下為一定值，℃。由式(13)可知，游離煤層氣膨脹能(Ep)大小受初始溫度，初始狀態(tài)壓力、終了狀態(tài)壓力和兩者差值，及游離相煤層氣量控制。

如圖4所示，在煤層氣“吸附-脫附”動態(tài)平衡被打破之后，吸附部分煤層氣脫附游離化，成藏期積聚能量開始釋放[37,40,43]，對游離部分煤層氣膨脹能給予補充。

圖4 吸附部分煤層氣解吸補充游離部分膨脹能Fig.4 Adsorbed CBM replenish expansion energy to free portion through desorption

選用Langmuir等溫吸附方程式[36-38]：

(14)

對Langmuir等溫吸附方程式兩側(cè)微分后，可得單位壓降下解吸煤層氣量：

(15)

式(15)除以標準狀況下煤層氣摩爾體積后，再乘以式(13)，即可得到一定壓力下，單位壓降解吸煤層氣的膨脹能：

(16)

式中，umv為標準狀況下1 mol煤層氣所具有的體積，m3。

煤層氣游離部分壓力值由p1緩慢、平穩(wěn)降至p2時，飽和吸附煤巖解吸部分膨脹對外做功能力，可通過對式(16)定積分算取：

(17)

式中，wfp為其在壓差作用下，因體積發(fā)生變化(膨脹)而產(chǎn)生能量，kJ；Efp為飽和吸附噸煤所吸附煤層氣在溫度恒定，吸附質(zhì)游離部分壓力p1狀態(tài)下，相對吸附質(zhì)游離部分壓力p2狀態(tài)所具有膨脹能，kJ/t。

在穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程中，控制體內(nèi)游離部分煤層氣能量方程[44]為

wfp=we+wi+wh

(18)

式中，we為其動能與位能之和的變化，kJ；wi為維持其正常流動所需消耗能量，kJ；wh為控制體與外界傳遞交換能量，kJ。

3 開發(fā)過程中煤儲層能量變化

現(xiàn)階段煤層氣地面開發(fā)，主要利用人工井眼抽排煤層水，通過降低煤儲層內(nèi)流體壓力方式，將吸附質(zhì)游離部分絕對壓力降至臨界解吸壓力以下，誘使吸附質(zhì)吸附部分解吸和產(chǎn)出[45-46]。煤層水的流動和產(chǎn)出，將煤儲層內(nèi)各相態(tài)物質(zhì)間能量平衡打破，承載于不同相態(tài)物質(zhì)中不同類型能量開始發(fā)生轉(zhuǎn)換，并同時伴隨物質(zhì)狀態(tài)改變(圖5)。將煤層氣開發(fā)全過程按煤層氣狀態(tài)變化分為：吸附部分未明顯解吸階段、吸附部分顯著解吸階段。

圖5 煤儲層中各相態(tài)物質(zhì)與狀態(tài)Fig.5 Different phases of matter and states in coal bed

在煤層氣吸附部分未發(fā)生明顯解吸階段，煤儲層流體流動通道內(nèi)主要發(fā)生煤層水流動。不考慮煤層水流動過程中高程變化，由式(11)可知，煤層水蘊涵壓強能發(fā)生轉(zhuǎn)化，部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芗铀倨渥陨砹鲃?，部分為維持其繼續(xù)流動而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰俊Ｓ墒?9)可知，不可壓縮煤層水在等溫條件下，壓強能減少對外表現(xiàn)為流體壓強下降。流動通道兩側(cè)煤巖因煤層水流體壓強下降，發(fā)生膨脹對外做功釋放彈性勢能。對正發(fā)生流動煤層水而言，部分被釋放煤巖彈性勢能轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋭幽?；對游離部分煤層氣而言，部分被釋放煤巖彈性勢能轉(zhuǎn)為其膨脹能。通道兩側(cè)煤巖膨脹后體積增大，導致流動通道開度減小，流體流動過程中能量損失增加，對煤層水壓強能釋放不利。游離部分煤層氣膨脹能的增加，會促使更多氣相進入流體流動通道內(nèi)，但此時因吸附部分煤層氣尚未明顯解吸，通道內(nèi)氣相以氣泡形式隨煤層水流動。氣泡體積隨煤層水流體壓力減少而增大(圖6)。游離部分煤層氣以體積膨脹方式對煤層水做功，將其承載膨脹能部分轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩铀畡幽堋?/p>

圖6 未明顯解吸階段煤儲層中各相態(tài)物質(zhì)變化Fig.6 Variation of three phrase matter in coalbed in the early stage of CBM development

進入煤層氣吸附部分顯著解吸階段，吸附部分煤層氣發(fā)生解吸對游離部分煤層氣膨脹能予以補充，作為游離部分煤層氣流動產(chǎn)出動力源。由式(18)可知，游離部分煤層氣膨脹能一部分轉(zhuǎn)化為其自身動能和位能，一部分為維持其繼續(xù)流動而消耗，最后一部分通過體積膨脹方式對煤層水做功轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩铀畡幽?。煤層氣膨脹能的消耗主要受煤層水壓強能下降左右，變?yōu)橹饕茏陨砼蛎浟鲃雍兔簩铀畨簭娔芟陆倒餐刂?。煤巖彈性勢能的釋放和轉(zhuǎn)化，以及對整個煤儲層的影響與上一個階段無異。但因游離部分煤層氣不斷膨脹侵占流動通道空間，以及煤巖持續(xù)膨脹引發(fā)流動通道開度持續(xù)縮減，對煤層水壓強能的轉(zhuǎn)化而言，較上一個階段更為不利(圖7)。

圖7 顯著解吸階段煤儲層中各相態(tài)物質(zhì)變化Fig.7 Variation of three phrase matter in coalbed in the stage of CBM desorption

4 煤儲層能量對產(chǎn)出特征影響分析

4.1 局部儲層條件與井組產(chǎn)出特征

參數(shù)井ZS19井、ZS80井、ZS27井和ZS31井，各自所處微構(gòu)造單元內(nèi)3號煤儲層特征，見表1。對應參數(shù)井煤層段取芯及含氣量與吸附特性，如圖8、表2所示；為獲不同分析數(shù)據(jù)，所選相應測試煤巖樣品數(shù)不少于3組。各井組所包含生產(chǎn)井井數(shù)分別為13，16，10，16口，生產(chǎn)井距中心參數(shù)井最大距離不超過1 km。所有統(tǒng)計生產(chǎn)井皆為穩(wěn)定生產(chǎn)7 a以上9 a以下直井壓裂井。

表1 3號煤儲層局部儲層特征

圖8 各參數(shù)井3號煤儲層取芯Fig.8 Core samples of number 3 coal bed for corresponding parameter wells

表2 煤巖心含氣量與吸附特性

參數(shù)井取心煤巖類型分為光亮煤-半亮煤型、半亮煤-半暗煤型；除ZS31井煤巖心結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)外，其余3井都為原生結(jié)構(gòu)。ZS19井和ZS31井煤巖心臨界解吸壓力及含氣量都低于另外2井，后者更是顯著偏低。ZS80井和ZS27井所處位置煤儲層埋深最大，其次ZS31井，ZS19井最淺。ZS80井煤巖心彈性模量最大，ZS80井最低，剩余兩井相近。儲層流體壓力值最大為ZS27井，其他3井數(shù)值接近，相互之間差值未超0.5 MPa(圖8，表1，2)。

采用箱形統(tǒng)計圖辦法對各井組內(nèi)生產(chǎn)井累計產(chǎn)水量和累計產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計和計算。統(tǒng)計數(shù)據(jù)集的上四分位數(shù)、下四分位數(shù)和中位數(shù)，計算數(shù)據(jù)集的上極限值、下極限值和平均數(shù)，以此繪制相應統(tǒng)計圖件。統(tǒng)計圖件可直觀明確數(shù)據(jù)集中心位置、分布區(qū)間和離散程度。各個井組產(chǎn)出特征統(tǒng)計結(jié)果，如圖9所示。

圖9 井組累計產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量統(tǒng)計Fig.9 Statistical diagram of cumulative water production and gas production of well group

其中ZS80井組產(chǎn)氣能力最強，其次ZS19井組，ZS27井組次之，ZS31井組最弱；就產(chǎn)水能力而言，ZS27井組和ZS31井組相當，ZS19井組次之，ZS80井組最弱。

4.2 煤基質(zhì)“變形效應”對產(chǎn)出影響分析

煤巖作為一種彈性體，在受外力作用且未發(fā)生塑性或破裂變形之前，存在彈性變形階段；其內(nèi)部孔-裂隙的張開程度，受吸附質(zhì)游離部分壓力的影響會發(fā)生改變，進而左右整體導流能力[47-49]。同時，受煤巖中孔-裂隙等效直徑(d)和氣體分子的平均自由程(λ)控制，氣體分子在通道中的運移方式和傳質(zhì)效率存在多樣性；氣體分子的平均自由程度是壓力和溫度的函數(shù)[50-52]。

于目標區(qū)內(nèi)選取5塊煤樣，分別用去離子水、氦氣、甲烷測試各煤樣在有效應力恒定(1.5 MPa)，室溫(21 ℃)，不同測試壓差(0.3,0.5,0.7,0.9,1.1,1.3,1.5,2,3,5,6,7,8 MPa)條件下導流能力。在彈性變形階段，煤巖基質(zhì)吸附膨脹和解吸收縮互為可逆過程。去離子水與煤巖相互作用微弱，以該測定結(jié)果作為平行實驗數(shù)據(jù)分析基準；煤巖對氦氣無吸附性，對比氦氣與甲烷測定結(jié)果，可分析吸附作用對煤樣導流能力影響。在測試煤樣的流動通道中，去離子水主要以達西滲流方式發(fā)生運移，而氣體分子不僅存在達西滲流，還存在滑脫效應，更有多種擴散方式，如：菲克擴散、克努森擴散、表面擴散等[53-54]。

煤柱樣(長50 mm、直徑25 mm)測試前，用待測流體驅(qū)替煤樣中其他介質(zhì)，驅(qū)替時間1 h；開始測試后，監(jiān)測出口端壓力波動，當壓力波動的幅度小于1%時，判定為平衡，在平衡3 h之后，記錄測試滲透率值(圖10)。去離子水因與煤巖之間相互作用微弱，故所測滲透率值近似等于煤樣固有滲透率值。自0.3～8 MPa全過程，所測去離子水滲透率值未發(fā)生變化，表明在該壓力區(qū)間內(nèi)煤巖內(nèi)微觀孔-裂隙結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生可被識別的變化，區(qū)內(nèi)煤巖力學性質(zhì)可抵御8 MPa以下流體壓力影響。氦氣分子直徑小于甲烷分子，且?guī)缀醪皇苊簬r吸附影響，氦氣所測滲透率值皆大于甲烷所測滲透率值；但兩者所測滲透率值隨測試壓差變化的趨勢近乎一致，而且所測甲烷滲透率值變化并未因壓力增大，吸附量增加，在整體趨勢上未出現(xiàn)突變或驟然衰減。說明區(qū)內(nèi)煤樣的基質(zhì)吸附膨脹對其內(nèi)部通道導流能力的影響非常輕微。氦氣與甲烷所測滲透率值都隨測試壓差增大逐漸衰減，并向去離子水所測滲透率值收斂。在測試壓差增大的同時，氣體體積分數(shù)以及密度也在增大，一方面氣體平均壓力的增大會抑制氣體滑脫效應，使氣測滲透率不斷接近煤巖樣固有滲透率值；另一方面氣體體積分數(shù)和密度的增大會提高氣體擴散效率，使氣體擴散對氣測滲透率貢獻顯著，導致氣測滲透率值略大于煤樣固有滲透率值。

圖10 煤樣滲透率隨測試壓差變化關(guān)系 Fig10 Variation of permeability of coal with the test pressure change

綜合分析，認為目標區(qū)內(nèi)煤巖基質(zhì)吸附膨脹或解吸收縮對其內(nèi)部孔-裂隙導流能力影響不顯著，而流體運移方式以及傳質(zhì)效率才是影響其內(nèi)部流體運移產(chǎn)出的關(guān)鍵。

4.3 煤儲層能量對產(chǎn)出特征影響

由式(1)，(9)，(17)分別計算煤儲層中不同相態(tài)物質(zhì)所包含能量：單位體積煤巖彈性變形勢能，單位質(zhì)量煤層水壓強能，噸煤吸附煤層氣恒溫條件下膨脹能。通過式(6)計算裂縫開度最大縮減量。在各井組所處微構(gòu)造單元內(nèi)，區(qū)內(nèi)煤儲層局部位置能量特征，如表3、圖11所示。

表3 3號煤儲層局部能量特征

圖11 各井組間局部煤儲層能量對比Fig.11 Comparison of coal reservoir energy among different well groups

在煤層氣開發(fā)過程中，煤層水壓強能的釋放，是打破煤儲層中各相態(tài)物質(zhì)間能量平衡，誘使不同類型能量轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)物質(zhì)狀態(tài)改變的核心。所有變化的最終目標是為達成吸附煤層氣膨脹能釋放，使其解吸、擴張、產(chǎn)出。

對比ZS19井組和ZS31井組，前者除吸附煤層氣膨脹能遠大于后者外，其他類型能量與裂縫開度最大縮減量相差不大。前者累計產(chǎn)水量上極限值低于后者平均數(shù)，上四分位數(shù)更是不及后者中位數(shù)。但前者累計產(chǎn)氣量下四分位數(shù)卻超過后者上四分位數(shù)與平均數(shù)。表明吸附煤層氣發(fā)生解吸、擴張，釋放膨脹能，會抑制煤層水產(chǎn)出，阻礙煤層水壓強能進一步釋放。

對比ZS19井組和ZS27井組，前者除煤巖彈性變形勢能與后者相近外，其他類型能量與裂縫開度最大縮減量都小于后者，尤其是吸附煤層氣膨脹能與后者相差較大。但后者累計產(chǎn)氣上極限值卻僅達前者下四分位數(shù)；后者累計產(chǎn)水下極限值卻接近前者中位數(shù)，中位數(shù)與平均數(shù)更是超過前者上極限值。顯然，ZS27井組煤層水壓強能的釋放，并未帶來吸附煤層氣膨脹能的釋放?；诿簝又锌?裂隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三分認識，既賦存孔隙、橋接孔-裂隙、滲流裂隙3部分[34]。判斷認為，ZS27井組受裂縫開度縮減影響，賦存孔隙、橋接孔-裂隙和滲流裂隙三者間聯(lián)系受阻，煤層水壓強能釋放不再聯(lián)動吸附煤層氣膨脹能，后者能量和物質(zhì)狀態(tài)不再隨前者變化而改變。

對比ZS19井組和ZS80井組，2者煤層水壓強能相近，后者煤巖彈性變形勢能和裂縫開度最大縮減量小于前者。后者吸附煤層氣膨脹能雖大于前者，但小于ZS27井組吸附煤層氣膨脹能。后者累計產(chǎn)氣量中位數(shù)和平均數(shù)與前者上四分位數(shù)相近，下極限值大于前者中位數(shù)并接近其平均數(shù)。后者累計產(chǎn)水上極限值與前者中位數(shù)接近，上四分數(shù)僅略大于后者下四分位數(shù)。在煤巖膨脹和裂縫開度縮減對煤儲層中孔-裂隙系統(tǒng)影響不大時，吸附煤層氣膨脹能越大，越利于煤層氣產(chǎn)出。

煤層水壓強能越大，煤儲層產(chǎn)水潛力越強。但后續(xù)吸附煤層氣膨脹能的釋放對煤層水壓強能的進一步釋放抑制作用明顯。因煤巖彈性變形勢能釋放而引發(fā)裂縫開度縮減，會阻斷煤層水壓強能與吸附煤層氣膨脹能間的聯(lián)動。當孔-裂隙系統(tǒng)受煤巖彈性變形勢能釋放影響不大時，吸附煤層氣膨脹能越大，越利于煤層氣產(chǎn)出。

5 結(jié)論與認識

(1)煤儲層中煤巖基塊具有彈性勢能，煤層水具有重力勢能、動能和壓強能，吸附煤層氣具有膨脹能。煤巖基塊彈性勢能和煤儲層中裂縫開度變化主要受煤巖彈性模量、泊松比以及所處位置地應力狀態(tài)影響。吸附煤層氣膨脹能主要受臨界解吸壓力、煤儲層溫度、煤巖蘭氏體積和蘭氏壓力影響。

(2)煤巖通過膨脹方式對外做功釋放彈性勢能，其中一部分轉(zhuǎn)化為煤層水動能，另一部分轉(zhuǎn)化為游離煤層氣膨脹能。吸附煤層氣通過解吸、擴張釋放膨脹能。吸附煤層氣作為煤層氣產(chǎn)出動力源，其蘊涵能量主要轉(zhuǎn)化為游離煤層氣膨脹能，以維持游離煤層氣的連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出。

(3)煤層水壓強能越大，煤儲層產(chǎn)水潛力越強。吸附煤層氣膨脹能越大，越利于煤層氣產(chǎn)出。吸附煤層氣膨脹能的釋放，會明顯抑制煤層水壓強能的進一步釋放。煤儲層中裂縫開度縮減伴隨煤巖彈性變形勢能釋放而發(fā)生；裂縫開度縮減會阻礙煤層水壓強能與吸附煤層氣膨脹能間的聯(lián)動，致使后者能量和物質(zhì)狀態(tài)不再隨前者變化而改變。

(4)鄭莊區(qū)內(nèi)高階煤巖的基質(zhì)吸附膨脹以及解吸收縮對其內(nèi)部孔-裂隙導流能力影響不明顯，而流體運移方式和傳質(zhì)效率的變化對煤儲層內(nèi)流體產(chǎn)出影響顯著。

(5)鄭莊區(qū)塊局部小范圍內(nèi)不同位置煤儲層所承載各類能量存在差異。能量差異對煤層氣井產(chǎn)出特征有顯著影響。煤儲層能量是決定煤層氣開發(fā)效果關(guān)鍵因素。在煤層氣開發(fā)過程中，應充分考慮煤儲層能量對煤層氣產(chǎn)出影響。