煤儲(chǔ)層孔隙中氣水分布模式及對(duì)注CO2增產(chǎn)措施的影響

彭英明 邵先杰 李明峰

（燕山大學(xué)石油工程系，河北 秦皇島 066044）

針對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)理論存在爭(zhēng)論，尤其是對(duì)煤儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙中煤層氣解吸、擴(kuò)散機(jī)理等方面分歧最大，爭(zhēng)論點(diǎn)主要圍繞孔裂隙中的水對(duì)煤層氣解吸擴(kuò)散是否具有重要影響。普遍認(rèn)為煤層氣的吸附屬于氣相吸附規(guī)律[1]。但單純氣相吸附理論觀點(diǎn)沒(méi)有考慮基質(zhì)孔隙中水的影響，導(dǎo)致固—?dú)饨缑娴葴匚?、解吸理論及方法所預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)相比有較大的誤差。因此，李相方等人又提出了煤層氣液相吸附規(guī)律理論[2]。

針對(duì)以上爭(zhēng)論，首先要弄清楚煤儲(chǔ)層中水的來(lái)源及氣水分布狀態(tài)，繼而再探討煤層氣的吸附解吸等開(kāi)發(fā)理論。經(jīng)過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，基于基質(zhì)孔隙含水飽和度大小差異，細(xì)分了3種氣水分布模式，并進(jìn)一步探討了氣水分布模式對(duì)煤層氣注CO2增產(chǎn)措施的影響，以期為煤層氣的開(kāi)發(fā)理論提供一種新的參考思路。

1 煤儲(chǔ)層中水的成因及來(lái)源

一般認(rèn)為煤層水來(lái)源主要有沉積水、滲入水、深成水、成巖水等。煤層氣是一種在成煤作用過(guò)程中與煤層伴生的氣體。由公式（1）～（3）可知，在煤化作用的成巖變質(zhì)各階段均有水的生成[3]。從泥炭化（腐泥化）作用階段的強(qiáng)水環(huán)境，逐漸到以溫度、壓力為主的弱水環(huán)境，再到煤化作用階段的產(chǎn)水、孔隙壓縮排水過(guò)程，可知在整個(gè)成煤及產(chǎn)氣過(guò)程中，水作為一個(gè)極其重要的因素相伴存在，且若無(wú)外來(lái)水源補(bǔ)給的情況下，其煤中含氣量呈下降趨勢(shì)。

2 煤儲(chǔ)層中氣水分布模式

水在煤儲(chǔ)層孔隙中可以劃分為自由水和束縛水，并認(rèn)為自由水主要存在大孔隙及裂隙中；束縛水存在于微孔中。李相方等[2]將煤儲(chǔ)層孔隙中氣水的分布狀態(tài)主要分為：部分孔隙甲烷吸附在顆粒表面而剩余孔隙空間為水充滿、游離氣充滿或水及游離氣充滿。但這種假設(shè)是以煤儲(chǔ)層孔隙中水是先于氣體而存在為前提條件的。因此，針對(duì)煤儲(chǔ)層中的氣水分布狀態(tài)需要分情況討論。

針對(duì)諸多氣水分布理論的局限性，以被廣大學(xué)者承認(rèn)的“雙孔單滲”孔裂隙系統(tǒng)模型為例，以煤儲(chǔ)層中的基質(zhì)孔隙作為煤層氣賦存的最小空間單元，根據(jù)孔隙中含水飽和度的不同進(jìn)行分類討論。

2.1 飽和水孔隙下的氣水分布模式

飽和水孔隙，即在生氣以前，基質(zhì)供氣體吸附的孔隙中含水100%。此時(shí)的甲烷吸附處于固—液相環(huán)境下，滿足液相吸附規(guī)律。當(dāng)生氣量較少時(shí)，低于基質(zhì)顆粒表面的極限吸附量，此時(shí)氣藏為欠飽和氣藏（圖1），其吸附特征為氣體只是吸附在基質(zhì)顆粒的部分表面，不存在游離氣；隨著生氣量的增加，當(dāng)基質(zhì)孔隙表面吸附量達(dá)到極限吸附量以后，即飽和煤層氣藏?；|(zhì)顆粒表面被吸附氣完全占據(jù)，多余的氣體以溶解態(tài)賦存溶解在水中，隨著產(chǎn)氣量的繼續(xù)增加，當(dāng)水中甲烷濃度大于甲烷在水中的溶解度，此時(shí)，多余的甲烷氣體以游離態(tài)存在基質(zhì)顆粒之間的空隙、割理之中（圖2）。

圖1 欠飽和氣藏飽和水孔隙下氣水分布模式（據(jù)文獻(xiàn)[4]修改）

圖2 飽和氣藏飽和水孔隙下氣水分布模式（據(jù)文獻(xiàn)[4]修改）

2.2 無(wú)水孔隙下的氣水分布模式

無(wú)水孔隙，即認(rèn)為是在生氣以前，基質(zhì)供氣體吸附的孔隙中含水為0。當(dāng)孔隙中沒(méi)有水存在時(shí)，此時(shí)屬于完全意義上的氣相吸附。關(guān)于這類狀態(tài)下的氣體賦存研究較多，屬于當(dāng)今煤層氣氣體吸附、解吸的主流觀點(diǎn)，忽略了水對(duì)氣體吸附、解吸特征的影響，常用蘭氏方程進(jìn)行描述。甲烷生成后首先吸附在基質(zhì)顆粒表面，當(dāng)生氣量較低時(shí)，其吸附特征為氣體只是吸附在基質(zhì)顆粒的部分表面，不存在游離氣，屬于欠飽和氣藏；隨著生氣量的增加，當(dāng)甲烷產(chǎn)氣量達(dá)到基質(zhì)顆粒極限吸附量以后，不存在未被氣體占據(jù)的顆粒表面，多余的甲烷以游離態(tài)的形式存在于基質(zhì)顆粒之間的空隙、割理之中（圖3），此時(shí)氣藏為飽和氣藏。

圖3 無(wú)水狀態(tài)下氣體分布模式

2.3 非飽和水孔隙下的氣水分布模式

主流氣相吸附觀點(diǎn)和新提出的液相吸附觀點(diǎn)，都只是考慮了水存在（飽和度為100%和0）的極限情況下的氣體吸附特征，而常規(guī)煤樣含水量測(cè)試發(fā)現(xiàn)煤中含水量常常介于0～100%之間，即非飽和水孔隙下的氣體吸附特征卻少有提起或分析，但作為水在孔隙中存在最可能的情況，不可忽略，并且可能會(huì)是今后研究的重點(diǎn)。

當(dāng)是非飽和水孔隙時(shí)，含水部分基質(zhì)顆粒處于固—水環(huán)境下，認(rèn)為氣體吸附符合固—液相氣體吸附特征；不含水部分基質(zhì)顆粒表面處于固—?dú)猸h(huán)境下，認(rèn)為氣體吸附符合固—?dú)庀鄽怏w吸附特征（圖4），且認(rèn)為液相解吸后可以進(jìn)行原地氣相吸附、氣相解吸后可以進(jìn)行原地液相吸附。

圖4 非飽和水孔隙狀態(tài)下氣體分布模式

3 不同氣水分布模式下煤層氣產(chǎn)出機(jī)理

煤層氣主要通過(guò)排水降壓開(kāi)采，因此，煤儲(chǔ)層中的水對(duì)煤層氣的開(kāi)發(fā)具有重要的影響。在不同含水飽和度下，以及是否存在外來(lái)水補(bǔ)給，都會(huì)導(dǎo)致煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理具有明顯差異性。以下討論均為無(wú)外來(lái)水源補(bǔ)給條件下的產(chǎn)氣機(jī)理。

3.1 飽和水孔隙下氣體產(chǎn)出機(jī)理

煤儲(chǔ)層壓力隨著排水活動(dòng)而逐漸降低，對(duì)于欠飽和煤層氣藏，當(dāng)儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力時(shí)，基質(zhì)孔隙吸附氣發(fā)生解吸。解吸后的氣體在水中會(huì)發(fā)生以下兩種路徑：（1）基質(zhì)孔隙水中甲烷濃度低于其溶解度時(shí)，則解吸氣會(huì)繼續(xù)溶解在水中，并隨著排水產(chǎn)出；（2）基質(zhì)孔隙水中甲烷濃度大于等于其溶解度，則解吸的甲烷將以游離態(tài)的氣泡形式產(chǎn)出。對(duì)于飽和煤層氣藏，當(dāng)儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力時(shí)，基質(zhì)孔隙吸附氣發(fā)生解吸，以氣泡形式產(chǎn)出；且由于甲烷在水中的溶解度隨壓力降低而降低，此時(shí)，水中的溶解態(tài)甲烷轉(zhuǎn)化成游離態(tài)，也成氣泡形式產(chǎn)出。

3.2 無(wú)水孔隙下氣體產(chǎn)出機(jī)理

當(dāng)基質(zhì)孔隙中無(wú)水時(shí)，此時(shí)符合固—?dú)庀辔教卣鳌Ｅ懦龅乃饕獊?lái)源為煤層上下頂?shù)装宓膰鷰r，通過(guò)排水活動(dòng)，以取得圍巖及煤層中形成有效的壓降范圍。煤儲(chǔ)層孔裂隙中吸附的煤層氣發(fā)生解吸和原本存在的游離態(tài)氣體一起通過(guò)擴(kuò)散、滲流產(chǎn)出。

3.3 非飽和水孔隙下氣體產(chǎn)出機(jī)理

非飽和水孔隙下的氣體產(chǎn)出分為固—液相氣體解吸部分、固—?dú)庀鄽怏w解吸部分及二者不同相態(tài)之間的轉(zhuǎn)化部分。固—液相氣體解吸部分和固—?dú)庀鄽怏w解吸部分產(chǎn)出機(jī)理分別屬于飽和水孔隙和無(wú)水孔隙下的氣體產(chǎn)出機(jī)理，而在不同相態(tài)之間存在的交叉轉(zhuǎn)換部分，其產(chǎn)出機(jī)理仍需探討。相態(tài)轉(zhuǎn)換會(huì)隨著排水降壓的進(jìn)行而逐漸變?nèi)?，慢慢形成以氣相解吸特征為主的產(chǎn)氣特征。

4 水對(duì)注CO2措施的影響

煤層中可以通過(guò)埋存CO2既可以利用其強(qiáng)吸附性競(jìng)爭(zhēng)置換驅(qū)替煤層氣，又可以達(dá)到減少溫室氣體排放的目的，已經(jīng)在礦場(chǎng)中得到了研究和應(yīng)用。煤儲(chǔ)層中水的含量及分布影響著煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理，因此，通過(guò)對(duì)煤儲(chǔ)層中水的微觀分布情況分析，可以為煤層氣的開(kāi)采增產(chǎn)措施提供一定的指導(dǎo)作用。

煤層中水對(duì)注CO2過(guò)程的影響比較復(fù)雜，主要包括以下方面：（1）若煤儲(chǔ)層含水量較高，主要以自由水存在時(shí)，即飽和水孔隙模式，認(rèn)為氣體吸附符合單一液相吸附特征：① 水的存在增加了流體粘度，加大了氣體滲流阻力；② 若無(wú)外來(lái)水源補(bǔ)給的情況下，排水降壓，產(chǎn)生驅(qū)氣動(dòng)力，利于煤層氣的解吸和產(chǎn)出；③ 水可作為一種反應(yīng)溶劑，與注入的CO2反應(yīng)生成碳酸，可與煤中方解石、白云石等碳酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而影響氣、水的滲流通道；④ 水存在可能導(dǎo)致前期CO2注不進(jìn)去，注氣效果很差。（2）若煤儲(chǔ)層含水量較低，主要以束縛水存在時(shí)，即無(wú)水孔隙模式：氣體吸附可認(rèn)為屬于單一氣相吸附特征，則此時(shí)孔隙中極少量的水對(duì)注入CO2提高煤層氣產(chǎn)量過(guò)程影響較小，其基本不參與反應(yīng)。（3）隨著排水的進(jìn)行，煤儲(chǔ)層水含量從高逐漸降低，會(huì)出現(xiàn)非飽和水孔隙模式。此時(shí)，液相吸附和氣相吸附特征都存在，應(yīng)具體分析。

5 未來(lái)研究方向

煤儲(chǔ)層中水的含量及分布情況對(duì)煤層氣的吸附與解吸、擴(kuò)散等產(chǎn)出機(jī)理具有重大影響作用，而不僅僅只是探討水與甲烷吸附量的關(guān)系。水在煤儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙中主要以非飽和水存在，導(dǎo)致其產(chǎn)出機(jī)理是固—?dú)庀嘟馕卣?、固—液相氣體解吸特征及二者相態(tài)交叉轉(zhuǎn)換三者的綜合，以往考慮只是單一情況下的理論研究，導(dǎo)致其數(shù)學(xué)產(chǎn)量模型等與實(shí)際情況差異較大，且關(guān)于其相態(tài)轉(zhuǎn)換部分研究較少。因此，對(duì)相態(tài)轉(zhuǎn)換部分中，液相氣體解吸后進(jìn)行原地氣相吸附和氣相解吸后進(jìn)行原地液相吸附等過(guò)程中二者是否獨(dú)立進(jìn)行、對(duì)整個(gè)解吸過(guò)程影響大小及相關(guān)的數(shù)學(xué)模型研究是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)煤儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙中水的含量差異，把煤基質(zhì)孔隙分為飽和水孔隙、無(wú)水孔隙和非飽和水孔隙，并分別討論了其不同狀態(tài)下的氣水分布模式及產(chǎn)出機(jī)理。

（2）飽和水孔隙中，若無(wú)外來(lái)水源補(bǔ)給時(shí)，水主要對(duì)注CO2過(guò)程的前中期存在影響，且隨著水的不斷排出逐步轉(zhuǎn)化為非飽和水孔隙模式，這種情況下可以形成有效壓降，產(chǎn)氣量較好；若存在外來(lái)水源補(bǔ)給，水對(duì)注氣的整個(gè)過(guò)程都存在影響，往往不能形成有效壓降漏斗，產(chǎn)氣量較差。無(wú)水孔隙模式中，以單一氣相吸附特征為主，束縛水對(duì)其過(guò)程影響較小，基本不參與反應(yīng)。

（3）非飽和水孔隙中相態(tài)轉(zhuǎn)換部分是否獨(dú)立進(jìn)行、對(duì)整個(gè)解吸過(guò)程影響大小及相關(guān)的數(shù)學(xué)模型研究是未來(lái)的研究重點(diǎn)。