排水降壓開采后地下氣化煤層氣藏的機理淺析＊

康園園 楊鵬舉 呂建國 李馨語

（1.陜西省延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，陜西延安 716000；2.陜西省川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司第二工程項目部，陜西西安 710000；3.陜西省延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安 716000）

我國煤層氣儲量居于世界第三，這昭示著我國在煤層氣開發(fā)方面具有非常好的前景。目前國內(nèi)外提高煤層氣采收率的方法主要有水力壓裂、高能氣體壓裂等儲層激勵技術(shù)以及多分支水平井、采煤采氣一體化等改善開發(fā)技術(shù)條件的技術(shù)。但依然普遍出現(xiàn)開采投資高、部分井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)期非常短，經(jīng)濟(jì)效益低等問題[1-2]。因此提高煤層氣井的產(chǎn)能和采收率的新技術(shù)亟待創(chuàng)新和研究。筆者基于前人的火燒煤層開采煤層氣及煤炭地下氣化理念提出對煤層氣藏進(jìn)行地下氣化，既可提高甲烷的解吸速度提高煤層氣采收率，又可實現(xiàn)煙煤燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹猓踩?、高效、投資少，一舉兩得。

該技術(shù)就是把氣體自注氣井中注入煤層，并通過地面系統(tǒng)控制煤層的燃燒以加快煤層氣的解吸提高煤層氣的采收率，并使得煙煤燃燒轉(zhuǎn)化為煤氣。研究該技術(shù)的機理之前，需先了排水降壓開采下解煤層氣的解吸運移規(guī)律、煤炭的燃燒過程以及地下氣化后煤層氣的解吸運移規(guī)律。

1.常規(guī)開采下煤層氣的解吸運移規(guī)律

煤層氣吸附是通過分子間的引力實現(xiàn)的，是可逆的、屬于物理吸附。地層壓力降低至臨界解吸壓力后，吸附氣解吸。由于溶解氣符合亨利定律，因此壓力降低部分溶解氣從水中分離出來。此時在基質(zhì)大孔隙中存在氣水兩相，其起初氣泡是很小且不連續(xù)的，隨著氣量的增多，分散的氣泡聚集成氣相，由此可見解吸氣和溶解氣變?yōu)樽杂蓺夂笫菈毫Σ畹淖饔孟聺B流至裂隙。但在基質(zhì)微孔隙中由于孔隙直徑的限制，無法形成大氣泡，因此這部分煤層氣需要足夠大的生產(chǎn)壓差才能開采出來[3-4]。未分離出的溶解氣則是濃度差的作用下擴散至裂隙中，可用Fick定律來表征。

2.煤的燃燒過程

當(dāng)把空氣或氧氣注入煤層并點燃，溫度繼續(xù)升高，煤中有機質(zhì)發(fā)生熱分解，形成揮發(fā)物和熱解剩余產(chǎn)物焦炭。當(dāng)溫度達(dá)到著火點時揮發(fā)物開始燃燒，接著焦炭開始燃燒，放出大量的熱，燃燒生成物向前移動。如果在整個過程中，氧氣不間斷的注入，則燃燒前緣不斷向前推進(jìn)，當(dāng)熱量突破采出井后燃燒生成物被采出[5-6]。

結(jié)合上述煤的燃燒過程、煤層氣的解吸以及化學(xué)反應(yīng)的強弱可將注氣井與生產(chǎn)井之間劃分為氧化帶、還原帶、干餾干燥帶。

（1）氧化帶。這個區(qū)域氧氣含量最高，煤層溫度最高，煤層氣解吸量最大，隨著燃燒生成物和空氣所形成的混合物向前推進(jìn)，釋放出的熱量也向前推進(jìn)。當(dāng)氧化區(qū)的O2濃度為0時，氧化反應(yīng)結(jié)束，氧化帶消失。

（2）還原帶。這個區(qū)域的氧氣含量次于氧化帶，氧化帶的燃燒生成物與表面升溫的煤發(fā)生還原反應(yīng)，吸收大量的熱，煤層溫度低于氧化帶，因此煤層氣的解吸量也不如氧化帶多，但是燃燒生成物繼續(xù)向前推進(jìn)。

（3）干餾干燥帶。這個區(qū)域沒有發(fā)生燃燒，但是前面的燃燒生成物攜帶的熱量使得煤層溫度增加，部分煤層氣解吸出來。

從化學(xué)反應(yīng)角度而言，氧化帶、還原帶及干餾干燥帶并無明顯界限，只是反應(yīng)程度的強弱差別。

3.地下氣化煤層氣藏的機理

通過上述煤的燃燒過程可知地下氣化煤層氣藏開采煤層氣的機理如下：

第一，煤層溫度升高，甲烷的吸附能力的降低。隨著煤層的燃燒溫度增高，甲烷的吸附量降低，解吸速度加快。因此，在氧化帶、還原帶及干燥干餾帶均有甲烷氣的快速解吸，只是解吸速度不同，氧化帶解吸速度最快，還原帶次之，干燥干餾帶最慢。

第二，煤對CO2的吸附能力比CH4強。Harpalani和Pariti（1993）進(jìn)行了CO2和CH4的吸附實驗，在44.4℃下，對純CH4，PL=299Pa，VL=11.6cm3/g；對純CO2，PL=116Pa，VL=17.1cm3/g；可見CO2不僅附著煤的能力強于CH4，而且吸附得更快。除了CO2的沸點高于CH4，更容易被吸附外，氣體分子的極性也起作用，極性分子比非極性分子有較強的吸附能力。因此隨著煤層中CO2濃度的增加，CO2“排擠”甲烷并“占據(jù)”其原來位置，這樣甲烷被置換解吸出來[7-8]。

第三，煤層經(jīng)過高溫燃燒會干裂形成通道，增加了煤層滲透率，煤層氣滲流量發(fā)生明顯增加，有利于提高煤層氣的采收率[9-10]。這個機理非常關(guān)鍵。因為溫度升高，吸附在煤基質(zhì)表面的甲烷分子發(fā)生脫附變?yōu)橛坞x態(tài)，這是一個連續(xù)的動態(tài)平衡過程，游離態(tài)的甲烷分子在煤基質(zhì)表面不停震蕩，如果孔隙內(nèi)的甲烷不能有效的排出，則有可能再次發(fā)生吸附。

4.地下氣化后煤層氣的解吸運移規(guī)律

前期采用排水降壓開采煤層氣藏，部分地層水滯留煤層，后實施地下氣化，地層水氣化，基質(zhì)、割理中沒有液態(tài)水的存在，只有固體和氣態(tài)混合物，解吸后的甲烷在基質(zhì)中的濃度大于割理中的濃度，根據(jù)相律，同相之間發(fā)生擴散，甲烷在濃度差的作用下擴散運移至割理中，符合Fick定律。割理中的混合氣在壓差的作用下滲流至采出井。

5.未來的方向

地下氣化煤層氣藏不僅是為了獲得甲烷，更是為了使得煙煤氣化成煤氣，因此煤氣的熱值與成分就非常重要。溫度場對煤氣熱值有顯著的影響，同時注入空氣的氧體積分?jǐn)?shù)和流量也決定著出口煤氣的有效組分和熱值， 因此未來的方向會著重針對地下氣化煤層氣藏進(jìn)行實驗研究，設(shè)計不同注入流量和組分（氧濃度），監(jiān)測對溫度場變化和煤氣組分及含量的影響等問題，在此基礎(chǔ)上觀察煤體結(jié)構(gòu)在溫度升高過程中的變化等，進(jìn)一步完善該技術(shù)的機理等關(guān)鍵技術(shù)問題。

6.結(jié)語

地下氣化常規(guī)開采后的煤層氣藏的機理主要是溫度升高，甲烷解吸速度加快，而且煤的燃燒物二氧化碳替換甲烷也促進(jìn)甲烷的解吸等，因此既可以提高煤層氣井的產(chǎn)量，也可以使得煙煤氣化成煤氣，實現(xiàn)環(huán)保、安全的采煤方式。