煤层气井采气机理及压降漏斗讲解.docx

煤层气井采气机理煤层气井的采气方式由石油天然气井的生产工艺演变而来，但因储 层类型 不同，煤层气井的采气机理完全不同于石油天然气井，在时间 和空间上煤层气 井的产气都是一个相当复杂的过程空间上涉及煤储 层、上覆顶板与下伏底板 组成的三维地层，时间上涵盖了煤层气井压 裂后排水采气的整个过程因此， 煤层气井的采气过程和机理研究必 须采用系统的、动态的观点，分析整个系统 在不同时问和不同情况的 排水过程和甲烷生产过程煤层气井的生产是通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，促 使煤储 层中吸附的甲烷解吸的全过程即通过排水降压，使得吸附态 甲烷解吸为大量 游离态甲烷并运移至井口这是目前惟一可以来用的 方法，因此，通过抽排地 层中的承压水，暂时、相对地降低煤储层压 力是煤层气井采气的关键1 煤层气井采气过程简析煤层气井采气前，井中液面高度为地下水头高度，此时井筒与储层之 间不存在 压力差，地下水系统基本平衡，属于稳定流态；当煤层气井 开始排采后，井筒 中液面下降，井筒与煤储层之间形成压力差，地下 水从压力高的地方流向压力 低的地方，地下水就源源不断地流向井筒 中，使得煤储层中的压力不断下降， 并逐渐向远方扩展，最终在以井 筒为中心的煤储层段形成一个地下水头压降漏 斗，随着抽水的延续该 压降漏斗不断扩大和加深；当煤储层的出水量和煤层气 井井口产水量 相平衡时，形成稳定的压力降落漏斗，降落漏斗不再继续延伸和 扩 大，煤储层各点压力也就不能进一步降低，解吸停止，煤层气井采气 也就 终止。

根据所形成的降落漏斗体积，结合朗格缪尔方程，即可求 出该井所能产 出的甲烷气总量在地层稳定、地质条件简单的地区，煤层气井的采气可以看作是对承 压含水层 的抽水过程根据地下水的流态和压力降落漏斗随时间延续 的发展趋势，将煤 层气生产分为单并排采和井群排采其中单井采气 可以分为形成稳定压降漏斗、 压降漏斗不断扩展、压降漏斗先扩展后 稳定 3 种情况，其理论意义最为重要2 稳定压力陷落漏斗的形成与扩展当煤储层存在补给边界或越流补给时，随着抽水时间的延续，最终形 成稳定的压力降落漏斗2.1煤储层存在补给边界压力降落漏斗随着排采的继续在上覆地层中不断扩展，当其遇到张性 断层时,若该断层与地表水或其他地下水层相沟通，这些水系的水就 会通过断层补给煤 储层当补给量与抽出量相当时，压力降落漏斗达 到稳定，不再扩展，煤储层 甲烷解吸停止（图1,煤层气井不再产气匚 BIM wellL \馆梆・・ ]Fif -3 bamiKry Fig ] bcwidny nists in wliwla&Ma込01昭2.2煤储层存在越流补给煤储层的顶板或底板为弱透水层，且其相邻的地层为含水层，此时 煤储层存在越流补给煤储层中压力的降低使得邻近含水层中的地下 水通过顶板或底板补给煤储层。

压力降落漏斗的扩大使得补给量不断 增加，当补给量与抽出量相当时，降落漏斗达到稳定，不再扩展，煤 储层甲烷解吸停止（图2,煤层气井产气终止2.3降落漏斗的扩展当煤储层中存在隔水边界（如逆断层、推覆断层等时，随着抽水时 间的延续，降落漏斗不断扩展当降落漏斗扩展至隔水边界时，由于 隔水边界无法补给或补给量小于抽出量，降落漏斗不再向远处发展， 而迅速加深，煤储层压力快速下降，甲烷大量释放，井口表现为气产 量大增（图3压降■斗不斷扩展图3降落SI斗不斷扩展Fig* 3 The expa nding of landing filler图 4 wW)与三■关系曲线图 Fig.4 The relation of w(u) and 丄3定流量排水与定陷深排水目前，在煤层气勘探开发的初期阶段，随着抽水时间的延续，降落 漏斗不断扩展，并逐渐稳定，煤储层无越流补给且水平无限延伸 (附近无补给边界或给水边界排水降压过程可分为初期定流量排水与定降深排水两个阶段3.1初期定流量排水阶段煤层气井抽排初期，抽出的水量依泵的排量而定，当抽出的水量一 定时，井简中的动液面不断下降根据无补给承压水完整井定流量非 稳定流计算公式(Theis公式，抽水井影响范围内任一点任一时刻的 水位降为式中? = =- E(* u) = j Ady■将上式改写成无量纲降深形式，即4Ttw(u) = 4n TS/Q ur2zzw（ u ）与丄关系曲线如图4式中T为导水系数，T= KM表示水力坡度等于I时，通过整个含水层 厚度上的 单宽流量；卩为贮水系数，是衡量承压含水层弹性释水能力 的参数；S为煤层 气井影响范围内，任一点任一时刻的液面降深； Q为煤层气井的产水量；r为计算点到煤层气井的距离。

可见，在定流量排水阶段，在煤层气井影响范围内的任一点，参数 Q,T,卩，r是一定的，随着抽水时间t的延续，该点（包括煤层气井井中 的液面降 深S不断加大，但加大的速度逐渐降低其物理意义是由于 压力降落漏斗的扩 大，使得汇水面积增加因此在煤层气井生产初期 的定流量排水阶段，煤储层 压力降落漏斗的变化逐渐增大，但增大的 速度逐渐变缓煤层气井井口表现为 产水量稳定，产气量逐渐增加3.2定降深排水阶段煤层气井采气时井中的液面是不能无限下降的，当液面降低到接近 抽排煤 储层时，降深就无法继续，煤层气井进入定降深采气阶段由 定流量阶段转入 定降深阶段的时间主要取决于煤储层的渗透系数和井 壁的污染程度渗透性差、 井壁污染严重的煤层气井采气开始后很快 进入定降深排水阶段根据无越流补给侧向无限延伸承压含水层定降深井流的流量函数 G （入，并作出G （入与入关系曲线（图5Q =⑴，其中A = 一 2VRf .l TlwninRd牝心 on此阶段，由于降落漏斗扩展，汇水面积不断增大，使得漏斗远处平 缓，即只有井口附近的煤储层压力降幅较大， 而远离井口的大部分煤 储层的压力降幅较小结合朗格缪尔曲线 （图 6 可以知道，煤储层降 压初期的压降引起的甲烷解吸量远小于后期相同压降所引起的甲烷解 吸量。

因此该阶段虽然井口仍然产气，但大部分煤储层的甲烷并没有 被解吸出来，且存在解吸逐渐减缓的趋势4 井群开发形成井间干扰煤层气井的商业生产是利用井群抽水降压，而不是单独的一口或相距 甚远的几 口井来降压的一定范围内的两口或两口以上抽水生产井称 为井群当井群中 的井与井之间的距离小于各井的影响半径时，彼此 之间的流量和降深都要发生 干扰在承压含水层中， 地下水的流动方 程是线性的， 可以直接运用叠加原理， 即当两口井的降落漏斗随抽水 的延续不断扩展至两个压力降落漏斗相互交接、 重叠时，重叠处的压 力降等于两个降落漏斗所形成的压力降之和（图 7）如果 流场内有多口井同时抽水，贝澎响范围内任一点的压力降为Si = S》？Fig. 7 Th* fluid arcs & disuvfaing in a gtuup d (he CBM wA| rrunmf这种情况下，井间干扰对煤层气井的采气具有促进作用产气速度上：煤层气井两井间的煤储层压力降幅由于压降的叠加而 成倍 提高，因此相对于单井来说，单位时间内的压力下降幅度大，煤 储层甲烷的 解吸速度快，井口表现为一定时间内产出的甲烷气量多， 即气产量高总产气量上：当两个降落漏斗相接时，双方就相当于分别遇到了前 述的隔水边界，此时随着抽水的延续，压力降落漏斗不再在水平方向 上扩大，而是在垂直方向上加深，最终使得两井间的煤储层压力可以 降低到很低的程度,根据前述，这将使得两井间范围内的煤储层中的 大部分甲烷气都解吸出来，使煤层气井的总产气量增加很多。

煤层气井单井采气过程可分为形成稳定压降漏斗、压降漏斗不断扩 展、压降漏斗先扩展后稳定几种理论模型在实际生产中，各单井的 情况可能相对复杂，空间上，地层形式可能是上述几种情形的组合 女如:一侧为补给边界，另一侧为无补给水平无限延伸的煤储层；或一 侧为补给边界，另一侧为隔水边界等形式在时间上，随着抽水的延 续，煤储层压力逐渐降低，其与 邻近含水层的压力差逐渐增大，原本隔水的断层可能发展成为弱透水断层或 透水断层，原本无补给的邻近 含水层也可能形成越流补给(隔水和透水，有 或无越流补给都是相对而 言的煤储层的压力降低是一个动态的过程，系统 中的各项条件和因 素都可能随时间的推移而发生变化；井群排采时，一口煤 层气井的四周都存在抽水井时，各个方向上的煤储层压力都能得到充分的降 低，该井控制范围内的煤储层甲烷也就能最大限度地解吸出来 井群的采气在今后在机理虽然以单井采气机理为基础'但要比单井采气复杂得多，有待 实践中进一步研究。