煤层气井排水采气机理浅探

煤层气井生产时，通过抽排煤层中的承压水，降低煤层压力，使煤层中吸附的甲烷气释 放 出来。对煤 层抽水降压是煤层气生产的手段，也是人们目前唯一可以采用的方法。能否抽出地层 中的承压水以降低煤层压力是煤层气生产的关键。 煤层段地层含水为承压水。煤层气井排采前，井中液面的高度即为煤层中地下水的水头高度 ，此时不存在压力差，地下水系统基本平衡，没有地下水的流动。当煤层气井开始排采后， 井筒中的液面下降，在煤层气井筒和煤层中形成压力差，地下水从压力高的地方流向压力低 的地方，因此煤层中的地下水就源源不断地流向井筒中，使得煤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层段形成一个水头压降漏斗，并随着抽水的延续该 压降漏斗不断扩大和加深。当煤层的出水量和井口产水相平衡时，形成稳定的压力降落漏斗 ，降落漏斗不再继续延伸和扩大，煤层各点储层压力也就不能得以进一步降低，解吸停止， 产气也就终止。此时根据所形成的降落漏斗体积，结合朗格缪尔方程，求出该井所能产 出的甲烷气总量。 　　1　煤层气单井的排采机理 在地层稳定、地质条件简单的地区，煤层气井的排采可以看作是对承压含水层的抽水过程。 根据水流的状态和压力降落漏斗随时间延续的发展趋势，可以将煤层气单井的排采状况分为以下几种情况。 1.1　形成稳定的压力降落漏斗 　　(1)煤层存在补给边界。 　　压力降落漏斗随着排采的继续在煤层中不断扩展，当其遇到张性断层时，若该断层与地表水 或其它地下水层相沟通，则这些水系的水就会通过断层补给煤层。当补给量与抽出量相当时 ，压力降落漏斗达到稳定，煤层甲烷解吸停止（图1）。 　　图1　煤层存在补给边界（略） 　　(2)煤层存在越流补给。 　　此种情况下煤层的顶板或底板为弱透水层，且其相邻的地层为含水层。煤层中压力的降低使 得临近含水层中的地下水通过顶板或底板补给煤层。煤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，煤层甲烷解吸停止（如 图2）。 　　1.2　降落漏斗不断扩展 　　此种情况下煤层的一侧或多侧存在隔水边界（如逆断层、推覆断层等），降落漏斗发展至该 隔水边界时，由于隔水边界无法补给或补给量小于抽出量，此时隔水边界方向的降落漏斗不 再向远处发展，但迅速加深，使该处的煤层压力快速下降，甲烷大量释放，井口表现产气量 大增。直至该处的煤层压力降低，导致越流补给或其它方向的煤层水补给增强到补给量和抽 出量相等时，地层压力趋于稳定。若煤层周围都为隔水边界且无越流补给，煤层压力将最终 接近井底压力，整个系统压力平衡（图3）。 　　图2　煤层存在越流补给（略） 　　图3　降落漏斗不断扩展（略） 　　1.3　降落漏斗不断扩展，但扩展趋于逐渐稳定 此种情况下的地层条件是，煤层无越流补给，且煤层水平无限延伸（附近无补给边界或给水 边界）。大多数的煤层气井属于这种情况。此种情况下，随着抽水的延续，煤层中的压力降 落漏斗不断扩大和加深，但其扩展速度变慢，逐渐趋于稳定。 　　 (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，此时抽出的水量是一定的，但井中的液面 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（即Theis 公式），抽水井影响范围内任一点任一时刻的水位降为：（略） 　　图4　 W（u）—1/u曲线（略） 　　从上式可见，在定流量排水阶段，煤层气井影响范围内的任一点，参数Q、T、μ*、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 大的速度逐渐减小。其物理因素上是由于压力降落漏斗的扩大，使得汇水面积增加而引起的 。因此此阶段煤层压力降落漏斗的变化也是逐渐增大，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。 　　(2)定降深排水阶段。 　　煤层气井中的液面是不能无限下降的，当液面降低到接近抽排煤层时，降深就无法再 继续下去，此时煤层气井进入定降深排采阶段。由定流量阶段转入定降深阶段的时间主要取 决于煤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排采开始后很 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（λ），并作G（λ）— λ曲线，如图5所示：（略） 　　图5　G(λ)—λ曲线（略） 可以看出上式中导水系统T、贮水系统μ*、煤层气井液面降深Sw、煤层气井半径rw的 值一定，随着抽排的延续，抽水时间增大，λ增大，G（λ）减小，流量Q也随着减少，从 而使降落漏斗扩展速度减缓。此阶段井口产水量逐渐降低，产气量由于降落漏斗的缓慢发展 仍在继续，但煤层甲烷释放速度缓慢，产气量小，且逐渐降低。 〖KH+25mm〗〖HT5”SS〗〖JZ〗图6　朗格缪尔曲线〖HT〗 此阶段由于降落漏斗的扩展，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 层压力降幅较大，而远离井口的大部分煤层的压力降幅较小。结合朗格缪尔曲线（图6） 可以知道，煤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，但大部分煤层的甲烷并没有被解吸出来，且存在解吸 逐渐减缓的趋势。 在实际具体情况中，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。如：一侧为补给边界，另一侧为无补给水平无限延伸的煤层； 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 相对的）。煤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 的变化而发生变化。 　　2　煤层气井群的排采机理 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（如图7）。 如果流场内有多口井同时抽水，则影响范围内任一点的压力降为： Si = ΣSij　　　（j=1～ n） 图7　煤层气井间干扰示意图（略） 此时，井间干扰对煤层气井的排采具有促进作用。 (1)产气速度上。煤层气井两井间的煤层压力降幅由于压降的叠加而成倍增加，因此相对于 单井 来说，单位时间内的压力下降幅度大，煤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，即产气量高。 (2)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煤层中的大部分甲 烷都解吸出来，使煤层气井的总产气量增大。 　　当一口井的周围都存在抽水井时，其各个方向上的煤层压力都能得到充分的降低，该井控制 范围内的煤层甲烷也才能最大限度地解吸出来。有关井群排采机理虽然以单井排采机理为基 础，但要比单井排采复杂得多，有待在今后的实践中进一步研究。 　　总之，在煤层地下水的运动过程中，只要存在压力差，就会引起整个系统的变化，直至压力 趋于平衡为止。只有结合煤层气井的排采历史，通过系统全面的分析，才能真正了解煤层气 井的排水采气情况，从而作出正确的解释和决策。 　　作者简介：李国富，男，1965年8月出生，山西晋城人，高工，在晋城煤业集团晋丹公司工 作。 参考文献 1　薛禹群. 《地下水动力学原理》.地质出版社，1989 2　张力等. 煤层气渗流方程数值分析. 煤炭科学技术 No. 10,2001 3　苏喜力. 唐书恒等.煤层气的赋存运移机理及产出特征. 河北建筑科技学院学报. Vol. 16.No.3