高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

李国庆,孟召平,王保玉

(1.中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室,湖北 武汉 430074;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟

李国庆1,孟召平2,王保玉2

(1.中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室,湖北 武汉 430074;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

为了分析排采控制对气井产能的影响,以沁水盆地南部煤层气藏为例,应用分子动力学、岩石力学理论,分析了高阶煤层气扩散、渗流机理;应用Simed软件,分别采用不变渗透率、应力敏感以及考虑割理压缩率变化的S-D渗透率模型,进行了不同煤体结构高阶煤层气井初期排水强度数值研究。研究表明:解吸、扩散、天然裂缝渗流以及压裂裂缝导流等环节需协调作用,才有利于产气;随着排采的进行,扩散系数会逐渐增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低;渗透率是影响研究区气井产能的关键因素,渗透率高的产气效果好;构造煤对于初期降液速率较敏感,对较高的导流系数不敏感;原生、碎裂煤对初期降液速率不敏感,但对导流系数较敏感;低渗煤层气井宜采用较低的初期降液速率;高渗煤层气井可以采用较高的初期排采强度持续排出水和煤粉。

煤层气;扩散-渗流机理;排水强度;高煤阶

抽采煤层气(瓦斯)具有3种效益:提供天然气资源、降低煤矿瓦斯灾害风险、减少温室气体排放。据国家能源局统计,截止到2013年底,我国已完成钻进煤层气井12 500余口,煤层气产能建设已达到一定规模。但总体而言,已有生产井的排采效果不佳,单井日均产气量不足500 m3,大量的井产气量很低或者不产气。由于缺乏科学有效的理论指导,排采已成为目前煤层气工业发展的瓶颈,不合理的排采制度导致气产量衰减过快、煤粉堵塞近井带、煤粉损坏排采设备等不良后果。

我国含煤盆地经历了复杂的构造与热变质作用改造,煤层变质程度高、非均质性强、各向异性强烈、透气性差,煤层气成藏机理、产出机理方面具有特殊性。国内外学者在煤层渗透率动态变化、煤粉产出等方面取得了一些研究成果。Shi和Durucan[1-2]提出了考虑应力敏感、基质收缩效应的渗透率模型,并考虑了割理压缩系数的变化,该模型得到了广泛的应用。Liu和Rutqvist[3]认为煤基质收缩或膨胀产生内部应力,并与割理发生相互作用,S-D模型高估了基质收缩或膨胀效应。Pan和Connell[4]则提出现有渗透率模型没有考虑顶板沉降,且对近井带渗透率存在低估。孟召平等[5-7]进行了高阶煤层应力敏感及其影响因素的实验研究。邹雨时等[8]提出煤粉的聚集附着、桥堵孔喉是支撑剂充填层导流能力伤害的主要原因。张双斌等[9]提出变流量排采、煤粉嵌入会使导流能力大幅下降。魏迎春等[10]指出构造煤发育是煤粉产出的主控地质因素,排采初期及产气量快速上升期容易发生卡泵事故。康永尚等[11]分析了鄂尔多斯盆地35口煤层气井的排采动态特征并提出了8个排采指标。林鑫等[12]对柳林地区中阶煤层气藏的敏感性进行了实验研究。刘升贵等[13]指出潘庄区块含气量、地层压力及渗透率等指标值高,产气峰值出现早且持续时间长。总体而言,已有研究成果多是针对中阶煤的,有关高阶煤层气的研究主要是渗透性、吸附性方面的,而排采控制方面的研究报道较少,高阶煤层气排采仍处于探索阶段,缺乏必要的理论方法指导。

煤层气井排采效果主要受地质、工程两方面因素影响,有时还受到采煤采气接替关系的影响。地质方面包括资源条件(煤厚、含气量)、解吸条件(吸附饱和度、兰氏压力、地解比)、扩散性能(扩散系数、基质孔隙半径与迂曲度、分子种类、储层压力、温度)、渗透性(横向、纵向水文地质边界条件、渗透率、煤体结构、裂缝发育程度、裂缝开度、地应力)、储层压力、构造环境、水动力条件等;工程方面包括井网布置、钻井、完井质量、改造措施、排采制度等。笔者以沁水盆地南部煤层气藏为例,结合生产实际,系统阐述高阶煤层甲烷扩散-渗流机理及影响因素,并应用数值模拟技术研究了高阶煤层气井初期排水强度对产气潜力的影响,揭示了高煤阶煤储层应力敏感性特征,为本区煤层气开发提供了理论依据。

1 高阶煤层甲烷扩散、渗流机理

目前,煤层气开发的主要方法是压力衰竭法,一般采用直井压裂方式增强煤层渗透性,通过抽取煤层水降低储层压力,进而采出煤层甲烷气。在降压排采时,煤层中吸附态气体会经历解吸、扩散和渗流3个过程。高阶煤微孔发育,吸附能力强,一般含气性好,但构造煤普遍发育,渗透率低。根据气体分子动力学理论,气体分子的吸附与解吸速率很快,在一个大气压下,解吸速率约3×1023mol/(cm2·s),解吸与吸附几乎是瞬时完成的[14]。因此,扩散与渗流是煤层甲烷产出机理的关键。

1.1 扩 散

物理扩散是在浓度差或其他推动力的作用下,由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象,是质量传递的一种基本方式。扩散的推动力主要有浓度差、温度差以及电场、磁场等外力作用,固体、液体、气体均可以发生扩散。扩散速度在气体中最大,液体中其次,固体中最小,而且浓度差越大、温度越高、参与的粒子质量越小,扩散速度也越大。由于气体分子热运动的速率很大,分子间极为频繁地互相碰撞,每个分子的运动轨迹都是无规则的杂乱折线。温度越高,分子运动就越激烈。在0℃时空气分子的平均速率约为400 m/s,但是,由于极为频繁的碰撞,分子运动的速度大小和方向时刻都在改变,气体分子沿一定方向迁移的速度就相当慢,所以气体扩散的速度比气体分子运动的速度要慢得多。

气体在多孔介质中的扩散,可根据孔隙的大小、形状以及气体性质分为3类,用Knudsen因子(Kn= d/λ)定量区分,其中λ为分子热运动自由程,d为煤层的孔隙直径,即Fick扩散(Kn＞10)、Knudsen扩散(Kn＜0.1)及过渡型扩散(Kn=0.1～10)[15-18]。

1.1.1 Fick扩散

Fick扩散也叫布朗扩散,当孔隙直径远大于分子平均自由程时,分子运动以分子间的相互碰撞为主,极少数与孔壁碰撞,其扩散规律可用Fick定律来定量描述,只需考虑多孔介质的孔隙率和曲折因数(表示因毛细孔道曲折而增加的扩散距离),对一般的分子扩散系数加以修正,见式(1),(2)[14]。当A,B为同一种气体时,则DAB表示气体分子自扩散系数。

式中,DAB为气体A在气体B中的扩散系数;kB是Boltzmann常数,1.38×10-23J/K;dA和dB分别为气体A和 B的分子直径;T为绝对温度;p为气体压力;mA,mB为气体分子摩尔质量;DABp为多孔介质内气体A在B中有效扩散系数;ε为多孔介质孔隙率;τ为多孔介质的曲折因数。

1.1.2 Knudsen扩散

当孔隙直径很小、气体压力很低时,气体分子运动平均自由程远大于孔隙直径,气体分子与孔隙壁频繁发生碰撞,物质沿孔扩散的阻力主要取决于分子与壁面的碰撞。根据气体分子运动论,Knudsen扩散系数为

其中,Dkp为Knudsen扩散系数;r为毛细孔道的平均半径。Knudsen扩散可进一步分为两种:当 Kn= 0.1～0.01时,气体扩散表现为分子沿着孔隙壁面的滑动,即滑脱效应;当Kn＜0.01时,可认为是连续介质流动。Dkp随着压力的降低而升高。

1.1.3 过渡型扩散

气体在孔隙中的运动情况介于上述Fick扩散与Knudsen扩散之间,过渡型扩散系数Dp为

式(4)中如果1/Dkp项可以忽略,则扩散为分子扩散;如果1/DABp项可以忽略,则扩散为Knudsen扩散。甲烷、二氧化碳分子直径分别为0.38,0.33 nm,在2 MPa、27℃ 下,分子自由程分别为 3.23, 4.28 nm。而煤是一种双孔隙介质,孔隙直径从纳米到毫米级不等,因此以上3种扩散均有可能发生,而不同煤阶的煤基质孔径分布不同,其甲烷吸附、扩散特征也存在很大差异。在直径为2～50 nm的孔隙中,Knudsen扩散占主导地位;在直径大于50 nm的孔隙中,分子扩散与过渡性扩散占主导。

根据气体分子运动理论,分子热运动自由程为

式中,d0为分子有效直径,nm。

随着压力的降低,气体分子运动平均自由程迅速增大(图1),扩散类型及扩散系数发生了明显变化,扩散能力明显增强。而在目前的研究中,通常采用吸附时间常数来表征煤层甲烷的扩散能力。实际上扩散系数在煤层气产出过程中并非定值,在低压区扩散系数明显升高,因此,吸附时间也应该是一个变量[18]。在低压下,构造煤的扩散能力明显高于原生结构煤,一个反映煤体对低压气体吸附-扩散能力的指标——瓦斯放散速度,被广泛用于指导瓦斯突出灾害防治。

图1 20℃时气体分子运动平均自由程随压力的变化Fig.1 Variation of gas motion free path with pressure at 20℃

1.2 渗 流

煤层是一种双孔隙介质,内生割理、次生裂隙系统是渗流的主要通道,煤层渗透率主要依赖裂隙系统。对于理想光滑平直裂缝,体积流量与等效隙宽的立方成线性关系,即立方定律,有

有效应力通过改变裂隙宽度而改变渗透率:裂隙面法向应力变化导致裂隙宽度变化,渗透性改变;裂隙发生剪切变形,剪胀或剪缩效应使得裂隙宽度、粗糙度发生变化,从而使渗透性增大或减小。

有效应力水平越高,煤层裂隙渗透率越低。渗透性主要依赖裂隙系统,对于因强烈构造改造而形成的粉煤层而言,通常没有裂隙系统,煤粉颗粒间孔隙是渗流通道。有裂隙系统的煤层渗透率明显高于无裂隙系统或者裂隙不发育的煤层渗透率,即原生结构、碎裂结构煤层渗透率高于碎粒、糜棱结构的煤层渗透率。

应力敏感实验表明,渗透率与围压呈负指数函数关系。但事实上,由于煤层的非均质各向异性特征,渗透率与围压之间并非严格的负指数函数关系[2-3,7]。应力敏感系数定义为

其中,Δk为渗透率改变量,10-15m2;Δσe为有效应力改变量,MPa;k为渗透率,10-15m2。式(7)的解析解为

式中,c为通解的积分常数项。

式(7)和式(8)表明,应力敏感系数的定义已经决定了渗透率与有效应力为负指数关系。实验数据与负指数函数的吻合情况并不十分理想[7],尤其是降压测试数据。究其原因,一方面可能是存在实验误差,另一方面是应力敏感系数实际并非定值,应力敏感系数会随着压力区间的不同以及加载和卸载的不同而变化。

从应力敏感的机理看,在低有效应力水平下,裂缝开度相对较大,有效应力增加使得裂缝开度较快、较大幅度闭合,渗透率也相应出现较大幅度下降;在达到较高有效应力条件下,因为裂缝的不平整性,裂缝进一步闭合的幅度有限,渗透率下降的幅度也有限。同时当地层压力降低至临界解吸压力时,煤层气开始解吸、扩散,煤基质发生收缩变形,又促使渗透率上升,即有效应力效应与基质收缩效应综合作用影响渗透率的变化。在初期排水阶段,仅出现有效应力效应,即应力敏感,地层压力越高,排水引起更大幅度的水压下降,进而渗透率下降越多。

2 高煤阶煤层气井初期排采强度数值研究

2.1 数值方法概述

数值模拟是研究煤层气藏参数、预测气井产量的重要技术手段。Simed是一款由澳大利亚联邦科学与工业研究院与新南威尔士大学共同开发的高级煤层气藏数值模拟软件,该软件采用全耦合隐式求解法,可以模拟煤层有效应力效应、基质收缩与膨胀效应、多组分气体吸附以及气井排采控制等。软件不仅内置了4个渗透率模型,还可以由用户自定义渗透率动态变化等参数[19-21]。笔者以沁水南部不同煤体结构高阶煤层气藏为例,采用Simed软件进行不同初期排采强度下的气井产能模拟。

2.2 输入参数

本次模拟采用的渗透率模型为Shi-Durucan(SD)模型,该模型描述了煤的含气性、膨胀收缩效应及应力变化,然后再将应力变化和渗透率联系起来,能较好地反映气井排采过程中煤层渗透率的动态变化以及产能的响应。S-D模型数学表达式[1-2]为

式中,σ0为初始有效应力,MPa;σ为有效应力,MPa;p0为初始地层压力,MPa;k0为初始渗透率, 10-15m2;ν为泊松比;E为杨氏模量,MPa;VLj为j气体的Langmuir体积,m3/t;VLmax为最大吸附体积,m3/ t;bj为j气体组分的Langmuir常数;Ctot0为初始气体总含量,m3/t;Ctot为气体总含量,m3/t;ε为体积应变;εmax为最大吸附量时的体积应变;cf为煤的平均割理压缩率,MPa-1;α为割理压缩率的下降率, MPa-1;cf0为初始煤割理压缩率,MPa-1。

沁水盆地南部主采的3号煤层主要为无烟煤,兰氏体积和原地含气量高,甲烷含量高达21 m3/t, 30℃的兰氏体积高达50 m3/t,兰氏压力为0.6～2.5 MPa,普遍低于1.5 MPa。区内煤层埋深400～700 m,构造煤广泛发育,其中原生结构、碎裂结构煤中裂隙系统较发育,渗透率相对较高,而碎粒、糜棱煤中裂隙基本消失,渗透率低。除潘庄区块外,煤层气井排采效果普遍不佳。根据生产数据与实验结果,本次模拟主要参数见表1和图2。

采用压裂直井进行降压排采,初始液位降速分别为1 m/d和5 m/d,降至150 kPa后保持稳定,当井底流压小于150 kPa时停止模拟。分别考察储层在以下3种情形下的产气规律:① 既无应力敏感又无基质收缩,即渗透率不变;②仅有应力敏感;③既有应力敏感又有基质收缩。

表1 Simed软件输入参数Table 1 Parameters used in Simed

图2 相对渗透率曲线Fig.2 Relative permeability curves

3 结果与讨论

3.1 结 果

图3显示了渗透率为5.0×10-15,0.5×10-15m2的煤层气井产能数值模拟结果。其中1,2和3分别表示不考虑应力敏感和基质收缩、考虑应力敏感、既有应力敏感又有基质收缩3种情况。表2为模拟结果的统计与对比。

图3 渗透率为5.0×10-15,0.5×10-15m2的煤层气井不同降液速率的产气效果Fig.3 The gas production of a CBM well using different drainage strategies(permeability is 5.0×10-15,0.5×10-15m2)

表2 不同煤体结构煤层气井产气模拟结果Table 2 Numerical simulation results of gas production in coal seams of different coal textures

为考察压裂裂缝导流能力的影响,分别进行了不同导流系数下的气井产能情况模拟,结果见图4和表3。模拟结果表明:

图4 不同压裂裂缝导流系数下煤层气井产气效果(降液速率为5 m/d)Fig.4 The gas production with varying hydraulic fracture conductivity(drop rate of fluid level is 5 m/d)

(1)对于渗透率为5.0×10-15m2的原生、碎裂结构煤层,初始降液速率为1,5 m/d,在不同的渗透率模型下模拟生产3 000 d,其累计产气量结果较接近,前者略低于后者。考虑应力敏感比不考虑应力敏感累计产气量降低47%,考虑应力敏感与基质收缩累计产气量比渗透率不变的累计产气量增加45%。

表3 不同导流能力下的产气能力Table 3 Gas production with varying fracture conductivity

(2)对于渗透率为0.5×10-15m2的碎裂、糜棱结构煤层,初始降液速率为1 m/d和5 m/d,在不同的渗透率模型下模拟生产3 000 d,其累计产气结果有一定差别:渗透率不变时,1 m/d降速的累计产气量略低于5 m/d降速的累计产气量;但在考虑应力敏感、应力敏感与基质收缩效应时,1 m/d降速的累计产气量大于5 m/d降速的累计产气量。考虑应力敏感与不考虑应力敏感相比,累计产气降低了39.31%和40.35%;但考虑应力敏感与基质收缩效应时,累计产气增加了51.70%和46.78%。表明低渗煤层宜采用较低的初期降液速率。

(3)渗透率是影响研究区煤层气井产气效果的关键因素之一,渗透率5.0×10-15m2的煤层累计产气量、产气速率峰值远高于0.5×10-15m2的煤层。

(4)对于渗透率0.5×10-15m2煤层,裂缝导流能力为1.5和1.0 μm2·m时,累计产气量分别为20.99万m3,20.89万m3,两者基本相同(图4(b)和表3)。压裂裂缝导流能力也是影响产气效果的重要因素之一,导流能力越强,产气效果越好。但对于低渗煤层,导流能力高至一定限度(本案例中约1.0 μm2·m)以后,产气能力对导流能力不敏感。

3.2 讨 论

本次模拟中,总体上产气速率峰值不高,5.0× 10-15m2煤层产气速率峰值为1 252.97 m3/d,这与排采面积偏小、兰氏压力低、地层压力低等因素有关。由图5可知,兰氏体积相同而兰氏压力较低的等温吸附线在低压区较陡峭、高压区相对平缓。在地层压力降低初期,解吸量较少,产气量较低;储层压力降至一定阶段,等温吸附线斜率明显增大,解吸量会迅速增加(图5)。因此,对于高阶煤层气藏,应尽量降低地层压力,以提高可解吸量。

图5 不同兰氏压力的高阶煤甲烷吸附等温吸附线Fig.5 CH4adsorption isotherm lines of high rank coal with different Langmuir volumes

在排水降压过程中,采用较高的降液速率,可以较快达到较高产气速率,但高产气速率维持时间较短。不论采用多高的初期降液速率,煤层的有效应力效应都不可避免,但在煤层甲烷开始解吸后,基质收缩效应会抵消有效应力负效应,并可能导致渗透率回升。在本案例的排采初期,有效应力效应使渗透率降低,在地层压力由初始的1.5 MPa降至临界解吸压力1 MPa时,渗透率降至初始渗透率值的85%,之后由于煤层甲烷开始解吸,渗透率因基质收缩效应而回升,并在0.86 MPa时渗透率开始超过初始渗透率,并在地层压力为0.15 MPa时达到初始渗透率的3.76倍。如果不考虑基质收缩效应,则在地层压力降至0.15 MPa时,煤层渗透率降至初始值的64.5%(图6)。临界解吸压力与初始地层压力比值越小,有效应力效应作用越明显,初期排水阶段渗透率下降幅度越大;基质收缩效应越强,排采后期渗透率升高幅度越大。

图6 渗透率动态特征Fig.6 The dynamic characteristics of permeability

本次模拟中,采用的S-D渗透率模型假设煤层上覆载荷是不变的,并基于均质各向同性弹性假设,推导出地层压力降低导致的水平应力变化。然而,这些假设条件与实际煤层是不符合的。随着排采的进行,煤层顶板会发生沉降变形,因此,近井带煤层上覆载荷是变化的,煤层不是均质各向同性介质,不符合弹性理论的假设条件,因此,由S-D模型计算出的近井带渗透率值偏低[3-4]。

本次模拟中,假定煤层是均质的,压裂裂缝是理想的垂直裂缝形态,整个生产是连续进行无中断的。而在实际生产中,煤层是非均质的,钻井、压裂及完井可能给煤层造成损害,过快的降液可能增加煤粉堵塞井底沉砂袋、卡泵等事件发生的概率,过慢的降液速率也可能导致煤粉不易排出、生产成本高等。如果生产中断时间过长,则会发生煤粉沉降堵塞近井带、井筒液柱升高造成近井带水锁等,会给气井产能造成重要影响。与扩散系数相关的吸附时间是随着解吸过程而变化的。这些都是本案例没有考虑的因素。

黏性流体携带固体颗粒的能力与流体流速正相关,高速流体可以携带较大尺寸固体颗粒。高渗煤层机械强度较高、裂隙发育且裂隙宽度较大,裂隙通过煤粉的能力较强;低渗构造软煤层机械强度低、天然裂隙不发育且裂隙宽度小,且压裂效果往往也不理想,煤粉产出多,高的排液速率更容易造成近井带裂隙堵塞。

4 结 论

(1)煤层甲烷运移包括基质解吸、扩散、天然裂缝渗流、压裂裂缝导流等环节,这些环节需协调作用,才有利于产气。扩散系数随地层压力降低而增大,而压裂裂缝导流系数会因有效应力作用、煤粉堵塞等因素而降低。

(2)研究区高阶煤层气藏具有地层压力不高、兰氏压力低、解吸困难的特点,尽量降低地层压力有利于解吸。渗透率是影响研究区气井产能的关键地质因素,渗透率高,则产气效果好。渗透率在排采中是动态变化的,应力敏感效应不可避免,它能显著降低煤层渗透率和气井产能,但如果排采控制得当,基质收缩效应可以有效恢复煤层渗透率,并获得较好的产气效果。渗透率高、压裂效果好的煤层裂缝宽度较大,通过煤粉能力强,在不致引起煤粉堵塞压裂裂缝的前提下,可采用较高的降液速率,持续抽出煤粉、水,将有利于获得高产。低渗的构造煤对初期降液速率敏感,宜采用较低的初始降液速率,而且低渗煤层裂缝不发育、裂缝宽度小,高强度排采更易导致煤粉堵塞裂缝。

(3)压裂裂缝导流能力是影响产气效果的重要因素,导流能力越高,产气效果越好。但对于低渗煤层,导流能力超过一定限度后,提高导流能力并不能提高产气效果。

(4)初期排采速率过高,易造成煤粉产出过多、过快,堵塞近井带和井底,造成卡泵等事故。而排采过程的中断会造成煤粉沉淀堵塞裂缝、近井带水锁,给储层造成伤害。排采过程应保持连续,避免中断。

[1] Shi J Q,Durucan S.Drawdown induced changes in permeability of coalbeds:A new interpretation of the reservoir response to primary recovery[J].Transport in Porous Media,2004,56:1-16.

[2] Shi J Q,Durucan S.Exponential growth in San Juan Basin Fruitland Coalbed permeability with reservoir drawdown:model match and new insights[J].SPE Reservoir Evaluation&Engineering,2010,6:914-925.

[3] Liu Huihai,Rutqvist Jonny.A new coal-permeability model:Internal swelling stress and fracture-matrix interaction[J].Transport in Porous Media,2010,82:157-171.

[4] Pan Z J,Connell L D.Modeling permeability for coal reservoirs:A review of analytical models and testing data[J].International Journal of Coal Geology,2012,92:1-44.

[5] 孟召平,张纪星,刘 贺,等.考虑应力敏感性的煤层气井产能模型及应用分析[J].煤炭学报,2014,39(4):593-599.

Meng Zhaoping,Zhang Jixing,Liu He,et al.Productivity model of CBM wells considering the stress sensitivity and its application analysis[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):593-599.

[6] 孟召平,侯泉林.高煤级煤储层渗透性与应力耦合模型及控制机理[J].地球物理学报,2013,56(2):667-675.

Meng Zhaoping,Hou Quanlin.Coupling model of stress dependent permeability in high rank coal reservoir and its control mechanism [J].Chinese Journal of Geophysics,2013,56(2):667-675.

[7] Meng Zhaoping,Li Guoqing.Experimental research on the permeability of high-rank coal under a varying stress and its influencing factors[J].Engineering Geology,2013,162:108-117.

[8] 邹雨时,张士诚,张 劲,等.煤粉对裂缝导流能力的伤害机理[J].煤炭学报,2012,37(11):1890-1894.

Zou Yushi,Zhang Shicheng,Zhang Jin,et al.Damage mechanism of coal powder on fracture conductivity[J].Journal of China Coal Society,2012,37(11):1890-1894.

[9] 张双斌,苏现波,郭红玉,等.煤层气井排采过程中压裂裂缝导流能力的伤害与控制[J].煤炭学报,2014,39(1):124-128.

Zhang Shuangbin,Su Xianbo,Guo Hongyu,et al.Controlling the damage of conductivity of hydraulic factures during the process of drainage in coalbed methane well[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(1):124-128.

[10] 魏迎春,张傲翔,姚 征,等.韩城区块煤层气排采中煤粉产出规律研究[J].煤炭科学技术,2014,42(2):85-89.

Wei Yingchun,Zhang Aoxiang,Yao Zheng,et al.Research on output laws of pulverized coal during coalbedmethane drainage in Hancheng Block[J].Coal Science and Technology,2014,42(2): 85-89.

[11] 康永尚,秦绍锋,韩 军,等,煤层气井排采动态典型指标分析方法体系[J].煤炭学报,2013,38(10):1825-1830.

Kang Yongshang,Qin Shaofeng,Han Jun,et al.Typical dynamic index analysis method system for drainage and production dynamic curves of CBM wells[J].Journal of China Coal Society,2013,38 (10):1825-1830.

[12] 林 鑫,张士诚,张 劲.柳林煤层气储层敏感性评价实验[J].煤田地质与勘探,2011,39(6):28-31.

Lin Xin,Zhang Shicheng,Zhang Jin.Sensitivity evaluation experiment of Liulin CBM reservoir[J].Coal Geology&Exploration, 2011,39(6):28-31.

[13] 刘升贵,袁文峰,张新亮,等.潘庄区块煤层气井产气曲线特征及采收率的研究[J].煤炭学报,2013,38(S1):164-167.

Liu Shenggui,Yuan Wenfeng,Zhang Xinliang,et al.The production curve and recovery rate of coalbedmethane well in Panzhuang block [J].Journal of China Coal Society,2013,38(S1):164-167.

[14] Duong D D.Adsorption analysis:Equilibria and kinetics[M].London:Imperial College Press,1998.

[15] An F H,Cheng Y P,Wu D M,et al.The effect of small micropores on methane adsorption of coals from Northern China[J].Adsorption,2013,19:83-90.

[16] Ju Yiwen,Jiang Bo,Hou Quanlin,et al.Behavior and mechanism of the adsorption/desorption of tectonically deformed coals[J].Chinese Science Bulletin,2009,54(1):88-94.

[17] Alexeev A D,Feldman E P,Vasilenko T A.Methane desorption from a coal-bed[J].Fuel,2007,86:2574-2580.

[18] Pillalamarry Mallikarjun,Harpalani Satya,Liu Shimin.Gas diffusion behavior of coal and its impact on production from coalbed methane reservoir[J].International Journal of Coal Geology, 2011,86:342-348.

[19] 潘哲军,卢克·康奈尔.煤层气产量预测和矿区优化的储层模拟[J].中国煤层气,2006,3(3):27-31.

Pan Zhejun,Connell Luke.Reservoir simulation for CBM/CMM production forecasting and field optimisation[J].China Coalbed Methane,2006,3(3):27-31.

[20] Connell L D.Coupled flow and geomechanical processes during gas production from coal seams[J].International Journal of Coal Geology,2009,77:222-233.

[21] Chen Dong,Pan Zhejun,Liu Jishan,et al.Characteristic of anisotropic coal permeability and its impact on optimal design of multilateral well for coalbed methane production[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2012,88-89:13-28.

Diffusion and seepage mechanisms of high rank coal-bed methane reservoir and its numerical simulation at early drainage rate

LI Guo-qing1,MENG Zhao-ping2,WANG Bao-yu2

(1.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources,Ministry of Education,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2.College of Geosciences and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

To investigate the influence of drainage strategy on gas production with the coal-bed methane(CBM)reservoir in Southern Qinshui Basin,China as example,based on molecular dynamics and rock mechanics theory,the mechanisms of methane,diffusion and seepage in high rank coal were systematically investigated.Based on a constant permeability soft,a stress-dependent permeability model and a S-D permeability model considering the varying cleat compressibility,respectively,the influence of early drainage rate on gas production potential in high rank coal seams of different coal textures was investigated using a CBM numerical simulation soft called Simed.It demonstrates that the transportation of methane in coal seam involves desorption,diffusion,seepage in natural fractures and hydraulic fractures and the gas production will be sufficient only when all these four steps work coordinately.The diffusivity will increase and the conductivity will decrease due to the increase of effective stress and plugging in hydraulic fracture by pulverized coal during CBM depletion.Coal seam permeability is one of key factors influencing the gas production po-tential in the study area.High permeability will result in high gas production.Tectonically deformed coals are sensitive to early drainage rate but not sensitive to the fracture conductivity above a certain value.Intact and blocky coal seams are not very sensitive to early drainage rate but sensitive to fracture conductivity.A low rate of early drainage suits low permeability coal seam.A high drainage rate can be used to extract the coal and water continually from a high permeability coal seam during CBM depletion.

coal-bed methane;diffusion and seepage mechanisms;drainage rate;high rank coal

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1919-08

2014-06-08 责任编辑:韩晋平

山西省煤层气联合研究基金资助项目(2012012014);国家自然科学基金资助项目(41172145);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(CUGL120258)

李国庆(1980—),男,湖北武汉人,讲师,博士。Tel:027-67884179,E-mail:ligq@cug.edu.cn

李国庆,孟召平,王保玉.高煤阶煤层气扩散-渗流机理及初期排采强度数值模拟[J].煤炭学报,2014,39(9):1919-1926.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8024

Li Guoqing,Meng Zhaoping,Wang Baoyu.Diffusion and seepage mechanisms of high rank coal-bed methane reservoir and its numerical simulation at early drainagerate[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1919-1926.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8024