煤层气开采过程中的逸散

朱苏阳，李传亮，杜志敏，李泽沛，彭小龙（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610599）

煤层气开采过程中的逸散

朱苏阳，李传亮，杜志敏，李泽沛，彭小龙
（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610599）

分析煤层气的赋存方式、成藏过程以及开采过程中的逸散问题，通过定义逸散速度比与逸散距离比，提出了判断煤层气在开采过程中是否发生逸散的条件，模拟计算了开采过程中的煤层气逸散量及其分布情况，同时研究了围岩渗透率、煤层的初始含气量以及气井产量对煤层气逸散量的影响。若煤层气逸散距离比大于逸散速度比的最大值，则可以认为煤层气无法发生逸散。实例计算表明，距离井筒越远越容易发生逸散；开采过程中煤层气的逸散可以损失10%～15%储量，超过占储量10%的煤层气是在开采初期逸散的。高含气量和低含气量的煤层气在开采过程中的逸散量较少，而中等含气量的煤层气逸散较多。减少开采过程中煤层气逸散量的关键是在煤层中快速建立生产压差，实现开发初期的快速生产。

煤层气；赋存方式；液相吸附；逸散条件；逸散速度比；逸散距离比

煤层气的逸散指煤层气以游离或溶解态从煤层中逸散到围岩的现象。虽然大多数煤层气藏呈欠饱和吸附状态［1-5］，煤层中没有游离气，但煤岩的生烃量远大于其保存量，大部分煤层气发生了逸散［6-10］。而煤矿开采过程中发现，原本不含气的围岩在采煤过程中出现了一定的含气现象［11-12］。由于煤层本身并不具备游离气的圈闭条件，煤层气在开采过程中同样会发生逸散。本文通过煤层气的赋存方式以及开采过程中的逸散，提出了判断发生逸散的条件，模拟计算了煤层气开采过程中的逸散量，并研究了煤层气逸散量的影响因素。

1　煤层气的圈闭

常规气藏的圈闭由储集层、盖层以及遮挡条件构成。由于盖层比储集层更致密，孔喉半径更小，因而具有更大的毛细管压力。游离气由于盖层的毛细管压力封闭作用而被保存在储集层内。

煤层是由裂缝系统与基质系统组成的双重介质储集层，但多数煤层构造比较平缓，也没有明显的遮挡条件（图1a）。生产动态与实验研究表明，在初始状态下，大多数煤层气藏并不存在游离气，所有气体均处于吸附状态，气藏中也不存在气水界面［13-16］。因此煤层气需要经历排水降压才能解吸产气。煤层气在储集层原始条件下以液相吸附的形式赋存于煤层中［17-20］。

液相吸附理论中，煤层气在水的作用下吸附在固体壁上，形成单分子吸附层，水中溶解少量的气体分子（图1b）。吸附层中的甲烷与水中溶解的甲烷达到动态平衡，满足液相Langmuir方程，即

图1　煤层气的圈闭及赋存形式

煤层气的液相吸附量与水相压力没有直接的关系，而与水中的煤层气的体积分数有关。煤层气的体积分数即煤层气在水中的体积，煤层气在水中呈欠饱和状态，体积分数的最大值为煤层气在水中的溶解度，其与压力的关系大致满足

煤层气是吸附于储集层的吸附气，只需要储集层具有一定压力即可，成藏并不依赖盖层的发育。同时煤层本身非常致密，基质孔隙的尺寸大多为纳米级别［21-23］，若要封盖煤层中的游离气，则需要更为致密的岩层；多数煤层的构造比较平缓，也难以形成较好的遮挡条件，因此煤层及其围岩很难形成游离气圈闭。

2　成藏过程中的逸散

煤层在经历多期构造运动后，埋深发生变化，随着温度的变化进入不同的演化阶段［24-25］。对煤层演化阶段的研究认为，煤层在演化的过程中生成了大量的烃类气体，大部分煤层的累计生烃量为100～280 m3/t，而煤层气的保存量则只有5～30 m3/t［26-31］。

煤层的生烃量远远大于其保存量，这说明大部分煤层气在成藏过程中由于构造运动发生了逸散。目前大多数煤层气藏中只保留了吸附气，而没有游离气。沁水盆地3号煤层存在致密的泥岩顶板，在初始条件下同样不存在游离气，但泥质顶板越厚，则煤层含气量越高［32-34］。因此，致密顶板虽然难以封盖游离气，但可以延缓吸附气以溶解态逸散的速度，对成藏后煤层气的保存有重要作用。

根据煤层气的成藏结果可知，煤层及其围岩并不能构成游离气圈闭，而只能形成吸附气圈闭。因此，煤层并不能圈闭游离气。

3　开采过程中的逸散

开采过程中的逸散主要指煤层气以游离态的逸散。而煤层气必须由吸附态解吸，形成游离气才能开采［35］，因此解吸形成的游离气就可能在流向井筒的过程中发生逸散。假设煤层气在距离煤层顶板h与距离井筒r的A点解吸（图2），在渗流过程中，煤层气受到浮力的作用，具有垂向的速度vv；受到生产压差的作用，具有水平方向的速度vh.煤层气是否发生逸散，不仅与煤层气的渗流速度有关，而且与其所在位置有关。

图2　开采过程中的煤层气逸散

假设气井只射开煤层，压裂缝不穿透煤层顶板。煤层气流动至井筒时，若气体沿路径1或路径2在煤层中运移，则煤层气无法逸散（图2）。若气体沿路径3流动，即尚未到达井筒就离开煤层，则认为煤层气发生了逸散。煤层气在垂直方向与水平方向的流动服从Darcy方程

不同方向的流动具有不同的压力梯度。垂直方向的压力梯度由浮力产生，可以表示为

则垂直方向上的速度vv可以表示为

垂直方向上的速度与煤层气所处的位置无关，与煤层气在裂缝中的饱和度有关。

水平方向上的压力梯度由生产压差决定，可以表示为

则水平方向的速度vh可以表示为

煤层气的渗流速度不仅与饱和度有关，而且与流动半径r有关。

定义逸散速度比为气体在煤层中垂向与水平方向的速度比，逸散速度比越大，则煤层气垂向上的逸散速度越大，煤层气越容易从煤层中逸散。逸散速度比的计算式为

逸散速度比本身并不能决定煤层气是否发生逸散。这是因为煤层气的逸散不仅与气体的渗流速度有关，还与气体所在位置有关。定义逸散距离比为煤层气所在位置距煤层顶部距离与距井筒距离的比值。逸散距离比越小，则煤层垂向厚度越小，煤层气越容易从煤层中逸散。逸散距离比的计算式为

煤层气的逸散速度比与逸散距离比是共同决定煤层气是否发生逸散的物理量，若Mmax＜λ，则可以认为煤层气无法发生逸散。假设气井产量为1.4× 104cm3/s（约1 200 m3/d），煤层厚度为5 m，流体性质如文献［36］，绝对渗透率为1 mD，相对渗透率由文献［37］提供。绘制不同含水饱和度的逸散速度比与距煤层顶板为1 m，2 m和3 m的3条逸散距离比的半对数曲线（图3）。

图3　不同含水饱和度下距井筒距离与煤层气逸散速度比和逸散距离比的关系

根据逸散速度比与逸散距离比变化可知（图3），近井筒带由于生产压差较大，煤层气逸散的难度较大，煤层气在煤层顶部发生逸散的可能性更大。图3中距井筒50 m以外的煤层气在流动过程中均会发生逸散。

4　实例验证与计算

根据沁水盆地YZ井组与TS井组生产动态可知，YZ井组井均产量600～800 m3/d，TS井组井均产量400～600 m3/d，同时YZ井组的生产情况明显好于TS井组。统计2个井组中生产一段时间后，由于工程因素停产之后又开井生产的井数，停产后开井产气延迟的井数，以及YZ井组中，停产后开井的最大产气量。

当气井因工程因素关井时，如果煤层有游离气盖层和遮挡物时，那么裂缝中的游离气就不会逸散，短时间内恢复生产，气井在开井后应立即见气。反之，裂缝中的游离气就会逸散，开井后需要经历一个解吸的过程才能产气，因此产气会有一定的延迟。根据统计情况，YZ井组有9口井由于工程因素关井后开井，其中6口井出现了延迟；而TS井组停产后开井的8口井全部出现了延迟。这说明TS井组所在的煤层上覆围岩对游离气的封盖能力较差，裂缝中的游离气发生了逸散。同时YZ井组9口井中另外3口井，停产后开井均获得了1 000 m3/d以上的高产。这是因为YZ井组所在的煤层上覆围岩对游离气有一定封盖能力，裂缝中的游离气并没有逸散而是一部分被圈闭在煤层中，使得部分气井停产后开井立即见气，并获得高产。因此，YZ井组和TS井组的生产动态可以间接验证煤层气开采过程中的逸散问题，而煤矿开采过程中发现原本不含气的围岩在采煤过程中出现了一定的含气表征，则可以直接验证煤层气开采过程中的逸散问题。

为计算煤层气的逸散量及其分布，以沁水盆地YZ井组地质资料为依据，建立均质煤层与围岩的地质模型，基础参数见表1.模型中，围岩与煤层直接接触，且围岩不能封盖煤层中的游离气，模拟位于煤层中部、井距为300 m的2口井15 a内的生产过程。

表1　地质模型基础参数

逸散比例为煤层气的逸散量占总储量的比例。通过计算煤层顶板的含气量可以得到煤层气在开采过程中的逸散量，进而得到煤层气的逸散比例。根据不同时间段的逸散比例（图4a）可知，煤层气的逸散主要发生于开发早期，超过70%的逸散发生于前3年；而中后期的逸散量有所增长，但总体变化不大。

根据围岩中部（距顶面40～60 m）不同时间逸散量的分布（图4b）可知，近井筒带的逸散小于远井筒带的逸散，这与逸散条件判断的结果一致。逸散的气体由于浮力作用不断向上运移，因此煤层的含气量随时间不断降低。在没有盖层的条件下，开采过程中煤层气的逸散可以导致煤层气的损失占储量10%～15%，其中占储量10%的煤层气是在开采初期损失的。

5　逸散量的影响因素

为研究开采过程中煤层气逸散的影响因素，在上述地质模型的基础上，根据（7）式的关系设置围岩与煤层的渗透率比、煤层的初始含气量和煤层气井的最大产气量3个变量。模拟2口井生产15 a内不同变量对煤层气逸散量的影响。

图4　煤层气的逸散量计算

（1）围岩与煤层的渗透率比模拟围岩与煤层渗透率比（Kt/Kc）为1，2，4，6，8和10的开采过程中煤层气逸散量。根据逸散比例与渗透率比的关系（图5a）可知，逸散比例随渗透率比增大而增大。这是由于围岩的渗透率越高，逸散出的煤层气在围岩中运移的阻力越小，因而逸散速度越快。同时，当渗透率比为4时，煤层气的逸散比例明显增加；在渗透率比大于或小于4时，逸散比例变化缓慢。因此可以通过研究围岩与煤层的渗透率比来大致估计开采过程中的煤层气逸散程度。

（2）煤层的初始含气量模拟煤层气初始含量为13m3/m3，16m3/m3，19m3/m3，22 m3/m3和25 m3/m3的开采过程中煤层气逸散量。根据初始含气量与逸散比例的关系（图5b）可知，当含气量大于19 m3/m3（煤层的初始含气饱和度为76%）时，初始含气量越高，逸散比例越小；而含气量小于19 m3/m3时，初始含气量越小，逸散比例越小。因此高含气量与低含气量的煤层气开采过程中发生逸散的程度较小；而中等含气量（初始含气饱和度为70%～80%）的煤层气开采过程中的逸散量较大，在计算采收率时需要校正。

（3）煤层气井的最大产气量模拟2口井的最大产气量分别为960 m3/d，1 280 m3/d，1 520 m3/d，1 720 m3/d 和1 920 m3/d时开采过程中煤层气逸散量。根据气井最大产气量对逸散比例的影响（图5c）可知，逸散比例随最大产气量的增大而减小。气井的产量越大，则煤层中生产压差越大，煤层气的逸散速度比越小，煤层气的逸散难度增大，逸散量减小。

图5　煤层气逸散量的影响因素

煤层气的逸散大多是在开发初期。这是因为开采初期，煤层气处于上产阶段，煤层中尚未建立有效的生产压差，逸散速度比较大，解吸出的煤层气更容易逸散。因此，减少开采过程中煤层气逸散的关键是在煤层中快速建立有效的生产压差，提高气井产量，在开发初期快速生产。

6　结论

（1）大多数煤层是吸附气的圈闭，而不是游离气的圈闭。初始状态下不存在游离气的煤层，在开采过程中就会发生煤层气的逸散。

（2）煤层气的逸散速度比与逸散距离比是决定煤层气是否发生逸散的物理量，若最大逸散速度比小于逸散距离比，则可以认为煤层气无法发生逸散，距离井筒越远越容易发生逸散。

（3）煤层气逸散主要发生于开发早期，开采过程中煤层气的逸散可以导致10%～15%的储量损失，同时超过10%的煤层气储量是在开采初期逸散的。

（4）高含气量和低含气量的煤层开采过程中发生逸散的逸散量较少；而中等含气量的煤层气逸散较多，在计算采收率时需要校正。

（5）气井产量越大则逸散量越少，减少开采过程中煤层气逸散量的关键是在煤层中快速建立有效的生产压差，在煤层气藏的开发初期实现快速生产。

符号注释

a——甲烷液相吸附系数，无因次；

cm——地层水中甲烷的体积浓度，m3/m3；

cms——甲烷在水中的溶解度，m3/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h——煤层气距煤层顶部的距离，m；

hc——煤层的厚度，m；

Ka——绝对渗透率，D；

Kg——气相渗透率，D；

Krg（Sw）——气相的相对渗透率，f；

M——逸散速度比，f；

Mmax——最大逸散速度比，f；

p——气藏的压力，MPa；

Δp/ΔL——气体的压力梯度，MPa/m；

qg——气体的产量，cm3/s；

r——流动半径，m；

Sw——含水饱和度，%；

Vad——液相吸附量，m3/m3；

Vadm——最大液相吸附量，m3/m3；

v——气体的渗流速度，m/ks；

vh——气体在水平方向的渗流速度，μm/s；

vv——气体在垂直方向的渗流速度，μm/s；

α——甲烷的溶解系数，m3/（m3·MPa）；

λ——逸散距离比，f；

μg——气体的黏度，mPa·s；

ρg——气体的密度，g/cm3；

ρw——煤层水密度，g/cm3.

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（编辑曹元婷）

Escaping Loss of Coal-Bed Methane during Production

ZHU Suyang，LI Chuanliang，DU Zhimin，LI Zepei，PENG Xiaolong
（State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

This paper analyzes coal-bed methane（CBM）preservation，accumulation and the escaping loss during production，presents several factors to identify coalbed methane escaping loss by defining 2 parameters-escaping velocity ratio and escaping distance ratio.Then the escaping loss volume and distribution of CBM escaping are calculated by simulation.Meanwhile，the impact of surrounding rock permeability，initial entrapped gas volume in coal beds and gas production on CBM escaping loss volume are studied.If CBM escaping distance ratio is larger than the maximum CBM escaping velocity ratio，it is considered that CBM will not escape from coal beds.Case calculation shows that the escaping loss is likely to occur in the areas far from wellbores and 10%～15%of CBM reserves will be lost during production，and more than 10%of CBM reserves escapes during the early production stage.Relative low loss commonly occurs in the coal-beds with high and low CBM content，however，the coal-beds with intermediate CBM content may suffer relative high losses.Therefore，the key to reducing CBM escaping loss is to establish producing pressure-drop quick ly in coal beds to realize rapid production at the early stage.

coalbed methane；preservation；liquid-phase adsorption；escaping condition；escaping velocity ratio；escaping distance ratio

TE311

A

1001-3873（2016）03-0321-06

10.7657/XJPG20160315

2015-11-13

2016-02-03

国家自然科学基金（51174169）；国家科技重大专项（2011ZX05060）

朱苏阳（1989-），男，江苏如皋人，博士研究生，油藏工程，（Tel）15828512977（E-mail）zhusuyang1989@aliyun.com