孟 蒙
(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204)
引 言
与常规的天然气相比，煤储层中煤层气的解吸、扩散以及运移机理均不同。在不受外界干扰条件下，在煤基质中赋存的煤层气处于吸附和解吸的平衡态，迄今为止诸多专家学者[1]对煤层气的解吸扩散机理做了大量研究，部分人认为吸附遵循气相吸附规律，还有部分人认为吸附遵循液相吸附规律，由此可见水对煤层气的解吸和扩散均有较大的影响。故本次在分析储层中气水分布形态的基础上，对煤层气的解吸、扩散以及渗流规律进行研究，进而系统得到煤层气的采出机理，同时对影响其采出的因素进行系统分析，为煤层气采出的工业应用提供一定理论前提。
1 气水分布特征研究
煤体中的水主要来源于成煤阶段，而该阶段可分别腐泥化作用过程以及煤化作用过程。在腐泥化过程中低等植物和高等植物在微生物的作用下逐步分别转变为腐泥和泥炭，而该过程发生的区域主要位于富水区域；在煤化过程中，在地层高温高压作用下腐泥和泥炭发生化学反应，生成了大量水分。
当煤体的变质程度不同，则内部结合水和自由水的比例就不同，现有的“双孔双渗”模型[2]只考虑了自由水对煤层气采出的影响，并未考虑结合水对其的影响，由此提出了“双孔单渗”模型，该模型将煤基质内部孔隙视为煤储层内部赋存甲烷的最小单元，基于孔隙结构中赋存水的饱和度情况可将孔隙结构分为以下三类。
1.1 饱和水孔隙
该类别的孔隙中甲烷处于固液相的环境，煤体含水率为100%，符合液相吸附规律；当煤体生气量较小时，则孔隙对甲烷的吸附量要低于其饱和吸附量，吸附甲烷只处于煤体内部孔隙的部分表面，该状态下煤体内部不存在游离态的甲烷；当煤体生气量超过饱和吸附量时，剩余气体会溶解于水中，当溶解于水的甲烷超过水的溶解度时，另外的甲烷在煤体内部孔隙以及割理结构中以游离态的形式存在，如图1所示。
图1 饱和水孔隙下气水分布特征示意图
1.2 无水孔隙
该类别孔隙中含水率为0，甲烷吸附符合气相吸附规律，水对煤层气的解吸和扩散等均不会造成影响。当煤体生气量较小时，同样吸附甲烷只处于煤体内部孔隙结构的表面，没有存在于孔隙结构空间的甲烷；而煤体生气量较大时，超过饱和吸附量的甲烷会游离于孔隙和割理结构中，如图2所示。
图2 无水孔隙下气水分布特征示意图
1.3 非饱和水孔隙
通常情况下煤体内部含水率介于0和100%之间，该类别孔隙为非饱和水孔隙，也就是说煤基质孔隙中含有部分水。对于该类别的孔隙，认为含水孔隙中甲烷吸附符合液相吸附规律，而不含水孔隙中甲烷吸附符合气相吸附规律；另一方面，液相和气相间可以相互转变，即(气相)液相解吸后可以原地进行(液相)气相吸附过程，如图3所示。
图3 非饱和水孔隙下气水分布特征示意图
2 煤层气解吸机理及其影响因素研究
2.1 煤层气的解吸机理
通过排水降压的方法进行煤层气的采出，气水分布特征随着含水饱和度的改变而改变，故不同饱和度下煤层气的解吸机理不同。
饱和水孔隙：当煤储层压力处于临界解吸压力之下时，则煤层气发生解吸。对于解吸后的甲烷气体，当孔隙水对甲烷的溶解度未达饱和状态时，则甲烷气体会继续溶解；当孔隙水对甲烷的溶解度已经达到饱和状态，则解吸气体以游离态的气泡方式排出。
无水孔隙：解吸气体在煤体内部孔隙结构中扩散，最终以渗流形式排出。
非饱和孔隙：解吸气体主要包括固液相解吸气体、固气相解吸气体以及不同相态间相互转化的部分解吸气体三部分。固液相解吸气体排出与饱和水孔隙气体排出机理相同，固气相解吸气体排出与无水孔隙气体排出机理相同；随着排水降压开采煤层气的不断进行，相态转化过程会不断减弱，逐步转变为以固气相解吸为主的排气规律。
2.2 影响因素
影响煤层气解吸的因素主要包括煤质、温度以及压力等。
煤质：煤体的变质程度、组成矿物以及显微组分不同，则煤质就不同，煤质主要通过影响煤体的生气能力来影响其解吸过程。通常煤体对甲烷的吸附性随着矿物含量的提高而减弱。
温度：温度升高会加剧甲烷分子的热运动过程，使得吸附台的瓦斯容易发生解吸，进而增大气体解吸量，同时作用于甲烷排出的压差随着温度的升高而增大，进而会提高甲烷的扩散能力，影响气体排出。
压力：当排水量超过煤储层的供水量时，会形成显着的压力降，进而降低煤储层的压力，当该值处于临界解吸压力之下时，甲烷气体发生解吸。
3 煤层气扩散机理及其影响因素研究
3.1 煤层气的扩散机理
在存在浓度差的情况下甲烷气体会从浓度高的区域流向浓度低的区域，诸多专家学者认为煤储层内部孔隙直径要高于10倍的分子运动自由程均值，故甲烷的扩散遵循Fick第一定律[3]，如公式(1)所示：
(1)
式中：v为流体扩散速率；A为流体扩散经过的面积；D为流体的扩散系数；dc/dx为浓度梯度。
3.2 影响因素
从公式1中可以看出，煤层气的扩散主要受到扩散系数和浓度梯度的影响。
扩散系数：扩散系数D可通过公式(2)计算：
(2)
式中：L为煤储层内部孔裂隙间距；τ为吸附时间。
浓度梯度：该参数反应了处于煤体内部孔裂隙内部煤层气的浓度分布特征，流体的扩散速率与浓度梯度呈正相关关系，扩散速率愈大，则煤层气的扩散量就愈大。在排水降压开采煤层气的过程中，随着开采的不断进行，浓度梯度会发生改变。
4 煤层气渗流机理及其影响因素研究
4.1 煤层气渗流机理
通过雷诺数这一指标反应煤层气的渗流流态，通过公式(3)计算：
(3)
式中：μ为流体黏度；ρ为流体密度；VD为达西流；dg为储层内部孔裂隙直径均值。
从公式(3)中可以看出，雷诺数大小对流体流态的影响较为显着，而雷诺数与孔裂隙直径呈现为正相关关系。当孔裂隙直径较小时，煤层气流态为扩散方式；当孔裂隙直径较大时，煤层气流态为紊流方式。但煤储层通常为非均质的多孔介质结构，其内部孔裂隙的分布形态和直径不同，故煤层气在渗流流态方式多样。
在排水降压采出煤层气的过程中，煤层气的渗流流态如图4所示。在图中，从井筒周围开始煤储层的压力开始减小，此时存在压力传导，但没有气流流动，属于饱和单相水流(阶段Ⅰ)；当煤储层内部压力处于解吸压力的临界值之下时，煤层气吸附的平衡状态遭到破坏，部分煤层气形成解吸同时以气泡方式出现，属于非饱和水单相流(阶段Ⅱ)；随着排水降压开采煤层气的继续进行，解吸量逐步增加，气泡数量也逐步变多，此时属于气水两相流(阶段Ⅲ)；在煤储层内部压力进一步减小过程中，解吸量进一步增加，溶于水的甲烷达到饱和状态，此时水相的相对渗透率要低于气相的相对渗透率，该时期为煤层气采出的最优阶段，为气水两相流(阶段Ⅳ)。
图4 煤层气的渗流流态示意图
4.2 影响因素
煤层气渗流的影响因素可从煤体内部结构特征以及开采过程两方面考虑。结构特征包括孔裂隙结构以及含水率，开采过程包括有效应力等。
孔裂隙结构：公式(3)中对孔裂隙直径与渗流流态间的关系进行了定量表征，小直径的孔隙比表面积较大，对煤层气的吸附作用显着，但其连通性较差，对于煤储层的逾渗几乎不会产生影响，但直径较大的孔隙对煤储层渗透率的贡献显着，如图5a)所示。对煤体内部微观结构进行观测分析可得除了直径较大的孔隙外，裂隙密度对渗透率的影响也较大，如图5b)所示，究其原因，裂隙密度较大，则意味着裂隙间距小，煤层气渗流的通道较多，其开采过程越容易。
煤体含水率：与甲烷分子相比，水分子的极性更强，在煤体内部孔裂隙表明啊多层的水分子容易吸附，从而弱化了煤体的表面能，减弱了其可压缩特性，进而对煤储层的渗透率造成影响。对含水率不同的煤体进行渗流试验，结果显示，流体渗流速率与煤体含水率呈现为负相关关系，如图6所示。
图5 孔裂隙结构与渗透率关系示意图
图6 流体渗流速率与煤体含水率关系示意图
有效应力：煤体内部孔裂隙空间在有效应力的作用下会发生改变，有效应力越大，其直径越小，渗流通道越窄，从图6中可以发现，随着有效应力的增大，煤层气渗流速率在不断减小，但最终趋于稳定。
5 结束语
本文基于“双孔单渗”模型对储层中饱和水孔隙、无水孔隙以及非饱和孔隙中的气水分布形态进行了系统分析，进而对煤层气的解吸、扩散以及渗流规律进行了研究，得到了煤层气的采出机理，本文所得结论为煤层气采出的工业应用提供一定理论前提。
