煤层气渗流机理及产能影响因素分析

高潮 孙建博 李强 曹成 祁攀文（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院 西安 710075）

煤层气是赋存于煤层及其围岩中的一种自生自储的非常规天然气，是一种新型的清洁能源和优质化工原料。 但要成功开发煤层甲烷资源，还存在着许多问题需要研究和解决，其中煤层渗流机理是主要的问题之一。

一、煤层气产出地质模型

煤层气产出地质模型， 是为了适应数学模型的要求而对复杂实际系统的一种近似处理，其核心是煤储层的基本特征、边界条件和煤层气的流态。

二、 煤层气产出数学模型

煤层气和水在煤层中的渗流机理包括两种， 一种是煤层中的吸附气体通过解吸与扩散进入到煤层中的裂隙， 可通过Langmuir 等温吸附定理来描述； 另一种是煤层裂隙中的气水二相渗流，可用流体的连续性公式和达西定律来描述。

1、解吸与扩散

甲烷的解吸可用Langmuir 等温吸附定理来描述：

式中VL—Langmuir 体积；PL—Langmuir 压力；

Pg—气体的压力；

C(P)—平衡吸附气体浓度。g

公式(1)在煤基质和割理之间提供了一个边界条件，通过扩散进入裂隙的甲烷量可用Fick 定理来描述：

式中r—解吸时间；

Vm—煤基质体积；

C(t)—t时刻基质中甲烷平均浓度；

qm—由基质进入裂隙的甲烷量；

将公式(2)写成导数形式∶

2、水—气二相裂隙流

煤层甲烷气、 水在煤层裂隙中的二相渗流可用流体的连续性公式和达西定律来描述。

流体连续性公式

以上4 式中：φ—煤孔隙度;

K—煤层绝对渗透率;

h—标高;

ρ—流体密度;

S—流体饱和度;

Kr—相对渗透率;

μ—粘滞系数;

g—重力加速度;

q—源汇项;

w,g—分别表示水和气。

将公式(8)、(9)分别代入公式(6)、(7)中,可得∶

上述二公式中,Pw、Pg、Sw、Sg 分别满足下面两个附加公式：

式中：Pc—毛细管压力。

将公式(1)、(2)、(4)和(9)、(10)、(11)、(12)耦合起来，这样上述公式中就只含有4 个未知数Pw、Pg、Sw、Sg， 未知数个数和公式个数相同。 结合初始及边界条件即构成整个煤层甲烷气藏的数学模型。

三、煤储层产能影响因素

1、煤层渗透率

渗透率好的煤层， 井筒排水降压才能有效地传到更大的范围，控制大面积煤层，使更多的煤层气解吸，获得更高产量。

2、含气饱和度

煤层含气饱和度的高低，决定其临界解吸压力的大小。 临界解吸压力越高，意味着煤层气井需要排水降压的幅度越小，开始产气的时间越早，煤层解吸的甲烷气量越大。

3、Langmuir体积

煤层的Langmuir 体积越大，煤层气的吸附能力越强，气体越不容易解吸。 当煤层的含气量一定时，Langmuir 体积越小，煤层气井气产率越高，产气高峰到来越早，累积气产量越大。

4、煤层孔隙度

煤层为双孔隙系统，即微孔隙和宏观孔隙。 煤层孔隙度主要是割理孔隙度，在初始状态，割理由100%的水充填，孔隙度增大时，煤层单位体积内的水含量增高，气含量相应地减小，当进行煤层气开采时，储层压力下降的速度变小，直接影响煤层气的解吸速度。 解吸气体在裂隙网络中的相对饱和度降低，气相有效渗透率也降低，气产率降低。

5、井网密度

井距选择很大程度地受煤层渗透率的控制， 这是因为渗透率对煤层气井的泄压半径有很大的影响。 因此，对低渗透率的煤层通常采用较小的布井井距，提高煤层泄压效果，增加煤层气产量。

四、 结语

煤层气和水在煤层中的渗流可用Langmuir 等温吸附定理和二相渗流来描述。 产能影响因素包括：①割理绝对渗透率；②割理孔隙率；③决定产气率变化特征及最终采收率的吸附等温线；④用以确定排采过程中某一时间原位含气量和采收情况的初始含气量。

[1]. 张培河.影响我国煤层气可采性的主要储层参数特征[J].天然气地球科学,2007,18(6)∶880‐884.

[2]. 张培河. 基于生产数据分析的沁水盆地南部煤层气井产能控制地质因素研[J].天然气地球科学,2011,22(5)∶909‐914.