应力-地层水作用下煤层气解吸特征实验研究

邱小龙

(贵州省地质矿产开发局一一三地质大队，贵州 553001)

1 引言

影响煤层气井产量较低的因素有含气量大小、地层压力低、解吸困难等，其中解吸困难是其中的关键因素，对此，伊向艺、卢渊、张遂安、赵东、李相方、唐巨鹏、李景明等分别进行了煤岩微观特征、煤岩应力敏感性、煤层气解吸作用类型、煤岩固-气-液作用机理、高压注水的煤岩解吸规律、应力作用下煤层气解吸规律研究，取得了煤层气吸附和解吸方面研究的大量成果。而实际上，煤层气的解吸过程是一个长期的受多场耦合作用的历史过程，虽然这方面国内外的研究都取得一定的成果，但是，煤层气解吸控制因素、解吸规律等还不明确，还需要进一步深入的研究。笔者在前人研究的基础上，考虑了应力和地层水作用下煤层气解吸的规律，取得了一些认识。

2 实验装置

实验装置能严格控制实验温度和实验压力，同时实验数据能实时采集，可以模拟真实地层情况下的煤层气吸附解吸特征。该实验装置主要包括压力控制系统、温度控制系统、数据传输和采集系统，实验装置流程如图1所示。

3 实验原理与方法

3.1 实验原理

目前，许多学者研究煤层气吸附与解吸特征是利用破碎后的煤粉进行实验，这种方法破坏了煤岩的原生结构，不能较为真实描述吸附气体在煤岩中解吸-扩散-渗流规律。另外煤层中一般都含水，且煤层水含有一定的矿化度，因而需考虑地层水对煤层气解吸的影响。虽然现有的技术手段还很难在实验室还原煤层气的存付状态和运移规律，但本研究旨在探索煤岩在应力-地层水作用下煤层气的解吸特征，并未考虑其它因素的影响。本实验的主要过程是对煤岩进行加载-吸附气体-注入地层水-解吸。

图1 实验装置图中：1—夹持器；2—解吸容器；3—甲烷放空阀；4—氮气进气阀；5—甲烷进气阀；6—进液阀；7—甲烷解吸阀；8—注水阀；9—计量容器；10—平流泵放空阀；11—回压阀。

3.2 样品制备

利用煤矿井下取样的煤块加工成一定规格的圆柱状煤芯。测试圆柱状煤芯的孔隙度、渗透率及其它物性，选取煤岩物性较好的样品进行实验，实验前将样品置于恒温干燥箱30℃烘干12h，使煤岩样品中的水分蒸发，确保样品的干燥。

3.3 实验条件

根据实验的设计要求，本文煤岩吸附与解吸实验条件如表1所示。

表1 煤岩吸附与解吸实验条件

4 实验结果与分析

4.1 应力、地层水对煤层气解吸量的影响

解吸恢复率是不同解吸条件对试验样品作用后解吸恢复程度的物理量，由下式计算：

(1)

式中：VD1为试样自然条件下(无围压、无地层水)的解吸体积，mL；VD2为试样在不同解吸条件下的解吸体积，mL；H为解吸恢复率。

表2为试验样品在四种条件下煤层气的解吸量和解吸恢复率，试验数据表明，在应力和地层水共同作用下，煤层气的解吸量是最低，解吸恢复率最小为25%。没有应力、仅考虑地层水对煤层气的解吸恢复率较高，为82%，因此，根据此表可对四种解吸条件下解吸恢复率进行排序：自然条件下>地层水作用>地应力作用>地应力和地应力共同作用。

表2 煤样四种解吸条件下解吸量和恢复率对比

4.2 不同解吸条件下煤层气解吸量与解吸压力的关系

煤岩储层存在很强的应力敏感性，在地应力作用下，煤岩储层的渗透率、孔隙度会发生变化，导致煤岩在解吸-扩散-渗流过程中遇到的阻力会更大。在地层水作用下，由于煤岩具有很强的憎水性，而使煤层气必须突破这层水膜才能扩散出来。从图2可以看出，与其它解吸条件相比，自然条件下煤层气的阶段解吸量多，主要是由于煤岩没有受到地应力和地层水的作用。在地应力和地层水共同作用下，初始阶段解吸量很小，随着压力的降低，解吸量逐渐增大。这主要是由于随着应力的释放，被压缩的孔隙和裂隙部分恢复，增大了煤岩的渗透率。另外，从数据可以看出，煤层气的解吸量主要集中的低压阶段(0～0.6MPa)。因此，在煤层气井生产中，在经济可行的条件下制定合适的生产制度，提高煤层气井的产量。

图2 不同解吸条件下煤层气解吸量与解吸压力的关系

4.3 不同解吸条件下煤层气解吸速率与解吸压力的关系

解吸速率是影响煤层气井产量的关键因素之一，本文中的解吸速率指单位时间内不同的压降阶段所能解吸出的煤层气量。图3为不同实验条件下煤层气解吸速率与解吸压力的关系，从图中可以看出，解吸速率随着压力的降低而增大。但是，在地应力和地层水共同作用下略有不同，随着压力的降低解吸速率先降低，后升高，在解吸初期，解吸速率很快。

图3 不同解吸条件下煤层气解吸速率与解吸压力的关系

5 结论与建议

(1)四种解吸条件下煤岩的解吸恢复率排序为：自然条件下>地层水作用>地应力作用>地应力和地层水共同作用；

(2)在地应力和地层水共同作用下解吸量约为自然解吸条件下解吸量的25.3%，自然条件下平均解吸速率为地应力和地层水共同作用下平均解吸速率的3.6倍；

(3)在地应力和地层水共同作用下，随着解吸压力的降低解吸量和解吸速率逐渐增大，低压段(1MPa以下)的解吸量占总解吸量的75%；