煤储层孔隙中气水分布模式及对注CO2增产措施的影响

彭英明 邵先杰 李明峰

（燕山大学石油工程系，河北 秦皇岛 066044）

针对煤层气的开发理论存在争论，尤其是对煤储层基质孔隙中煤层气解吸、扩散机理等方面分歧最大，争论点主要围绕孔裂隙中的水对煤层气解吸扩散是否具有重要影响。普遍认为煤层气的吸附属于气相吸附规律[1]。但单纯气相吸附理论观点没有考虑基质孔隙中水的影响，导致固—气界面等温吸附、解吸理论及方法所预测的结果与实际生产相比有较大的误差。因此，李相方等人又提出了煤层气液相吸附规律理论[2]。

针对以上争论，首先要弄清楚煤储层中水的来源及气水分布状态，继而再探讨煤层气的吸附解吸等开发理论。经过大量文献调研，基于基质孔隙含水饱和度大小差异，细分了3种气水分布模式，并进一步探讨了气水分布模式对煤层气注CO2增产措施的影响，以期为煤层气的开发理论提供一种新的参考思路。

1 煤储层中水的成因及来源

一般认为煤层水来源主要有沉积水、渗入水、深成水、成岩水等。煤层气是一种在成煤作用过程中与煤层伴生的气体。由公式（1）～（3）可知，在煤化作用的成岩变质各阶段均有水的生成[3]。从泥炭化（腐泥化）作用阶段的强水环境，逐渐到以温度、压力为主的弱水环境，再到煤化作用阶段的产水、孔隙压缩排水过程，可知在整个成煤及产气过程中，水作为一个极其重要的因素相伴存在，且若无外来水源补给的情况下，其煤中含气量呈下降趋势。

2 煤储层中气水分布模式

水在煤储层孔隙中可以划分为自由水和束缚水，并认为自由水主要存在大孔隙及裂隙中；束缚水存在于微孔中。李相方等[2]将煤储层孔隙中气水的分布状态主要分为：部分孔隙甲烷吸附在颗粒表面而剩余孔隙空间为水充满、游离气充满或水及游离气充满。但这种假设是以煤储层孔隙中水是先于气体而存在为前提条件的。因此，针对煤储层中的气水分布状态需要分情况讨论。

针对诸多气水分布理论的局限性，以被广大学者承认的“双孔单渗”孔裂隙系统模型为例，以煤储层中的基质孔隙作为煤层气赋存的最小空间单元，根据孔隙中含水饱和度的不同进行分类讨论。

2.1 饱和水孔隙下的气水分布模式

饱和水孔隙，即在生气以前，基质供气体吸附的孔隙中含水100%。此时的甲烷吸附处于固—液相环境下，满足液相吸附规律。当生气量较少时，低于基质颗粒表面的极限吸附量，此时气藏为欠饱和气藏（图1），其吸附特征为气体只是吸附在基质颗粒的部分表面，不存在游离气；随着生气量的增加，当基质孔隙表面吸附量达到极限吸附量以后，即饱和煤层气藏。基质颗粒表面被吸附气完全占据，多余的气体以溶解态赋存溶解在水中，随着产气量的继续增加，当水中甲烷浓度大于甲烷在水中的溶解度，此时，多余的甲烷气体以游离态存在基质颗粒之间的空隙、割理之中（图2）。

图1 欠饱和气藏饱和水孔隙下气水分布模式（据文献[4]修改）

图2 饱和气藏饱和水孔隙下气水分布模式（据文献[4]修改）

2.2 无水孔隙下的气水分布模式

无水孔隙，即认为是在生气以前，基质供气体吸附的孔隙中含水为0。当孔隙中没有水存在时，此时属于完全意义上的气相吸附。关于这类状态下的气体赋存研究较多，属于当今煤层气气体吸附、解吸的主流观点，忽略了水对气体吸附、解吸特征的影响，常用兰氏方程进行描述。甲烷生成后首先吸附在基质颗粒表面，当生气量较低时，其吸附特征为气体只是吸附在基质颗粒的部分表面，不存在游离气，属于欠饱和气藏；随着生气量的增加，当甲烷产气量达到基质颗粒极限吸附量以后，不存在未被气体占据的颗粒表面，多余的甲烷以游离态的形式存在于基质颗粒之间的空隙、割理之中（图3），此时气藏为饱和气藏。

图3 无水状态下气体分布模式

2.3 非饱和水孔隙下的气水分布模式

主流气相吸附观点和新提出的液相吸附观点，都只是考虑了水存在（饱和度为100%和0）的极限情况下的气体吸附特征，而常规煤样含水量测试发现煤中含水量常常介于0～100%之间，即非饱和水孔隙下的气体吸附特征却少有提起或分析，但作为水在孔隙中存在最可能的情况，不可忽略，并且可能会是今后研究的重点。

当是非饱和水孔隙时，含水部分基质颗粒处于固—水环境下，认为气体吸附符合固—液相气体吸附特征；不含水部分基质颗粒表面处于固—气环境下，认为气体吸附符合固—气相气体吸附特征（图4），且认为液相解吸后可以进行原地气相吸附、气相解吸后可以进行原地液相吸附。

图4 非饱和水孔隙状态下气体分布模式

3 不同气水分布模式下煤层气产出机理

煤层气主要通过排水降压开采，因此，煤储层中的水对煤层气的开发具有重要的影响。在不同含水饱和度下，以及是否存在外来水补给，都会导致煤层气的产出机理具有明显差异性。以下讨论均为无外来水源补给条件下的产气机理。

3.1 饱和水孔隙下气体产出机理

煤储层压力随着排水活动而逐渐降低，对于欠饱和煤层气藏，当储层压力低于临界解吸压力时，基质孔隙吸附气发生解吸。解吸后的气体在水中会发生以下两种路径：（1）基质孔隙水中甲烷浓度低于其溶解度时，则解吸气会继续溶解在水中，并随着排水产出；（2）基质孔隙水中甲烷浓度大于等于其溶解度，则解吸的甲烷将以游离态的气泡形式产出。对于饱和煤层气藏，当储层压力低于临界解吸压力时，基质孔隙吸附气发生解吸，以气泡形式产出；且由于甲烷在水中的溶解度随压力降低而降低，此时，水中的溶解态甲烷转化成游离态，也成气泡形式产出。

3.2 无水孔隙下气体产出机理

当基质孔隙中无水时，此时符合固—气相吸附特征。排出的水主要来源为煤层上下顶底板的围岩，通过排水活动，以取得围岩及煤层中形成有效的压降范围。煤储层孔裂隙中吸附的煤层气发生解吸和原本存在的游离态气体一起通过扩散、渗流产出。

3.3 非饱和水孔隙下气体产出机理

非饱和水孔隙下的气体产出分为固—液相气体解吸部分、固—气相气体解吸部分及二者不同相态之间的转化部分。固—液相气体解吸部分和固—气相气体解吸部分产出机理分别属于饱和水孔隙和无水孔隙下的气体产出机理，而在不同相态之间存在的交叉转换部分，其产出机理仍需探讨。相态转换会随着排水降压的进行而逐渐变弱，慢慢形成以气相解吸特征为主的产气特征。

4 水对注CO2措施的影响

煤层中可以通过埋存CO2既可以利用其强吸附性竞争置换驱替煤层气，又可以达到减少温室气体排放的目的，已经在矿场中得到了研究和应用。煤储层中水的含量及分布影响着煤层气的产出机理，因此，通过对煤储层中水的微观分布情况分析，可以为煤层气的开采增产措施提供一定的指导作用。

煤层中水对注CO2过程的影响比较复杂，主要包括以下方面：（1）若煤储层含水量较高，主要以自由水存在时，即饱和水孔隙模式，认为气体吸附符合单一液相吸附特征：① 水的存在增加了流体粘度，加大了气体渗流阻力；② 若无外来水源补给的情况下，排水降压，产生驱气动力，利于煤层气的解吸和产出；③ 水可作为一种反应溶剂，与注入的CO2反应生成碳酸，可与煤中方解石、白云石等碳酸盐矿物发生反应，进而影响气、水的渗流通道；④ 水存在可能导致前期CO2注不进去，注气效果很差。（2）若煤储层含水量较低，主要以束缚水存在时，即无水孔隙模式：气体吸附可认为属于单一气相吸附特征，则此时孔隙中极少量的水对注入CO2提高煤层气产量过程影响较小，其基本不参与反应。（3）随着排水的进行，煤储层水含量从高逐渐降低，会出现非饱和水孔隙模式。此时，液相吸附和气相吸附特征都存在，应具体分析。

5 未来研究方向

煤储层中水的含量及分布情况对煤层气的吸附与解吸、扩散等产出机理具有重大影响作用，而不仅仅只是探讨水与甲烷吸附量的关系。水在煤储层基质孔隙中主要以非饱和水存在，导致其产出机理是固—气相解吸特征、固—液相气体解吸特征及二者相态交叉转换三者的综合，以往考虑只是单一情况下的理论研究，导致其数学产量模型等与实际情况差异较大，且关于其相态转换部分研究较少。因此，对相态转换部分中，液相气体解吸后进行原地气相吸附和气相解吸后进行原地液相吸附等过程中二者是否独立进行、对整个解吸过程影响大小及相关的数学模型研究是未来的研究重点。

6 结论

（1）根据煤储层基质孔隙中水的含量差异，把煤基质孔隙分为饱和水孔隙、无水孔隙和非饱和水孔隙，并分别讨论了其不同状态下的气水分布模式及产出机理。

（2）饱和水孔隙中，若无外来水源补给时，水主要对注CO2过程的前中期存在影响，且随着水的不断排出逐步转化为非饱和水孔隙模式，这种情况下可以形成有效压降，产气量较好；若存在外来水源补给，水对注气的整个过程都存在影响，往往不能形成有效压降漏斗，产气量较差。无水孔隙模式中，以单一气相吸附特征为主，束缚水对其过程影响较小，基本不参与反应。

（3）非饱和水孔隙中相态转换部分是否独立进行、对整个解吸过程影响大小及相关的数学模型研究是未来的研究重点。