排水降压开采后地下气化煤层气藏的机理浅析＊

康园园 杨鹏举 吕建国 李馨语

（1.陕西省延安大学石油工程与环境工程学院物理与电子信息学院，陕西延安 716000；2.陕西省川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司第二工程项目部，陕西西安 710000；3.陕西省延安大学石油工程与环境工程学院，陕西延安 716000）

我国煤层气储量居于世界第三，这昭示着我国在煤层气开发方面具有非常好的前景。目前国内外提高煤层气采收率的方法主要有水力压裂、高能气体压裂等储层激励技术以及多分支水平井、采煤采气一体化等改善开发技术条件的技术。但依然普遍出现开采投资高、部分井产量低、稳产期非常短，经济效益低等问题[1-2]。因此提高煤层气井的产能和采收率的新技术亟待创新和研究。笔者基于前人的火烧煤层开采煤层气及煤炭地下气化理念提出对煤层气藏进行地下气化，既可提高甲烷的解吸速度提高煤层气采收率，又可实现烟煤燃烧转变为煤气，安全、高效、投资少，一举两得。

该技术就是把气体自注气井中注入煤层，并通过地面系统控制煤层的燃烧以加快煤层气的解吸提高煤层气的采收率，并使得烟煤燃烧转化为煤气。研究该技术的机理之前，需先了排水降压开采下解煤层气的解吸运移规律、煤炭的燃烧过程以及地下气化后煤层气的解吸运移规律。

1.常规开采下煤层气的解吸运移规律

煤层气吸附是通过分子间的引力实现的，是可逆的、属于物理吸附。地层压力降低至临界解吸压力后，吸附气解吸。由于溶解气符合亨利定律，因此压力降低部分溶解气从水中分离出来。此时在基质大孔隙中存在气水两相，其起初气泡是很小且不连续的，随着气量的增多，分散的气泡聚集成气相，由此可见解吸气和溶解气变为自由气后是压力差的作用下渗流至裂隙。但在基质微孔隙中由于孔隙直径的限制，无法形成大气泡，因此这部分煤层气需要足够大的生产压差才能开采出来[3-4]。未分离出的溶解气则是浓度差的作用下扩散至裂隙中，可用Fick定律来表征。

2.煤的燃烧过程

当把空气或氧气注入煤层并点燃，温度继续升高，煤中有机质发生热分解，形成挥发物和热解剩余产物焦炭。当温度达到着火点时挥发物开始燃烧，接着焦炭开始燃烧，放出大量的热，燃烧生成物向前移动。如果在整个过程中，氧气不间断的注入，则燃烧前缘不断向前推进，当热量突破采出井后燃烧生成物被采出[5-6]。

结合上述煤的燃烧过程、煤层气的解吸以及化学反应的强弱可将注气井与生产井之间划分为氧化带、还原带、干馏干燥带。

（1）氧化带。这个区域氧气含量最高，煤层温度最高，煤层气解吸量最大，随着燃烧生成物和空气所形成的混合物向前推进，释放出的热量也向前推进。当氧化区的O2浓度为0时，氧化反应结束，氧化带消失。

（2）还原带。这个区域的氧气含量次于氧化带，氧化带的燃烧生成物与表面升温的煤发生还原反应，吸收大量的热，煤层温度低于氧化带，因此煤层气的解吸量也不如氧化带多，但是燃烧生成物继续向前推进。

（3）干馏干燥带。这个区域没有发生燃烧，但是前面的燃烧生成物携带的热量使得煤层温度增加，部分煤层气解吸出来。

从化学反应角度而言，氧化带、还原带及干馏干燥带并无明显界限，只是反应程度的强弱差别。

3.地下气化煤层气藏的机理

通过上述煤的燃烧过程可知地下气化煤层气藏开采煤层气的机理如下：

第一，煤层温度升高，甲烷的吸附能力的降低。随着煤层的燃烧温度增高，甲烷的吸附量降低，解吸速度加快。因此，在氧化带、还原带及干燥干馏带均有甲烷气的快速解吸，只是解吸速度不同，氧化带解吸速度最快，还原带次之，干燥干馏带最慢。

第二，煤对CO2的吸附能力比CH4强。Harpalani和Pariti（1993）进行了CO2和CH4的吸附实验，在44.4℃下，对纯CH4，PL=299Pa，VL=11.6cm3/g；对纯CO2，PL=116Pa，VL=17.1cm3/g；可见CO2不仅附着煤的能力强于CH4，而且吸附得更快。除了CO2的沸点高于CH4，更容易被吸附外，气体分子的极性也起作用，极性分子比非极性分子有较强的吸附能力。因此随着煤层中CO2浓度的增加，CO2“排挤”甲烷并“占据”其原来位置，这样甲烷被置换解吸出来[7-8]。

第三，煤层经过高温燃烧会干裂形成通道，增加了煤层渗透率，煤层气渗流量发生明显增加，有利于提高煤层气的采收率[9-10]。这个机理非常关键。因为温度升高，吸附在煤基质表面的甲烷分子发生脱附变为游离态，这是一个连续的动态平衡过程，游离态的甲烷分子在煤基质表面不停震荡，如果孔隙内的甲烷不能有效的排出，则有可能再次发生吸附。

4.地下气化后煤层气的解吸运移规律

前期采用排水降压开采煤层气藏，部分地层水滞留煤层，后实施地下气化，地层水气化，基质、割理中没有液态水的存在，只有固体和气态混合物，解吸后的甲烷在基质中的浓度大于割理中的浓度，根据相律，同相之间发生扩散，甲烷在浓度差的作用下扩散运移至割理中，符合Fick定律。割理中的混合气在压差的作用下渗流至采出井。

5.未来的方向

地下气化煤层气藏不仅是为了获得甲烷，更是为了使得烟煤气化成煤气，因此煤气的热值与成分就非常重要。温度场对煤气热值有显著的影响，同时注入空气的氧体积分数和流量也决定着出口煤气的有效组分和热值， 因此未来的方向会着重针对地下气化煤层气藏进行实验研究，设计不同注入流量和组分（氧浓度），监测对温度场变化和煤气组分及含量的影响等问题，在此基础上观察煤体结构在温度升高过程中的变化等，进一步完善该技术的机理等关键技术问题。

6.结语

地下气化常规开采后的煤层气藏的机理主要是温度升高，甲烷解吸速度加快，而且煤的燃烧物二氧化碳替换甲烷也促进甲烷的解吸等，因此既可以提高煤层气井的产量，也可以使得烟煤气化成煤气，实现环保、安全的采煤方式。