煤儲層水文地質(zhì)特征及其煤層氣開發(fā)意義研究綜述

趙馨悅 ，韋 波 ，袁 亮 ，葛燕燕 ，胡 永 ，李 鑫 ，王毛毛 ，賈 超 ，瑪依拉·艾山 ，田繼軍

（1.新疆大學 新疆中亞造山帶大陸動力學與成礦預(yù)測自治區(qū)重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學 地質(zhì)與礦業(yè)工程學院, 新疆 烏魯木齊830017；3.安徽理工大學 能源與安全學院, 安徽 淮南 232001；4.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊, 新疆 烏魯木齊 830009；5.中國核工業(yè)地質(zhì)局二一六大隊, 新疆 烏魯木齊 830011；6.新疆維吾爾自治區(qū)能源安全監(jiān)測中心, 新疆 烏魯木齊 830002）

0 引 言

合理開發(fā)利用煤層氣對我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。煤層氣是一種主要以吸附狀態(tài)賦存在煤基質(zhì)顆粒表面，部分游離于煤孔隙中或溶解于煤儲層水中的烴類氣體[1-2]，在生成、運移、儲集和產(chǎn)出的過程中皆會與煤層水共存、伴生[3]。煤層氣藏作為一種含地下水的連續(xù)型非常規(guī)氣藏，開發(fā)過程受流體動力學影響較大[4]；儲層水的流動是控制儲層流體壓力狀態(tài)和煤層氣采出的重要因素，同時可以反映重要的儲層特征，包括煤層氣的生成、運移、聚集和采收率[5-6]。在煤層氣生成過程中，煤層水與圍巖以及煤層會發(fā)生各種物理化學反應(yīng)，煤層水的演化規(guī)律與煤層氣的富集息息相關(guān)。系統(tǒng)研究煤層水的演化過程與運移規(guī)律是認識煤層氣賦存特征及富集規(guī)律的必要手段，對煤層氣的勘探開發(fā)有著十分重要的意義。

筆者從煤儲層水的地質(zhì)演化特征出發(fā)，系統(tǒng)綜述了儲層水的研究方法，分析了煤層氣開采過程中宏、微觀層面及儲層傷害過程中煤儲層水的運移規(guī)律及其對煤層氣開發(fā)的影響，旨在揭示煤層氣藏開發(fā)過程中煤儲層水的運移對煤層氣開采的影響，在對煤儲層水運移規(guī)律充分認識的基礎(chǔ)上，對煤層氣開采提供建議與指導。

1 煤層氣儲層水的組成和來源

研究煤層水的組成、來源及演化對煤層氣開發(fā)有重要意義：在地質(zhì)演化過程中，煤層水會與圍巖發(fā)生各種物理化學反應(yīng)，通過研究儲層水的組成、來源和演化過程可以認識煤儲層的水文地球化學特征、地質(zhì)演化過程及構(gòu)造背景，對認識煤層氣富集規(guī)律有重要意義[3]。

1.1 煤儲層水組成

煤儲層水賦存狀態(tài)組成劃分是研究煤儲層水遷移能力的前提。唐文蛟等[7]根據(jù)煤層水凝結(jié)特性，將煤層水劃分為可凍結(jié)水和不可凍結(jié)水，而根據(jù)煤層孔隙結(jié)構(gòu)可凍結(jié)水又可劃分為自由水和束縛水；苗雅楠[8]依據(jù)煤巖孔隙熱演化過程，將煤層水分為自由水、束縛水、生成水。圖1 為煤顆粒有關(guān)的水的形態(tài)，Zimmermann[9]和Seehra[10]等認為，煤層水由重力水、吸附水、毛細水和粒間水組成（圖1）。從表1可以看出，目前對于煤層水的分類大多是基于煤層孔隙結(jié)構(gòu)、煤層水的凝結(jié)特性和煤層孔隙的演化過程等角度出發(fā)的[11-15]。

表1 煤層水組成分類Table 1 Classification of coal-bed water composition

圖1 與煤顆粒有關(guān)的水的形態(tài)[9-10]Fig.1 Morphology of water associated with coal particles[9-10]

煤儲層束縛水會阻礙煤層氣擴散和滲流。我國煤儲層束縛水飽和度隨著煤階的增加而增大（圖2），意味著排水降壓的難度增大[1]。李夏偉等[14]發(fā)現(xiàn)由于束縛水受孔隙表面作用力較強，高階級煤中束縛水的含量遠遠高于可動水的含量。通常情況下煤階越高的煤儲層中微孔的比例就越高，孔隙表面對水分子作用力越強，從而對水分子的束縛力越大，阻礙其運動[16]，研究煤層水的組成可進一步了解煤層水對煤層氣開采的影響，對于提高煤層氣產(chǎn)量有重要意義。

圖2 我國不同煤階煤儲層束縛水飽和度[17-21]Fig.2 Confined water saturation in different coal reservoirs of different coal grades in China[17-21]

1.2 煤儲層水來源

從同位素水文地球化學的角度可以將儲層水來源及成因類型劃分為：原始沉積水、滲入水、深成水和成巖水[3,22]。對各類來源及其指示的煤層氣富集和開發(fā)動用難度的指示意義調(diào)研對比分析如下（表2）：

表2 不同水地球化學特征總結(jié)Table 2 Summary of different water geochemical characteristics

1）原始沉積水。成煤過程中保留下來的水分稱為原始沉積水[8]。通常地下水封閉性越好、越濃縮、變質(zhì)越深，鈉氯系數(shù)比值就越小，反映保存越有利，當鈉氯系數(shù)比值小于0.5 時地層水屬于原始沉積水，反映保存條件好[23]；原始沉積水的油氣田水 IBE 大于0.129，處于交替停滯帶，地下水徑流作用弱，有利于油氣煤層氣富集[24]。通常保存較好、封閉性較高的地層水礦化度高，原始沉積水的礦化度大于10 000 mg/L[25]。

2）滲入水。主要是地表水、其他含水層中的水和大氣降水經(jīng)地層孔隙、裂隙和滲透性性巖層滲入到煤層的水[26]。煤層儲層水的鈉氯系數(shù)大則說明滲入水多，對煤層氣保存不利，數(shù)值小則反之[27]。油氣田水中含有滲入水時，IBE 值小于0.129，處于交替活躍帶，地下水徑流活躍，對煤層氣的保存十分不利，對煤層氣藏有明顯的破壞作用[28]。滲入水的礦化度小于1 000 mg/L[27]，不利于煤層氣保存。

3）深成水。來自地?；虻貧ど钐幐邷亍⒏叩V化度并飽含氣體的水，如巖漿水和變質(zhì)水。根據(jù)蘇林分類法，深成水的水型為氯化鈣型，是地下水經(jīng)較強的深部變質(zhì)作用形成的[29]。深成水礦化度相對較高，煤層氣保存條件較好。

4）成巖水。沉積巖石成巖過程中新生成的水，包括礦物成巖轉(zhuǎn)化脫出的結(jié)晶水和有機質(zhì)演化伴生水等。成巖水在沉積初期在泥巖壓實作用和生烴作用被擠出，具有較低的礦化度和較高的脫硫作用以及變質(zhì)系數(shù)，具有良好的煤層氣保存條件[30]。

煤儲層水并非單一組成，而是由原始沉積水、滲入水、深成水及成巖水以不同比例混合后組成，煤層儲層水的多成因與地質(zhì)構(gòu)造演化過程、溫度、埋深、壓力等等息息相關(guān)。原始沉積水的形成原因是在地層沉積過程中一部分地表水被保存在顆?？紫吨衃3]；成巖水則是由于地層不斷沉降過程中，煤層埋深、溫度、壓力隨之不斷增大，煤的熱演化過程達到第一次生烴過程，甲烷生成時會伴隨產(chǎn)生有機質(zhì)伴生水（成巖水）[26]；若在演化過程中形成大斷裂同時伴有幔源巖漿活動，巖漿中的水進入地層后經(jīng)過較強的深部變質(zhì)作用就會形成深成水[31]；滲入水是在持續(xù)演化過程中地層受到剝削，煤層埋深變淺直至露出地面時地表水滲入形成。

不同來源煤層儲層水的氫氧同位素組成范圍見表3。

表3 不同水氫氧同位素組成變化范圍 [32]Table 3 Variation range of hydroisotope composition of different waters[32]

2 儲層水地球化學表征方法

儲層水全分析可以幫助劃分儲層水的類型，同時可以根據(jù)水化學特征參數(shù)判斷儲層水性質(zhì)。20 世紀50 年代發(fā)展起來的同位素水文學，到如今研究尺度已拓展至原子核層次[33]，極大地支持了水文地質(zhì)學的研究和發(fā)展。通過煤層儲層水的全分析和同位素方法研究，有助于分析煤儲層水的來源、年齡、水力聯(lián)系等演化特征[34]。儲層水地球化學主要表征方法如下。

2.1 水全分析法

2.2 穩(wěn)定同位素（D/18O）方法

由于儲層水在蒸發(fā)及擴散等物理作用下會發(fā)生同位素分餾作用，故不同水源的水體中同位素組成特征不同，研究煤層儲層水氫氧同位素組成特征有利于水體補給來源判別[35]。氫氧同位素組成來源表示通常采用鄭淑蕙等[36]提出的全國降水直線方程：δD=7.9δ18O+8.2‰。通過繪制δD-δ18O 關(guān)系圖（圖3）可以判斷水的來源，來源于大氣降水的水樣氫氧同位素值落在大氣降水線附近，由于地表水的氫氧同位素較重，沿大氣降水線分布最上方[37]；儲層水中通常會出現(xiàn)氫氧同位素漂移，D 和18O 漂移是由于煤層水在運移過程中與圍巖不斷發(fā)生反應(yīng)，圍巖中較重的原子和水中較輕的原子發(fā)生同位素交換，使水中的 D 和18O 不斷富集，發(fā)生同位素漂移[38]。

圖3 不同來源水的δD-δ18O 關(guān)系Fig.3 Relationship between δD-δ18O of coalbed water originated from different sources

2.3 放射性同位素方法

通過檢測地下水放射性同位素的含量，結(jié)合放射性同位素的衰變規(guī)律，就可以得到地下水的年齡[39]。測定煤層儲層水的年齡有助于確定煤層含水層的補徑排規(guī)律。

1）129I 同位素。129I 是碘元素中一個長壽命放射性核素，半衰期長達15.6 Ma，利用其測年年限為2～80 Ma，常作為一種有效的示蹤劑用于油氣田鹵水年齡分析、地層水的示蹤、天然氣水合物年齡的測定等方面[26]。129I 鑒定油氣及其伴生水來源和年齡在我國油氣地質(zhì)行業(yè)應(yīng)用還較少。馬行陟等[26]年首次將放射同位素129I 應(yīng)用到油氣地質(zhì)研究中，確定韓城地區(qū)煤層地層水的地質(zhì)年齡為0～18.50 Ma，同時結(jié)合其他離子特征得出了地層水來源；葛燕燕[40]通過實驗測試及129I/127I 比值校正得出黔西珠藏向斜儲層水年齡為17.28 Ma，儲層水年齡小于母巖年齡，儲層水已經(jīng)過現(xiàn)代大氣降水改造。

2）14C 同位素。地下水放射性碳（14C）定年是識別次現(xiàn)代地下水年齡的最為簡單有效的方法，可以確定數(shù)百年至數(shù)萬年來形成的地下水[41-42]。

隨著水文地球化學、同位素測試技術(shù)以及水文地質(zhì)學科的發(fā)展，關(guān)于14C 地下水測年方面的理論和技術(shù)不斷完善，使得地下水的14C 年齡越來越具有真實性和合理性[43]。

利用14C 測年不僅可以識別煤層水年齡，還可以判斷補給來源、含水層間水力聯(lián)系和徑流條件。目前，利用14C 測對煤層水進行測年還未廣泛應(yīng)用，王海超[44]利用14C 測年結(jié)果確認了沁水盆地129I/127I 的水源判識結(jié)果，進一步確認了煤系水的來源以少量古沉積水和大量近現(xiàn)代大氣降水為主；李躍國等[45]通過分析準南米泉礦區(qū)煤層水的14C 活度并結(jié)合該地區(qū)的水型與較礦化度特征，初步認為米泉地區(qū)水體環(huán)境較為穩(wěn)定，表現(xiàn)出明顯的水動力場停滯特征。

3 煤層氣富集的儲層水地球化學特征響應(yīng)

3.1 水全分析參數(shù)響應(yīng)

不同的水型可以指示不同的沉積環(huán)境，存在于陸地環(huán)境的Na2SO4水型通常表示水文地質(zhì)封閉條件較差，不利于煤層氣的保存；深成環(huán)境的CaCl2水型通常指示水文地質(zhì)封閉條件較好，利于煤層氣的保存；NaHCO3水型存在和形成于陸地環(huán)境，處于前兩種水型的過渡地帶；MgCl2水型存在和形成于海洋環(huán)境。

3.2 穩(wěn)定同位素特征響應(yīng)

D 和18O 是水文學上有著重要價值的穩(wěn)定同位素，D 和18O 可以作為判斷煤層水徑流條件的參考因素。在地下水徑流過程中，隨著礦物成分的不斷溶解，沿水流方向不斷TDS 不斷增大，氫氧同位素也在與含氫、氧礦物不斷交換，故TDS 與δD 和δ18O 呈正相關(guān)性。王善博等[37]和時偉等[38]在沁水盆地太原組和山西組均發(fā)現(xiàn)與δD 和δ18O 值均與礦化度TDS 呈正相關(guān)關(guān)系，由于TDS 可以很好的反映地下水的徑流條件，所以δD 和δ18O 值也可以作為判斷煤層水徑流條件與煤層氣開發(fā)有利區(qū)的參考指標。

3.3 放射性同位素特征響應(yīng)

目前對煤層水的研究中，通常采用14C、129I、36Cl、87Sr 等放射性同位素進行示蹤，得到煤層儲層水的來源、年齡及補給來源等，進而分析地下水的賦存及運移規(guī)律、判斷煤層氣的賦存條件。葛燕燕[40]通過87Sr 和129I/127I 的值計算得出珠藏向斜煤系儲層水年齡為17.28 Ma，來源為極少量的古大氣降水和比例較高的現(xiàn)代大氣降水；王海超[44]利用129I 定年并用14C 進一步驗證，確認了沁水盆地中南部煤層水來源以少量古沉積水和大量近現(xiàn)代大氣降水為主，古沉積水的年齡至少為 1.51 Ma，煤系氣藏為改造型氣藏；衛(wèi)明明等[3]通過129I 衰變規(guī)律計算出沁水盆地南部煤層氣田產(chǎn)出水年齡，認為其主要來源于古大氣降水和現(xiàn)代大氣降水，認為大氣降水對煤層氣賦存起到保壓富集的控制作用。

4 煤層氣開發(fā)過程水的運移

4.1 宏觀層面

1）煤層氣開發(fā)地下水流動階段劃分。煤層中流體相態(tài)變化經(jīng)歷“單相水流階段”和“氣水兩相流階段”（圖4）。煤層氣井剛投產(chǎn)時，煤儲層割理中的水為飽和單相水，呈單相水流狀態(tài)，與煤層氣藏排水降壓階段對應(yīng)[8]。此時儲集層裂縫中的水不斷的向井筒中流動井聚集。

圖4 煤層氣產(chǎn)出機理及生產(chǎn)階段示意[53]Fig.4 Schematic of coal-bed methane production mechanism and production stage[53]

在煤層氣排采前期，煤層中水的相對滲透率隨著水的不斷排出也不斷減小，煤層氣的相對滲透率增大，產(chǎn)水量不斷下降，產(chǎn)氣量逐漸增大直至穩(wěn)定，這時處于煤層氣井的氣水兩相流階段，也是煤層氣井排采的關(guān)鍵階段，其持續(xù)時間的長短決定煤層氣井的經(jīng)濟效益，了解氣水兩相流動規(guī)律可有效提高煤層氣產(chǎn)能[51-52]。

2）壓降漏斗的形成和擴展規(guī)律。煤層氣通過“排水→降壓→解吸→擴散→滲流”等一系列過程產(chǎn)出，煤層氣排采遵循先排水降壓后大量產(chǎn)氣的生產(chǎn)規(guī)律。原始狀態(tài)下，煤層氣儲層孔裂隙空間的流體壓力與井筒流壓不存在壓力差[54-55]，排采過程中隨著井底壓力的降低，生產(chǎn)壓差不斷增大，井筒周圍壓差最大并向四周降低，于是在井筒附近形成1 個壓降漏斗[56]（圖5），并隨著抽水的延續(xù)該壓降漏斗不斷擴大和加深[57]。隨著壓降漏斗的不斷擴展，泄流半徑逐漸增大，從而擴大解吸半徑。煤層氣儲層壓降拓展規(guī)律直接影響煤層氣井井間干擾程度、有效解吸范圍和持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)能力，掌握其變化規(guī)律對提高煤層氣井產(chǎn)能具有重要意義[58-59]。

圖5 壓降傳播示意[56]Fig.5 Schematic of pressure drop propagation[56]

壓降漏斗的形態(tài)是影響煤層氣井單井產(chǎn)量的重要因素，影響壓降漏斗形態(tài)的因素眾多，主要包括煤儲層滲透率、儲層水動力、排采時間、壓降漏斗疊加等[60-61]。煤儲層滲透率越大，越有利于煤層產(chǎn)出水，對煤層氣的生產(chǎn)有直接影響。地下水勢能低的地方接受更多的水源補給，煤儲層壓降形成慢導致煤層氣井的低產(chǎn)；地下水勢能高的地方接受補給少，易排水降壓，形成高產(chǎn)[61]；趙金等[62]認為排采時間越長，壓降在煤層中傳播的距離越廣泛（圖6）。

圖6 壓降傳播與排采時間的關(guān)系[62]Fig.6 Relationship between pressure drop propagation and discharge time[62]

3）壓降漏斗井間干擾。多口煤層氣井共同排采時，每口井的壓降漏斗不斷拓展延伸，直至交匯在一起形成井間干擾，如圖7 所示[63]。煤層氣井井間干擾形成的實質(zhì)就是煤層氣井排采條件下井間壓降漏斗最終形成、擴大且重疊的過程，井間干擾是煤層氣井擴大解吸區(qū)域、增強脫氣條件、有效動用儲量的必要條件[64-67]。

近年來，杜鵬[68]首先提出了井間干擾強度定量化表征方法，建立了不同井網(wǎng)形式的概念模型，發(fā)現(xiàn)了煤層氣采出程度與井間干擾強度二者呈良好的線性關(guān)系。張遂安等[69]在沁水盆地某區(qū)塊進行煤層氣干擾試井試驗，試驗結(jié)果為該區(qū)塊煤層氣的井網(wǎng)布置和井網(wǎng)優(yōu)化提供了依據(jù)。賈奇鋒等[70]認為井網(wǎng)井間干擾本質(zhì)為鄰井壓降傳播的疊加，壓降產(chǎn)生的能量遷移可以一定程度上增強孔隙中甲烷解吸和氣體遷移的動力，增加煤層氣井產(chǎn)量。

我國煤層氣井井網(wǎng)樣式通常采用有規(guī)則型井網(wǎng)（菱形井網(wǎng)、矩形井網(wǎng)和五點式井網(wǎng)等），但矩形井網(wǎng)最接近煤層氣井壓降傳播形態(tài)（表4）。以我國不同盆地矩形井網(wǎng)為例，可發(fā)現(xiàn)最優(yōu)井距通常在250～400 m，采收率也均有所提高。

表4 國內(nèi)主要煤層氣田矩形井網(wǎng)開發(fā)情況Table 4 Development of well networks in major coal-bed methane fields in China

4.2 微觀層面

煤層氣井排采過程在宏觀上體現(xiàn)在氣水產(chǎn)量的變化，微觀上則是孔隙裂縫中氣水流態(tài)的變化[76]。微觀層面的主要研究重點為儲層水在孔隙裂縫中的運移路徑。

在單相水流階段，隨著煤儲層中水的排出，孔隙壓力減小，但是由于煤的親水性和微觀孔裂隙尺寸較小，孔裂隙內(nèi)壁對水分子束縛力增大，增加了水在孔裂隙中運移的難度[77]。據(jù)劉世奇等[78]實驗發(fā)現(xiàn)單相水流階段Sw＞0.2，Sg＜0.8，隨宏觀裂隙中的壓降傳遞至微觀孔裂隙，微觀孔裂隙中的煤層水緩慢運移至宏觀裂隙，煤儲層水以微米尺度（10～100 μm）顯微裂隙作為優(yōu)勢運移路徑[79]。

在氣水兩相流階段，隨著微觀孔裂隙中煤層水的排出，與煤基質(zhì)之間形成壓降，氣體開始進入微觀孔裂隙中，Sg開始逐漸增大，當Sg增大到0.8 左右時，煤層水攜氣泡運移至宏觀裂隙[78]。在這個階段，井底壓力小于臨界解吸壓力時，解吸氣在微裂隙中呈氣泡形式占據(jù)微裂隙壁面，此時近井區(qū)域為非飽和流，遠井區(qū)域的流態(tài)為單相水流；隨著生產(chǎn)進行，微裂隙中的氣泡形成連續(xù)氣流占據(jù)孔隙，這時的流態(tài)是氣水兩相流。

4.3 儲層傷害過程水運移規(guī)律

煤層氣井開發(fā)過程中不可避免進入外來流體，如鉆井液、壓裂液、完井液等，這些流體流入地層后與儲層發(fā)生物理化學反應(yīng)，引起儲層滲透率降低，造成儲層傷害。常見的儲層傷害包括外來液與煤粉傷害、水鎖效應(yīng)、水敏損害、速敏損害等。

煤巖是一種抗壓強度低、膠結(jié)性差且易碎易坍塌的脆弱介質(zhì)，在構(gòu)造作用和機械作用的影響下極易破碎研磨，產(chǎn)生大量煤粉[80]且排采過程中隨著水流而運移。單相水流階段，煤粉所受的上托力大于下沉力，且其所受流體拖曳力大于最大運移摩擦阻力，導致煤粉發(fā)生運移，進入井筒后造成井筒附近煤儲層滲透率下降；在氣水兩相流狀態(tài)下，煤層氣和煤層水在滲流通道內(nèi)相互制約大大降低了氣水綜合動力強度，從而使產(chǎn)出的煤粉的力度和強度都大幅降低。

在開發(fā)過程中，鉆井液、完井液、壓裂液等外來流體侵入儲層后，造成井筒附近儲層滲透率下降的現(xiàn)象稱為水鎖傷害。當外來液侵入地層后，吸入地層的流體在毛管力作用下在孔裂隙表面形成一層水膜，減小滲流半徑，并且在煤層氣運移的孔隙通道中形成毛細管阻力，延長了煤層解吸的時間并且降低了煤層滲透率[81]。

煤儲層排采還常受到水敏和速敏傷害的影響。水敏傷害是指與地層不配伍的外來流體進入煤儲層后，引起粘土膨脹、分散、運移，堵塞孔裂隙系統(tǒng)，導致儲層滲透率降低的現(xiàn)象[82]。儲層黏土礦物中陽離子和流體中的陽離子發(fā)生交換，水分子進入黏土礦物晶層間或在晶體表面產(chǎn)生定向排列形成水化膜，陽離子交換容量越大黏土膨脹性越強，對儲層傷害越大[83]。入井流體若流速過快會導致儲層中的顆粒從孔隙或裂縫中脫落，跟隨流體發(fā)生運移堵塞儲層孔隙造成滲透率下降。前大多數(shù)鉆井液呈堿性，pH值較大，易造成黏土礦物和硅質(zhì)膠結(jié)物結(jié)構(gòu)的破壞，堿敏同樣會造成儲層滲透率下降。

5 煤層氣開發(fā)儲層水排采建議

1）合理的儲層水排采強度。排采強度就是單位時間內(nèi)井底壓力的下降速度，煤層氣排采過程中生產(chǎn)壓差過大容易造成水鎖損害、煤粉堵塞底層等問題，開采過程中隨著有效應(yīng)力的增加，煤層中裂縫受到壓縮引起滲透率下降。柳迎紅等[84]在沁水盆地現(xiàn)場嚴格按照分階段的排采制度控制煤層氣井的排采，取得了較好的開發(fā)效果；戴楠[85]在大佛寺井田通過應(yīng)用六段法對 DFS-09 與 DFS-C02 兩口井進行分析，兩井均出現(xiàn)明顯產(chǎn)氣高峰，建議在煤層氣井產(chǎn)量上升階段通過穩(wěn)定降低速率的方法控制井底流壓，從而降低產(chǎn)氣上升速度，避免停井對儲層造成傷害。

2）井網(wǎng)優(yōu)化 。多井排采形成井間干擾，井間壓降漏斗最終形成且不斷延伸，地層壓力迅速降低從而使更多煤層氣解吸出來。井間干擾的形成關(guān)鍵在于井網(wǎng)設(shè)計，井間距是其主控因素，井網(wǎng)布置應(yīng)盡量沿著煤層裂隙方向也就是煤層的主滲透方向，根據(jù)生產(chǎn)實際選擇合適的井間距可以獲得較為理想的采收率。井網(wǎng)設(shè)計與優(yōu)化部署是煤層氣井開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著煤層氣井著產(chǎn)量和整體經(jīng)濟效益，合理的井網(wǎng)優(yōu)化不僅可以提高煤層氣井單井產(chǎn)量，還能保障煤層氣開發(fā)的順利實施，提高煤氣田的總體收益。

3）儲層防水鎖。目前，針對水鎖的主要方法包括加熱、酸化壓裂、防水鎖劑等，而在入井流體中添加防水鎖劑是最有效的預(yù)防方法[86]。防水鎖劑主要是表面活性劑，其作用機制是通過在煤樣孔隙中形成一種疏水性薄膜，從而降低毛細管力的作用，防止外來液滲入煤層孔隙，減小水鎖損害。胡友林等[81]通過試驗，發(fā)現(xiàn)在沁水河水中添加0.5%～1.0%的防水鎖劑后，其起泡性減弱，表面活性佳，表面張力明顯下降，因而降低了煤層氣藏的水鎖傷害；宋金星等[87]將0.05% AN 復配溶液添加到水基壓裂液中，能顯著地減少壓裂液的表面張力、改變壓裂液界面狀態(tài)，提高煤的親水性，減小煤孔隙毛細壓力，抑制水鎖損害。

4）降低煤粉傷害。有效的將煤粉從裂縫中通過工作液懸浮并攜帶出來是降低煤粉傷害的有效手段，在入井流體中添加具有分散煤粉作用的添加劑，阻止煤粉聚集沉降堵塞孔隙，從而更容易被流體攜帶運移出井筒，皇凡生等[80]分析發(fā)現(xiàn)向煤層中加入煤粉穩(wěn)定劑可提高煤粉與裂縫面間的黏附力，從而有效阻止煤粉運移，降低煤粉損害。蔣金龍[88]認為在壓裂和返排過程中壓裂和返排階段適量加入煤粉分散劑和KCl 可以有效防止煤粉沉聚，更易于被帶出井筒。許耀波等[89]認為在實際排采過程中通過控制液面降低流速，限制煤層的的流體滲流速度，可以減少流體對煤層的沖擊，減少煤粉產(chǎn)出。

6 存在問題及今后研究方向

1）煤層儲層水組成劃分尚未統(tǒng)一。首先，對于煤層儲層水的組成至今沒有統(tǒng)一的定論，劃分依據(jù)也尚未統(tǒng)一，對煤層氣開采造成一定影響。眾所周知煤層氣是通過排水降壓的方式采出，排出的水量通常和煤層氣產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，因此，對于可否從煤層中排出的水的厘定至關(guān)重要。對于煤層水組成認識的差異會導致不同的研究者對煤層氣滲流擴散機理的認識有偏差，進一步影響煤層氣開發(fā)的理論進程。未來應(yīng)當在充分考慮煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度及煤儲層水凝結(jié)特性的基礎(chǔ)中制訂統(tǒng)一的分類標準，劃分出具體的煤層儲層水類型。

2）古老煤層儲層水測年困難。通過放射性同位素定年是認識煤層儲層水地球化學特征和水動力場的重要手段。目前，通過D/18O 或3H 等對年輕煤層儲層水的測定，國內(nèi)已經(jīng)掌握了較為成熟的技術(shù)，然而對古老煤層儲層水的測年還存在測樣過程時間長，過程繁瑣且需要大量水樣，以及國內(nèi)同位素技術(shù)發(fā)展受限等問題。利用129I/127I、87Sr、14C 等對古老煤層儲層水的測定國外技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較成熟，甚至達到了商業(yè)化，而我國還處在起步階段，形成只有一個單位或者無地可測的局面，對于古老地下煤層儲層水來源認識困難。國內(nèi)放射性同位素測年技術(shù)的發(fā)展是影響對煤層儲層水來源、沉積環(huán)境的重要因素，建議加強對此方面的重視程度。

3）缺乏煤層儲層水特征對煤層氣產(chǎn)量橫向?qū)Ρ取Ｃ簩觾铀煌卣骶鶗绊懨簩託饩a(chǎn)量，通常情況下具有相似的沉積環(huán)境、構(gòu)造特征或地層封閉條件的不同煤氣田的煤層儲層水特征會呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，然而目前缺乏對不同盆地煤層儲層水特征的橫向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)。對不同開發(fā)地質(zhì)單元煤層氣井產(chǎn)量與煤層儲層水來源、水量、水文地球化學環(huán)境之間的關(guān)系進行橫向?qū)Ρ?，對揭示煤層儲層水運移及演化過程對煤層氣井產(chǎn)能的控制機理有重要意義。

4）對低階煤研究重視程度不夠。目前對于煤層儲層水的來源、演化、運移過程及滲流機理的研究大多是針對高階煤展開的，對于低階煤的研究相對少了很多。我國低階煤層氣資源量豐富，勘探開發(fā)進展卻相對緩慢。查明低階煤中儲層水的組成、演化及運移規(guī)律，揭示其對產(chǎn)能的控制機理，可以指導低階煤煤層氣科學開發(fā)，增加清潔能源產(chǎn)量，對我國實現(xiàn)“碳中和”具有重要意義。

7 結(jié) 語

1）煤層儲層水的組成目前尚未有統(tǒng)一定論，但較為普遍的看法認為其由自由水和束縛水組成，煤儲層中束縛水會阻礙煤層氣的開采，從儲層水運移的微觀層面來認識煤層水組成對煤層氣開采的影響十分重要。

2）煤層儲層水的水文地球化學特征參數(shù)是判斷煤層氣高含氣區(qū)、低含氣區(qū)以及沉積環(huán)境的有效手段，方便且經(jīng)濟。

3）煤層氣開采過程中儲層傷害無法避免，應(yīng)采取有效手段將儲層傷害降到最低，節(jié)約開發(fā)成本的同時提高經(jīng)濟效益。

4）對于煤層儲層水的研究目前還存諸如古老煤層水定年困難、缺乏儲層水特征橫向?qū)Ρ取Φ碗A煤重視不夠等方面的問題，有待在將來進一步發(fā)展。