應(yīng)力-地層水作用下煤層氣解吸特征實(shí)驗(yàn)研究

邱小龍

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局一一三地質(zhì)大隊(duì)，貴州 553001)

1 引言

影響煤層氣井產(chǎn)量較低的因素有含氣量大小、地層壓力低、解吸困難等，其中解吸困難是其中的關(guān)鍵因素，對(duì)此，伊向藝、盧淵、張遂安、趙東、李相方、唐巨鵬、李景明等分別進(jìn)行了煤巖微觀特征、煤巖應(yīng)力敏感性、煤層氣解吸作用類型、煤巖固-氣-液作用機(jī)理、高壓注水的煤巖解吸規(guī)律、應(yīng)力作用下煤層氣解吸規(guī)律研究，取得了煤層氣吸附和解吸方面研究的大量成果。而實(shí)際上，煤層氣的解吸過程是一個(gè)長期的受多場(chǎng)耦合作用的歷史過程，雖然這方面國內(nèi)外的研究都取得一定的成果，但是，煤層氣解吸控制因素、解吸規(guī)律等還不明確，還需要進(jìn)一步深入的研究。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，考慮了應(yīng)力和地層水作用下煤層氣解吸的規(guī)律，取得了一些認(rèn)識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置能嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)溫度和實(shí)驗(yàn)壓力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)采集，可以模擬真實(shí)地層情況下的煤層氣吸附解吸特征。該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)原理與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

目前，許多學(xué)者研究煤層氣吸附與解吸特征是利用破碎后的煤粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種方法破壞了煤巖的原生結(jié)構(gòu)，不能較為真實(shí)描述吸附氣體在煤巖中解吸-擴(kuò)散-滲流規(guī)律。另外煤層中一般都含水，且煤層水含有一定的礦化度，因而需考慮地層水對(duì)煤層氣解吸的影響。雖然現(xiàn)有的技術(shù)手段還很難在實(shí)驗(yàn)室還原煤層氣的存付狀態(tài)和運(yùn)移規(guī)律，但本研究旨在探索煤巖在應(yīng)力-地層水作用下煤層氣的解吸特征，并未考慮其它因素的影響。本實(shí)驗(yàn)的主要過程是對(duì)煤巖進(jìn)行加載-吸附氣體-注入地層水-解吸。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖中：1—夾持器；2—解吸容器；3—甲烷放空閥；4—氮?dú)膺M(jìn)氣閥；5—甲烷進(jìn)氣閥；6—進(jìn)液閥；7—甲烷解吸閥；8—注水閥；9—計(jì)量容器；10—平流泵放空閥；11—回壓閥。

3.2 樣品制備

利用煤礦井下取樣的煤塊加工成一定規(guī)格的圓柱狀煤芯。測(cè)試圓柱狀煤芯的孔隙度、滲透率及其它物性，選取煤巖物性較好的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前將樣品置于恒溫干燥箱30℃烘干12h，使煤巖樣品中的水分蒸發(fā)，確保樣品的干燥。

3.3 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，本文煤巖吸附與解吸實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 煤巖吸附與解吸實(shí)驗(yàn)條件

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力、地層水對(duì)煤層氣解吸量的影響

解吸恢復(fù)率是不同解吸條件對(duì)試驗(yàn)樣品作用后解吸恢復(fù)程度的物理量，由下式計(jì)算：

(1)

式中：VD1為試樣自然條件下(無圍壓、無地層水)的解吸體積，mL；VD2為試樣在不同解吸條件下的解吸體積，mL；H為解吸恢復(fù)率。

表2為試驗(yàn)樣品在四種條件下煤層氣的解吸量和解吸恢復(fù)率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在應(yīng)力和地層水共同作用下，煤層氣的解吸量是最低，解吸恢復(fù)率最小為25%。沒有應(yīng)力、僅考慮地層水對(duì)煤層氣的解吸恢復(fù)率較高，為82%，因此，根據(jù)此表可對(duì)四種解吸條件下解吸恢復(fù)率進(jìn)行排序：自然條件下>地層水作用>地應(yīng)力作用>地應(yīng)力和地應(yīng)力共同作用。

表2 煤樣四種解吸條件下解吸量和恢復(fù)率對(duì)比

4.2 不同解吸條件下煤層氣解吸量與解吸壓力的關(guān)系

煤巖儲(chǔ)層存在很強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，在地應(yīng)力作用下，煤巖儲(chǔ)層的滲透率、孔隙度會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致煤巖在解吸-擴(kuò)散-滲流過程中遇到的阻力會(huì)更大。在地層水作用下，由于煤巖具有很強(qiáng)的憎水性，而使煤層氣必須突破這層水膜才能擴(kuò)散出來。從圖2可以看出，與其它解吸條件相比，自然條件下煤層氣的階段解吸量多，主要是由于煤巖沒有受到地應(yīng)力和地層水的作用。在地應(yīng)力和地層水共同作用下，初始階段解吸量很小，隨著壓力的降低，解吸量逐漸增大。這主要是由于隨著應(yīng)力的釋放，被壓縮的孔隙和裂隙部分恢復(fù)，增大了煤巖的滲透率。另外，從數(shù)據(jù)可以看出，煤層氣的解吸量主要集中的低壓階段(0～0.6MPa)。因此，在煤層氣井生產(chǎn)中，在經(jīng)濟(jì)可行的條件下制定合適的生產(chǎn)制度，提高煤層氣井的產(chǎn)量。

圖2 不同解吸條件下煤層氣解吸量與解吸壓力的關(guān)系

4.3 不同解吸條件下煤層氣解吸速率與解吸壓力的關(guān)系

解吸速率是影響煤層氣井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，本文中的解吸速率指單位時(shí)間內(nèi)不同的壓降階段所能解吸出的煤層氣量。圖3為不同實(shí)驗(yàn)條件下煤層氣解吸速率與解吸壓力的關(guān)系，從圖中可以看出，解吸速率隨著壓力的降低而增大。但是，在地應(yīng)力和地層水共同作用下略有不同，隨著壓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。

圖3 不同解吸條件下煤層氣解吸速率與解吸壓力的關(guān)系

5 結(jié)論與建議

(1)四種解吸條件下煤巖的解吸恢復(fù)率排序?yàn)椋鹤匀粭l件下>地層水作用>地應(yīng)力作用>地應(yīng)力和地層水共同作用；

(2)在地應(yīng)力和地層水共同作用下解吸量約為自然解吸條件下解吸量的25.3%，自然條件下平均解吸速率為地應(yīng)力和地層水共同作用下平均解吸速率的3.6倍；

(3)在地應(yīng)力和地層水共同作用下，隨著解吸壓力的降低解吸量和解吸速率逐漸增大，低壓段(1MPa以下)的解吸量占總解吸量的75%；