第五章煤层气产出过程
煤层气井的排采过程与常规天然气井显然不同，通常具有一个产气高峰期。
这种差异，起源于煤层气主要以吸附状态赋存。
第一节主要内容：
在煤层气开采初期一般要进行“脱水”处理，即所谓的“排水降压”过程，目的是诱导煤层气的解吸、扩散、渗流作用由高势能方向往低势能方向连续进行。
一、煤层气流动机理
煤层气产出包括三个相互联系的过程，即解吸、扩散与渗流。
地下水的采出使煤层气压力降低。
当煤层压力降低到一定程度时，煤中被吸附的气体开始从微孔隙表面分离，即解吸。
解析气浓度在解吸面附近较高，在裂隙空间中较低。
因此，煤层气会在浓度梯度的驱动下，通过孔隙—微裂隙系统向裂隙空间扩散。
在煤层中，可能有三种扩散机理：以分子之间相互作用为主的体积扩散，以分子—表面相互作用为主的Knudsen扩散，基质表面的吸附气层表面扩散。
按照煤层中发生的物理过程，煤层气产出相继经历了三个阶段：
第一阶段，水的单相流。
在此阶段，煤层裂隙空间被水所充满，为地下水单相流动阶段。
第二阶段，非饱和单相流。
这一阶段，裂隙中为地下水的非饱和单相流阶段，虽然出现气—水两项阶段，单只有水相才能够连续流动。
第三阶段，气—水两相流。
随着储层压力下降和水饱和度降低，水的相对渗透率不断下降，气的相对渗透率逐渐升高。
最终，在煤层裂隙系统中形成了气—水两相达西流，煤层气连续产出。
上述三个阶段在时间和空间上都是一个连续的过程。
随着排采时间的延长，第三阶段从井筒沿径向逐渐向周围的煤层中推进，形成一个足以使煤层气连续产出的降压漏斗。
二、煤层气开采过程
原始地层条件下，煤层及其围岩中地下水一般较多，储层压力大致等同于水
头压力，气体在压力作用下吸附于煤层中。
当排水使储层压力降至临界解吸压力之后，煤层气开始解吸，并通过扩散进入裂隙系统产生流动。
1、煤层气井排水阶段
煤层气井的排水阶段主要取决于临解比（临界解吸压力与储层压力之比）和煤层渗透率。
临解比大，所需的压降幅度就大，排水量多，排水时间相对较长。
临解比大，储层压力与临界解吸压力接近，排水量就少，时间相对较短。
渗透率大，排水速度相对较快，压降漏斗扩展较快，煤层气井的控制面积也相对较大。
排水时间对煤层气生产具有重要指导作用。
2、煤层气井产气阶段
煤层气井的生产动态受到煤层吸附性和扩散作用的影响，其动态规律比常规天然气井更为复杂。
煤层气井产量的影响因素有煤层厚度、储层压力、临界解吸压力、水文地质条件、吸附等温特性、扩散特性、渗透率等。
特征吸附时间表示了煤层气的解吸速率，其值越小，气体解吸扩散的时间就越短，煤层气井的早期气产量就可能越高。
煤层渗透率越高，排水速度就越快，在相同排采时间内的降压漏斗就越大，气产量就越高，生产时间也越长。
第二节主要内容：
相对渗透率是多相介质渗流研究的一个重要特征，是煤层气开发过程中重要的关系曲线，影响到煤层气井的排采速度和产能。
一、相对渗透率
相对渗透率是有效渗透率与绝对渗透率的比值。
相对渗透率与多孔介质的结构有关，如与介质的有效孔隙体积、有效孔隙度、绝对渗透率等，同时还与该流体的饱和度及与该流体相伴随的另一相流体的特性有关，也明显受到试样饱和过程的影响。
二、测试方法
1、稳态法
一般采用恒速法，即气和水按一定流量同时流过样品，只到样品两端的压差得到平衡（稳定值）。
此时，采用X射线扫描法测定样品的含水饱和度，根据稳定压力和注入流量，按照达西定律分别求出气和水的有效渗透率，进而得到
相对渗透率。
煤的渗透率一般很低，达到压差平衡的时间较长，一般需要几天时间。
2、非稳态法
非稳态法过程中从未达到气—水饱和度平衡，原因是先将煤样用水饱和，然后采用气体对水进行置换。
在此基础之上，根据压差和流量数据，采用数学模型求得煤样的相对渗透率。
三、我们部分煤样的相对渗透率
我国高级煤气、水两相介质条件下的渗透性不如中煤级煤，束缚水饱和度大，大部分煤层气难于解吸，残余气多，气井服务年限短。
但是，平衡点处饱和度低，能较快达到产气高峰。
第三节主要内容：
一、煤储层压力传播特性
煤储层压力传播是压力差所引起的，其传播速率、影响范围等主要受抽排水量大小、含水层段供水能力以及透水、导水性能的影响和控制。
影响因素主要包括被疏排含水层段的富水性、补给条件、分布、厚度、孔隙裂隙发育程度及其非均质程度等。
在实际排采过程中，抽排水量大小的影响最为敏感。
此外，还与煤层与顶底板含水之间的连通性及顶底板含水层的富水程度有一定关系。
二、煤储层渗透率排采诱导变化效应
1、有效应力负效应
随着煤层水和地下气的排出，一方面煤储层内流体压力降低，有效应力增大，裂隙相对闭合，造成渗透率降低，称为有效应力负效应。
2、煤基质收缩正效应
另一方面煤基质收缩，裂隙相对拉张，导致渗透率增大，称为煤基质收缩正效应。
3、正、负效应的耦合分析
低收缩率或不收缩的煤层，有效应力的影响相对较强，渗透率随排采过程的进行而降低。
对于高收缩率煤层，基质收缩占主导地位，渗透率随排采的进行不断提高。
此外，才煤层气排采过程中，还存在气体滑脱效应的影响。
三种效应尽
管同时存在，但在不同排采阶段对渗透率的影响程度有所不同。
在排采初期，有效应力效应作用强；在排采中期，煤基质收缩效应较为明显；在排采后期，气体滑脱效应的影响较大。
第四节主要内容：
一、数值模拟技术的进展与用途
煤层气数值模拟技术的主要用途包括：
①预测煤层气井的产量
②提供煤层气开发设计所需的重要参数
③通过历史拟合重新描述煤层
④确定最终经济采收率
⑤发现和诊断煤层气井在生产过程中出现的问题
二、数值模拟步骤与方法
1、参数准备
参数准备是数值模拟工作的重要环节，没有足够的可靠数据，就不会有理想的模拟结果。
在这些参数中，对储层模拟最敏感、也是最重要的数据包括：
①决定气体采收率的煤储层裂隙绝对渗透率
②用以确定排采过程中某一时间原位含气量和采收情况的初始含气量
③决定产气率变化特征及最终采收率的吸附等温线
④决定水产率的裂隙孔隙率
2、建立地质模型
建立煤层气地质模型的基本步骤是，首先收集各种地质和工程资料，然后对各种资料进行分析和判断，从中总结出煤层气藏的各种特征，构成初步的地质模型，最后再根据实际生产数据，通过历史拟合对模型进行完善。
3、产量预测
对于地质评价选区来说，产量预测的主要目的是要在获得实际产量以前，运用数值模拟手段，在现有资料情况下，对一个矿区的煤层气生产潜力进行预测，达到指导地质评价选区的目的。
三、煤层气井产能影响因素
研究表明，某些参数对煤层气产能预测结果影响较大，其中：吸附气体含量、等温吸附曲线和初始水饱和度的影响最大，渗透率、净储层厚度和孔隙率有较重要的影响，灰分含量、解吸时间和初始储层压力的影响较小。
1、煤层含气性对产能的影响
吸附时间通常取决于煤的物质组成和裂隙间距，直接影响煤层气井不同生产时期的产气量。
一般来说，吸附时间越短，早期产量越高。
煤层含气饱和度的高低，决定了其临界解吸压力的大小。
临界解吸压力越高，意味着煤层气井需要排水降压的幅度越小，开始产气的时间越早，煤层能解吸的甲烷气量越大。
2、煤层物性对产能的影响
渗透率高的煤层，井筒的排水降压能有效地传播到更大的范围，从而控制更大面积煤层，使更多的煤层气解吸，获得更高的产量。
渗透率高，不但早期产量高，而且累积产量也高。
但应注意的是，生产后期由于气源供给不足、渗透率大的情况下产气量衰减较快。
在初始状态下裂隙被水饱和充填，则煤层单位体积内的水含量增高，气含量则相应地减小。
因此，孔隙度增大，煤层气井的水产率增大，而产气高峰和累积气产量均有所降低。
3、流体动力条件对产能的影响
影响煤层气井产能的主要因素是煤层的含气饱和度、渗透率和供给半径；煤层的孔隙度和原始储层压力对产气情况也有一定影响。
影响煤层气井水产率的主要因素包括煤层的渗透率、原始储层压力、供给半径和煤的孔隙度。
因此，在进行煤层气选区时，首先要选择含气饱和度高、渗透率高的区块；而在进行煤层气开发时，要合理布置井网密度，确定适当的供给半径。
只有这样，才能使煤层气井达到较高的产气量。
