第二節　研究現狀

煤層氣井的產出是煤儲層微觀孔裂隙結構、細觀能量系統、中觀工程工藝技術及宏觀構造動力條件、地下水動力條件等耦合作用的結果。研究內容涉及較多，下面僅對本書主體內容相關的煤儲層富集高滲、煤儲層孔裂隙及其幾何模型、煤層氣產氣潛力評價、煤層氣產出過程的動態參數變化、煤層氣井的排采控制等方面的研究進展進行闡述。

一、煤儲層富集高滲的研究現狀

1.煤儲層富集特征方面的研究

主要開展了煤層氣成藏的基本條件和成藏過程等方面的研究。煤層氣成藏基本條件方面，主要圍繞著煤層氣的生成、煤儲層的物性、蓋層、吸附解吸等方面進行了研究。成藏過程方面主要圍繞構造動力條件、熱動力條件、水動力條件、聚散動力條件等方面展開研究。

美國的煤層氣工作者通過對本國煤儲層地質條件及煤層氣成藏進行研究，認為影響煤層氣富集成藏的控制地質因素主要有：煤的沉積系統和煤層的分布、煤的演化程度（煤階和甲烷氣的生成）、煤中氣體含量、煤層的滲透率、水動力因素、大地構造格局和構造條件等［9］，研究成果對美國煤層氣的開發選區工作具有重要的指導意義。

我國煤層氣研究者根據我國的地質特點，從熱動力學條件、構造演化、封蓋層、沉積環境、地下水動力條件及耦合疊加效應等方面對煤儲層富集控氣進行了卓有成效的研究。

熱動力學條件不僅影響著煤的變質程度，同時還會引起煤孔裂隙結構、煤層氣生成量的變化。研究者在實驗室模擬測試的基礎上，認為煤層氣的成因主要有生物成因和熱成因兩種類型。低變質煤中主要是生物成因氣，中高變質煤中主要是熱成因氣；提出了“煤化作用階躍式控氣”［10～12］的思想，并通過模擬實驗對不同變質程度煤的生氣量進行了表征。

構造對煤層氣藏的形成和破壞主要表現在地質發展歷史和構造樣式兩個方面。我國研究者把與煤層氣富集有關的構造歸納為向斜構造、背斜構造、褶皺-逆沖推覆構造和伸展構造等4個大類10種型式［13～14］。研究成果對煤層氣勘探開發戰略選區具有指導意義。

蓋層的封閉性在很大程度上決定了煤層氣的保存量。研究者們在實驗室對蓋層的排驅壓力、滲透率等參數進行了測試，結合數理模型，把蓋層劃分為屏蔽層、半屏蔽層和透氣層。并根據其在不同構造發育區，劃分出9類不同的蓋層巖性組合類型［15］。提出了“生儲蓋組合形式”、“有效蓋層厚度控氣”的觀點，為煤層氣選區指明了方向。

沉積環境控制著煤層氣的儲/蓋組合、煤儲集層的幾何形態、煤層厚度，并通過對沉積母質的控制，影響著煤儲集層的含氣性、吸附性和物性等。研究者基于我國煤層氣地質背景條件，把沉積體系下的儲/蓋層條件劃分成6種類型［16］，為煤層含氣量預測提供了依據。

地下水動力條件的強弱對煤層氣的富集與保存有重要的影響。煤層氣研究者將水文地質區劃分為供水區、強交替區、弱交替區、滯緩區、停滯區和泄水區六種類型［17～18］。認為：地下水動力條件強的地區煤層含氣量比較低；地下水相對滯流的地區，煤層氣含量較高。流動的地下水帶走煤層甲烷的主要方式是通過水對甲烷的溶解作用，并使煤層甲烷的碳同位素發生分餾作用，使煤層甲烷碳同位素變輕［19～21］。

上述研究成果更多偏重于某一因素對煤層氣富集的影響。事實上，煤層含氣量的多少是多種因素耦合作用的結果。為了更準確地得出煤層氣的富集成藏條件，國內煤層氣研究者從多因素角度研究其控氣作用。

煤層氣科技工作者對我國研究區的構造演化史、沉積埋藏史、生烴史、熱史及地下水動力條件等進行綜合研究。認為：構造演化史、沉積埋藏史、生烴史的有利匹配是煤層氣富集的先決條件；水動力條件強的區域不利于煤層氣富集，滯流區有利于煤層氣富集［22～24］。高煤階煤層氣藏中構造熱事件對煤層氣的生成、富集貢獻較大；低階煤地下水動力條件對氣藏的調整和改造起到決定性的影響［25，26］。

研究者根據煤層氣的成因及構造形態，提出了8種煤層氣成藏類型，即：水壓單斜型、水壓向斜型、氣壓向斜型、斷塊型、背斜型、地層-巖性型、巖體刺竄型和復合類型的煤層氣藏［27～29］。

綜上所述，研究者大多以煤田、礦區、區塊為研究單元，從煤儲層本身特征、煤層所處的構造樣式和構造形式、地下水的補給形式、煤層與其外在因素之間的耦合作用等角度進行了富集特征的研究，為我國煤層氣富集區預測提供了重要的借鑒和幫助。

2.煤儲層滲透率預測方面的研究

煤儲層滲透率的大小是煤層導流能力的宏觀表征。國內外煤層氣科技工作者在煤儲層滲透性預測方面做了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。現有的預測方法主要有以地質學為基礎的方法，如構造曲率法、構造應力法等；以煤巖學為基礎的方法，如裂隙觀察法、煤體結構法等；還有借助一些實驗測試、現場測試數據，采用多元回歸法、BP神經網絡法、灰色關聯分析法等數學方法對滲透率進行預測的方法；或與計算機技術、地質學結合的綜合預測方法，如數值模擬法、遙感測試法、測井/地震與煤巖結合法、地質強度因子法等。

構造曲率法預測滲透率是一種以裂隙成因為基礎，用于評價裂隙發育情況的數學方法。應用構造曲率法需要兩個基本前提，即所研究的地層必須是受構造應力作用發生了彎曲變形；基于煤巖體是完全的彈性體。在巖石力學性質相似的條件下，曲率越大，裂隙越發育，滲透性越好；但是，過高的構造曲率可能導致煤體結構強烈破碎，從而影響煤體裂隙的脹開［30～32］。確定構造曲率的臨界值是此方法預測的難點和重點。

構造應力法主要是應用數值模擬方法對古構造應力場進行恢復。認為：古構造應力場控制了裂隙的樣式，是控制裂隙發育程度的主控因素。當構造應力場最大主應力方向與儲層的優勢裂隙組發育方向一致時，裂隙受到張應力的作用，裂隙寬度增大，滲透率增高［33～35］。多期構造應力疊加增加了裂隙的復雜性，影響了滲透率預測結果的準確性。

裂隙觀測法就是對煤巖宏觀、微觀裂隙進行統計，根據裂隙發育程度反映滲透率大小，更多的是基于統計學的思想，結合構造情況來對滲透率預測［36］。

煤體結構是煤的變形程度的反映，不同煤體結構的煤變形程度不同，導致滲透率大小存在一定的差異。通過野外露頭、鉆孔煤心直接觀察或者利用測井曲線判識煤體結構，從而根據劃分的煤體結構來判識滲透率的大小［37］。不同地區即使煤體結構相同，對應的滲透率的大小也可能存在較大差異。標定煤體結構與滲透率的對應關系是應用煤體結構預測滲透率的前提，由于煤體結構劃分比較粗略，而滲透率大小是確定值，兩者對應的準確程度對滲透率預測結果影響較大。

多元回歸分析法、BP神經網絡法、灰色關聯分析法等都是根據大量的現場滲透率測試數據，基于地質條件、煤巖變形等屬性基本相似的前提，通過建立數學模型來進行預測［38～40］。地質條件的復雜性、煤巖屬性的差異性決定了此類預測方法的局限性。

一些研究者應用顯微地層學和統計法、遙感探測技術等對煤層高滲區進行了預測。預測尺度相對宏觀，預測結果與具體現場生產之間的匹配度存在不足［41，42］。另外，還有研究者應用模糊邏輯技術、地應力場與滲透率關系、馬爾柯夫過程的原理和方法對滲透率進行了預測［43～46］，預測結果相對宏觀，在此不再細致闡述。

綜觀國內外滲透率預測方面的研究，大致可分為定量預測和定性預測。不同的預測方法由于選擇尺度、對地質條件的依賴程度、煤層屬性的理解程度、測試手段的精確程度等的差異，導致預測結果存在較大差別。在具體應用時，需要根據研究區的具體情況，結合所掌握資料的翔實程度，選擇恰當的預測方法對研究區的滲透性進行預測。

二、煤儲層幾何模型研究現狀

1.煤儲層孔隙結構特征的研究

煤儲層既是煤層氣的生氣層，也是煤層氣的儲集層。煤儲層的研究是進行煤層氣產出研究的基礎。煤是由植物經泥炭化作用和成煤作用后形成的，在植物形成煤炭的過程中及形成后，伴隨有煤層氣的生成。同時在煤層中形成了大小、形態不一的孔隙，這些孔隙成為煤層氣的賦存空間。圍繞著煤炭生成過程及后期地質構造對孔隙類型的控制作用，國內外研究者對煤中孔隙類型從成因角度進行了劃分［47～51］。把氣體逸出時在煤內形成的孔稱為氣孔；部分的植物細胞組織被保留后形成的孔稱為殘留植物組織孔；孔隙被礦物質充填后形成了次生孔隙或晶間孔；有些孔形成后又被溶蝕，稱為溶蝕孔等。煤中孔隙類型的成因劃分為進一步研究孔隙結構特征奠定了基礎。

煤的孔隙類型的成因劃分為更清晰地認識煤層氣的生成起到了極大的推動作用，但對煤層氣在其中的賦存狀態、運移研究意義不大。為了更好地研究煤層氣在煤層中的賦存、運移，國內外研究者借助各種測試儀器，對煤中的孔隙大小進行了表征。研究的視角、測試儀器的精度等的差異，導致不同的研究者對煤的孔徑大小的分類存在一定的差異。其中代表性的孔徑大小分類見表1-1。

僅僅知道煤層中孔隙的大小遠遠不能反映出煤孔隙結構特征。為了更好地表征煤儲層孔隙的大小、形態、孔隙度、孔容、孔比表面等孔隙參量，國內外研究者采用壓汞法、低溫氮吸附法、光學顯微鏡、掃描電鏡等方法對煤的孔隙參數進行了研究與表征，得出了不同地區孔隙結構特征［61～67］，為煤層氣的運移產出研究奠定了基礎。

基于不同的孔徑分類，國內外研究者根據孔隙形態、不同的孔徑得出煤層氣在孔隙中的擴散類型。其中代表性的有：基于十進制的孔徑分類，認為在大孔和中孔以管狀、板狀孔隙為主，易于氣體的儲集和運移，氣體以容積型擴散為主；小孔和微孔以不平行板狀毛細管孔和墨水瓶狀孔為主，易于氣體的儲集，不利于氣體的運移，氣體以分子型擴散為主。從吸附運移特征角度對孔徑進行分類，認為孔徑以65nm為界限，分為吸附擴散和滲流兩種狀態，即孔徑<65nm時，孔隙中的氣體以擴散為主；孔徑>65nm時，孔隙中的氣體以滲流為主。孔徑<8nm為表面擴散，8～20nm為混合擴散，20～65nm為Kundsen擴散；65～325nm為穩定層流；325～1000nm為劇烈層流；>1000nm時為紊流［68～73］。

為了研究不同變質程度煤的孔隙結構特征，研究者們主要采用壓汞法、低溫氮吸附法、光學顯微鏡、掃描電鏡等方法對孔容、比表面積、孔隙度進行觀察和測試，得出高變質程度的煤微孔發育、孔隙連通性差、吸附能力強，低變質程度煤大、中、過渡孔較多，孔隙連通性好、吸附能力差的結論，為不同變質程度煤中煤層氣的運移產出研究奠定了基礎［74～75］。

20世紀80年代末研究者們把分形幾何學的思想引入到對煤的孔隙結構的研究中［76］。利用Menger海綿的構造思想模擬煤巖體的孔隙特性，結合孔徑測試資料，得出不同孔徑段的分形維數，對不同孔徑段的孔隙離散性進行描述［77～81］，為孔隙復雜程度的表征提供了一種方法。

近年來，CT掃描技術、核磁共振（NMR）技術應用于煤孔裂隙的研究。利用CT技術，可實現對孔裂隙、礦物的發育形態、大小、方位、空間分布關系的定量精細描述［82～84］；利用核磁共振T2（巖石的橫向弛豫時間）譜的分布能反映孔隙大小的分布，并能計算出殘存水孔隙度和有效孔隙度［85］，為煤層氣的運移產出機理的研究提供了更加可靠的依據。

2.煤儲層裂隙結構特征的研究

煤儲層裂隙是煤層氣運移產出的主要通道。國外對裂隙的研究始于20世紀60年代的蘇聯。20世紀70年代美國進行了煤層氣的勘探開發活動，把煤儲層裂隙的研究推向高潮。國外把煤層中的裂隙稱為割理，其中在煤層中延伸較遠的稱為面割理；僅發育在兩條面割理之間的裂隙稱為端割理［86～87］。

我國對煤層裂隙的研究開始于20世紀80年代。國內研究者在借鑒國外裂隙研究的基礎上，根據煤層中裂隙發育情況提出了主裂隙和次裂隙的概念［88］。蘇現波等［89］根據煤中裂隙的成因和形態，分成了內生裂隙、外生裂隙和繼承性裂隙。張慧等［90］將內生裂隙進一步劃分為失水裂隙、縮聚裂隙、靜壓裂隙，將外生裂隙進一步劃分為張性裂隙、壓性裂隙、剪性裂隙、松弛裂隙。這些研究成果都為不同裂隙對儲層滲透率的貢獻問題的研究奠定了基礎。

為了對裂隙的長度、寬度、高度、充填特征、密度、裂隙度、產狀、張開度、連通性等進行較精細的描述，國內研究者們通過手標本、掃描電鏡觀測、核磁共振成像法等［91～94］，對煤儲層裂隙特征進行表征，認為由于煤中裂隙發育程度的差異，導致有些裂隙能相互溝通形成網狀；有些裂隙部分溝通形成孤立的網狀，而有些裂隙不能相互溝通，呈現孤立狀，并據此對其滲透能力的強弱進行了劃分，為煤層氣滲流機理的研究奠定了基礎。

3.煤儲層幾何模型的研究

煤儲層的幾何模型方面代表性的研究成果有Warrenh和Root的雙重孔隙結構模型、蘇現波的雙直徑球形孔隙結構模型和傅雪海的三元結構模型。

Warrenh和Root［95］把油氣儲層的雙孔隙模型引入到煤層氣儲層中，認為：煤體是由基質孔隙和裂隙系統組成的雙重孔隙介質，基質孔隙是氣體儲存的主要空間，裂隙系統是氣體運移的主要通道，是煤層氣井產能的主要貢獻者。該模型主要考慮了內生裂隙對煤層氣井產能的貢獻，忽略了構造應力等作用形成的外生裂隙對煤層氣運移的影響，對指導我國的煤層氣開發具有很大的局限性。

蘇現波［96］等在借鑒國外煤儲層幾何模型的基礎上，根據煤經歷地質構造運動后變形程度不同導致裂隙發育的差異，分別構建了針對原生結構煤和碎裂煤的三重結構模型及碎粒煤和糜棱煤的雙直徑球形幾何模型。認為：原生結構煤和碎裂煤的儲層滲透率的主要貢獻者是外生裂隙，在無煙煤中更是如此，內生裂隙的主要貢獻是溝通了基質塊和外生裂隙的聯系。對于碎粒煤和糜棱煤，煤儲層中裂隙不甚發育，在這類儲層內主要發生著兩級擴散，即煤層氣由基質微孔隙表面解吸擴散至基質大孔隙中，繼而由基質大孔隙擴散至井筒產出。與Root的雙重孔隙結構模型相比，此類模型更加全面。

傅雪海等［97］應用分形理論提出：煤儲層孔裂隙系統是由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成的三元結構系統。認為：宏觀裂隙是滲透率的主要貢獻者。宏觀裂隙根據裂隙大小、形態特征和成因進一步分為大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙；顯微裂隙根據其形態可分為階梯狀、雁列式、帚狀和X式等；基于煤層氣運移特征，將煤孔隙分為大孔、中孔、小孔、過渡孔和微孔等。

煤儲層幾何模型的構建，無疑對研究煤層氣的運移產出機理和煤層氣產能數學模型的構建提供了比較清晰的思路及方向。但我國煤儲層孔隙結構、裂隙結構的復雜性，決定了僅僅通過某一種儲層幾何模型研究煤層氣運移產出變化規律的局限性，急需在現有煤儲層幾何模型的基礎上，進一步進行精細描述，以期為不同情況下煤層氣運移產出機理研究提供基礎。

三、煤層氣產氣潛力評價研究現狀

20世紀80年代末到90年代初，是我國煤層氣勘探的初始階段。當時的煤層氣選區評價，主要借鑒了美國的選區評價標準。當時美國主要以“中煤階優勢成藏理論”為選區的指導原則。在上述評價標準指導下，我國早期的煤層氣資源評價和選區都以中煤階含煤區為主，未考慮低煤階褐煤、長焰煤和高煤階無煙煤。

20世紀90年代初，借鑒美國煤層氣成藏理論和選區方法、標準，結合我國地質條件，逐漸形成了我國煤層氣勘探選區標準。首先根據煤的變質程度劃分為低、中、高三種變質程度的煤，針對低、中、高三種變質程度的煤，分別從含氣量、含氣飽和度、滲透率、單層煤厚、累計厚度、資源豐度等參數進行界定和評價。與以前的評價方法相比，區分度更明顯。但對于尺度相對小的情況，評價的區分度仍然較差。

煤層氣的勘探開發是分步驟進行的。在此思想指導下，20世紀90年代中后期逐漸形成了階梯優選資源評價方法，即“一剔除三篩選”方法。核心思想為：第一步是關鍵參數一票否決，當關鍵參數小于其臨界值時，即認為沒有繼續評價的必要；第二步是面積-資源豐度篩選，通過對研究對象面積和資源豐度進行比較，利用黃金分割法分成四類，對于最差的一類不再進入下一級；第三步是滲透率篩選，通過對進入這一級的評價單元滲透率參數進行對比，利用黃金分割法分為兩類，差的一類不進入下一級；第四步是產能篩選，對進入這一級的評價單元進行產能對比，分為兩類，差的一類不進入下一級；第五步是經濟評價篩選，方法同上。通過以上步驟篩選，對評價區等級進行了劃分，評價的精度進一步提高。

21世紀初期，人們逐漸把數學的方法引入煤層氣評價之中。采用層次分析法、BP神經網絡法、灰色關聯度法、灰色類聚法、綜合突變理論、多模糊綜合評價法、GIS與多模糊綜合評價相結合的方法等對煤層氣資源潛力進行評價，劃分出有利區、較有利區和不利區等［98～101］。通過分析煤層氣高產的影響因素，采用模糊物元的方法，結合勘探開發資料，對有利區進行了評價［102］，評價由定性向半定量方向發展。

這里特別要強調的是：20世紀90年代末期，池衛國提出了從地層能量的角度對煤層氣進行有利區塊優選。21世紀初期，以秦勇教授為代表的研究團隊在這一思路基礎上進行了拓展和延伸，從能量平衡系統的視角研究煤層氣成藏的動力學條件及其配置關系。認為煤層彈性能由煤基質彈性能、水體彈性能、氣體彈性能等構成，并基于物理模擬試驗、煤巖應力應變、氣體熱力學、動力學等理論，構建了煤基質彈性能、水體彈性能、氣體彈性能的數學模型。基于煤層氣富集性依賴于有效壓力系統，煤層氣保存及可采性依賴于有效運移系統的指導思想，基于煤層彈性能，構建了煤層壓力系統指數和煤層裂隙指數數學模型。以煤層彈性能為紐帶，對煤層氣成藏的宏觀動力能、微觀動力能進行定量表征，建立了包括煤儲層裂隙發育程度系數、煤儲層裂隙開合程度系數、煤儲層壓力系統發育程度系數等在內的煤層氣成藏效應的三元判識標志，劃分出27種成藏效應類型［103～110］，為高變質程度煤和中變質程度煤的開發靶區準確選擇提供了較可靠的依據。基于煤層氣成藏動力學分析，建立了煤層氣地質選區理論與評價方法［111］。評價思想由表觀逐漸向煤體內部擴展，評價結果更接近客觀事實，但評價時對工程工藝方面的考慮較少。

四、煤層氣井排采過程物性參數變化研究現狀

煤層氣井排采時，隨著水的產出，會引起煤層的有效應力、含氣量、滲透率、儲層壓力、孔隙度、產氣量等一系列參數的變化，國內外研究者在這一方面也進行了大量的研究，其中滲透率的變化及主控參數方面的研究最多，在此也主要對其研究現狀進行闡述。

1.排采過程中滲透率變化研究

排采時隨著水的產出，煤基質所受應力增加，煤層中的裂隙被進一步擠壓，煤層的導流能力下降，稱之為煤巖彈性自調節負效應；當儲層壓力降低到氣體的臨界解吸壓力以下時，氣體開始解吸產出，引起煤基質收縮，煤層中裂隙被拉張，煤層的導流能力增加，稱之為煤巖彈性自調節正效應。煤層氣井排采時，在煤巖彈性正、負效應的綜合作用下，裂隙的導流能力發生著變化。本次也從排采過程中煤儲層滲透率的正、負效應角度闡述其變化的研究現狀。

（1）排采過程中有效應力增加引起的煤巖彈性自調節負效應　有效應力是由K.Terzaghi提出，表征外力作用多相介質時，由固相介質承擔的那部分外力［112］。排采時煤儲層所受應力狀態的改變，引起煤體內結構、流體流動狀態等一系列的變化，這一現象可稱為應力敏感性。研究者通過不斷改進實驗儀器設備的精度及條件得出與客觀實際更貼近的試驗結果。進行了應力-滲透率實驗測試，引入敏感系數、有效應力等概念，建立了滲透率與有效應力之間的冪指數關系模型［113～118］。通過改變軸壓、圍壓、天然裂隙數量、滲透率的各向異性等條件，得出了這些條件對滲透率的影響，并通過Bernabe和Berryman所提出的模型進行了解釋［119～121］。一些研究者基于有效應力原理，通過理論分析得出了與實驗結果相同的滲透率隨有效應力的變化規律［122～123］，通過Cross-Plotting法對有效應力系數進行了確定，得出了滲透率隨有效應力系數同步增減的結論［124］。

實驗樣品、測試環境、實驗儀器本身、人為操作等的差異，導致采用實驗測試手段得出的滲透率與有效應力的關系的個例較強，實驗測試時間較長、測試費用相對較高、普適性受到較大影響。

為了得出一些具有相對普適性的數理模型，煤層氣科技工作者基于雙重變形介質理論、雙重變形介質理論［125］、毛細管模型理論［126］、Biot理論［127］、細觀損傷理論［128］、巖石力學與流體力學理論［129］、有效應力原理［130］等理論構建了流固耦合數理模型。研究成果多集中在油氣藏，煤儲層方面的流固耦合研究相對較少，且對于煤體復雜多變的結構特性考慮較少，在計算固體變形對滲透率的影響時，多集中在應力變形改變流體運移空間方面，在能量交換方面考慮較少，同時，排采過程中滲透率變化探討的不僅僅是點的概念，導致目前的數理模型或實驗測試結論在指導現場工程時存在一定的偏差。

（2）排采時氣體解吸作用下引起的煤巖彈性自調節正效應研究　排采時氣體的解吸引起表面自由能的變化，進而引起煤儲層滲透率的變化。煤層氣科技工作者通過三軸滲流實驗［131～133］、煤體膨脹變形及自調節效應滲流實驗［134］、孔隙度與滲透率模型、解吸運移氣固耦合模型、非達西流雙滲模型［135］、Seidle解吸滲流模型［136］、Shi-Durucan模型［137］、等效基質顆粒模型［138］、固體變形模型與Ji-Quan Shi模型［139］、自調節效應滲透率模型［140，141］得出了氣體的解吸使儲層滲透率有所回升的結論。

研究者通過實驗測試、數學建模等方法，得出了煤層氣井整個排采過程煤儲層滲透率呈現“減少-增加”的變化規律，但對于基質收縮與有效應力間相互作用的力與能量的交換，氣/水產出時煤體應力-結構的改變，不同煤巖本身屬性、地應力特征、含氣性特征等差異情況下基質收縮量、有效應力壓縮量及兩者相互之間的影響量卻不能給出確定的回答，導致針對這些屬性差異下的排采過程中滲透率的變化規律不能定量化，指導生產存在一定的局限性。

2.排采過程其他關鍵參數的變化研究

排采時不僅僅發生著煤儲層滲透率的改變，事實是水的產出，引起了應力、含氣量、滲透率、儲層壓力、產氣量、孔隙度等一系列參數的聯動變化。其中儲層壓力、產氣量、孔隙度構成了煤層氣井排采的外循環；應力變化、氣含量變化和滲透率變化構成了煤層氣井排采的內循環；控制壓力變化是控制整個系統循環進行的基礎。這一現象被稱為雙循環聯動機制［142］。基于雙循環聯動機制，倪小明等［143］較系統地分析了煤層氣井不同排采階段儲層物性的變化，為排采工作制度的制定奠定了基礎。

圍繞煤層氣井排采時煤巖的彈性自調節正、負效應和內、外循環機制思想，煤層氣科技工作者通過實驗室巖心應力敏感性實驗、煤層氣數值模擬軟件COM-ET2.0、ECLIPSE、Coalgas等模擬手段，得出滲透率隨有效應力呈指數的變化規律的結論［144］。根據能量和質量守恒定律，采用壓力增量迭代法，利用Matlab 7.11編寫程序，得出排采過程中產水量與井底壓力呈非線性的關系的結論。根據現場煤層氣井的排采曲線，分析了產水量、動液面深度、套壓等之間的關系，得出排采過程中排采參數具有明顯的排采階段特征的結論，需要針對不同的排采階段進行分析［145～148］。

煤層氣井排采過程中煤巖彈性自調節正、負效應模式以及雙循環聯動機制的提出，無疑為煤層氣排采過程中物性參數的動態變化規律的研究指明了方向。排采是一個連續的、長期的過程，排采過程中各種參數的變化既受到本身固有屬性的影響，同時受到外界條件變化的影響，是本身固有屬性與外部條件耦合作用的結果。外部條件的多變性、內部固有屬性的多樣性，都可能導致排采過程中主控因素的變化，最終引起表現形式及變化規律的差異性。對于排采過程中各種物性參數的變化，需要繼續根據煤層氣井實際產氣特征，在實驗室測試、數值模擬和現場生產試驗相結合的情況下，做更進一步的精細刻畫和描述。

五、煤層氣垂直井排采控制研究現狀

制定合理的排采工作制度能夠延長煤層氣井產氣高峰時間，提高煤層氣井的產能。美國、加拿大等國家的煤儲層主要是中-高滲煤儲層，煤儲層所受的構造動力影響小，排采制度的快慢對煤層氣井產氣量的影響較小，普遍以快速見氣為排采手段，對我國排采制度的制定不具有借鑒意義。我國關于煤層氣井排采理論的認識及合理排采制度的形成主要經歷了三個階段。

第一階段：2003年以前的快速降壓產氣排采工作制度

這一階段，主要以產氣量為劃分標準將排采階段劃分為排水降壓、穩定產氣、產氣量下降三個階段。排采初期以快速見氣為目的，通過快速降低井底流壓，實現煤層氣井的快速產氣。在煤儲層原始滲透率較高、煤巖彈性模量較大、地應力較小的區域，采用此方法來進行煤層氣井的排采，對煤層氣井的產氣量影響較小。隨著煤層氣開發井數量和深度的增加，發現快速排采導致滲透率下降快，初期產量高，但維持時間短，單井總產氣量低。典型案例見于沁水盆地中段山西組3#煤層的煤層氣開發，儲層滲透率普遍在0.1mD以下，快速排采造成產氣后3～5個月的短期高產和隨之而來的后期無產量現象，教訓慘重。所以，這種北美洲針對中-高滲煤儲層排采理論指導下的排采制度，不適宜我國低滲透煤層氣排采。

第二階段：2004～2010年的“連續、漸變、穩定、長期”的排采工作制度

煤層氣井排采以有效大面積降壓和低成本開發為目標。煤層氣產出時，會引起儲層壓力、滲透率、含氣量等儲層參數發生變化。快速排采往往造成滲透性急劇下降和有效降壓面積有限。慢速排采則造成排采時間過長和增加開發成本。因此根據低滲煤儲層滲流規律制定合理排采強度是煤層氣井合理高產的基礎。目前，數學建模［149］、COMET3模擬軟件［150］、ECLIPSE E300三維雙重孔隙介質多組分模擬器［151］等方法是研究模擬不同地質條件下排采過程中儲層滲透性、儲層壓力等儲層參數變化規律的主要技術。另外，基于滲流理論、排采機理［152］等理論分析以及Matlab［153］、Visual Modelflow［154］等軟件模擬的方法，也廣泛應用于排采過程儲層滲透率等參數變化規律研究，為排采制度的制定提供了參考。

汲取快速排采失敗教訓后，人們發現我國低滲透煤儲層排采具有自身特殊的規律，即排采期間低滲透煤層對應力變化極其敏感、滲透率急劇減小；研究了煤基質膨脹與收縮對產氣量的影響，總結出“連續、漸變、穩定、長期”的排采工作原則，保障了相當一部分低滲透煤儲層的正常合理排采產氣。不同地區煤儲層屬性、圍巖含水性及對煤層的補給量、見氣時間等的差異性，導致這一指導思想對不同地區操作性方面存在較大差異，排采工作制度更多基于現場經驗進行制定。

排采工作制度的合理性一定程度上決定了煤層氣井的產氣。為了研究煤層氣垂直井在不同的排采階段由于氣、水產出引起的一系列的綜合效應，最終對產氣量的影響，制定出相對比較合理的排采工作制度。一些學者根據滲流力學理論、煤層氣地質、巖體力學等理論，分析了煤層氣井不同排采階段由于水、氣的產出引起的滲透率變化的因素，構成了排水采氣數學模型，結合現場煤層氣井實際排采資料及數值模擬的方法，得出煤層氣井不同排采階段排采工作制度［155～159］，并借助Visual Basic、Visual C++等開發語言，開發出煤層氣排采控制決策系統［160］，為煤層氣井排采工作制度的制定提供了理論指導。

一些學者通過實驗室單相流驅替煤粉產出物理模擬實驗，結合現場檢泵、修泵時間等，得出煤粉產出量與液量、滲透率、圍壓等的關系，提出了現場煤粉濃度上限，為現場容易出煤粉的井的排采工作制度的制定提供了理論指導［161～163］。

第三階段：2011年至今的“五段三壓四點”式的排采工作制度

隨著開發深度的加大，應力對煤儲層滲透率的影響作用更明顯，排采工作制度制定得合理與否對煤層氣井產氣量的影響作用越來越明顯。為了制定出更符合現場煤層氣井產氣特點的工作制度，經過大量的實踐探索，根據地層壓力、解吸壓力和井底流壓的合理匹配，煤層氣科技工作者把煤層氣井的生產劃分為“排水-憋壓-控壓-穩產-衰減”五個階段，提出了密切關注地層“出水點、解吸點、放氣點和穩產點”四個控制節點，形成了“五段三壓四點”的排采控制技術，使煤層氣井的排采把握住了關鍵點。一些學者根據現場煤層氣井的排采曲線，得出煤層氣產氣曲線主要有“雙峰型”、“臺階型”、“緩坡型”、“單峰型”和“直線型”五種類型［164］，更好地指導了煤層氣井的排采。

這些研究成果無疑為煤層氣井更科學、更合理的排采提供了指導。但對于不同地質條件、水文條件下煤層氣井到底該采取何種排采工作制度，可操作性不太強，基于經驗法的排采工作制度制定無法與多變的水文地質、煤儲層屬性特征相匹配。根據不同的儲層類型制定相應的排采工作制度是提高現場可操作性、實用性的重要保障。