煤层气开采工艺-煤层气渗流机制

煤层气在煤储层中流动的通道是煤中割理、裂缝，由于排采时煤储层中各处的压力不均衡（井筒处最低），所以煤层气会在压力差的驱动下沿压降方向运动。在围限压力下，煤储层的裂隙宽度最大不超过数十微米，甲烷很少进入大雷诺数下的非线性渗流状态，煤层甲烷在煤储层裂隙中的流动可当作线性渗流，遵循达西定律，即流体流过孔隙介质时，其流速与流动方向上的压力梯度成正比。

由于煤储层中为多相流体，所以，在实际的煤层气生产井中，气体是与水共同产出的，煤层气渗流进入井筒的过程分成了饱和水流、不饱和水流及两相流3个阶段，见图2－2。

水单相流阶段又叫饱和水流阶段，大部分煤层在静水压力作用下是被水饱和的，处于平衡状态，井筒压力大于临界解吸压力，甲烷吸附在煤孔隙表面，该阶段仅产出水以及其中的溶解气体，仅有水的单相流动。

不饱和单相流阶段也叫不饱和水流阶段，水的排出进一步降低井筒附近储层压力，降至临界解吸压力之下时，CH4就开始从煤体孔隙表面解吸，由于解吸气量还比较小，气体无法形成连续气流，而是在孔隙或裂隙的水中形成气泡，对水的流动有一定的阻碍作用，使水的相对渗透率下降。这一阶段有气、水两相参与，但只有水相连续流动。

图2－2　煤层气渗流进入井筒的过程

两相流阶段是指随井筒附近储层压力继续下降，更多的气体解吸出来进入裂隙之中，气饱和度增加，直到气泡合并成连续气流，气相的相对渗透率增大，而水相的相对渗透率降低，最终煤层裂隙中形成气－水两相达西流，运移到钻孔中产出。(www.xing528.com)

这3个阶段在时间和空间上都是连续的，随排采时间延长，第三阶段从井筒沿径向周围煤层中推进，形成降压漏斗，促使煤层气产出。

煤层气井揭露煤层后，在排水降压作用下，煤储层原有的压力平衡被破坏，形成了煤层气流动场，由于煤的非均质性，该流场近于椭圆形，见图2－3。

图2－3　煤层气渗流场

1.面裂隙　2.端裂隙　3.显微裂隙　4.煤基质块　5.渗流椭圆

流场内煤层气来源于煤储层本身的解吸，流场中任何一点的流速和压力将随时间而变化。气井附近裂隙内的游离甲烷首先涌出，随后煤基质块显微孔隙的气相甲烷通过显微裂隙向裂隙内扩散，其压力逐渐降低，化学势减小，降至吸附相的化学势以下后，破坏了原有的吸附平衡状态，煤基质块内显微孔隙、显微裂隙中的吸附相甲烷将解吸成气相甲烷，并发生吸热效应，使气相甲烷和周围环境温度降低。理论上煤基质块显微孔隙及显微裂隙内的吸附相甲烷化学势始终高于其气相甲烷，而显微裂隙内的气相甲烷又始终高于裂隙内的气相甲烷，即始终处于不平衡状态，以保持不断解吸出甲烷并经裂隙流向煤层气井，当然整个过程是连续进行的。