1、收稿日期：20101223基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2008ZX05034）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究（973）計(jì)劃項(xiàng)目（2009CB219605）；國家自然科基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40730422）；青年科學(xué)基金項(xiàng)目（40802032）作者簡介：杜嚴(yán)飛（1983），男，山東濟(jì)寧人，2009年畢業(yè)于聊城大學(xué)，現(xiàn)研究方向?yàn)槊簩託獾刭|(zhì)。煤層氣排采過程中煤儲層壓力傳播規(guī)律研究杜嚴(yán)飛，吳財(cái)芳，鄒明俊，王聰，姜偉，雷波（中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州221008）摘要：文章在分析煤層氣排采機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了煤儲層壓力在不同的煤儲層邊界條件和排采制度下的傳播規(guī)律。研究表明：在不同的煤儲層邊界條件和排

2、采制度下，煤儲層壓力傳播形成的壓降曲線各異；煤儲層壓力的傳播過程可分為兩個階段，即壓力傳播到儲層邊界之前為第一階段，傳到儲層邊界之后為第二階段。關(guān)鍵詞：煤層氣；排采；儲層壓力；傳播規(guī)律；壓降曲線中圖分類號：TE32文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：16710959（2011）07-0087-03Study on Reservoir Pressure Transmission Law During Gas Miningand Drainage Process of Coal Bed Methane WellDU Yan fei ，WU Cai fang ，ZOU Ming jun ，WANG Cong ，

3、IANG Wei ，LEI Bo（School of Resources and Geosciences ，China University of Mining and Technology ，Xuzhou 221008，China ）Abstract ：Base on the analysis on the mining and drainage mechanism of the coal bed methane ，the paper had a study on the transmission law of the coal bed methane reservoir pressure

4、under the boundary conditions of the coal bed methane reservoir and the mining and drainage systemThe study showed that under the different boundary conditions of the coal bed methane reservoir and the mining and drainage system ，the pressure drop curve formed by the reservoir pressure transmission

5、would be differentThe transmission process of the coal bed methane reservoir pressure could be divided into two stagesThe firs stage would be before the pressure transmitted to the boundary of the reservoir and the second stage would be the pressure transmitted beyond the boundary of the reservoirKe

6、ywords ：coal bed methane well ；mining and drainage ；coal bed methane reservoir ；reservoir pressure ；transmission law 煤儲層壓力是指作用于煤孔隙裂隙空間上的流體壓力（包括水壓和氣壓），故又稱為孔隙流體壓力，相當(dāng)于常規(guī)油氣儲層中的油層壓力或氣層壓力1。煤儲層壓力的大小直接決定著煤層對甲烷等氣體的吸附能力，是控制煤層吸附氣量的最關(guān)鍵因素，同時煤儲層壓力的降低也是煤層氣解吸、運(yùn)移的直接原因。在煤層氣排采過程中，隨著水氣的不斷排出，一方面煤儲層壓力降低，當(dāng)降低至臨界解吸壓力時，煤層氣發(fā)生

7、解吸，從而促進(jìn)煤層氣的產(chǎn)出；另一方面，煤儲層壓力的降低，使煤儲層的有效應(yīng)力增大，裂隙相對閉合，造成煤儲層滲透率降低，從而又抑制了煤層氣的產(chǎn)出。因此，查明煤層氣排采過程中煤儲層壓力的傳播規(guī)律對于煤層氣的排采具有重要的指導(dǎo)意義。1煤層氣排采機(jī)理煤儲層系由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成的三元孔、裂隙介質(zhì)，在原始儲層條件下，煤儲層孔、裂隙中的流體處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)2。當(dāng)煤層氣井揭露煤層后，隨著連續(xù)不斷的排水降壓，原始平衡狀態(tài)被打破，煤儲層壓力持續(xù)下降。當(dāng)煤儲層壓力低于臨界解吸壓力時，吸附在煤基質(zhì)顆粒表面的氣體開始解吸并擴(kuò)散到裂隙系統(tǒng)，在裂隙中和水一起以達(dá)西流的形式運(yùn)移至井筒產(chǎn)出。煤層氣的產(chǎn)出大致

8、經(jīng)歷了三個階段：水的單相流階段、非飽和流階段和氣水兩相流階段3，4。2煤層氣排采過程中煤儲層壓力傳播規(guī)律煤儲層壓力的傳播是由井筒與煤儲層之間的壓力差作用引起的。在煤層氣排采前，煤儲層處于原始平衡狀態(tài)，井筒與煤儲層之間不存在壓力差，煤儲層壓力為原始儲層壓力即煤儲層未受到破壞時的壓力，也為最大煤儲層壓力。當(dāng)煤層氣開始排采后，井筒液面下降，井筒與煤儲層之間形成壓力差，地下水從煤儲層壓力高的地方流向壓力低的地方，地下水就源源不斷地流向井筒，使得煤儲層壓力不782011年第7期煤炭工程研究探討斷下降，并逐漸向遠(yuǎn)方擴(kuò)展，最終在以井筒為中心的煤儲層段形成一個煤儲層壓降漏斗，并隨著抽水的延續(xù)該壓降漏斗不斷擴(kuò)大

9、和加深5，如圖1所示 。圖1煤層氣單井壓降漏斗及壓降傳播示意圖依據(jù)滲流力學(xué)原理并結(jié)合煤層氣開發(fā)試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)可以看出：在不同的煤儲層邊界條件和排除制度下，煤儲層壓力的傳播規(guī)律不同69。2. 1開放性邊界煤儲層的頂板或底板為透水層，存在直接或間接給水含水層，或煤儲層邊界為張性斷層，煤儲層能得到充分的外部地下水的供給，這種邊界條件稱之為“開放性邊界”。在開放性邊界條件下，煤儲層的供給邊界上的壓力可近似地認(rèn)為壓力保持不變。2. 1. 1定產(chǎn)量生產(chǎn)時，煤儲層壓力傳播規(guī)律開放性邊界定產(chǎn)量生產(chǎn)煤儲層壓力傳播規(guī)律如圖2所示，AA'AB 線表示原始儲層壓力，煤層氣井以定產(chǎn)量生產(chǎn)過程中，從井底開始的

10、壓力降落曲線逐漸擴(kuò)大和加深（如A 1A' ；A 2A ；）。此時煤層氣的生產(chǎn)僅靠壓降漏斗內(nèi)的壓力勢能作為驅(qū)動，在壓降邊緣以外地區(qū)的水，因?yàn)闆]有壓差作用而不流動。故在A' 、A 各點(diǎn)處壓降曲線的切線是水平的。當(dāng)壓降漏斗剛傳到邊界時，曲線A 3B 在B 點(diǎn)的切線仍然是水平的，表示此時井內(nèi)所產(chǎn)出的水仍然是靠B 點(diǎn)以內(nèi)儲層內(nèi)的壓力勢能。當(dāng)t t B 后，邊界以外有地下水補(bǔ)充進(jìn)來，這些補(bǔ)充來的水都通過B 點(diǎn)，故壓降曲線在B 點(diǎn)的切線與水平線AB 之間有一夾角。隨著外來地下水的不斷補(bǔ)充，夾角也不斷增大。當(dāng)邊界外補(bǔ)充的地下水逐漸趨于井的排水量時，則煤儲層內(nèi)的壓降曲線變化越來越小，經(jīng)過無限長時

11、間后，壓降曲線最終在A N B 處穩(wěn)定下來。這就表明，當(dāng)外邊界有充分的地下水供給時，在經(jīng)過很長時間后，不穩(wěn)定滲流趨于穩(wěn)定滲流，此時邊界外流入到煤儲層內(nèi)的水量等于從儲層內(nèi)流入到井內(nèi)的水量。由上分析可知，在煤層氣開采中，煤儲層壓力的傳播分為兩個階段，壓力傳播到邊界之前為第一階段；傳到邊界之后為第二階段。2. 1. 2定壓排采時，煤儲層壓力傳播規(guī)律在第一階段中，壓力傳播與定產(chǎn)量生產(chǎn)時的一樣，在壓降漏斗以內(nèi)，地下水在壓力差的作用下發(fā)生流動，而在壓降邊緣以外地區(qū)的地下水，沒有壓差作用而不能流動。其特點(diǎn)是隨壓降漏斗不斷擴(kuò)大，壓降區(qū)域擴(kuò)展（圖3），滲 流阻力也不斷加大，流向井筒的地下水減少，在保持井底圖2開

12、放性邊界定產(chǎn)量生產(chǎn)煤儲層壓力傳播規(guī)律壓力恒定的情況下，相應(yīng)地井的產(chǎn)水量逐漸下降。壓降的第二階段，邊界外的地下水開始向地層內(nèi)不斷補(bǔ)充，在相當(dāng)長的時間后，從邊界外部流入的水量等于井內(nèi)排出的水量，此后滲流過程趨于穩(wěn)定，壓力分布曲線趨于穩(wěn)定 。圖3開放性邊界定壓排采煤儲層壓力傳播規(guī)律2. 2封閉性邊界當(dāng)煤儲層頂板和底板都為隔水層，且邊界為隔水邊界（如逆斷層、推覆斷層等），煤儲層得不到地下水的補(bǔ)給，這種邊界稱為“封閉性邊界”。2. 2. 1定產(chǎn)量生產(chǎn)時，煤儲層壓力傳播規(guī)律壓力傳播的第一階段與開放性邊界定產(chǎn)量生產(chǎn)的第一階段幾乎是一樣的。但在壓力傳播的第二階段，由于邊界是封閉的，無外來地下水的供給，故壓力傳

13、到B 0點(diǎn)后，邊界B 0處的壓力就會不斷下降（圖4），在開始時邊緣上壓力下降的幅度比井壁及地層內(nèi)各點(diǎn)要小一些，即B 0B 1A 0A 1；B 1B 2A 1A 2；，隨著時間的增加，井壁壓降幅度逐漸低于邊界各點(diǎn)壓降幅度。當(dāng)井的產(chǎn)量不變，滲透阻力不變時，則煤儲層內(nèi)的能量釋放也相對穩(wěn)定下來。直到煤儲層內(nèi)各點(diǎn)壓力低于枯竭壓力時，煤層氣排采結(jié)束。88研究探討煤炭工程2011年第7期 圖4封閉性邊界定產(chǎn)量生產(chǎn)煤儲層壓力傳播規(guī)律2. 2. 2定壓排采時，煤儲層壓力傳播規(guī)律第一階段與開放性邊界定壓排采的第一階段壓力傳播情況是幾乎相同的，但在第二階段，由于邊界封閉，無外來地下水補(bǔ)給，邊界B 處的壓力逐漸下降。

14、同樣的，由于井底壓力保持不變的限制，從第一階段起壓降漏斗范圍不斷向外擴(kuò)大，滲流阻力不斷增大，而井的產(chǎn)水量也不斷下降，到第二階段后仍不斷下降直到趨于0為止，如圖5所示。3結(jié)論在煤層氣開采中，不同的煤儲層邊界條件和排采方式，煤儲層壓力的傳播規(guī)律不同，形成的壓降曲線各異。儲層壓力的傳播過程可分為兩個階段：壓力傳播到儲層邊界之前為第一階段，儲層壓力在壓力勢能的驅(qū)動下不斷向外傳播，壓降曲線不斷向外擴(kuò)大和加深；壓力傳播到邊界之后為第二階段，在定產(chǎn)量生產(chǎn)時，壓降曲線不再加深，最終趨于穩(wěn)定，而在定壓排采時，壓降曲線隨排采將繼續(xù)加深，直到趨于0 。圖5封閉性邊界定壓排采煤儲層壓力變化圖參考文獻(xiàn)：1傅雪海，秦勇，

15、韋重韜煤層氣地質(zhì)學(xué)M 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：51 1792傅雪海，秦勇，李貴中現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場煤儲層孔裂隙應(yīng)力分析與滲透率研究J 地球?qū)W報(bào)，1999，20（增刊）：623 6273王興隆，趙益忠，吳桐沁南高煤階煤層氣井排采機(jī)理與生產(chǎn)特征J 煤田地質(zhì)與勘探，2009，37（5）：19 224吳曉東，王國強(qiáng)，李安啟，等煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測研究J 天然氣工業(yè)，2004，24（8）：82 845馬東民煤層氣井采氣機(jī)理分析J 西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23（2）：156 1596李濤，何應(yīng)付，曹麗麗煤層氣滲流規(guī)律與壓力特征分析J 中國煤層氣，2006，3（2）：16 207高慧梅，何應(yīng)付，曹麗

16、麗，等變形介質(zhì)煤層氣壓力動態(tài)特征分析J 特種油氣藏，2007，14（1）：66 688同登科，劉珊變形介質(zhì)煤層氣不穩(wěn)定滲流問題J 天然氣工業(yè)，2005，25（1）：74 769趙陽升，楊棟，胡耀青，等低滲透煤儲層煤層氣開采有效技術(shù)途徑的研究J 煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（5）：455 458（責(zé)任編輯張寶優(yōu)櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗）（上接第86頁）表6各指標(biāo)線性化后的聚類中心巷道類別頂/MPa煤/MPa底/MPaN H X D 9525600. 03260024. 35018352. 353000. 10514. 93012123. 103800. 36510. 34516302. 653400. 57611. 92511113. 194100. 7659. 74結(jié)語結(jié)合4#煤層實(shí)際地質(zhì)條件及頂?shù)装迩闆r，對4#煤層及頂?shù)装鍘r性進(jìn)行了相應(yīng)的力