徐恩澤 吳海明 楊文來

摘 ?要：為了明確煤層氣井解吸段數(shù)的確定方法及影響因素，基于前人提出的解吸階段劃分方法，提出了實(shí)際解吸段數(shù)概念和相應(yīng)的確定方法，基于沁對(duì)水盆地和鄂爾多斯盆地東緣煤層等溫吸附參數(shù)和解吸壓力數(shù)據(jù)研究，了解吸段數(shù)的影響因素及意義。結(jié)果表明，此次所提方法能夠有效確定煤層氣井解吸段數(shù)并估算初始解吸效率，煤層氣井實(shí)際解吸階段由蘭氏壓力、蘭氏體積和解吸壓力決定。蘭氏體積增加，解吸階段減少，解吸效率增加;蘭氏壓力增加，解吸段數(shù)先減少后增加，初始解吸效率先增加后降低。解吸壓力越高，煤層氣開發(fā)經(jīng)歷的解吸階段越多，初始解吸效率越低。實(shí)際解吸階段是煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的有效參數(shù)，沁水盆地南部煤層氣井只有1～2個(gè)解吸階段，大部分處于敏感解吸階段，總體解吸效率較高。鄂東緣煤層氣井一般有3～4個(gè)解吸階段，解吸效率整體較低。

關(guān)鍵詞：沁水盆地南部;煤層氣井;實(shí)際解吸階段;影響因素;解吸效率

煤層氣開發(fā)通過持續(xù)排水降壓，將儲(chǔ)層壓力降至解吸壓力以下，使甲烷解吸并通過擴(kuò)散、滲流產(chǎn)出井筒[1]，目前對(duì)煤層氣井滲流階段研究較多，但對(duì)解吸階段研究較少，更多是對(duì)其等溫吸附特征的評(píng)價(jià)。例如，張遂安等對(duì)煤層氣吸附及解吸的可逆性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為可逆性與吸附滯后并存[2];馬東民等提出了一種新的解吸吸附曲線表達(dá)公式，對(duì)煤層氣井解吸特征進(jìn)行了研究[3]。通常認(rèn)為利用等溫吸附曲線對(duì)解吸效率進(jìn)行預(yù)測(cè)在工程上是可行的，許多學(xué)者對(duì)利用等溫吸附曲線對(duì)解吸階段劃分進(jìn)行了研究，趙輝等提出了利用等溫吸附曲線弧度來判定含氣量隨壓力的變化情況及其對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響[4]。Zhang等提出利用解吸效率曲率來劃分解吸階段的思路，并提出利用啟動(dòng)壓力、過渡壓力和敏感壓力將解吸階段劃分為4個(gè)階段[5];孟艷軍等，簡(jiǎn)闊等在Zhang等基礎(chǔ)上提出了解吸階段劃分3個(gè)關(guān)鍵壓力的精確計(jì)算方法[6-7]，同時(shí)簡(jiǎn)闊等利用分段方法研究了構(gòu)造煤解吸階段的劃分方法。但對(duì)于解吸階段的劃分多處于理論完善階段，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用研究較少，許科等利用等溫吸附曲線對(duì)織金區(qū)塊的排采階段進(jìn)行了劃分[8]，秦勇等利用上述解吸效率分段對(duì)黔北地區(qū)長(zhǎng)崗礦區(qū)煤層氣解吸效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為研究區(qū)煤層氣解吸過程只經(jīng)歷敏感解吸階段，解吸效率高[9]。對(duì)于不同儲(chǔ)層煤層氣井實(shí)際解吸階段存在差異，為了研究解吸段數(shù)的確定方法及影響因素，文章基于前人提出的解吸階段劃分方法，提出實(shí)際解吸段數(shù)的概念和確定方法，并研究解吸段數(shù)的影響因素及意義，為煤層氣儲(chǔ)層解吸效率定量評(píng)價(jià)提供有益探索。

1 煤層氣解吸效率分段方法及條件

1.1 理論解吸階段劃分方法

孟艷軍、簡(jiǎn)闊等基于蘭格繆爾等溫吸附理論[6-7]，利用曲率曲線的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，定義了啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力與敏感壓力等吸附曲線上的3個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其計(jì)算公式如下所示。

2 實(shí)際儲(chǔ)層解吸階段影響因素

2.1 儲(chǔ)層等溫吸附參數(shù)影響

沁水盆地南部蘭氏壓力為1.84～3.84 MPa，均值為2.78 MPa;蘭氏體積為25.4～44.9 cm3/g，均值為36.66 cm3/g。以蘭氏壓力均值2.78 MPa為定值，據(jù)式（1）～（3）計(jì)算不同蘭氏體積下關(guān)鍵壓力值見圖1-a;以蘭氏體積平均值36.66 cm3/g為定值，根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算不同蘭氏壓力下關(guān)鍵壓力值見圖1-b。 ? ? ? ?圖1-a表明，蘭氏壓力為2.78 MPa時(shí)，3個(gè)關(guān)鍵壓力均隨著蘭氏體積增大而增大，以解吸壓力為3 MPa為例，隨著蘭氏體積從5 cm3/g上升至50 cm3/g，煤層氣井經(jīng)歷的解吸段數(shù)由4段降至1段，初始解吸效率由小于0.55 m3·（t·MPa）-1增加至大于2.59 ?m3·（t·MPa）-1，表明蘭氏體積增加，解吸階段減少，解吸效率增加。

圖1-b表明，蘭氏體積為36.66 cm3/g時(shí)，隨著蘭氏壓力增加，啟動(dòng)壓力和轉(zhuǎn)折壓力持續(xù)上升，敏感壓力則先增加后降低。以解吸壓力為3 MPa為例，蘭氏壓力從0 MPa上升至10 MPa，煤層氣井解吸段數(shù)先后分別為4段、1段和2段，初始解吸效率由小于0.55 m3·（t·MPa）-1增加至大于2.59 m3·（t·MPa）-1后又降至1.00～2.59 cm3/g之間。表明蘭氏壓力增加，解吸段數(shù)先減少又增加，初始解吸效率先增加后降低。

2.2 儲(chǔ)層解吸壓力影響

利用沁水盆地南部等溫吸附參數(shù)的數(shù)據(jù)計(jì)算出的關(guān)鍵壓力見圖2-a。利用牛海青、馬行陟等關(guān)于鄂爾多斯盆地等溫吸附參數(shù)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出的關(guān)鍵壓力見圖2-b[10-11]。結(jié)果表明，在其余條件不變時(shí)，解吸壓力越高，煤層氣開發(fā)經(jīng)歷的解吸階段越多，初始解吸效率越低。例如當(dāng)解吸壓力小于4 MPa時(shí)，僅有1～2個(gè)解吸階段，而當(dāng)解吸壓力大于8 MPa時(shí)，則3～4個(gè)解吸階段（圖2-a）。

3 解吸階段劃分的實(shí)際意義

3.1 解吸段數(shù)越多，解吸效率越低

由表1可知，煤層氣井實(shí)際解吸段數(shù)越多，初始解吸效率越低。在特定儲(chǔ)層物性條件下，煤層氣儲(chǔ)層降壓能力總是有限的，不能實(shí)現(xiàn)完全降壓，因此，初始解吸效率低往往導(dǎo)致整個(gè)降壓過程解吸效率降低。因此，煤層氣井經(jīng)歷的實(shí)際解吸段數(shù)越多，煤層氣整體解吸效率越低，解吸段數(shù)在一定程度上可以用來評(píng)價(jià)儲(chǔ)層解吸效率，提高儲(chǔ)層解吸效率的方法之一就是減少儲(chǔ)層解吸段數(shù)。

圖2-a還表明，沁水盆地南部絕大部分煤層氣井解吸壓均小于敏感壓力，少數(shù)井解吸壓力略高于敏感壓力，說明沁水盆地南部大部分井處于敏感解吸階段，少數(shù)井具有快速解吸和敏感解吸兩個(gè)階段，因此，總體解吸效率較高。圖2-b則表明，鄂東緣解吸壓力與3個(gè)關(guān)鍵壓力關(guān)系多樣，當(dāng)蘭氏體積小于25 cm3/g時(shí)，煤層氣井一般有3～4個(gè)解吸階段，反之，則有1～2個(gè)解吸階段，而低煤階煤層氣儲(chǔ)層蘭氏壓力一般小于25 cm3/g，因此低煤階儲(chǔ)層解吸階段較多，解吸效率整體較低。

3.2 高解吸壓力不一定高產(chǎn)

通常認(rèn)為解吸壓力越高，煤層氣含氣量越高，產(chǎn)氣量越高，因此常將解吸壓力作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。但據(jù)沁水盆地南部參數(shù)井解吸壓力與穩(wěn)產(chǎn)氣量關(guān)系可看出（圖3），隨著解吸壓力增加，單井日產(chǎn)氣量先增加后降低，解吸壓力為1.5～2 MPa時(shí)，日產(chǎn)氣量最高。主要是由于解吸壓力低于2 MPa的井解吸時(shí)處于敏感解吸階段，初始解吸效率大于2.59 m3·（t·MPa）-1，解吸效率整體較高。如Q1、Q2井解吸壓力分別為2 MPa和3.2 MPa，日產(chǎn)氣量分別為1000 m3和2500 m3，Q2井解吸遠(yuǎn)大于Q1井，但日產(chǎn)氣量卻小于Q1井，主要是解吸效率差異導(dǎo)致的，Q1、Q2井蘭氏體積分別為29.48 m3/t和40.25 m3/t，蘭氏壓力分別為2.83 MPa和3.03 MPa，兩井的等溫吸附曲線、解吸效率和敏感壓力見圖4。數(shù)據(jù)表明，Q1井解吸時(shí)處于敏感解吸段，初始解吸效率為6.61 m3·（t·MPa）-1，而Q2井解吸時(shí)處于快速解吸段，初始解吸效率為2.3 m3·（t·MPa）-1，解吸效率差異導(dǎo)致二者產(chǎn)量差異。

4 解吸階段劃分經(jīng)驗(yàn)公式

雖然各關(guān)鍵壓力有精確的計(jì)算公式，但計(jì)算復(fù)雜，不便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。依據(jù)公式（1）～（3）計(jì)算62個(gè)煤巖樣品等溫吸附曲線的敏感壓力、啟動(dòng)壓力和轉(zhuǎn)折壓力，分析3個(gè)關(guān)鍵壓力與蘭氏體積關(guān)系（圖5）。

5 結(jié)論

（1） 在實(shí)際儲(chǔ)層條件下，煤層氣開發(fā)并不一定全部經(jīng)歷敏感解吸段、快速解吸段、緩慢解吸段和低效解吸段。因此，提出煤層氣井實(shí)際解吸階段概念，并提出了能夠定量確定煤層氣井解吸階段并估算初始解吸效率的方法。

（2） 實(shí)際解吸階段由蘭氏壓力、蘭氏體積和解吸壓力決定。蘭氏體積增加，解吸階段減少，解吸效率增加;蘭氏壓力增加，解吸段數(shù)先減少又增加，初始解吸效率先增加后降低;解吸壓力越高，煤層氣開發(fā)經(jīng)歷的解吸階段越多，初始解吸效率越低。

（3） 解吸段數(shù)越多，解吸效率越低。沁水盆地南部大部分井處于敏感解吸階段，少數(shù)井有快速解吸和敏感解吸2個(gè)階段，總體解吸效率較高;鄂東緣煤層氣井一般有3～4個(gè)解吸階段，解吸效率整體較低。

（4） 隨解吸壓力增加，單井日產(chǎn)氣量先增加后降低，解吸壓力為1.5～2 MPa時(shí)日產(chǎn)氣量最高。這主要是由于解吸壓力低于2 MPa的井解吸時(shí)處于敏感解吸階段，初始解吸效率大于2.59 m3·（t·MPa）-1，解吸效率整體較高。

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Abstract：In order to determine the division method and influence factors of the number of desorption stages for CBM wells，the concept，the number of actual desorption stages，and the corresponding determining method are proposed in this present study，based on the desorption stages dividing method proposed by the previous researchers.The influence factors and significance of actual desorption stages are studied，based on the parameters of isothermal adsorption and desorption pressure from Qinshui Basin and the eastern margin of Ordos Basin.The results show that the method given by this paper can effectively determine the number of desorption stages，and estimate the initial desorption efficiency for some CBM wells.The actual desorption stage of CBM well is determined by Langmuir pressure，Langmuir volume，and the desorption pressure.With the increase of Langmuir volume，the number of desorption stages decreases while the initial desorption efficiency increases.With the increase of the Langmuir pressure，the number of desorption stages firstly decreases and then increases while the initial desorption efficiency firstly increases and then decreases.The higher the desorption pressure is，the more desorption stages the CBM well will go through during the development，and the lower the initial desorption efficiency is.The actual desorption stages is an effective evaluation parameter for formation evaluation.In Southern Qinshui Basin，there are only 1 or 2 desorption stages of CBM Wells，most of which are in the sensitive desorption stage，and the overall desorption efficiency is high.While in Eastern Ordos Margin，there are generally 3 or 4 s desorption stages，and the desorption efficiency is generally low.

Key words： Southern Qinshui Basin;Coalbed Methane well;Actual desorption stages;Influential factors;Desorption efficiency