趙馨悅 ，韋 波 ，袁 亮 ，葛燕燕 ，胡 永 ，李 鑫 ，王毛毛 ，賈 超 ，瑪依拉·艾山 ，田繼軍

（1.新疆大學(xué) 新疆中亞造山帶大陸動(dòng)力學(xué)與成礦預(yù)測(cè)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊830017；3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院, 安徽 淮南 232001；4.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì), 新疆 烏魯木齊 830009；5.中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局二一六大隊(duì), 新疆 烏魯木齊 830011；6.新疆維吾爾自治區(qū)能源安全監(jiān)測(cè)中心, 新疆 烏魯木齊 830002）

0 引 言

合理開發(fā)利用煤層氣對(duì)我國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。煤層氣是一種主要以吸附狀態(tài)賦存在煤基質(zhì)顆粒表面，部分游離于煤孔隙中或溶解于煤儲(chǔ)層水中的烴類氣體[1-2]，在生成、運(yùn)移、儲(chǔ)集和產(chǎn)出的過程中皆會(huì)與煤層水共存、伴生[3]。煤層氣藏作為一種含地下水的連續(xù)型非常規(guī)氣藏，開發(fā)過程受流體動(dòng)力學(xué)影響較大[4]；儲(chǔ)層水的流動(dòng)是控制儲(chǔ)層流體壓力狀態(tài)和煤層氣采出的重要因素，同時(shí)可以反映重要的儲(chǔ)層特征，包括煤層氣的生成、運(yùn)移、聚集和采收率[5-6]。在煤層氣生成過程中，煤層水與圍巖以及煤層會(huì)發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)，煤層水的演化規(guī)律與煤層氣的富集息息相關(guān)。系統(tǒng)研究煤層水的演化過程與運(yùn)移規(guī)律是認(rèn)識(shí)煤層氣賦存特征及富集規(guī)律的必要手段，對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)有著十分重要的意義。

筆者從煤儲(chǔ)層水的地質(zhì)演化特征出發(fā)，系統(tǒng)綜述了儲(chǔ)層水的研究方法，分析了煤層氣開采過程中宏、微觀層面及儲(chǔ)層傷害過程中煤儲(chǔ)層水的運(yùn)移規(guī)律及其對(duì)煤層氣開發(fā)的影響，旨在揭示煤層氣藏開發(fā)過程中煤儲(chǔ)層水的運(yùn)移對(duì)煤層氣開采的影響，在對(duì)煤儲(chǔ)層水運(yùn)移規(guī)律充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤層氣開采提供建議與指導(dǎo)。

1 煤層氣儲(chǔ)層水的組成和來(lái)源

研究煤層水的組成、來(lái)源及演化對(duì)煤層氣開發(fā)有重要意義：在地質(zhì)演化過程中，煤層水會(huì)與圍巖發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)，通過研究?jī)?chǔ)層水的組成、來(lái)源和演化過程可以認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層的水文地球化學(xué)特征、地質(zhì)演化過程及構(gòu)造背景，對(duì)認(rèn)識(shí)煤層氣富集規(guī)律有重要意義[3]。

1.1 煤儲(chǔ)層水組成

煤儲(chǔ)層水賦存狀態(tài)組成劃分是研究煤儲(chǔ)層水遷移能力的前提。唐文蛟等[7]根據(jù)煤層水凝結(jié)特性，將煤層水劃分為可凍結(jié)水和不可凍結(jié)水，而根據(jù)煤層孔隙結(jié)構(gòu)可凍結(jié)水又可劃分為自由水和束縛水；苗雅楠[8]依據(jù)煤巖孔隙熱演化過程，將煤層水分為自由水、束縛水、生成水。圖1 為煤顆粒有關(guān)的水的形態(tài)，Zimmermann[9]和Seehra[10]等認(rèn)為，煤層水由重力水、吸附水、毛細(xì)水和粒間水組成（圖1）。從表1可以看出，目前對(duì)于煤層水的分類大多是基于煤層孔隙結(jié)構(gòu)、煤層水的凝結(jié)特性和煤層孔隙的演化過程等角度出發(fā)的[11-15]。

表1 煤層水組成分類Table 1 Classification of coal-bed water composition

圖1 與煤顆粒有關(guān)的水的形態(tài)[9-10]Fig.1 Morphology of water associated with coal particles[9-10]

煤儲(chǔ)層束縛水會(huì)阻礙煤層氣擴(kuò)散和滲流。我國(guó)煤儲(chǔ)層束縛水飽和度隨著煤階的增加而增大（圖2），意味著排水降壓的難度增大[1]。李夏偉等[14]發(fā)現(xiàn)由于束縛水受孔隙表面作用力較強(qiáng)，高階級(jí)煤中束縛水的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可動(dòng)水的含量。通常情況下煤階越高的煤儲(chǔ)層中微孔的比例就越高，孔隙表面對(duì)水分子作用力越強(qiáng)，從而對(duì)水分子的束縛力越大，阻礙其運(yùn)動(dòng)[16]，研究煤層水的組成可進(jìn)一步了解煤層水對(duì)煤層氣開采的影響，對(duì)于提高煤層氣產(chǎn)量有重要意義。

圖2 我國(guó)不同煤階煤儲(chǔ)層束縛水飽和度[17-21]Fig.2 Confined water saturation in different coal reservoirs of different coal grades in China[17-21]

1.2 煤儲(chǔ)層水來(lái)源

從同位素水文地球化學(xué)的角度可以將儲(chǔ)層水來(lái)源及成因類型劃分為：原始沉積水、滲入水、深成水和成巖水[3,22]。對(duì)各類來(lái)源及其指示的煤層氣富集和開發(fā)動(dòng)用難度的指示意義調(diào)研對(duì)比分析如下（表2）：

表2 不同水地球化學(xué)特征總結(jié)Table 2 Summary of different water geochemical characteristics

1）原始沉積水。成煤過程中保留下來(lái)的水分稱為原始沉積水[8]。通常地下水封閉性越好、越濃縮、變質(zhì)越深，鈉氯系數(shù)比值就越小，反映保存越有利，當(dāng)鈉氯系數(shù)比值小于0.5 時(shí)地層水屬于原始沉積水，反映保存條件好[23]；原始沉積水的油氣田水 IBE 大于0.129，處于交替停滯帶，地下水徑流作用弱，有利于油氣煤層氣富集[24]。通常保存較好、封閉性較高的地層水礦化度高，原始沉積水的礦化度大于10 000 mg/L[25]。

2）滲入水。主要是地表水、其他含水層中的水和大氣降水經(jīng)地層孔隙、裂隙和滲透性性巖層滲入到煤層的水[26]。煤層儲(chǔ)層水的鈉氯系數(shù)大則說明滲入水多，對(duì)煤層氣保存不利，數(shù)值小則反之[27]。油氣田水中含有滲入水時(shí)，IBE 值小于0.129，處于交替活躍帶，地下水徑流活躍，對(duì)煤層氣的保存十分不利，對(duì)煤層氣藏有明顯的破壞作用[28]。滲入水的礦化度小于1 000 mg/L[27]，不利于煤層氣保存。

3）深成水。來(lái)自地?；虻貧ど钐幐邷?、高礦化度并飽含氣體的水，如巖漿水和變質(zhì)水。根據(jù)蘇林分類法，深成水的水型為氯化鈣型，是地下水經(jīng)較強(qiáng)的深部變質(zhì)作用形成的[29]。深成水礦化度相對(duì)較高，煤層氣保存條件較好。

4）成巖水。沉積巖石成巖過程中新生成的水，包括礦物成巖轉(zhuǎn)化脫出的結(jié)晶水和有機(jī)質(zhì)演化伴生水等。成巖水在沉積初期在泥巖壓實(shí)作用和生烴作用被擠出，具有較低的礦化度和較高的脫硫作用以及變質(zhì)系數(shù)，具有良好的煤層氣保存條件[30]。

煤儲(chǔ)層水并非單一組成，而是由原始沉積水、滲入水、深成水及成巖水以不同比例混合后組成，煤層儲(chǔ)層水的多成因與地質(zhì)構(gòu)造演化過程、溫度、埋深、壓力等等息息相關(guān)。原始沉積水的形成原因是在地層沉積過程中一部分地表水被保存在顆?？紫吨衃3]；成巖水則是由于地層不斷沉降過程中，煤層埋深、溫度、壓力隨之不斷增大，煤的熱演化過程達(dá)到第一次生烴過程，甲烷生成時(shí)會(huì)伴隨產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)伴生水（成巖水）[26]；若在演化過程中形成大斷裂同時(shí)伴有幔源巖漿活動(dòng)，巖漿中的水進(jìn)入地層后經(jīng)過較強(qiáng)的深部變質(zhì)作用就會(huì)形成深成水[31]；滲入水是在持續(xù)演化過程中地層受到剝削，煤層埋深變淺直至露出地面時(shí)地表水滲入形成。

不同來(lái)源煤層儲(chǔ)層水的氫氧同位素組成范圍見表3。

表3 不同水氫氧同位素組成變化范圍 [32]Table 3 Variation range of hydroisotope composition of different waters[32]

2 儲(chǔ)層水地球化學(xué)表征方法

儲(chǔ)層水全分析可以幫助劃分儲(chǔ)層水的類型，同時(shí)可以根據(jù)水化學(xué)特征參數(shù)判斷儲(chǔ)層水性質(zhì)。20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來(lái)的同位素水文學(xué)，到如今研究尺度已拓展至原子核層次[33]，極大地支持了水文地質(zhì)學(xué)的研究和發(fā)展。通過煤層儲(chǔ)層水的全分析和同位素方法研究，有助于分析煤儲(chǔ)層水的來(lái)源、年齡、水力聯(lián)系等演化特征[34]。儲(chǔ)層水地球化學(xué)主要表征方法如下。

2.1 水全分析法

2.2 穩(wěn)定同位素（D/18O）方法

由于儲(chǔ)層水在蒸發(fā)及擴(kuò)散等物理作用下會(huì)發(fā)生同位素分餾作用，故不同水源的水體中同位素組成特征不同，研究煤層儲(chǔ)層水氫氧同位素組成特征有利于水體補(bǔ)給來(lái)源判別[35]。氫氧同位素組成來(lái)源表示通常采用鄭淑蕙等[36]提出的全國(guó)降水直線方程：δD=7.9δ18O+8.2‰。通過繪制δD-δ18O 關(guān)系圖（圖3）可以判斷水的來(lái)源，來(lái)源于大氣降水的水樣氫氧同位素值落在大氣降水線附近，由于地表水的氫氧同位素較重，沿大氣降水線分布最上方[37]；儲(chǔ)層水中通常會(huì)出現(xiàn)氫氧同位素漂移，D 和18O 漂移是由于煤層水在運(yùn)移過程中與圍巖不斷發(fā)生反應(yīng)，圍巖中較重的原子和水中較輕的原子發(fā)生同位素交換，使水中的 D 和18O 不斷富集，發(fā)生同位素漂移[38]。

圖3 不同來(lái)源水的δD-δ18O 關(guān)系Fig.3 Relationship between δD-δ18O of coalbed water originated from different sources

2.3 放射性同位素方法

通過檢測(cè)地下水放射性同位素的含量，結(jié)合放射性同位素的衰變規(guī)律，就可以得到地下水的年齡[39]。測(cè)定煤層儲(chǔ)層水的年齡有助于確定煤層含水層的補(bǔ)徑排規(guī)律。

1）129I 同位素。129I 是碘元素中一個(gè)長(zhǎng)壽命放射性核素，半衰期長(zhǎng)達(dá)15.6 Ma，利用其測(cè)年年限為2～80 Ma，常作為一種有效的示蹤劑用于油氣田鹵水年齡分析、地層水的示蹤、天然氣水合物年齡的測(cè)定等方面[26]。129I 鑒定油氣及其伴生水來(lái)源和年齡在我國(guó)油氣地質(zhì)行業(yè)應(yīng)用還較少。馬行陟等[26]年首次將放射同位素129I 應(yīng)用到油氣地質(zhì)研究中，確定韓城地區(qū)煤層地層水的地質(zhì)年齡為0～18.50 Ma，同時(shí)結(jié)合其他離子特征得出了地層水來(lái)源；葛燕燕[40]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試及129I/127I 比值校正得出黔西珠藏向斜儲(chǔ)層水年齡為17.28 Ma，儲(chǔ)層水年齡小于母巖年齡，儲(chǔ)層水已經(jīng)過現(xiàn)代大氣降水改造。

2）14C 同位素。地下水放射性碳（14C）定年是識(shí)別次現(xiàn)代地下水年齡的最為簡(jiǎn)單有效的方法，可以確定數(shù)百年至數(shù)萬(wàn)年來(lái)形成的地下水[41-42]。

隨著水文地球化學(xué)、同位素測(cè)試技術(shù)以及水文地質(zhì)學(xué)科的發(fā)展，關(guān)于14C 地下水測(cè)年方面的理論和技術(shù)不斷完善，使得地下水的14C 年齡越來(lái)越具有真實(shí)性和合理性[43]。

利用14C 測(cè)年不僅可以識(shí)別煤層水年齡，還可以判斷補(bǔ)給來(lái)源、含水層間水力聯(lián)系和徑流條件。目前，利用14C 測(cè)對(duì)煤層水進(jìn)行測(cè)年還未廣泛應(yīng)用，王海超[44]利用14C 測(cè)年結(jié)果確認(rèn)了沁水盆地129I/127I 的水源判識(shí)結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)了煤系水的來(lái)源以少量古沉積水和大量近現(xiàn)代大氣降水為主；李躍國(guó)等[45]通過分析準(zhǔn)南米泉礦區(qū)煤層水的14C 活度并結(jié)合該地區(qū)的水型與較礦化度特征，初步認(rèn)為米泉地區(qū)水體環(huán)境較為穩(wěn)定，表現(xiàn)出明顯的水動(dòng)力場(chǎng)停滯特征。

3 煤層氣富集的儲(chǔ)層水地球化學(xué)特征響應(yīng)

3.1 水全分析參數(shù)響應(yīng)

不同的水型可以指示不同的沉積環(huán)境，存在于陸地環(huán)境的Na2SO4水型通常表示水文地質(zhì)封閉條件較差，不利于煤層氣的保存；深成環(huán)境的CaCl2水型通常指示水文地質(zhì)封閉條件較好，利于煤層氣的保存；NaHCO3水型存在和形成于陸地環(huán)境，處于前兩種水型的過渡地帶；MgCl2水型存在和形成于海洋環(huán)境。

3.2 穩(wěn)定同位素特征響應(yīng)

D 和18O 是水文學(xué)上有著重要價(jià)值的穩(wěn)定同位素，D 和18O 可以作為判斷煤層水徑流條件的參考因素。在地下水徑流過程中，隨著礦物成分的不斷溶解，沿水流方向不斷TDS 不斷增大，氫氧同位素也在與含氫、氧礦物不斷交換，故TDS 與δD 和δ18O 呈正相關(guān)性。王善博等[37]和時(shí)偉等[38]在沁水盆地太原組和山西組均發(fā)現(xiàn)與δD 和δ18O 值均與礦化度TDS 呈正相關(guān)關(guān)系，由于TDS 可以很好的反映地下水的徑流條件，所以δD 和δ18O 值也可以作為判斷煤層水徑流條件與煤層氣開發(fā)有利區(qū)的參考指標(biāo)。

3.3 放射性同位素特征響應(yīng)

目前對(duì)煤層水的研究中，通常采用14C、129I、36Cl、87Sr 等放射性同位素進(jìn)行示蹤，得到煤層儲(chǔ)層水的來(lái)源、年齡及補(bǔ)給來(lái)源等，進(jìn)而分析地下水的賦存及運(yùn)移規(guī)律、判斷煤層氣的賦存條件。葛燕燕[40]通過87Sr 和129I/127I 的值計(jì)算得出珠藏向斜煤系儲(chǔ)層水年齡為17.28 Ma，來(lái)源為極少量的古大氣降水和比例較高的現(xiàn)代大氣降水；王海超[44]利用129I 定年并用14C 進(jìn)一步驗(yàn)證，確認(rèn)了沁水盆地中南部煤層水來(lái)源以少量古沉積水和大量近現(xiàn)代大氣降水為主，古沉積水的年齡至少為 1.51 Ma，煤系氣藏為改造型氣藏；衛(wèi)明明等[3]通過129I 衰變規(guī)律計(jì)算出沁水盆地南部煤層氣田產(chǎn)出水年齡，認(rèn)為其主要來(lái)源于古大氣降水和現(xiàn)代大氣降水，認(rèn)為大氣降水對(duì)煤層氣賦存起到保壓富集的控制作用。

4 煤層氣開發(fā)過程水的運(yùn)移

4.1 宏觀層面

1）煤層氣開發(fā)地下水流動(dòng)階段劃分。煤層中流體相態(tài)變化經(jīng)歷“單相水流階段”和“氣水兩相流階段”（圖4）。煤層氣井剛投產(chǎn)時(shí)，煤儲(chǔ)層割理中的水為飽和單相水，呈單相水流狀態(tài)，與煤層氣藏排水降壓階段對(duì)應(yīng)[8]。此時(shí)儲(chǔ)集層裂縫中的水不斷的向井筒中流動(dòng)井聚集。

圖4 煤層氣產(chǎn)出機(jī)理及生產(chǎn)階段示意[53]Fig.4 Schematic of coal-bed methane production mechanism and production stage[53]

在煤層氣排采前期，煤層中水的相對(duì)滲透率隨著水的不斷排出也不斷減小，煤層氣的相對(duì)滲透率增大，產(chǎn)水量不斷下降，產(chǎn)氣量逐漸增大直至穩(wěn)定，這時(shí)處于煤層氣井的氣水兩相流階段，也是煤層氣井排采的關(guān)鍵階段，其持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短決定煤層氣井的經(jīng)濟(jì)效益，了解氣水兩相流動(dòng)規(guī)律可有效提高煤層氣產(chǎn)能[51-52]。

2）壓降漏斗的形成和擴(kuò)展規(guī)律。煤層氣通過“排水→降壓→解吸→擴(kuò)散→滲流”等一系列過程產(chǎn)出，煤層氣排采遵循先排水降壓后大量產(chǎn)氣的生產(chǎn)規(guī)律。原始狀態(tài)下，煤層氣儲(chǔ)層孔裂隙空間的流體壓力與井筒流壓不存在壓力差[54-55]，排采過程中隨著井底壓力的降低，生產(chǎn)壓差不斷增大，井筒周圍壓差最大并向四周降低，于是在井筒附近形成1 個(gè)壓降漏斗[56]（圖5），并隨著抽水的延續(xù)該壓降漏斗不斷擴(kuò)大和加深[57]。隨著壓降漏斗的不斷擴(kuò)展，泄流半徑逐漸增大，從而擴(kuò)大解吸半徑。煤層氣儲(chǔ)層壓降拓展規(guī)律直接影響煤層氣井井間干擾程度、有效解吸范圍和持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)能力，掌握其變化規(guī)律對(duì)提高煤層氣井產(chǎn)能具有重要意義[58-59]。

圖5 壓降傳播示意[56]Fig.5 Schematic of pressure drop propagation[56]

壓降漏斗的形態(tài)是影響煤層氣井單井產(chǎn)量的重要因素，影響壓降漏斗形態(tài)的因素眾多，主要包括煤儲(chǔ)層滲透率、儲(chǔ)層水動(dòng)力、排采時(shí)間、壓降漏斗疊加等[60-61]。煤儲(chǔ)層滲透率越大，越有利于煤層產(chǎn)出水，對(duì)煤層氣的生產(chǎn)有直接影響。地下水勢(shì)能低的地方接受更多的水源補(bǔ)給，煤儲(chǔ)層壓降形成慢導(dǎo)致煤層氣井的低產(chǎn)；地下水勢(shì)能高的地方接受補(bǔ)給少，易排水降壓，形成高產(chǎn)[61]；趙金等[62]認(rèn)為排采時(shí)間越長(zhǎng)，壓降在煤層中傳播的距離越廣泛（圖6）。

圖6 壓降傳播與排采時(shí)間的關(guān)系[62]Fig.6 Relationship between pressure drop propagation and discharge time[62]

3）壓降漏斗井間干擾。多口煤層氣井共同排采時(shí)，每口井的壓降漏斗不斷拓展延伸，直至交匯在一起形成井間干擾，如圖7 所示[63]。煤層氣井井間干擾形成的實(shí)質(zhì)就是煤層氣井排采條件下井間壓降漏斗最終形成、擴(kuò)大且重疊的過程，井間干擾是煤層氣井?dāng)U大解吸區(qū)域、增強(qiáng)脫氣條件、有效動(dòng)用儲(chǔ)量的必要條件[64-67]。

近年來(lái)，杜鵬[68]首先提出了井間干擾強(qiáng)度定量化表征方法，建立了不同井網(wǎng)形式的概念模型，發(fā)現(xiàn)了煤層氣采出程度與井間干擾強(qiáng)度二者呈良好的線性關(guān)系。張遂安等[69]在沁水盆地某區(qū)塊進(jìn)行煤層氣干擾試井試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為該區(qū)塊煤層氣的井網(wǎng)布置和井網(wǎng)優(yōu)化提供了依據(jù)。賈奇鋒等[70]認(rèn)為井網(wǎng)井間干擾本質(zhì)為鄰井壓降傳播的疊加，壓降產(chǎn)生的能量遷移可以一定程度上增強(qiáng)孔隙中甲烷解吸和氣體遷移的動(dòng)力，增加煤層氣井產(chǎn)量。

我國(guó)煤層氣井井網(wǎng)樣式通常采用有規(guī)則型井網(wǎng)（菱形井網(wǎng)、矩形井網(wǎng)和五點(diǎn)式井網(wǎng)等），但矩形井網(wǎng)最接近煤層氣井壓降傳播形態(tài)（表4）。以我國(guó)不同盆地矩形井網(wǎng)為例，可發(fā)現(xiàn)最優(yōu)井距通常在250～400 m，采收率也均有所提高。

表4 國(guó)內(nèi)主要煤層氣田矩形井網(wǎng)開發(fā)情況Table 4 Development of well networks in major coal-bed methane fields in China

4.2 微觀層面

煤層氣井排采過程在宏觀上體現(xiàn)在氣水產(chǎn)量的變化，微觀上則是孔隙裂縫中氣水流態(tài)的變化[76]。微觀層面的主要研究重點(diǎn)為儲(chǔ)層水在孔隙裂縫中的運(yùn)移路徑。

在單相水流階段，隨著煤儲(chǔ)層中水的排出，孔隙壓力減小，但是由于煤的親水性和微觀孔裂隙尺寸較小，孔裂隙內(nèi)壁對(duì)水分子束縛力增大，增加了水在孔裂隙中運(yùn)移的難度[77]。據(jù)劉世奇等[78]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單相水流階段Sw＞0.2，Sg＜0.8，隨宏觀裂隙中的壓降傳遞至微觀孔裂隙，微觀孔裂隙中的煤層水緩慢運(yùn)移至宏觀裂隙，煤儲(chǔ)層水以微米尺度（10～100 μm）顯微裂隙作為優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑[79]。

在氣水兩相流階段，隨著微觀孔裂隙中煤層水的排出，與煤基質(zhì)之間形成壓降，氣體開始進(jìn)入微觀孔裂隙中，Sg開始逐漸增大，當(dāng)Sg增大到0.8 左右時(shí)，煤層水?dāng)y氣泡運(yùn)移至宏觀裂隙[78]。在這個(gè)階段，井底壓力小于臨界解吸壓力時(shí)，解吸氣在微裂隙中呈氣泡形式占據(jù)微裂隙壁面，此時(shí)近井區(qū)域?yàn)榉秋柡土?，遠(yuǎn)井區(qū)域的流態(tài)為單相水流；隨著生產(chǎn)進(jìn)行，微裂隙中的氣泡形成連續(xù)氣流占據(jù)孔隙，這時(shí)的流態(tài)是氣水兩相流。

4.3 儲(chǔ)層傷害過程水運(yùn)移規(guī)律

煤層氣井開發(fā)過程中不可避免進(jìn)入外來(lái)流體，如鉆井液、壓裂液、完井液等，這些流體流入地層后與儲(chǔ)層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，引起儲(chǔ)層滲透率降低，造成儲(chǔ)層傷害。常見的儲(chǔ)層傷害包括外來(lái)液與煤粉傷害、水鎖效應(yīng)、水敏損害、速敏損害等。

煤巖是一種抗壓強(qiáng)度低、膠結(jié)性差且易碎易坍塌的脆弱介質(zhì)，在構(gòu)造作用和機(jī)械作用的影響下極易破碎研磨，產(chǎn)生大量煤粉[80]且排采過程中隨著水流而運(yùn)移。單相水流階段，煤粉所受的上托力大于下沉力，且其所受流體拖曳力大于最大運(yùn)移摩擦阻力，導(dǎo)致煤粉發(fā)生運(yùn)移，進(jìn)入井筒后造成井筒附近煤儲(chǔ)層滲透率下降；在氣水兩相流狀態(tài)下，煤層氣和煤層水在滲流通道內(nèi)相互制約大大降低了氣水綜合動(dòng)力強(qiáng)度，從而使產(chǎn)出的煤粉的力度和強(qiáng)度都大幅降低。

在開發(fā)過程中，鉆井液、完井液、壓裂液等外來(lái)流體侵入儲(chǔ)層后，造成井筒附近儲(chǔ)層滲透率下降的現(xiàn)象稱為水鎖傷害。當(dāng)外來(lái)液侵入地層后，吸入地層的流體在毛管力作用下在孔裂隙表面形成一層水膜，減小滲流半徑，并且在煤層氣運(yùn)移的孔隙通道中形成毛細(xì)管阻力，延長(zhǎng)了煤層解吸的時(shí)間并且降低了煤層滲透率[81]。

煤儲(chǔ)層排采還常受到水敏和速敏傷害的影響。水敏傷害是指與地層不配伍的外來(lái)流體進(jìn)入煤儲(chǔ)層后，引起粘土膨脹、分散、運(yùn)移，堵塞孔裂隙系統(tǒng)，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低的現(xiàn)象[82]。儲(chǔ)層黏土礦物中陽(yáng)離子和流體中的陽(yáng)離子發(fā)生交換，水分子進(jìn)入黏土礦物晶層間或在晶體表面產(chǎn)生定向排列形成水化膜，陽(yáng)離子交換容量越大黏土膨脹性越強(qiáng)，對(duì)儲(chǔ)層傷害越大[83]。入井流體若流速過快會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層中的顆粒從孔隙或裂縫中脫落，跟隨流體發(fā)生運(yùn)移堵塞儲(chǔ)層孔隙造成滲透率下降。前大多數(shù)鉆井液呈堿性，pH值較大，易造成黏土礦物和硅質(zhì)膠結(jié)物結(jié)構(gòu)的破壞，堿敏同樣會(huì)造成儲(chǔ)層滲透率下降。

5 煤層氣開發(fā)儲(chǔ)層水排采建議

1）合理的儲(chǔ)層水排采強(qiáng)度。排采強(qiáng)度就是單位時(shí)間內(nèi)井底壓力的下降速度，煤層氣排采過程中生產(chǎn)壓差過大容易造成水鎖損害、煤粉堵塞底層等問題，開采過程中隨著有效應(yīng)力的增加，煤層中裂縫受到壓縮引起滲透率下降。柳迎紅等[84]在沁水盆地現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照分階段的排采制度控制煤層氣井的排采，取得了較好的開發(fā)效果；戴楠[85]在大佛寺井田通過應(yīng)用六段法對(duì) DFS-09 與 DFS-C02 兩口井進(jìn)行分析，兩井均出現(xiàn)明顯產(chǎn)氣高峰，建議在煤層氣井產(chǎn)量上升階段通過穩(wěn)定降低速率的方法控制井底流壓，從而降低產(chǎn)氣上升速度，避免停井對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。

2）井網(wǎng)優(yōu)化 。多井排采形成井間干擾，井間壓降漏斗最終形成且不斷延伸，地層壓力迅速降低從而使更多煤層氣解吸出來(lái)。井間干擾的形成關(guān)鍵在于井網(wǎng)設(shè)計(jì)，井間距是其主控因素，井網(wǎng)布置應(yīng)盡量沿著煤層裂隙方向也就是煤層的主滲透方向，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際選擇合適的井間距可以獲得較為理想的采收率。井網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化部署是煤層氣井開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著煤層氣井著產(chǎn)量和整體經(jīng)濟(jì)效益，合理的井網(wǎng)優(yōu)化不僅可以提高煤層氣井單井產(chǎn)量，還能保障煤層氣開發(fā)的順利實(shí)施，提高煤氣田的總體收益。

3）儲(chǔ)層防水鎖。目前，針對(duì)水鎖的主要方法包括加熱、酸化壓裂、防水鎖劑等，而在入井流體中添加防水鎖劑是最有效的預(yù)防方法[86]。防水鎖劑主要是表面活性劑，其作用機(jī)制是通過在煤樣孔隙中形成一種疏水性薄膜，從而降低毛細(xì)管力的作用，防止外來(lái)液滲入煤層孔隙，減小水鎖損害。胡友林等[81]通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在沁水河水中添加0.5%～1.0%的防水鎖劑后，其起泡性減弱，表面活性佳，表面張力明顯下降，因而降低了煤層氣藏的水鎖傷害；宋金星等[87]將0.05% AN 復(fù)配溶液添加到水基壓裂液中，能顯著地減少壓裂液的表面張力、改變壓裂液界面狀態(tài)，提高煤的親水性，減小煤孔隙毛細(xì)壓力，抑制水鎖損害。

4）降低煤粉傷害。有效的將煤粉從裂縫中通過工作液懸浮并攜帶出來(lái)是降低煤粉傷害的有效手段，在入井流體中添加具有分散煤粉作用的添加劑，阻止煤粉聚集沉降堵塞孔隙，從而更容易被流體攜帶運(yùn)移出井筒，皇凡生等[80]分析發(fā)現(xiàn)向煤層中加入煤粉穩(wěn)定劑可提高煤粉與裂縫面間的黏附力，從而有效阻止煤粉運(yùn)移，降低煤粉損害。蔣金龍[88]認(rèn)為在壓裂和返排過程中壓裂和返排階段適量加入煤粉分散劑和KCl 可以有效防止煤粉沉聚，更易于被帶出井筒。許耀波等[89]認(rèn)為在實(shí)際排采過程中通過控制液面降低流速，限制煤層的的流體滲流速度，可以減少流體對(duì)煤層的沖擊，減少煤粉產(chǎn)出。

6 存在問題及今后研究方向

1）煤層儲(chǔ)層水組成劃分尚未統(tǒng)一。首先，對(duì)于煤層儲(chǔ)層水的組成至今沒有統(tǒng)一的定論，劃分依據(jù)也尚未統(tǒng)一，對(duì)煤層氣開采造成一定影響。眾所周知煤層氣是通過排水降壓的方式采出，排出的水量通常和煤層氣產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，因此，對(duì)于可否從煤層中排出的水的厘定至關(guān)重要。對(duì)于煤層水組成認(rèn)識(shí)的差異會(huì)導(dǎo)致不同的研究者對(duì)煤層氣滲流擴(kuò)散機(jī)理的認(rèn)識(shí)有偏差，進(jìn)一步影響煤層氣開發(fā)的理論進(jìn)程。未來(lái)應(yīng)當(dāng)在充分考慮煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度及煤儲(chǔ)層水凝結(jié)特性的基礎(chǔ)中制訂統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，劃分出具體的煤層儲(chǔ)層水類型。

2）古老煤層儲(chǔ)層水測(cè)年困難。通過放射性同位素定年是認(rèn)識(shí)煤層儲(chǔ)層水地球化學(xué)特征和水動(dòng)力場(chǎng)的重要手段。目前，通過D/18O 或3H 等對(duì)年輕煤層儲(chǔ)層水的測(cè)定，國(guó)內(nèi)已經(jīng)掌握了較為成熟的技術(shù)，然而對(duì)古老煤層儲(chǔ)層水的測(cè)年還存在測(cè)樣過程時(shí)間長(zhǎng)，過程繁瑣且需要大量水樣，以及國(guó)內(nèi)同位素技術(shù)發(fā)展受限等問題。利用129I/127I、87Sr、14C 等對(duì)古老煤層儲(chǔ)層水的測(cè)定國(guó)外技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較成熟，甚至達(dá)到了商業(yè)化，而我國(guó)還處在起步階段，形成只有一個(gè)單位或者無(wú)地可測(cè)的局面，對(duì)于古老地下煤層儲(chǔ)層水來(lái)源認(rèn)識(shí)困難。國(guó)內(nèi)放射性同位素測(cè)年技術(shù)的發(fā)展是影響對(duì)煤層儲(chǔ)層水來(lái)源、沉積環(huán)境的重要因素，建議加強(qiáng)對(duì)此方面的重視程度。

3）缺乏煤層儲(chǔ)層水特征對(duì)煤層氣產(chǎn)量橫向?qū)Ρ取Ｃ簩觾?chǔ)層水不同特征均會(huì)影響煤層氣井產(chǎn)量，通常情況下具有相似的沉積環(huán)境、構(gòu)造特征或地層封閉條件的不同煤氣田的煤層儲(chǔ)層水特征會(huì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，然而目前缺乏對(duì)不同盆地煤層儲(chǔ)層水特征的橫向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)。對(duì)不同開發(fā)地質(zhì)單元煤層氣井產(chǎn)量與煤層儲(chǔ)層水來(lái)源、水量、水文地球化學(xué)環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑢?duì)揭示煤層儲(chǔ)層水運(yùn)移及演化過程對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的控制機(jī)理有重要意義。

4）對(duì)低階煤研究重視程度不夠。目前對(duì)于煤層儲(chǔ)層水的來(lái)源、演化、運(yùn)移過程及滲流機(jī)理的研究大多是針對(duì)高階煤展開的，對(duì)于低階煤的研究相對(duì)少了很多。我國(guó)低階煤層氣資源量豐富，勘探開發(fā)進(jìn)展卻相對(duì)緩慢。查明低階煤中儲(chǔ)層水的組成、演化及運(yùn)移規(guī)律，揭示其對(duì)產(chǎn)能的控制機(jī)理，可以指導(dǎo)低階煤煤層氣科學(xué)開發(fā)，增加清潔能源產(chǎn)量，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”具有重要意義。

7 結(jié) 語(yǔ)

1）煤層儲(chǔ)層水的組成目前尚未有統(tǒng)一定論，但較為普遍的看法認(rèn)為其由自由水和束縛水組成，煤儲(chǔ)層中束縛水會(huì)阻礙煤層氣的開采，從儲(chǔ)層水運(yùn)移的微觀層面來(lái)認(rèn)識(shí)煤層水組成對(duì)煤層氣開采的影響十分重要。

2）煤層儲(chǔ)層水的水文地球化學(xué)特征參數(shù)是判斷煤層氣高含氣區(qū)、低含氣區(qū)以及沉積環(huán)境的有效手段，方便且經(jīng)濟(jì)。

3）煤層氣開采過程中儲(chǔ)層傷害無(wú)法避免，應(yīng)采取有效手段將儲(chǔ)層傷害降到最低，節(jié)約開發(fā)成本的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。

4）對(duì)于煤層儲(chǔ)層水的研究目前還存諸如古老煤層水定年困難、缺乏儲(chǔ)層水特征橫向?qū)Ρ?、?duì)低階煤重視不夠等方面的問題，有待在將來(lái)進(jìn)一步發(fā)展。