薛濤

[摘 要]煤層中的氣體（煤層氣）主要呈吸附狀態(tài)，固體煤和吸附氣體之間的相互作用關(guān)系是目前人們關(guān)心的問題，它與煤礦瓦斯防治和煤層氣開采有關(guān)。根據(jù)表面物理化學(xué)和彈性力學(xué)原理，推導(dǎo)了煤吸附膨脹變形、吸附膨脹應(yīng)力及有效應(yīng)力計(jì)算公式，理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。本文主要針對含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力進(jìn)行分析，思考了含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力表現(xiàn)在哪些方面，以及有效應(yīng)力是如何表現(xiàn)出來的，希望能夠?yàn)榻窈蟮暮矫簩託饷旱挠行?yīng)力方面研究提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]含吸附煤層，氣煤，應(yīng)力

中圖分類號：TD713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）22-0006-01

前言

準(zhǔn)確測量煤層氣資源的位置和含量很重要。而且煤層氣的開發(fā)不同于天然氣，有很大的難度，精確測量關(guān)于煤層氣的各個(gè)參數(shù)就顯得更為重要。當(dāng)前，在含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力的過程中，研究還不夠深入，因此，我們有必要更加深入的進(jìn)一步分析含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力問題，提高對其研究的水平。

1、中國煤層氣勘探開發(fā)問題分析

土體是非線性的彈塑性體，由固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三相組成，其中固體顆粒占有主要部分，他們形成了有孔隙的骨架結(jié)構(gòu)。骨架中含有孔隙水，孔隙水所承擔(dān)的壓力為孔隙水壓力，它是一種中性力。作用在骨架單位面積上的應(yīng)力為有效應(yīng)力，是一種面積力。土體重力，水壓力，外荷載作用力三者之和為總應(yīng)力。依據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，有效應(yīng)力為作用在飽和土體上的總應(yīng)力與孔隙水壓力之差。即：有效應(yīng)力=總應(yīng)力-孔隙水壓力。而土體的強(qiáng)度和土的變形主要取決于有效應(yīng)力，而并非總應(yīng)力，二者不能混淆。

眾所周知，目前我國的沁水盆地中南部地區(qū)的煤層氣的勘探開發(fā)利用發(fā)展較為快速，但其他地區(qū)的開發(fā)利用還停留在比較基礎(chǔ)的階段，因?yàn)椋?/p>

（1）由于起步較晚，我國的CBM基礎(chǔ)理論一般是從美國的技術(shù)學(xué)習(xí)而來，雖然美國的技術(shù)相對成熟，但是中國的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，結(jié)合中國煤層自身特點(diǎn)的賦存條件的指導(dǎo)理論研究尚且不足；

（2）石油天然氣開發(fā)技術(shù)一直影響我國CBM的開發(fā)，我國的CBM開發(fā)工藝沒有考慮到CBM獨(dú)特的生儲(chǔ)特性，沒有做到具體問題具體分析。

資料顯示，地質(zhì)的演化或者現(xiàn)階段地質(zhì)的構(gòu)造狀況對CBM的開采影響十分巨大。由于我國的含煤巖系是經(jīng)歷了多期構(gòu)造作用的影響而保存，與其他國家大為不同。煤體結(jié)構(gòu)較為特殊，降低了煤層氣的滲透性能且影響產(chǎn)能輸出；同時(shí)，由于煤是自生自儲(chǔ)，它與石油天然氣的儲(chǔ)層截然不同，多種因素制約著它的產(chǎn)能，例如CBM的勘探理論或者開采工藝技術(shù)，以及國家能源政策制約了對外合作，科技人才的短缺等。CBM產(chǎn)業(yè)屬于新型能源行業(yè)，其國內(nèi)的總體趨勢是大步向前發(fā)展的。

2、有效應(yīng)力對煤層氣解吸滲流影響

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)對能源的需求與日俱增，煤層氣作為一種新型的清潔能源，其開發(fā)利用可以在一定程度上減緩我國石油與天然氣供應(yīng)短缺的狀況，從根本上消除煤炭開采中潛在的安全隱患，并大量減少甲烷排放所造成的環(huán)境污染，以改變我國的能源結(jié)構(gòu)，具有重要戰(zhàn)略意義。

排采制度對煤層氣藏開發(fā)效果影響很大。煤層氣儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，受有效應(yīng)力影響較大，排采過快易導(dǎo)致煤層氣有效應(yīng)力增加，儲(chǔ)層物性受到損害，從而降低煤層氣產(chǎn)量；而排采過慢則會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益受損。目前階段，計(jì)算煤層氣儲(chǔ)層有效應(yīng)力多采用將基質(zhì)與割理籠統(tǒng)考慮的方法，但在實(shí)際煤層氣排采過程中，基質(zhì)與割理內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律不同，流體壓力也不同，故基質(zhì)與割理所受的有效應(yīng)力也不同。

煤層氣的開采實(shí)際上經(jīng)歷了解吸、擴(kuò)散、滲流3個(gè)連續(xù)階段，首先煤體微孔隙內(nèi)表面吸附煤層氣因孔隙壓力降低而解吸，擴(kuò)散至裂隙中轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)煤層氣，然后由于裂隙和鉆井井孔之間的壓力梯度和煤層氣的濃度梯度而產(chǎn)生煤層氣滲流，從而游離態(tài)氣體向井孔移動(dòng)，最后由井孔抽出。在此過程中，當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力降至解吸臨界壓力以下時(shí)，解吸量隨煤儲(chǔ)層壓力繼續(xù)下降而不斷增多，從而提高解吸速度；另一方面，在煤層氣的運(yùn)移過程中，隨著煤儲(chǔ)層壓力降低使得煤體發(fā)生變形，促進(jìn)煤體孔隙和裂隙的擴(kuò)展和延伸，煤層滲透系數(shù)增大，進(jìn)而提高滲流作用效果，因此地應(yīng)力是影響煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流和產(chǎn)量高低的重要因素。

3、煤層氣儲(chǔ)層有效應(yīng)力的計(jì)算

3.1 煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力分析

在煤層氣的實(shí)際排采中，首先要抽離儲(chǔ)層中的承壓水、鉆井液及壓裂液，以降低儲(chǔ)層壓力，使氣體從基質(zhì)孔隙表面解吸。在該過程中，由于割理系統(tǒng)的滲透率較高，氣、水兩相流動(dòng)較快，因此割理系統(tǒng)內(nèi)部的壓力處于不斷變化之中，而基質(zhì)孔隙直徑很小，滲透率極低，一般認(rèn)為水相無法進(jìn)入其中，且吸附于孔隙表面的氣體解吸需要一定的時(shí)間，所以在同等時(shí)間下，基質(zhì)孔隙內(nèi)流體流動(dòng)非常緩慢，流體壓力變化很小，與割理系統(tǒng)存在明顯的不同。

基質(zhì)孔隙內(nèi)部的流體壓力明顯高于割理系統(tǒng)內(nèi)部的流體壓力；同一時(shí)間下，割理系統(tǒng)內(nèi)部流體壓力較小、下降較基質(zhì)孔隙更快，而有效應(yīng)力為上覆巖層壓力與內(nèi)部流體壓力之差，所以相對于基質(zhì)孔隙而言，割理系統(tǒng)的有效應(yīng)力更大、增長也更快。因此，在煤層氣的排采過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感所帶來的影響，將排采速度保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值，使得割理系統(tǒng)的有效應(yīng)力緩慢增加，盡可能減小氣體產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益等各方面的損失。

3.2 煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力的計(jì)算

目前，對煤層氣儲(chǔ)層有效應(yīng)力的計(jì)算多采用將基質(zhì)與割理系統(tǒng)共同考慮的思路，忽略了兩者內(nèi)部流體壓力變化的差異。由前述分析可知，現(xiàn)有的方法存在明顯的弊端。考慮到割理系統(tǒng)對煤層氣排采的重要性，本文將其與基質(zhì)分開考慮，分別對兩者的有效應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

考慮上覆巖層壓力及基質(zhì)與割理之間相互作用力的影響，可以得到二者有效應(yīng)力式（1）、式（2）：

式中，P'm，P'f分別為基質(zhì)、割理系統(tǒng)的有效應(yīng)力。

將上述案例中的數(shù)據(jù)代入計(jì)算，以投產(chǎn)10d、井眼處的壓力為例，并假設(shè)該煤層氣藏上覆巖層壓力為10MPa。

可以得到井眼處基質(zhì)壓力Pm=2.85MPa，割理壓力Pf=2.0MPa，分別代入式（1）、式（2）中計(jì)算得P'm=8MPa，P'f=8.85MPa，即煤層氣投產(chǎn)進(jìn)入第10d時(shí)，井眼處基質(zhì)有效應(yīng)力為8MPa，割理系統(tǒng)有效應(yīng)力為8.85MPa。

同理可以計(jì)算得到煤層氣投產(chǎn)10，50，100，500，1250，2500d。

隨著煤層氣開采時(shí)間的延長，儲(chǔ)層基質(zhì)與割理系統(tǒng)有效應(yīng)力均變大，但在同一時(shí)間下，割理系統(tǒng)有效應(yīng)力均大于基質(zhì)孔隙有效應(yīng)力。綜上，由于割理系統(tǒng)的特殊性，煤層氣儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性主要指割理系統(tǒng)的應(yīng)力敏感。排采過程中，為提高煤層氣產(chǎn)量，可以通過減小基質(zhì)與割理系統(tǒng)的相互作用力來減小有效應(yīng)力的增加，即在排水降壓的過程中，嚴(yán)格控制排水速度?；|(zhì)孔隙的直徑很小，氣體在其中的滲流非常緩慢，而割理系統(tǒng)作為主要滲流通道，氣、水兩相在其中的滲流很快，在相同時(shí)間內(nèi)，基質(zhì)孔隙內(nèi)的壓力變化非常微弱，甚至為零，而割理系統(tǒng)的壓力變化則較為明顯，以至于從基質(zhì)孔隙表面解吸下來的氣體無法迅速彌補(bǔ)割理系統(tǒng)中排出的地層水所虧空的體積，從而導(dǎo)致兩者之間相互作用力的增加。

4、結(jié)束語

綜上所述，對于含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力，我們應(yīng)當(dāng)更加清楚其發(fā)展問題，同時(shí)，要明確在發(fā)展過程中，含吸附煤層氣煤的有效應(yīng)力如何更好的達(dá)到應(yīng)用，這才是最關(guān)鍵的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉紅林，王紅巖，張建博.煤層氣吸附時(shí)間計(jì)算及其影響因素分析[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2017，23（4）：365-367.