煤儲(chǔ)層能量及其對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的影響
——以鄭莊區(qū)塊為例

肖宇航,朱慶忠,楊延輝,劉 忠,魯秀芹,呂帥鋒,周秋成,張 晨,王 剛，王玉婷

(1.中國(guó)石油華北油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 任丘 062552；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)基地，河北 任丘 062552；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，湖北 武漢 430000)

鄭莊區(qū)塊作為國(guó)內(nèi)較早規(guī)模開(kāi)發(fā)高階煤煤層氣區(qū)塊，其內(nèi)部至今已投產(chǎn)不同增產(chǎn)開(kāi)發(fā)工藝煤層氣井上千口。但因區(qū)內(nèi)目標(biāo)煤儲(chǔ)層制約煤層氣產(chǎn)出主控因素一直不甚明確，開(kāi)發(fā)增產(chǎn)改造工藝目標(biāo)模糊，針對(duì)性不強(qiáng)，導(dǎo)致低效井?dāng)?shù)占總井?dāng)?shù)比例高，嚴(yán)重影響整體開(kāi)發(fā)收益[1-4]。

針對(duì)該科學(xué)問(wèn)題，雖然眾學(xué)者已從多個(gè)角度開(kāi)展了大量研究工作。如：魏建平、唐巨鵬、孫培德[5-9]等以煤樣三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析地應(yīng)力及流體壓力對(duì)煤巖滲透率以及煤層氣解吸影響，發(fā)現(xiàn)一定參數(shù)區(qū)間內(nèi)，地應(yīng)力與滲透率負(fù)相關(guān)，儲(chǔ)層流壓與解吸時(shí)間及解吸量正相關(guān)。周剛、宋黨育、王剛[10-13]等利用X射線(xiàn)三維CT掃描和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，對(duì)毫米級(jí)煤樣內(nèi)孔-裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，指出顯微裂隙的數(shù)量和分布對(duì)煤巖內(nèi)部離散孔隙連通有重要影響。趙賢正等[14]基于煤巖心測(cè)試和煤層氣井開(kāi)發(fā)資料統(tǒng)計(jì)，建立單位長(zhǎng)度顯微裂隙寬度與氣井峰值日產(chǎn)氣量關(guān)系模板，提出顯微裂隙發(fā)育程度是煤層氣井獲得高產(chǎn)重要條件。楊棟、彭永偉[15-16]等通過(guò)對(duì)比不同尺寸煤樣室內(nèi)應(yīng)力-滲流模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤樣間存在“尺寸效應(yīng)”，認(rèn)為大尺寸巖樣包含信息更多，對(duì)地下工程巖體代表性更強(qiáng)。于是，王生維、陳立超[17-19]等選擇煤礦井下巷道壁面直接觀(guān)測(cè)方式，從宏觀(guān)角度認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層，解剖、測(cè)繪巷道壁面肉眼各類(lèi)可見(jiàn)裂隙，發(fā)現(xiàn)天然裂隙分布受煤巖組分影響，裂隙密集發(fā)育帶之間連通程度差，主壓裂裂縫長(zhǎng)度影響單井生產(chǎn)控制范圍?？涤郎?、徐文軍[20-23]等通過(guò)統(tǒng)計(jì)多個(gè)區(qū)塊煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)塊不同位置單井產(chǎn)出特征差異大，產(chǎn)水與產(chǎn)氣相關(guān)性不明顯，高、低產(chǎn)水都存在對(duì)應(yīng)高產(chǎn)氣井。

但所獲成果與認(rèn)識(shí)對(duì)現(xiàn)階段煤層氣開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)推動(dòng)作用有限。一方面，新部署煤層氣井產(chǎn)量不可預(yù)測(cè)性強(qiáng)；另一方面，在運(yùn)用其分析問(wèn)題時(shí)，也時(shí)常無(wú)法自洽，存在特殊井，如：大埋深低產(chǎn)區(qū)中個(gè)別高產(chǎn)井，與臨近相同開(kāi)發(fā)工藝煤層氣井產(chǎn)出特征迥異氣井等。有鑒于此，筆者認(rèn)為前人所做研究工作多從煤儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)物質(zhì)基礎(chǔ)出發(fā)，未充分考慮地下煤儲(chǔ)層賦存能量對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)影響。因此，筆者嘗試從能量平衡與轉(zhuǎn)化角度出發(fā)，將煤儲(chǔ)層視作熱力學(xué)系統(tǒng)，在明確氣、液、固三相物質(zhì)所承載能量類(lèi)別和形式基礎(chǔ)上，綜合分析煤層氣開(kāi)發(fā)全過(guò)程中各相態(tài)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換與變化及能量變化后物質(zhì)狀態(tài)改變。并于鄭莊區(qū)內(nèi)選定地質(zhì)條件相似但能量特征不同相鄰4個(gè)煤層氣井組，結(jié)合其產(chǎn)出特征深入探討煤儲(chǔ)層能量對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)影響。以期為煤儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)單元?jiǎng)澐峙c評(píng)價(jià)，增產(chǎn)開(kāi)發(fā)工藝選擇和優(yōu)化，主控因素分析，提供理論依據(jù)和方向。

1 研究目標(biāo)區(qū)概況

鄭莊區(qū)塊地處沁水盆地東南部NNW傾向單斜構(gòu)造相對(duì)低部位一端，其北部與盆地軸部相接，東部及南部以寺頭斷層為邊界，西部無(wú)構(gòu)造形跡邊界。區(qū)內(nèi)東南部垂直寺頭斷層走向上，依次發(fā)育后城腰斷層和鄭莊斷層。目標(biāo)煤儲(chǔ)層(3號(hào)煤)全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，平均厚度約5.7 m；受多期次地質(zhì)構(gòu)造作用影響，其局部位置與不同含水層或弱透水層之間存在一定程度水力聯(lián)系與溝通[24-26]。3號(hào)煤儲(chǔ)層形成于三角洲平原亞相；其煤儲(chǔ)層鏡質(zhì)組反射率介于3.2%～4.0%，孔隙度介于3.4%～6.5%，試井滲透率介于0.01×10-15～0.15×10-15m2；主體海拔介于-200～540 m，除北部邊緣外，埋深整體介于500～900 m(圖1)。

圖1 鄭莊區(qū)塊區(qū)域地質(zhì)特征概況Fig.1 General geological characteristics of Zhengzhuang Block

區(qū)內(nèi)以ZS19井為中心井組位于西部寬緩斜坡中部；分別以ZS80井、ZS27井為中心井組位于中西部平緩構(gòu)造轉(zhuǎn)折端處；以ZS31井為中心井組位于中部短軸背斜頂部。中心參數(shù)井周邊煤儲(chǔ)層產(chǎn)狀與構(gòu)造形貌平緩，未發(fā)生急劇變化；自西向東，兩兩間直線(xiàn)距離依次為：4.6，4.5，4.8 km，海拔高度介于150～180 m。

2 煤儲(chǔ)層中不同相態(tài)物質(zhì)能量

2.1 煤巖基塊彈性勢(shì)能

受外力作用發(fā)生彈性形變物體，內(nèi)部組分間距離發(fā)生改變，并儲(chǔ)存能量，存在恢復(fù)原樣釋放積蓄能量的趨勢(shì)，該趨勢(shì)即為彈性勢(shì)能[27]。地下原位煤巖受地應(yīng)力作用處于被壓縮狀態(tài)，積聚、存儲(chǔ)彈性勢(shì)能，其單位體積彈性變形勢(shì)能(ES)[28]可表示為

(1)

式中，ES為單位體積彈性變形勢(shì)能，受煤巖力學(xué)特性、變質(zhì)程度、溫度條件等因素影響，kJ/m3；E為煤巖彈性模量，GPa；μ為煤巖泊松比；σ1，σ2，σ3分別為三向主地應(yīng)力，MPa。

當(dāng)外力條件減弱時(shí)，處于壓縮狀態(tài)煤巖會(huì)以彈性膨脹變形方式釋放彈性勢(shì)能。不考慮溫度影響，煤巖基塊壓縮系數(shù)[29-30]為

(2)

其中，CS為煤巖基塊壓縮系數(shù)，GPa-1；VO為原始狀態(tài)下，煤巖基塊體積，m3；dV為外力條件變化后，煤巖基塊體積變化量，m3；dP為外力變化，MPa。煤巖基塊由基質(zhì)骨架和內(nèi)部細(xì)微孔-裂隙組成，其中內(nèi)部細(xì)微孔-裂隙的體積變化是煤巖基塊受壓時(shí)體積變化的主要貢獻(xiàn)者[30-31]。如圖2所示，煤巖基塊四周受煤巖限制，除下部裂縫空間外，無(wú)膨脹空間。當(dāng)裂縫內(nèi)壓力作用減弱時(shí)，主要由內(nèi)部細(xì)微孔-裂隙膨脹所引起煤巖基塊膨脹變形，可近似看作彈簧回彈。則煤巖基塊體積應(yīng)變變?yōu)檩S向應(yīng)變：

圖2 煤巖基塊彈性膨脹與等效彈簧模型Fig.2 Elastic expansion of coal matrix and the equivalent springmodel

(3)

式中，dS為煤巖基塊平行裂縫方向橫截面面積，m2；dl為煤巖基塊垂直裂縫方向上長(zhǎng)度變化量，m；L為煤巖基塊垂直裂縫方向上長(zhǎng)度，m。

(4)

式中，Wt為彈簧回彈對(duì)外做功，kJ；Ft為彈簧回彈彈力，kN；Δx為彈簧單位變形量，m；K為彈簧勁度系數(shù)，kN/m；Ws為煤巖基塊膨脹對(duì)外做功，kJ；Fs為煤巖基塊膨脹力，kN；Kc為煤巖基塊類(lèi)比彈簧勁度系數(shù)，計(jì)算公式為

(5)

由式(5)可知，Kc值與煤巖彈性模量E呈正比關(guān)系。假定在垂直裂縫方向上L值為一個(gè)單位長(zhǎng)度，則Kc在數(shù)值上等于E，聯(lián)立式(1),(4),(5)可得

(6)

則，裂縫開(kāi)度(τ)因煤巖基塊膨脹而產(chǎn)生最大縮減量(μm)為：Δτmax=2Δlmax。

2.2 煤層水機(jī)械能

煤儲(chǔ)層中地下水(煤層水)，在溫度15～115 ℃，壓力7～42 MPa條件下，為微可壓縮流體，壓縮系數(shù)數(shù)量級(jí)為10-4(MPa-1)[29]；在1 000 m以淺，常溫、欠壓煤儲(chǔ)層中，因其壓縮變形程度極低，可被視為不可壓縮流體，不再考慮彈性勢(shì)能。則單位質(zhì)量煤層水具有機(jī)械能(Ew)分別為：重力勢(shì)能(Eg)、動(dòng)能(Em)、壓強(qiáng)能(Ei)[32]。

Eg=gz

(7)

Em=v2/2

(8)

Ei=P/ρ

(9)

Ew=Eg+Em+Ei

(10)

式中，g為重力加速度，N/kg；z為重力場(chǎng)中單位質(zhì)量煤層水相對(duì)參照面所具有相對(duì)高程，m；v為單位質(zhì)量煤層水流動(dòng)速度，m/s；P為單位質(zhì)量煤層水所處位置流體壓強(qiáng)，MPa；ρ為煤層水密度，kg/m3，不可壓縮流體密度為定值，不隨時(shí)間和外界條件變化而變化，此時(shí)，流體壓強(qiáng)能(Ei)僅與該處壓強(qiáng)相關(guān)。

在靜止流場(chǎng)中，P=ρgh，h為自由液面到單位質(zhì)量流體處深度，m。此時(shí)，單位質(zhì)量流體機(jī)械能(Ew)包括重力勢(shì)能(Eg)和壓強(qiáng)能(Ei)。當(dāng)流體在同一水平高度，因壓力梯度發(fā)生流動(dòng)時(shí)，流體壓強(qiáng)能(Ei)部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能(Em)[32]。同時(shí)，因流體黏性以及流體流動(dòng)通道固有性質(zhì)，部分機(jī)械能隨流體流動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量耗散。當(dāng)流動(dòng)流體滿(mǎn)足：① 定常流動(dòng)；② 不可壓縮；③ 黏性不為0；④ 沿流線(xiàn)流動(dòng)。由納維-斯托克斯方程可知，單位質(zhì)量流體一維流動(dòng)過(guò)程中能量變化為

(11)

其中，hl為流體流動(dòng)過(guò)程中能量損失，主要因流動(dòng)通道復(fù)雜多變和摩擦而產(chǎn)生，kJ；v1，P1為位置1處流體流速(m/s)和壓強(qiáng)(MPa)；v2，P2為位置2處流體流速(m/s)和壓強(qiáng)(MPa)(圖3)。流體壓強(qiáng)能是流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。

圖3 單位質(zhì)量流體流動(dòng)過(guò)程中能量損失Fig.3 Energy loss of fluid element in the flowing process

2.3 煤層氣膨脹能

煤層氣(吸附質(zhì))主要以物理吸附方式，賦存于地下煤儲(chǔ)層(吸附劑)離散分布孔-裂隙中[33-35]。在原始儲(chǔ)層條件下，吸附質(zhì)中游離部分與吸附部分處于“吸附-脫附”動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)煤儲(chǔ)層內(nèi)流體壓力下降或溫度升高時(shí)，游離部分煤層氣具有膨脹對(duì)外做功能力；而吸附部分在流體壓力或溫度超過(guò)某一臨界值之后，會(huì)發(fā)生脫附轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x部分，從而具備膨脹對(duì)外做功能力[36-38]。

游離部分煤層氣膨脹對(duì)外做功過(guò)程為多變過(guò)程，滿(mǎn)足多變過(guò)程方程式[39-41]：

(12)

式中，p1，u1為煤層氣某一多變過(guò)程初始?jí)毫?MPa)和體積(m3)；p2，u2為煤層氣某一多變過(guò)程終了壓力(MPa)和體積(m3)；n為某一多變過(guò)程對(duì)應(yīng)多變指數(shù)，在等溫條件下n≈1，式(12)變?yōu)閜1u1=p2u2。

任意1 mol游離煤層氣具有膨脹能(Ep)[37-40,42]，可表示為

(13)

其中，Ep為1 mol游離煤層氣具有膨脹能，kJ；R為摩爾氣體常數(shù)；T某一多變過(guò)程初始溫度，在等溫條件下為一定值，℃。由式(13)可知，游離煤層氣膨脹能(Ep)大小受初始溫度，初始狀態(tài)壓力、終了狀態(tài)壓力和兩者差值，及游離相煤層氣量控制。

如圖4所示，在煤層氣“吸附-脫附”動(dòng)態(tài)平衡被打破之后，吸附部分煤層氣脫附游離化，成藏期積聚能量開(kāi)始釋放[37,40,43]，對(duì)游離部分煤層氣膨脹能給予補(bǔ)充。

圖4 吸附部分煤層氣解吸補(bǔ)充游離部分膨脹能Fig.4 Adsorbed CBM replenish expansion energy to free portion through desorption

選用Langmuir等溫吸附方程式[36-38]：

(14)

對(duì)Langmuir等溫吸附方程式兩側(cè)微分后，可得單位壓降下解吸煤層氣量：

(15)

式(15)除以標(biāo)準(zhǔn)狀況下煤層氣摩爾體積后，再乘以式(13)，即可得到一定壓力下，單位壓降解吸煤層氣的膨脹能：

(16)

式中，umv為標(biāo)準(zhǔn)狀況下1 mol煤層氣所具有的體積，m3。

煤層氣游離部分壓力值由p1緩慢、平穩(wěn)降至p2時(shí)，飽和吸附煤巖解吸部分膨脹對(duì)外做功能力，可通過(guò)對(duì)式(16)定積分算?。?/p>

(17)

式中，wfp為其在壓差作用下，因體積發(fā)生變化(膨脹)而產(chǎn)生能量，kJ；Efp為飽和吸附噸煤所吸附煤層氣在溫度恒定，吸附質(zhì)游離部分壓力p1狀態(tài)下，相對(duì)吸附質(zhì)游離部分壓力p2狀態(tài)所具有膨脹能，kJ/t。

在穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過(guò)程中，控制體內(nèi)游離部分煤層氣能量方程[44]為

wfp=we+wi+wh

(18)

式中，we為其動(dòng)能與位能之和的變化，kJ；wi為維持其正常流動(dòng)所需消耗能量，kJ；wh為控制體與外界傳遞交換能量，kJ。

3 開(kāi)發(fā)過(guò)程中煤儲(chǔ)層能量變化

現(xiàn)階段煤層氣地面開(kāi)發(fā)，主要利用人工井眼抽排煤層水，通過(guò)降低煤儲(chǔ)層內(nèi)流體壓力方式，將吸附質(zhì)游離部分絕對(duì)壓力降至臨界解吸壓力以下，誘使吸附質(zhì)吸附部分解吸和產(chǎn)出[45-46]。煤層水的流動(dòng)和產(chǎn)出，將煤儲(chǔ)層內(nèi)各相態(tài)物質(zhì)間能量平衡打破，承載于不同相態(tài)物質(zhì)中不同類(lèi)型能量開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)換，并同時(shí)伴隨物質(zhì)狀態(tài)改變(圖5)。將煤層氣開(kāi)發(fā)全過(guò)程按煤層氣狀態(tài)變化分為：吸附部分未明顯解吸階段、吸附部分顯著解吸階段。

圖5 煤儲(chǔ)層中各相態(tài)物質(zhì)與狀態(tài)Fig.5 Different phases of matter and states in coal bed

在煤層氣吸附部分未發(fā)生明顯解吸階段，煤儲(chǔ)層流體流動(dòng)通道內(nèi)主要發(fā)生煤層水流動(dòng)。不考慮煤層水流動(dòng)過(guò)程中高程變化，由式(11)可知，煤層水蘊(yùn)涵壓強(qiáng)能發(fā)生轉(zhuǎn)化，部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能加速其自身流動(dòng)，部分為維持其繼續(xù)流動(dòng)而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰?。由?9)可知，不可壓縮煤層水在等溫條件下，壓強(qiáng)能減少對(duì)外表現(xiàn)為流體壓強(qiáng)下降。流動(dòng)通道兩側(cè)煤巖因煤層水流體壓強(qiáng)下降，發(fā)生膨脹對(duì)外做功釋放彈性勢(shì)能。對(duì)正發(fā)生流動(dòng)煤層水而言，部分被釋放煤巖彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋭?dòng)能；對(duì)游離部分煤層氣而言，部分被釋放煤巖彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)為其膨脹能。通道兩側(cè)煤巖膨脹后體積增大，導(dǎo)致流動(dòng)通道開(kāi)度減小，流體流動(dòng)過(guò)程中能量損失增加，對(duì)煤層水壓強(qiáng)能釋放不利。游離部分煤層氣膨脹能的增加，會(huì)促使更多氣相進(jìn)入流體流動(dòng)通道內(nèi)，但此時(shí)因吸附部分煤層氣尚未明顯解吸，通道內(nèi)氣相以氣泡形式隨煤層水流動(dòng)。氣泡體積隨煤層水流體壓力減少而增大(圖6)。游離部分煤層氣以體積膨脹方式對(duì)煤層水做功，將其承載膨脹能部分轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩铀畡?dòng)能。

圖6 未明顯解吸階段煤儲(chǔ)層中各相態(tài)物質(zhì)變化Fig.6 Variation of three phrase matter in coalbed in the early stage of CBM development

進(jìn)入煤層氣吸附部分顯著解吸階段，吸附部分煤層氣發(fā)生解吸對(duì)游離部分煤層氣膨脹能予以補(bǔ)充，作為游離部分煤層氣流動(dòng)產(chǎn)出動(dòng)力源。由式(18)可知，游離部分煤層氣膨脹能一部分轉(zhuǎn)化為其自身動(dòng)能和位能，一部分為維持其繼續(xù)流動(dòng)而消耗，最后一部分通過(guò)體積膨脹方式對(duì)煤層水做功轉(zhuǎn)變?yōu)槊簩铀畡?dòng)能。煤層氣膨脹能的消耗主要受煤層水壓強(qiáng)能下降左右，變?yōu)橹饕茏陨砼蛎浟鲃?dòng)和煤層水壓強(qiáng)能下降共同控制。煤巖彈性勢(shì)能的釋放和轉(zhuǎn)化，以及對(duì)整個(gè)煤儲(chǔ)層的影響與上一個(gè)階段無(wú)異。但因游離部分煤層氣不斷膨脹侵占流動(dòng)通道空間，以及煤巖持續(xù)膨脹引發(fā)流動(dòng)通道開(kāi)度持續(xù)縮減，對(duì)煤層水壓強(qiáng)能的轉(zhuǎn)化而言，較上一個(gè)階段更為不利(圖7)。

圖7 顯著解吸階段煤儲(chǔ)層中各相態(tài)物質(zhì)變化Fig.7 Variation of three phrase matter in coalbed in the stage of CBM desorption

4 煤儲(chǔ)層能量對(duì)產(chǎn)出特征影響分析

4.1 局部?jī)?chǔ)層條件與井組產(chǎn)出特征

參數(shù)井ZS19井、ZS80井、ZS27井和ZS31井，各自所處微構(gòu)造單元內(nèi)3號(hào)煤儲(chǔ)層特征，見(jiàn)表1。對(duì)應(yīng)參數(shù)井煤層段取芯及含氣量與吸附特性，如圖8、表2所示；為獲不同分析數(shù)據(jù)，所選相應(yīng)測(cè)試煤巖樣品數(shù)不少于3組。各井組所包含生產(chǎn)井井?dāng)?shù)分別為13，16，10，16口，生產(chǎn)井距中心參數(shù)井最大距離不超過(guò)1 km。所有統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)井皆為穩(wěn)定生產(chǎn)7 a以上9 a以下直井壓裂井。

表1 3號(hào)煤儲(chǔ)層局部?jī)?chǔ)層特征

圖8 各參數(shù)井3號(hào)煤儲(chǔ)層取芯Fig.8 Core samples of number 3 coal bed for corresponding parameter wells

表2 煤巖心含氣量與吸附特性

參數(shù)井取心煤巖類(lèi)型分為光亮煤-半亮煤型、半亮煤-半暗煤型；除ZS31井煤巖心結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)外，其余3井都為原生結(jié)構(gòu)。ZS19井和ZS31井煤巖心臨界解吸壓力及含氣量都低于另外2井，后者更是顯著偏低。ZS80井和ZS27井所處位置煤儲(chǔ)層埋深最大，其次ZS31井，ZS19井最淺。ZS80井煤巖心彈性模量最大，ZS80井最低，剩余兩井相近。儲(chǔ)層流體壓力值最大為ZS27井，其他3井?dāng)?shù)值接近，相互之間差值未超0.5 MPa(圖8，表1，2)。

采用箱形統(tǒng)計(jì)圖辦法對(duì)各井組內(nèi)生產(chǎn)井累計(jì)產(chǎn)水量和累計(jì)產(chǎn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集的上四分位數(shù)、下四分位數(shù)和中位數(shù)，計(jì)算數(shù)據(jù)集的上極限值、下極限值和平均數(shù)，以此繪制相應(yīng)統(tǒng)計(jì)圖件。統(tǒng)計(jì)圖件可直觀(guān)明確數(shù)據(jù)集中心位置、分布區(qū)間和離散程度。各個(gè)井組產(chǎn)出特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖9所示。

圖9 井組累計(jì)產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistical diagram of cumulative water production and gas production of well group

其中ZS80井組產(chǎn)氣能力最強(qiáng)，其次ZS19井組，ZS27井組次之，ZS31井組最弱；就產(chǎn)水能力而言，ZS27井組和ZS31井組相當(dāng)，ZS19井組次之，ZS80井組最弱。

4.2 煤基質(zhì)“變形效應(yīng)”對(duì)產(chǎn)出影響分析

煤巖作為一種彈性體，在受外力作用且未發(fā)生塑性或破裂變形之前，存在彈性變形階段；其內(nèi)部孔-裂隙的張開(kāi)程度，受吸附質(zhì)游離部分壓力的影響會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而左右整體導(dǎo)流能力[47-49]。同時(shí)，受煤巖中孔-裂隙等效直徑(d)和氣體分子的平均自由程(λ)控制，氣體分子在通道中的運(yùn)移方式和傳質(zhì)效率存在多樣性；氣體分子的平均自由程度是壓力和溫度的函數(shù)[50-52]。

于目標(biāo)區(qū)內(nèi)選取5塊煤樣，分別用去離子水、氦氣、甲烷測(cè)試各煤樣在有效應(yīng)力恒定(1.5 MPa)，室溫(21 ℃)，不同測(cè)試壓差(0.3,0.5,0.7,0.9,1.1,1.3,1.5,2,3,5,6,7,8 MPa)條件下導(dǎo)流能力。在彈性變形階段，煤巖基質(zhì)吸附膨脹和解吸收縮互為可逆過(guò)程。去離子水與煤巖相互作用微弱，以該測(cè)定結(jié)果作為平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基準(zhǔn)；煤巖對(duì)氦氣無(wú)吸附性，對(duì)比氦氣與甲烷測(cè)定結(jié)果，可分析吸附作用對(duì)煤樣導(dǎo)流能力影響。在測(cè)試煤樣的流動(dòng)通道中，去離子水主要以達(dá)西滲流方式發(fā)生運(yùn)移，而氣體分子不僅存在達(dá)西滲流，還存在滑脫效應(yīng)，更有多種擴(kuò)散方式，如：菲克擴(kuò)散、克努森擴(kuò)散、表面擴(kuò)散等[53-54]。

煤柱樣(長(zhǎng)50 mm、直徑25 mm)測(cè)試前，用待測(cè)流體驅(qū)替煤樣中其他介質(zhì)，驅(qū)替時(shí)間1 h；開(kāi)始測(cè)試后，監(jiān)測(cè)出口端壓力波動(dòng)，當(dāng)壓力波動(dòng)的幅度小于1%時(shí)，判定為平衡，在平衡3 h之后，記錄測(cè)試滲透率值(圖10)。去離子水因與煤巖之間相互作用微弱，故所測(cè)滲透率值近似等于煤樣固有滲透率值。自0.3～8 MPa全過(guò)程，所測(cè)去離子水滲透率值未發(fā)生變化，表明在該壓力區(qū)間內(nèi)煤巖內(nèi)微觀(guān)孔-裂隙結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生可被識(shí)別的變化，區(qū)內(nèi)煤巖力學(xué)性質(zhì)可抵御8 MPa以下流體壓力影響。氦氣分子直徑小于甲烷分子，且?guī)缀醪皇苊簬r吸附影響，氦氣所測(cè)滲透率值皆大于甲烷所測(cè)滲透率值；但兩者所測(cè)滲透率值隨測(cè)試壓差變化的趨勢(shì)近乎一致，而且所測(cè)甲烷滲透率值變化并未因壓力增大，吸附量增加，在整體趨勢(shì)上未出現(xiàn)突變或驟然衰減。說(shuō)明區(qū)內(nèi)煤樣的基質(zhì)吸附膨脹對(duì)其內(nèi)部通道導(dǎo)流能力的影響非常輕微。氦氣與甲烷所測(cè)滲透率值都隨測(cè)試壓差增大逐漸衰減，并向去離子水所測(cè)滲透率值收斂。在測(cè)試壓差增大的同時(shí)，氣體體積分?jǐn)?shù)以及密度也在增大，一方面氣體平均壓力的增大會(huì)抑制氣體滑脫效應(yīng)，使氣測(cè)滲透率不斷接近煤巖樣固有滲透率值；另一方面氣體體積分?jǐn)?shù)和密度的增大會(huì)提高氣體擴(kuò)散效率，使氣體擴(kuò)散對(duì)氣測(cè)滲透率貢獻(xiàn)顯著，導(dǎo)致氣測(cè)滲透率值略大于煤樣固有滲透率值。

圖10 煤樣滲透率隨測(cè)試壓差變化關(guān)系 Fig10 Variation of permeability of coal with the test pressure change

綜合分析，認(rèn)為目標(biāo)區(qū)內(nèi)煤巖基質(zhì)吸附膨脹或解吸收縮對(duì)其內(nèi)部孔-裂隙導(dǎo)流能力影響不顯著，而流體運(yùn)移方式以及傳質(zhì)效率才是影響其內(nèi)部流體運(yùn)移產(chǎn)出的關(guān)鍵。

4.3 煤儲(chǔ)層能量對(duì)產(chǎn)出特征影響

由式(1)，(9)，(17)分別計(jì)算煤儲(chǔ)層中不同相態(tài)物質(zhì)所包含能量：?jiǎn)挝惑w積煤巖彈性變形勢(shì)能，單位質(zhì)量煤層水壓強(qiáng)能，噸煤吸附煤層氣恒溫條件下膨脹能。通過(guò)式(6)計(jì)算裂縫開(kāi)度最大縮減量。在各井組所處微構(gòu)造單元內(nèi)，區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層局部位置能量特征，如表3、圖11所示。

表3 3號(hào)煤儲(chǔ)層局部能量特征

圖11 各井組間局部煤儲(chǔ)層能量對(duì)比Fig.11 Comparison of coal reservoir energy among different well groups

在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，煤層水壓強(qiáng)能的釋放，是打破煤儲(chǔ)層中各相態(tài)物質(zhì)間能量平衡，誘使不同類(lèi)型能量轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)狀態(tài)改變的核心。所有變化的最終目標(biāo)是為達(dá)成吸附煤層氣膨脹能釋放，使其解吸、擴(kuò)張、產(chǎn)出。

對(duì)比ZS19井組和ZS31井組，前者除吸附煤層氣膨脹能遠(yuǎn)大于后者外，其他類(lèi)型能量與裂縫開(kāi)度最大縮減量相差不大。前者累計(jì)產(chǎn)水量上極限值低于后者平均數(shù)，上四分位數(shù)更是不及后者中位數(shù)。但前者累計(jì)產(chǎn)氣量下四分位數(shù)卻超過(guò)后者上四分位數(shù)與平均數(shù)。表明吸附煤層氣發(fā)生解吸、擴(kuò)張，釋放膨脹能，會(huì)抑制煤層水產(chǎn)出，阻礙煤層水壓強(qiáng)能進(jìn)一步釋放。

對(duì)比ZS19井組和ZS27井組，前者除煤巖彈性變形勢(shì)能與后者相近外，其他類(lèi)型能量與裂縫開(kāi)度最大縮減量都小于后者，尤其是吸附煤層氣膨脹能與后者相差較大。但后者累計(jì)產(chǎn)氣上極限值卻僅達(dá)前者下四分位數(shù)；后者累計(jì)產(chǎn)水下極限值卻接近前者中位數(shù)，中位數(shù)與平均數(shù)更是超過(guò)前者上極限值。顯然，ZS27井組煤層水壓強(qiáng)能的釋放，并未帶來(lái)吸附煤層氣膨脹能的釋放?；诿簝?chǔ)層中孔-裂隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三分認(rèn)識(shí)，既賦存孔隙、橋接孔-裂隙、滲流裂隙3部分[34]。判斷認(rèn)為，ZS27井組受裂縫開(kāi)度縮減影響，賦存孔隙、橋接孔-裂隙和滲流裂隙三者間聯(lián)系受阻，煤層水壓強(qiáng)能釋放不再聯(lián)動(dòng)吸附煤層氣膨脹能，后者能量和物質(zhì)狀態(tài)不再隨前者變化而改變。

對(duì)比ZS19井組和ZS80井組，2者煤層水壓強(qiáng)能相近，后者煤巖彈性變形勢(shì)能和裂縫開(kāi)度最大縮減量小于前者。后者吸附煤層氣膨脹能雖大于前者，但小于ZS27井組吸附煤層氣膨脹能。后者累計(jì)產(chǎn)氣量中位數(shù)和平均數(shù)與前者上四分位數(shù)相近，下極限值大于前者中位數(shù)并接近其平均數(shù)。后者累計(jì)產(chǎn)水上極限值與前者中位數(shù)接近，上四分?jǐn)?shù)僅略大于后者下四分位數(shù)。在煤巖膨脹和裂縫開(kāi)度縮減對(duì)煤儲(chǔ)層中孔-裂隙系統(tǒng)影響不大時(shí)，吸附煤層氣膨脹能越大，越利于煤層氣產(chǎn)出。

煤層水壓強(qiáng)能越大，煤儲(chǔ)層產(chǎn)水潛力越強(qiáng)。但后續(xù)吸附煤層氣膨脹能的釋放對(duì)煤層水壓強(qiáng)能的進(jìn)一步釋放抑制作用明顯。因煤巖彈性變形勢(shì)能釋放而引發(fā)裂縫開(kāi)度縮減，會(huì)阻斷煤層水壓強(qiáng)能與吸附煤層氣膨脹能間的聯(lián)動(dòng)。當(dāng)孔-裂隙系統(tǒng)受煤巖彈性變形勢(shì)能釋放影響不大時(shí)，吸附煤層氣膨脹能越大，越利于煤層氣產(chǎn)出。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)煤儲(chǔ)層中煤巖基塊具有彈性勢(shì)能，煤層水具有重力勢(shì)能、動(dòng)能和壓強(qiáng)能，吸附煤層氣具有膨脹能。煤巖基塊彈性勢(shì)能和煤儲(chǔ)層中裂縫開(kāi)度變化主要受煤巖彈性模量、泊松比以及所處位置地應(yīng)力狀態(tài)影響。吸附煤層氣膨脹能主要受臨界解吸壓力、煤儲(chǔ)層溫度、煤巖蘭氏體積和蘭氏壓力影響。

(2)煤巖通過(guò)膨脹方式對(duì)外做功釋放彈性勢(shì)能，其中一部分轉(zhuǎn)化為煤層水動(dòng)能，另一部分轉(zhuǎn)化為游離煤層氣膨脹能。吸附煤層氣通過(guò)解吸、擴(kuò)張釋放膨脹能。吸附煤層氣作為煤層氣產(chǎn)出動(dòng)力源，其蘊(yùn)涵能量主要轉(zhuǎn)化為游離煤層氣膨脹能，以維持游離煤層氣的連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出。

(3)煤層水壓強(qiáng)能越大，煤儲(chǔ)層產(chǎn)水潛力越強(qiáng)。吸附煤層氣膨脹能越大，越利于煤層氣產(chǎn)出。吸附煤層氣膨脹能的釋放，會(huì)明顯抑制煤層水壓強(qiáng)能的進(jìn)一步釋放。煤儲(chǔ)層中裂縫開(kāi)度縮減伴隨煤巖彈性變形勢(shì)能釋放而發(fā)生；裂縫開(kāi)度縮減會(huì)阻礙煤層水壓強(qiáng)能與吸附煤層氣膨脹能間的聯(lián)動(dòng)，致使后者能量和物質(zhì)狀態(tài)不再隨前者變化而改變。

(4)鄭莊區(qū)內(nèi)高階煤巖的基質(zhì)吸附膨脹以及解吸收縮對(duì)其內(nèi)部孔-裂隙導(dǎo)流能力影響不明顯，而流體運(yùn)移方式和傳質(zhì)效率的變化對(duì)煤儲(chǔ)層內(nèi)流體產(chǎn)出影響顯著。

(5)鄭莊區(qū)塊局部小范圍內(nèi)不同位置煤儲(chǔ)層所承載各類(lèi)能量存在差異。能量差異對(duì)煤層氣井產(chǎn)出特征有顯著影響。煤儲(chǔ)層能量是決定煤層氣開(kāi)發(fā)效果關(guān)鍵因素。在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮煤儲(chǔ)層能量對(duì)煤層氣產(chǎn)出影響。