煤层气成分以甲烷为主，属于非常规天然气，常以吸附状态赋存于煤岩基质中^[1-3]。煤岩基质孔隙中饱和了地层水，水中溶解了少量甲烷，基质中的吸附甲烷与溶解甲烷处于平衡状态，煤层气的吸附为液相吸附^[4-6]。基质孔隙中的地层水往往没有被甲烷完全饱和，煤层气吸附也不是饱和吸附，煤层气的吸附饱和程度与地层水溶解的甲烷浓度相关，可以通过测量地层水中的甲烷浓度来确定煤层气的吸附饱和程度^[4]。

开采煤层气首先需要排水降压^[7-8]，让吸附气解吸，当解吸气泡聚集成连续的气相后才会流动到井底，从而被开采出来。煤层气井一般都有一段无气产水期 (排水期)，待地层压力下降到一定程度之后才开始产气。煤层气井的产气量不是逐渐而是突然增加的，即产气量从0突然升高至一定水平，然后再继续平稳生产或递减生产。这与常规油气井的产水特征有很大不同，油气井的含水率通常是逐渐上升的。煤层气井的这一产气特征，与煤矿开采过程中的瓦斯突出一样具有普遍性，必然有其内在原因，但人们迄今尚不清楚该现象的产生机理。

煤层气的开采过程十分复杂^[9]，开采机理包括多个物理过程。煤层气井的生产特征是煤层气开采机理的综合反映。本次研究从分析煤储层结构及煤层气的解吸渗流过程出发，试图对煤层气井突然产气的机理给出较为科学的解释。

煤岩被割理 (裂缝) 切割成许多基质岩块，由割理和基质岩块2个系统组成，微观上为双重介质 (图 1)，煤岩割理中充满了地层水。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 煤岩割理与基质岩块 Fig. 1 Cleats and matrix blocks of coal rocks

基质岩块放大后的内部结构如图 2所示。大量的有机质和少量的矿物质 (灰分) 构成了基质岩块的骨架颗粒，粒间孔隙充满了地层水，水中溶解了少量的甲烷分子，有机质颗粒表面吸附了大量甲烷分子，吸附甲烷与水中溶解甲烷处于平衡状态。因为矿物质颗粒表面的极性较强，因而只能吸附极性较强的水分子，不能吸附极性较弱的甲烷分子。吸附甲烷是煤层气的主要组成部分，也是主要的开采对象。溶解甲烷数量极少，无开采价值。煤层气主要以吸附形式赋存于基质岩块中。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 煤岩基质微观视图 Fig. 2 Microview of coal matrix

煤岩由割理和基质岩块2个系统组成，割理系统的孔隙度较小，渗流能力较强，是主要的渗流通道；基质岩块系统的渗流能力较弱，孔隙度较高，是主要的储集空间^[10]。从煤岩地层开采流体，实际上是从割理开采流体，然后再由基质向割理补充流体。基质岩块与煤层气井没有直接连通，其中的流体不能直接流至井底，需通过割理才能流至井底 (图 3)。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 割理-基质双重介质 Fig. 3 Dual media of cleat-matrix

煤岩为双重介质，因而有2个压力系统，包括割理压力p_f和基质孔隙压力p_m。这2个压力系统在原始条件下处于平衡状态，皆为原始地层压力p_i。煤层气井投产后，由于割理中的水被率先采出，因此割理压力下降较早，且较快 (图 4)。割理压力下降后，割理与基质之间便产生了压力差，基质孔隙中的水在压力差的驱动下开始向割理流动，水流出后，基质孔隙压力开始下降，当基质孔隙压力低于水的饱和压力之后，溶解气开始从水中脱出，煤岩中的吸附气也开始解吸。煤层气的解吸压力，实际上就是地层水的饱和压力或泡点压力。刚刚解吸出来的少量甲烷气体，只能以气泡的形式分散在水中，由于气体的饱和程度较低，没有形成连续相，因此还不能流动 (图 5)。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 割理-基质双重介质的压力分布 Fig. 4 Pressure distribution in cleat-matrix media

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 基质中解吸出的气泡 Fig. 5 Bubbles desorbed in matrix

一旦基质孔隙中的水相压力高于割理中的水相压力，即p_m > p_f时，便能促使基质孔隙中的流体不断向割理流动；而当基质孔隙中的气相压力刚刚高于水相压力时，即p_g略大于p_m时，气体却不能流动，因为高出的压力差正好被毛管压力所抵消 (图 6)。基质孔隙中的毛管压力计算公式^[11]为

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 基质孔隙中的毛管压力 Fig. 6 Capillary pressure in matrix pores

式中：p_c为毛管压力，MPa；p_g为气相压力，MPa；p_m为基质孔隙中的水相压力，MPa；σ为气水界面张力，N/m；θ为润湿角，(°)；r为孔隙半径，μm。

由式 (1) 可以看出，孔隙越小，毛管压力越大。煤岩的基质孔隙一般都较小^[12]，甚至达到了纳米级别。假设气水界面张力为0.05 N/m，润湿角为0°，当煤基质孔隙半径为1 000 nm时，毛管压力为0.1 MPa，当煤基质孔隙半径为100 nm时，毛管压力为1.0 MPa，而当煤基质孔隙半径为10 nm时，毛管压力高达10 MPa。对于埋藏浅压力低的煤岩储层来说，这么高的毛管压力是不能被忽略的。

当煤基质只解吸出少量甲烷气体时，气泡无法克服毛管压力，因而无法流动；继续排水降压，煤岩基质将解吸出更多的甲烷气体。当这些气体从吸附态转变成自由态时，体积增大，气相压力增高，气泡聚集成连续相，自由气的饱和程度增加，气体的流动能力增强 (图 7)。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 基质中解吸出的连续气相 Fig. 7 Continuous gas phase desorbed in matrix

毛管压力是解吸自由气从基质孔隙向割理流动的障碍和壁垒，也是一个门槛压力，只有冲破这个壁垒，即基质孔隙中的气相压力[严格来说是基质孔隙中的气水相压力差 (p_g-p_m)]超过门槛压力 (毛管压力p_c) 之后，解吸气才能流动到割理中，并最终流至井底被开采出来。

当基质解吸出的气量足够多、压力足够大时，即可突破毛管压力的限制。一旦门槛被冲破，气体就会在巨大的压差 (p_g-p_f) 驱动下从基质孔隙倾泻到割理中。气体从基质孔隙流到割理时，所受压力突然从较高的p_g下降到较低的p_f，其体积快速膨胀，增加了流动的动力。由于气体的黏度较低，加上割理的渗透率较高，气体流动的速度就会加快。因此，煤层气井见气时的产量就会突然升高。

煤层气井见气时产量突然升高的现象，是由基质毛管压力对气体流动的阻碍所致，这也是造成煤层气的解吸压力高于产气压力的原因。若没有毛管压力的阻碍作用，则解吸压力与产气压力会基本相等，煤层气井的产气量也会逐渐升高。毛管压力使得解吸气在基质孔隙中不断聚积和憋压，一旦毛管压力这个门槛被突破，气相压力便会突然得到释放，产气量也就快速爆发出来 (气爆效应)。

采煤过程中的瓦斯突出，与煤层气开采过程中的产气量突然升高具有相同机理。

煤层气井在生产时普遍具有突然产气的现象，以下是鄂尔多斯盆地2口煤层气井的生产实例。

(1) 鄂尔多斯盆地CB102井从800 m深的煤层中开采煤层气，煤层厚度为9.6 m，投产初期一直处于排水状态，排水生产200 d左右时突然见气，且产气量突然升高至1 000~1 200 m³/d，稳定生产一段时间之后才出现产量递减 (图 8)。

图 8

Fig. 8

下载eps/tif图 图 8 CB102井排采曲线 Fig. 8 Production curves of CB102 well

(2) 鄂尔多斯盆地CB307井从650 m深的煤层中开采煤层气，煤层厚度为3.5 m，投产初期一直处于排水状态，排水生产100 d左右时突然见气，且产气量突然升高至1 400~1 600 m³/d，稳定生产一段时间之后才出现产量递减 (图 9)。

图 9

Fig. 9

下载eps/tif图 图 9 CB307井排采曲线 Fig. 9 Production curves of CB307 well

CB102井和CB307井的生产特征十分相似，产气量突然升高的同时，产水量也同步上升，这是煤岩地层能量充足的表现，从煤岩基质中解吸气体时释放出的大量能量成为煤层气开采的动力来源。开采一段时间之后，地层能量衰竭，产气量和产水量也随之出现递减。

由于产气量的突然升高可能会给煤层气井的生产带来一定的负面影响，也可能对煤层造成一定的破坏作用，因此，生产中需要采取一定的节流措施来控制气产量的突然变化。

(1) 煤岩地层微观上为割理和基质2个系统组成的双重介质。煤层气赋存在基质系统中，必须通过割理才能流到井底从而被开采出来。

(2) 煤层气为吸附气，需要排水降压解吸成自由气之后才能被开采出来。当基质系统的解吸气量较少时，会以气泡的形式分散在水中，气泡受到基质毛管压力的限制而无法流动；当基质系统的解吸气量增多，气泡变成连续相，气体压力升高并且突破毛管压力后，气体才能流动到割理中。

(3) 煤基质的孔隙较小，毛管压力较高，因此，限制的解吸气量较多。毛管压力一旦被突破，产气量即会突然升高。