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煤巖氣層損害機(jī)理與評(píng)價(jià)方法

文檔作者：游利軍1 林子嵐1 江安2 康毅力1 崔凱瀟1 文檔來源： 1. 西南石油大學(xué) 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月27日
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第34 卷 第4 期
2017 年7 月
Vol. 34 No. 4
July 2017
鉆 井 液 與 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.001
煤巖氣層損害機(jī)理與評(píng)價(jià)方法
游利軍1， 林子嵐1， 江安2， 康毅力1， 崔凱瀟1
（1. 西南石油大學(xué)·油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500 ；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）
游利軍，林子嵐，江安，等. 煤巖氣層損害機(jī)理與評(píng)價(jià)方法[J]. 鉆井液與完井液，2017，34（4）：1-8.
YOU Lijun, LIN Zilan, JIANG An, et al. Mechanisms and evaluation of coal gas bed damage[J].Drilling Fluid &amp;amp; Completion
Fluid，2017，34（4）：1-8.
摘要 目前國(guó)內(nèi)外煤巖氣層損害評(píng)價(jià)尚缺少統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)。基于煤巖氣層特點(diǎn)，分析了煤巖氣層損害類型與
機(jī)理，歸納了國(guó)內(nèi)外分別從煤巖氣層解吸性能、擴(kuò)散性能和滲流性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的單一環(huán)節(jié)損害評(píng)價(jià)方法，分析各評(píng)價(jià)方法
的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用條件。應(yīng)力敏感、固相侵入與堵塞、聚合物吸附滯留、堿敏、煤粉運(yùn)移堵塞是煤巖氣層主要損害類型；
煤巖氣層損害既影響煤層排水，也影響煤層氣產(chǎn)出，而煤層排水能力也影響煤層氣產(chǎn)出；煤層氣單一傳質(zhì)過程儲(chǔ)層損害評(píng)
價(jià)不全面，亟待建立單一傳質(zhì)過程結(jié)合多尺度傳質(zhì)過程的煤巖儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)方法，但滲透能力評(píng)價(jià)仍然是關(guān)鍵，同時(shí)要考
慮具有吸附氣條件下水相滲流能力的損害評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞 煤層氣；煤巖；儲(chǔ)層損害；機(jī)理；吸附；多尺度；綜述
中圖分類號(hào)：TE258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5620（2017）04-0001-08
Mechanisms and Evaluation of Coal Gas Bed Damage
YOU Lijun1, LIN Zilan1, JIANG An2, KANG Yili1, CUI Kaixiao1
(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu,
Sichuan 610500;2. CNOOC EnerTech-Drilling &amp;amp; Production Co.Tianjin 300452)
Abstract Coalbed methane (CBM) has great reserves in the world, and thus has great development potential. Unlike the production
of conventional oil and gas, there still have no methods and performance parameters for evaluating damages caused to CBM-bearing
formations. In this paper, based on the characteristics of coalbed gas formations, the types and mechanisms of formation damages
are analyzed, and single-parameter evaluation methods presently used worldwide are summarized. These methods have been used
to evaluate the damages caused to coalbeds with a single parameter, such as the desorptivity, diffusivity and filtration performance,
respectively. The advantages and disadvantages, and the applicability of each method are also analyzed. The main damages to coalbed
include stress-induced damage, solids invasion into and block of fractures in coalbed, retention of adsorbed polymer molecules,
alkalinity-induced damage, and damage caused by migration and block of coal powders etc. Formation damage to coalbed not only
affects water drainage, it also affects gas production, and the water draining ability of coalbed also affects gas production. Coalbed
damage evaluation with measuring of single-process mass transfer is not an all-round method, and a method combining single-process
mass transfer and the multiple-process mass transfer is urgently needed. Nonetheless, the evaluation of the coalbed permeability is the
key to a method. Damage to the flow of water in coalbed with gas adsorption is another factor that should be considered in designing
the evaluation method.
Key words Coalbed methane; Coal; Formation damage; Mechanism; Adsorption; Multi-scale; Review
中國(guó)煤層氣資源豐富，位居世界第3 位，與陸
上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)[1]。2015 年中國(guó)煤層氣
年產(chǎn)量近44×108 m3。作為一種清潔能源，煤層氣
的有效勘探與開發(fā)具有重要意義[2]，不僅能夠彌補(bǔ)
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目（51674209）和非常規(guī)油氣層保護(hù)四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2016TD0016）。
第一作者簡(jiǎn)介：游利軍，教授、博士生導(dǎo)師，1976 年生，主要從事儲(chǔ)層保護(hù)、非常規(guī)油氣、巖石物理教學(xué)和科研工作。
電話（ 028）83032118 ；E-mail：youlj0379@126.com。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
天然氣資源短缺的不足，還能降低煤礦開采過程中
瓦斯災(zāi)害，成為中國(guó)能源發(fā)展的現(xiàn)實(shí)選擇。煤層氣
是一種由煤層生成并主要以吸附態(tài)儲(chǔ)集于煤層中的
非常規(guī)天然氣，在煤礦中俗稱為瓦斯，主要成分為
甲烷。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，煤巖儲(chǔ)層具有吸附性強(qiáng)、
滲透性差、彈性模量小、泊松比大、平均內(nèi)聚力小、
煤巖本身物性易破碎、易坍塌等特征[3]，且煤巖氣
藏均不同程度地含水，煤層氣主要通過排水降壓開
采，水對(duì)煤層氣的賦存和運(yùn)移都有明顯的控制作用。
因此，相比常規(guī)儲(chǔ)層，工程作業(yè)中工作液密度大、
固相含量高、聚合物不能有效地降解、流體不配伍
等都會(huì)造成儲(chǔ)層損害，影響后期煤層氣的采收率[4]。
以往儲(chǔ)層損害機(jī)理多針對(duì)砂巖、碳酸鹽巖，而對(duì)富
含有機(jī)質(zhì)煤巖研究較少，對(duì)煤巖氣層損害評(píng)價(jià)更缺
少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞
煤層氣產(chǎn)出機(jī)理，煤巖氣層損害類型、損害機(jī)理
等進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)損害可能發(fā)生在煤層氣
開發(fā)全過程。針對(duì)煤層氣產(chǎn)出的各個(gè)環(huán)節(jié)，不同
學(xué)者分別基于解吸性能、擴(kuò)散性能、滲流性能研
究了其損害評(píng)價(jià)方法。
1 煤巖氣層損害機(jī)理
煤巖在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上與常規(guī)油氣層巖石具有顯著
不同，導(dǎo)致煤巖儲(chǔ)層損害具有特殊性。煤巖儲(chǔ)層作
為有機(jī)巖儲(chǔ)層，工程作業(yè)中損害煤層的因素多樣，
損害機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面。
1）固相侵入或運(yùn)移堵塞裂隙。粒徑小于孔隙
直徑或裂縫寬度的固相顆粒，在正壓差作用下進(jìn)入
儲(chǔ)層堵塞孔隙和裂縫。煤巖裂縫發(fā)育， 具有平直的
特征， 是煤層甲烷滲流的通道，工作液固相易通過
裂縫侵入儲(chǔ)層深處，損害裂縫壁面，堵塞基塊孔隙
喉道，影響煤層氣的滲流和擴(kuò)散。
2）流體敏感性。當(dāng)外來流體的抑制性不足及
與煤層流體不配伍時(shí)，黏土礦物會(huì)水化膨脹、分散
及絮凝沉淀，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低；煤系地層的成
巖演化一般都會(huì)導(dǎo)致酸性成巖環(huán)境[5]，因此，堿液
進(jìn)入煤巖儲(chǔ)層后，改變煤層環(huán)境，可能與煤層流體
中的無機(jī)離子結(jié)合形成鹽垢，影響煤層氣滲流通道。
3）聚合物吸附滯留。煤巖儲(chǔ)層巖石有機(jī)質(zhì)含
量高，比表面積大，吸附性強(qiáng)。工作液中聚合物吸
附在煤巖表面，使甲烷氣體很難從內(nèi)部孔隙中解吸
出來，降低煤層氣的解吸、滲流能力。
4）應(yīng)力敏感性。煤巖塑性特征明顯，儲(chǔ)層應(yīng)
力敏感性強(qiáng)，煤巖孔喉的壓縮，使得裂縫閉合，降
低裂縫導(dǎo)流、擴(kuò)散能力。對(duì)于降壓開采煤層氣來說，
應(yīng)力敏感性值得重視，排采速率需要優(yōu)化。
5）煤粉運(yùn)移堵塞。根據(jù)“1/3”架橋理論，當(dāng)
顆粒直徑等于或略大于孔喉尺寸的1/3 時(shí)，顆粒容
易發(fā)生橋塞，阻礙流體在孔隙中的流動(dòng)。由于煤巖
孔隙度很低（1%～2%），工程作業(yè)中產(chǎn)生的煤粉
容易在井筒附近發(fā)生堵塞，影響煤層氣的擴(kuò)散、滲
流能力。
6）水相圈閉損害。雖然2 000 m 以淺煤層孔喉
細(xì)小，但是通常高含水，水相圈閉損害不是這類煤
層的主要問題。2 000 m 以深煤層，可能和致密砂
巖、頁(yè)巖氣層類似，也具有超低含水飽和度現(xiàn)象[6]。
由于煤巖氣層是氣源巖，大量生氣，氣體驅(qū)替和蒸
發(fā)作用，將降低水飽和度；煤巖是有機(jī)質(zhì)巖石，巖
石表面又吸附大量氣體，巖石表現(xiàn)為疏水性；煤巖
也曾經(jīng)歷高溫高壓環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境下，氣體很容
易將疏水孔隙表面的水相驅(qū)替或蒸發(fā)排出，因此
2 000 m 以深煤巖可能具有超低含水飽和度現(xiàn)象。
具有超低含水飽和度的煤巖氣井可能不產(chǎn)水或很少
產(chǎn)水，生產(chǎn)機(jī)理可能和目前排水降壓采氣機(jī)理不同。
具有超低含水飽和度的煤巖氣層毛管力作用強(qiáng)，工
作液易滯留在煤層，水相進(jìn)入煤巖儲(chǔ)層裂隙難以返
排，形成水相圈閉損害，造成供氣受阻，影響煤層
氣的滲流。
煤層裂隙通常處于水飽和狀態(tài)，必須先通過
排水降壓使基質(zhì)孔隙內(nèi)表面吸附的煤層氣體在低于
臨界解吸壓力時(shí)發(fā)生解吸，再由基質(zhì)孔隙擴(kuò)散到裂
隙中，最后從裂隙流向井筒，因此煤層氣產(chǎn)出一般
要經(jīng)過解吸- 擴(kuò)散- 滲流3 個(gè)環(huán)節(jié)。多年來，國(guó)內(nèi)
外學(xué)者通過不同實(shí)驗(yàn)研究了煤巖氣層的損害機(jī)理
[7-10]。工程作業(yè)過程中，工作液對(duì)基塊表面、孔喉、
裂隙和人工縫壁面的損害將影響甲烷的解吸速率、
擴(kuò)散速率和游離氣相的滲透率，而在解吸- 擴(kuò)散-
滲流的每一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的損害都將降低氣井產(chǎn)能，
妨礙氣藏開發(fā)。
2 煤巖氣層損害室內(nèi)評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀
2.1 煤層氣層解吸性能損害評(píng)價(jià)
煤巖低孔低滲，工作液的侵入會(huì)影響煤層氣
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第 34 卷 第 4 期 游利軍等：煤巖氣層損害機(jī)理與評(píng)價(jià)方法 3
解吸。解吸性能通過開展工作液接觸前后煤樣的
等溫吸附/ 解吸實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種方法常采用
等溫吸附曲線擬合得到的蘭氏體積VL、蘭氏壓力
PL，結(jié)合吸附/ 解吸量來評(píng)價(jià)吸附/ 解吸性能的損
害。解吸時(shí)，也采用恒壓法，即讓一定壓力下吸附
飽和的煤樣在恒定壓力容器中解吸，繪制累計(jì)解吸
量隨時(shí)間平方根的變化曲線。一般使用解吸量、解
吸率、解吸時(shí)間或解吸速率等指標(biāo)來評(píng)價(jià)吸附/ 解
吸性能。為模擬工作液侵入的損害，實(shí)驗(yàn)參考煤樣
應(yīng)使用地層水浸泡過的煤樣，但由于煤巖低孔低滲
的特性，解吸過程易受毛細(xì)管凝聚作用的影響，因
此，也可使用干煤樣作為參考。
Clarkson（1999） 等用BET、BJH、D-R 方程
進(jìn)行擬合低壓和高壓下干燥和濕潤(rùn)的粒徑為0.28～
0.45 mm 的煤粉等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干燥煤
樣吸附甲烷的蘭氏體積大于平衡水煤樣的蘭氏體
積，干燥煤樣的蘭氏壓力小于平衡水煤樣的蘭氏壓
力[11]。Krooss（2002）和Busch（2003）等研究了
干燥和平衡水狀態(tài)的直徑小于0.2 mm 的煤粉在不
同壓力下的吸附曲線[12-13]。陳尚斌（2009）以等溫
吸附實(shí)驗(yàn)的Langmuir 參數(shù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)比清潔
壓裂液作用前后的煤巖儲(chǔ)層可采系數(shù)來評(píng)價(jià)壓裂
液對(duì)煤巖吸附性能的影響[14]。Pan 等（2010）對(duì)比
了相同平衡壓力條件下含水柱狀煤樣的吸附/ 解吸
曲線，并用解吸量達(dá)到總解吸量80% 的時(shí)間來評(píng)
價(jià)含水量對(duì)解吸性能的影響[15]。賴曉晴等（2013）
結(jié)合煤巖氣層特點(diǎn)和鉆開儲(chǔ)層后鉆井液侵入方式，
建立了鉆井液對(duì)煤層氣解吸率損害的評(píng)價(jià)方法[16]。
李相臣等（2014）利用高溫高壓煤層氣吸附/ 解吸
測(cè)量系統(tǒng)（圖1）測(cè)量高溫高壓下流體作用后的飽
和吸附的煤粉的自然解吸，通過對(duì)比相同解吸時(shí)間
下的累計(jì)解吸量來評(píng)價(jià)流體作用對(duì)煤巖解吸性能的
影響[17]。
國(guó)內(nèi)外煤層氣吸附/ 解吸損害評(píng)價(jià)操作方法主
要有2 類：一是測(cè)試液體浸泡后的煤樣等溫吸附曲
線；二是在同一壓力下，在等溫吸附平衡的干巖樣
中注入不同液體，逐步降壓解吸，得到等溫解吸曲
線，進(jìn)而對(duì)煤巖儲(chǔ)層吸附性能進(jìn)行損害評(píng)價(jià)。
1） 不含吸附氣煤巖解吸能力損害評(píng)價(jià)。干燥
煤樣進(jìn)行吸附前對(duì)煤樣進(jìn)行損害是常用的吸附性能
損害實(shí)驗(yàn)方法之一。煤樣可以是煤粉或柱塞煤樣。
雖然柱塞煤樣可加圍壓，更能模擬實(shí)際吸附/ 解吸
1. 高壓氣瓶；2. 標(biāo)準(zhǔn)罐；3. 樣品罐；4. 解吸儀；5. 平流泵；
6. 量杯；7. 真空泵；8. 壓力傳感器；9. 溫度傳感器；10. 壓
力表；11～19. 高壓控制閥門；20. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；21. 恒溫
溫控系統(tǒng)
圖1 高溫高壓煤層氣吸附/ 解吸測(cè)量系統(tǒng)
情況，但與煤粉相比，吸附/ 解吸時(shí)間顯著增加，
且吸附/ 解吸受到氣體滲流能力的影響，因此，煤
巖吸附實(shí)驗(yàn)中多使用煤粉。實(shí)驗(yàn)中常制備干燥煤樣、
一定濕度的煤樣、地層水/ 工作液浸泡后的煤樣 。
實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法如下：恒溫條件下，測(cè)試與工作液接
觸后煤樣的等溫吸附曲線?；蛟谕粔毫ο拢c工
作液接觸后煤樣達(dá)到吸附平衡后的解吸量隨時(shí)間變
化曲線；此方法易于操作，但不能模擬工作液侵入
對(duì)煤巖氣層吸附/ 解吸性能的損害的真實(shí)情況 [17-18]。
2）氣體吸附平衡后煤巖吸附能力損害評(píng)價(jià)。
為了模擬工作液侵入對(duì)煤巖氣層吸附/ 解吸性能的
損害，將干煤樣在指定壓力下吸附平衡后，分別注
入一定量的純凈水（煤樣濕度對(duì)應(yīng)水量）、地層水、
工作液，測(cè)試這些煤樣解吸曲線[16，19-21]。
2.2 煤巖氣層擴(kuò)散性能損害評(píng)價(jià)
作為煤層吸附氣產(chǎn)出的第一階段和煤巖儲(chǔ)層
多尺度傳質(zhì)過程中速率最慢的一環(huán)，解吸- 擴(kuò)散速
率直接決定氣體最終采收率和產(chǎn)出速率[22]。擴(kuò)散
系數(shù)可以通過理論估算和實(shí)驗(yàn)測(cè)得，對(duì)于特定地區(qū)
特定煤巖的天然氣擴(kuò)散性能最好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。擴(kuò)
散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法主要采用直接測(cè)定法。直
接測(cè)定法根據(jù)兩端氣室是否封閉分為封閉式和開放
式[23-27]，間接法采用解吸法和壓力衰減法，表1 對(duì)
比了國(guó)內(nèi)外擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試方法。
工作液對(duì)煤層氣擴(kuò)散性能的影響評(píng)價(jià)通常采用
粉狀巖樣解吸法。對(duì)煤巖氣層擴(kuò)散過程的模擬，常
使用單孔模型，擴(kuò)散系數(shù)只有一個(gè)。李相臣等（2014）
讓煤粉在相同平衡壓力下吸附飽和后，抽真空降壓
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
4 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
解吸，利用排水法獲得煤樣的解吸曲線，再用單孔
擴(kuò)散模型擬合數(shù)據(jù)，求取煤樣的擴(kuò)散系數(shù)，通過對(duì)
比流體作用前后的擴(kuò)散系數(shù)來評(píng)價(jià)流體對(duì)擴(kuò)散性能
的影響[17]。也有研究者采用雙孔模型評(píng)價(jià)宏孔和
微孔的損害程度。Pan 等（2010）采用雙孔擴(kuò)散模
型對(duì)不同含水量柱狀煤樣的吸附/ 解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬
合，求取宏孔擴(kuò)散系數(shù)Da 和微孔擴(kuò)散系數(shù)Di，研
究發(fā)現(xiàn)Da、Di 均隨含水量增加而減小，但Da 受含
水量的影響更大。
表1 煤層吸附氣擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試方法對(duì)比
測(cè)試
方法
巖樣測(cè)試原理優(yōu)缺點(diǎn)
游離烴
濃度法
柱狀
測(cè)定實(shí)驗(yàn)前后樣品兩
端氣室中天然氣濃度
來求取擴(kuò)散系數(shù)
理論簡(jiǎn)單；設(shè)
備及操作要求
高；可施加圍
壓，能夠較好地
反映地層真實(shí)
情況；無法消
除吸附的影響
水溶烴
濃度法
測(cè)定實(shí)驗(yàn)前后樣品表
面孔隙水中天然氣濃
度來計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)
時(shí)滯法
測(cè)定實(shí)驗(yàn)前后樣品表
面巖石中天然氣濃度
來計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)
解吸法
粉狀
或柱
狀
用單孔或雙孔擴(kuò)散模型
擬合煤樣解吸數(shù)據(jù)，獲
得有效擴(kuò)散系數(shù)
可施加圍
壓；理論成
熟，應(yīng)用廣泛
壓力衰
減法
柱狀
模擬氣體產(chǎn)出的逆過程，
通過P~t 數(shù)據(jù)反映氣體在
巖樣中的多尺度傳質(zhì)過
程，并計(jì)算氣體在不同
擴(kuò)散階段下的擴(kuò)散系數(shù)
可施加圍壓；能
夠求取表面擴(kuò)
散和體積擴(kuò)散
2 種擴(kuò)散系數(shù)；
理論尚待完善
注：游離烴濃度法和水溶烴濃度法為封閉式，時(shí)滯法
為開放式。
2.3 煤巖氣層滲透率損害評(píng)價(jià)
煤層氣的產(chǎn)出經(jīng)歷“解吸- 擴(kuò)散- 滲流”的多
尺度傳質(zhì)過程，這3 個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，相互制約，
煤巖儲(chǔ)層滲流能力的削弱會(huì)抑制基質(zhì)中吸附態(tài)甲烷
的解吸以及游離氣相的擴(kuò)散，并最終影響煤層氣井
的單井產(chǎn)能。滲透率測(cè)試方法包括穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)
態(tài)法2 種，對(duì)于低滲巖樣多用非穩(wěn)態(tài)法。根據(jù)測(cè)
量所用介質(zhì)又可分為氣測(cè)滲透率法和液測(cè)滲透率
法[28-35]。氣體穩(wěn)態(tài)滲透率的測(cè)量基于達(dá)西定律，當(dāng)
出現(xiàn)氣體滑脫現(xiàn)象時(shí)，需要進(jìn)行滑脫校正。氣體非
穩(wěn)態(tài)滲透率的測(cè)量方法目前常用的有壓力脈沖法和
壓力衰減法。氣體穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)的壓力脈沖、壓
力衰減法[28] 的測(cè)試范圍和優(yōu)缺點(diǎn)見表2。
表2 煤巖氣層滲透率測(cè)試方法對(duì)比
測(cè)試
方法
測(cè)試范圍
mD
優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
穩(wěn)態(tài)法
0.1～
10 000
投資低，操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單
耗時(shí)，需氣
體滑脫校準(zhǔn)
壓力脈
沖法
0.000 01
～0.1
超低滲透率測(cè)試唯
一方法，無需流量
計(jì)，省時(shí)、精度高
需精密壓力傳感
器，對(duì)溫度要求
高，嚴(yán)格防泄漏
壓力衰
減法
0.001～
30 000
無需流量計(jì)，能
獲得K∞和Kg
需精密壓力傳感
器，對(duì)溫度要求
高，嚴(yán)格防泄漏
注：壓力脈沖法和壓力衰減法為非穩(wěn)態(tài)法。
煤層氣產(chǎn)出也受到煤層排水降壓情況影響，因
此煤巖氣層損害評(píng)價(jià)還要評(píng)價(jià)液體滲透率損害。目
前國(guó)內(nèi)外液體非穩(wěn)態(tài)法應(yīng)用最多的主要也是壓力脈
沖法[28] 和壓力振蕩法，液體滲透率測(cè)量方法對(duì)比
見表3。液體壓力脈沖法與氣體壓力脈沖法測(cè)試原
理類似，同樣在上游容器施加略高于下游容器的壓
力，監(jiān)測(cè)上下游容器壓力的變化，通過這一變化計(jì)
算滲透率。兩者的區(qū)別在于增加上游端壓力的方法
不同，氣體壓力脈沖采用氣源增壓，而液體壓力脈
沖采用旋進(jìn)針型閥增壓。壓力振蕩法則是在巖心上
游施加特定的正弦振蕩，由于樣品的滲透性，在樣
品的下游端將會(huì)出現(xiàn)壓力響應(yīng)，表現(xiàn)為相位延遲和
振幅減小，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理求取滲透率[16]。
表3 液體滲透率測(cè)量方法對(duì)比
測(cè)試
方法
測(cè)試原理優(yōu)缺點(diǎn)
穩(wěn)態(tài)法達(dá)西定律
時(shí)間跨度大，耗時(shí)；
受環(huán)境因素影響大。
壓力脈
沖法
在上游容器施加略高于下
游壓力，然后監(jiān)測(cè)上下游
容器壓力變化，經(jīng)過相應(yīng)
的數(shù)學(xué)處理確定滲透率。
測(cè)試效率和精度高；
對(duì)溫度、氣密性、壓
力傳感器精度要求高。
壓力振
蕩法
上游施加正弦振蕩，下游會(huì)
出現(xiàn)壓力相應(yīng)，表現(xiàn)為相
位延遲、振幅減小，經(jīng)過
相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理得滲透率
需2 臺(tái)高精度恒流恒
壓泵，設(shè)備要求高。
注：壓力脈沖法和壓力振蕩法為非穩(wěn)態(tài)法。
評(píng)價(jià)工作液對(duì)煤巖儲(chǔ)層滲透率影響的實(shí)驗(yàn)裝置
各式各樣，滲透率測(cè)試方法也各不相同，有穩(wěn)態(tài)法
和非穩(wěn)態(tài)法，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為滲透率損害率或
恢復(fù)率。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第 34 卷 第 4 期 游利軍等：煤巖氣層損害機(jī)理與評(píng)價(jià)方法 5
1）穩(wěn)態(tài)法測(cè)量滲透率。Chen 等（2006）結(jié)合
煤層氣產(chǎn)出過程，采用穩(wěn)態(tài)法以返排恢復(fù)率作為滲
透率損害的評(píng)價(jià)參數(shù)，評(píng)價(jià)了不同壓裂液體系對(duì)煤
巖氣體滲透率和液體滲透率的影響，實(shí)驗(yàn)流程如
圖2。該裝置能夠同時(shí)滿足氣體和液體2 種滲流介
質(zhì)[36]。余維初等（2011）設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)力
下滲透率測(cè)量的多功能煤巖氣層鉆井液動(dòng)態(tài)損害評(píng)
價(jià)系統(tǒng)，采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量滲透率，分析了鉆井液對(duì)
煤巖滲流能力的影響[37]。李相臣等（2014）通過
鉆井完井液動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)和濾液靜態(tài)損害評(píng)價(jià)來分
析鉆井完井液侵入對(duì)煤巖滲流能力的影響，實(shí)驗(yàn)過
程采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量滲透率，并用滲透率返排恢復(fù)率
來表征損害程度[17]。
1～2. 高壓氣瓶；3. 加濕容器；4～5. 活塞式中間容器；
6. 圍壓泵；7. 巖心夾持器；8. 回壓調(diào)節(jié)器；9～19. 控制閥
門 ；20～24. 精密壓力表
圖2 滿足氣體、液體2 種介質(zhì)的滲透率損害評(píng)價(jià)裝置
2）非穩(wěn)態(tài)法測(cè)量滲透率。賴曉晴等（2013）
采用超低滲透率儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)裝置測(cè)試了鉆井液作
用前后的煤巖液體滲透率。該裝置滲透率測(cè)試方法
為壓力振蕩法，正弦壓力由HSP-100/BX 型恒流恒
壓泵產(chǎn)生，并以滲透率損害率為指標(biāo)評(píng)價(jià)了流體
侵入對(duì)煤巖滲流能力的影響[16]。黃維安等（2012）
基于壓力脈沖法測(cè)量不同流體作用前后煤巖氣體的
滲透率，采用滲透率損害率來評(píng)價(jià)流體侵入對(duì)煤巖
滲流能力的影響[38]。
3 討論
煤層氣開采經(jīng)歷解吸→擴(kuò)散→滲流→入井形成
產(chǎn)量的全過程，氣藏開發(fā)中各類鉆完井工程甚至壓
裂增產(chǎn)過程使用的工作液與煤層接觸后，工作液中
化學(xué)物質(zhì)與氣層發(fā)生一系列物理- 化學(xué)反應(yīng)，造成
一定的儲(chǔ)層損害，甲烷解吸速率、游離氣相的擴(kuò)散
速率、滲透率都有可能會(huì)不同程度地降低。
3.1 滲流能力測(cè)試是煤巖儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)的關(guān)鍵
煤層氣必須先通過排水降壓至臨界解吸壓力，
使基質(zhì)孔隙內(nèi)表面吸附的煤層氣發(fā)生解吸，再由基
質(zhì)孔隙擴(kuò)散到裂隙中，最后從裂隙流向井筒，在此
過程中，氣、水處于同流狀態(tài)[39]。不管煤巖類型
和變質(zhì)程度，相同時(shí)間段內(nèi)甲烷解吸量和解吸速度
都隨著水分的增加而減小[40]，因此，只有讓煤層
中的水排出，才能促使煤層氣的解吸，而煤層中水
的滲流主要受裂縫滲透率的影響，滲流能力仍然是
煤巖儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。
3.2 煤巖滲透率測(cè)試需要考慮吸附氣的影響
煤巖具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附性能。
煤層吸附甲烷后，將引起基質(zhì)的膨脹和煤體結(jié)構(gòu)、
表面特性等改變，這些都將直接或間接引起煤巖儲(chǔ)
層中氣、水的滲透率變化。因此，煤樣滲透率測(cè)試
中如使用非吸附性氣體，將影響滲透率測(cè)試的準(zhǔn)確
性，影響煤巖儲(chǔ)層損害的進(jìn)一步評(píng)價(jià)。因此，煤樣
滲透率測(cè)試過程中必須考慮氣體吸附的影響。
3.3 煤巖儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)需考慮多尺度傳質(zhì)過程
煤層氣產(chǎn)出為一個(gè)多尺度的傳質(zhì)過程，具有時(shí)
間和空間的多尺度性，空間尺度涉及煤巖裂隙系統(tǒng)
孔隙、割理、裂縫的不同直徑大小，時(shí)間尺度涉及
煤層甲烷傳遞過程中解吸、擴(kuò)散、滲流各階段耗時(shí)
長(zhǎng)短[41]。Kang（2016）等研究了壓裂液作用對(duì)煤
巖多尺度傳質(zhì)能力的影響，分別開展了工作液侵入
對(duì)煤巖解吸量、擴(kuò)散系數(shù)、滲透率的影響實(shí)驗(yàn)[42]，
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。
表4 壓裂液作用前后煤樣多尺度傳質(zhì)能力對(duì)比
煤樣和損害率
吸附能力/
cm3/g
擴(kuò)散系數(shù)/
10-5/s
滲透率/
mD
平衡水煤樣16.2 2.965 483.00
壓裂液作用煤樣14.5 2.283 115.00
損害率/% 10.5 23.0 76.19
從表4 可以看出，壓裂液作用后的煤樣解吸、
擴(kuò)散、滲流能力降低幅度不同。因此，單一評(píng)價(jià)煤
巖某種傳質(zhì)行為損害程度并不能評(píng)價(jià)煤巖產(chǎn)氣損害
能力。羅平亞（2013）指出只有測(cè)定出煤巖氣藏不
同開采方式、不同開采階段氣體的解吸速度、擴(kuò)散
速度、滲流速度等，并對(duì)比確定速度最慢的環(huán)節(jié)，
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
6 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
才能確定在此條件下單井產(chǎn)量的主控因素，且對(duì)大
多數(shù)煤層而言，由于其對(duì)甲烷吸附能力強(qiáng)，解吸能
力弱、游離甲烷含量低、地層壓力低、滲透率很低，
使煤層氣的解吸速度和擴(kuò)散速度都比滲流速度慢，
對(duì)于這類煤層而言，游離態(tài)甲烷氣的滲流在其運(yùn)移
中不占主導(dǎo)地位，而解吸和擴(kuò)散常常成為其運(yùn)移的
主控因素[43]。因此，結(jié)合煤巖氣藏的多尺度效應(yīng)，
模擬工作液侵入煤巖氣層前后損害評(píng)價(jià)，需將吸
附/ 解吸性能損害評(píng)價(jià)、擴(kuò)散性能損害評(píng)價(jià)及滲流
性能損害評(píng)價(jià)3 者結(jié)合起來，考慮煤層甲烷運(yùn)移的
主控因素，建立基于整個(gè)多尺度傳質(zhì)過程的簡(jiǎn)潔、
有效的綜合評(píng)價(jià)方法。
4 結(jié)論與建議
1. 煤巖具有吸附性強(qiáng)、表面積大、滲透性低及
易壓縮、易破碎等特性，處于酸性環(huán)境，煤巖氣層
潛在強(qiáng)應(yīng)力敏感性、固相堵塞、堿敏性、煤粉運(yùn)移
堵塞、聚合物吸附滯留損害等。
2. 深層煤巖氣層，可能具有超低含水飽和度現(xiàn)
象，氣井不產(chǎn)水或很少產(chǎn)水，水相圈閉損害是其重
要損害方式。
3. 煤層氣產(chǎn)出的解吸→擴(kuò)散→滲流是一個(gè)串聯(lián)
發(fā)生的過程，損害可能會(huì)影響煤層氣產(chǎn)出的每個(gè)過
程；有效地評(píng)價(jià)煤層氣每個(gè)過程的損害，才能有針
對(duì)性尋找加快最慢一個(gè)過程的方式和途徑。
4. 煤巖氣層損害評(píng)價(jià)既考慮煤層氣產(chǎn)出過程的
損害，又要考慮水相滲流能力的損害；氣體滲流能
力損害評(píng)價(jià)是關(guān)鍵，但要考慮多尺度傳質(zhì)過程損害。
參 考 文 獻(xiàn)
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（收稿日期2017-04-25；HGF=1703N4；編輯 王小娜）

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