图1 过饱和煤层气藏定义
Fig.1 Definition of supersaturated CBM reservoir
贵州省大部分地区煤储层均属于高煤阶、欠饱和气藏，煤层气主要以吸附态赋存于基质表面，储层裂缝中充满水，需经历较长的排水降压，当储层压力降至临界解吸压力时，煤层气才开始解吸，之后经历“扩散-渗流”产出[1-2]，而在六盘水钟山区块，主力煤层表现为煤层厚度大(平均5 m左右)、煤级为肥煤(Ro=0.97%～1.09%)、含气饱和度大于1，属于过饱和气藏，采用以往的排采管控方法，煤层气开始排采后，游离气便在流动压差的作用下迅速产出，整体表现为产气速度快，产气量增长快、难稳产、产气衰减快的特征，呈现出与欠饱和气藏截然不同的产气特点，排采强度的制定缺乏有效的理论依据，产气效果较差。
为摸清此类过饱和气藏产气特征的内在原因和机理，探索影响其高产、稳产的主控因素，为后期该地区的勘探选区、井位部署、压裂及排采工程设计提供指导，笔者对此类过饱和气藏展开了深入研究。过饱和煤层气藏的排采过程兼具游离气与吸附气的生产特征，目前针对吸附气的产出机理及排采管控方法已经进行了大量的研究[3-4]，而对游离气与吸附气共采的情形缺乏专门的研究与探讨，仅停留在概念层面。为此，笔者重点剖析了游离气和吸附气的产出机理，在深入分析现场实际生产数据的基础上，将等温吸附曲线划分为两种经典类型，并分别阐释了相应的煤层气产出特点，选取六盘水地区2口经典过饱和煤层气井为例，系统阐述了其产能差异的内在原因，提出了影响过饱和煤层气藏产能的主控因素，对后期该类气藏的高效开发具有重要的指导作用。
煤层的含气量超过煤层吸附能力的煤层气藏称为过饱和煤层气藏，其含气饱和度大于1，主要赋存方式包括游离态与吸附态，其中游离气是指由煤岩生成、赋存于煤岩及其邻近层位孔(裂)隙、割理等储集空间中呈游离状态的天然气，它与煤层中的吸附气呈共生关系[6]。根据等温吸附曲线，原始煤储层压力为Pi，实测含气量位于B点，实际B点含气量大于C点理论含气量，可将具有此类特征的煤层气藏定义为过饱和煤层气藏，累计可采气量包括游离气(BC段)和吸附气(CD段)2部分(图1)。
图1 过饱和煤层气藏定义
Fig.1 Definition of supersaturated CBM reservoir
游离气呈自由状态，和常规天然气相同，依靠排水降压，沿大、中孔及割理直接产出，随储层压力的缓慢降低，吸附气按等温吸附曲线特征逐渐解吸，最后经过“扩散-渗流”产出。
在煤层气井整个排水采气的过程中，渗透率不断变化如图2所示。在资源量一定的条件下，影响产能的一个最为关键的因素即储层的导流能力[7]，排采单相流阶段，随储层压力的降低，煤储层主要受应力压缩的作用，渗透率呈逐渐减小的趋势[8]，影响该阶段渗透率下降程度的主控因素为煤体结构、排采强度、临储比等，其影响机理如下：①若煤体破碎程度大，煤层抗挤压变形能力弱，支撑剂极易嵌入煤层，裂隙闭合速率加快，闭合严重，AB段越陡；②若早期排采强度过大，井筒附近储层地层压力迅速降低，远井端的水来不及供应，近井地带出现较严重的亏空，应力敏感效应加剧，储层渗透性急剧降低，AB段越陡；③临储比决定了吸附气开始解吸的时间，若临储比过低，储层需经历很长一段时间的应力压缩、渗透性变差的阶段(AB段时间延长)，储层渗透率降低至较低值，严重制约吸附气的有效解吸。
图2 排采过程渗透率的变化
Fig.2 Change of permeability in the process of drainage
当储层压力低于临界解吸压力后，气体解吸导致基质表面自由能增加，孔裂隙空间增大，渗透性变好，早期解吸速度缓慢阶段，渗透率在有效应力压缩下继续减小，但幅度有所降低(BC段)，随解吸量的不断增大，渗透率降低趋势减缓后出现增幅，气体解吸作用引起基质收缩对渗透性的正效应逐渐大于有效应力的压缩负效应，渗透率有较大幅的提升(CD段),因此不同排采阶段两种效应的作用时间和强度决定储层导流能力的变化趋势。影响该阶段渗透率变化的主控因素为等温吸附特征及排采强度：①等温吸附特征决定气体解吸速率及气体大量解吸引起基质收缩的时间，即决定BC段的时间，若低效解吸阶段时间过长(BC段时间长)，应力敏感造成储层伤害的阶段过长，将牺牲掉大部分的储层能量，难以实现高产。②BC段吸附气处于低效-缓慢解吸阶段，储层中的临界解吸点至井筒间的地层流体以泡状-段塞流为主，流体粘度增大、携煤粉能力增强，若排采强度过大，极易造成煤粉运移、堵塞现象，渗透率急剧降低，压力传递受阻，导致C点后渗透率仍处于下降趋势。
对于过饱和煤层气藏，理论上当井底流压低于储层原始地层压力后，吸附气便开始解吸，其中A-C阶段对应吸附气缓慢解吸阶段，此时气体解吸速率较小，基质收缩对渗透性的正效应小于有效应力的压缩负效应；当吸附气开始大量解吸后，渗透率开始缓慢回升；而游离气的产出对储层渗透率的影响主要体现在因地层泄压会加剧应力敏感伤害的作用，因此过饱和煤储层导流能力的变化主要取决于产层吸附气的解吸速率，即等温吸附特征。
本次研究的重点是煤层及其顶底板赋存的游离气。其产出机理是依靠压差驱动，从基质孔隙非线性渗流至裂隙，并流向井筒，其产出过程类似于常规低渗透天然气，直接渗流产出。
对于过饱和煤层气藏，初期高流压阶段，赋存于煤岩及其顶底板大孔(裂)隙中的游离气，由于毛管阻力小，直接渗流入井筒快速产出。随着地层压力的持续降低，游离气在压差的作用下大量产出。因此，游离气具有产出时间快，产气增长快的特征，其累计供气时间及供气量的变化的主要取决于储层的非均质性、排采过程中储层导流能力的变化规律(图2)及游离气的总含量。
相对于游离气而言，吸附气的产出过程还需要经历解吸和扩散阶段。原始地层条件下，气体分子处于吸附平衡状态，排水降压至地层压力低于临界解吸压力时，气体自基质孔隙表面发生解吸，由吸附态转化为游离态，进而在煤基质中扩散，最后经由割理或较大的外生裂隙渗流至井筒。吸附气对产气的贡献量主要取决于解吸量的多少。
过饱和煤层气等温吸附曲线往往呈现2种典型特征(图3)。分叙如下：
1)A类：当地层压力降至原始储层压力以下，煤层依次经历低效解吸阶段、缓慢解吸阶段、快速解吸阶段及敏感解吸阶段[9-10]。初期高流压阶段煤层气解吸量对压力几乎不敏感，解吸速度很小，煤层气解吸量占产气比例很低，产气量以游离气主导供气；随着排采的进行，煤层气解吸量对压力敏感程度逐渐提高，解吸速度加快，煤层气解吸量对煤层气井产能贡献逐渐增大，此类储层的渗透率变化规律类似AC段(图2)，其变化趋势主要取决于吸附气低效-缓慢解吸阶段的时间，若低效解吸及缓慢解吸阶段过长，吸附气解吸量微乎其微，储层的渗透性因应力敏感作用长期处于快速降低的趋势，后期压力降难以继续传递扩展，使得绝大多数的吸附气量难以解吸释放。该类储层主要依靠早期游离气供气，至中后期因储层渗透率大幅度降低，压力降难以传递扩展时，游离气产量开始迅速下降。总体上排采特征呈现为见气快、产气增长快、稳产期短、衰减快的特点，累计产气量主要取决于储层的物性、改造效果、等温吸附特征及游离气量的大小。
2)B类：地层压力一旦低于原始储层压力，游离气在压差的作用下快速产出，吸附气对压力的敏感程度高，随储层压力的降低迅速解吸，煤基质收缩降低了应力敏感对渗透性的伤害，随着吸附气的大量解吸，基质收缩对渗透率的正效应逐渐大于应力压缩的负效应，储层导流能力逐渐变好，气井从始至终呈现出很强的供气能力，产气急剧升高，吸附气对产气的贡献越来越显著。此类储层的渗透率变化规律仅存在BD阶段(图3)。
图3 煤层气典型等温吸附曲线类型
Fig.3 Isothermal adsorption curve of coalbed methane
储层渗透率随吸附气的大量产出逐渐变好，游离气的贡献量随游离气相饱和度的降低逐渐减少，但吸附气随解吸速率的加快对产气的贡献率逐渐增加，在整个产气周期，二者互为补充。该类储层往往呈现出吸附气与游离气共产、见气快，见气量大、稳产时间长、衰减慢的特点。
不同的等温吸附曲线类型，决定了吸附气大量解吸释放的时间及难易程度，即基质收缩正效应抵消应力压缩负效应的时间，间接影响了储层导流能力的变化趋势，使得储层间常呈现出不同的产气特征。因此，在勘探开发部署决策前，需针对不同的产出特征和产能主控因素，提出相适应的完井方式、压裂工艺及排采对策，以期达到最佳的采气效果。
YM1井位于贵州六盘水市水城县境内，构造上位于开阔平缓的向斜南翼，附近无大断层，主要压裂层段为5-2煤、7煤、13-2煤，煤体结构好，均为块煤，累计厚度6.4 m，煤层镜质组反射率Ro平均1.71 %，为中等变质程度的贫瘦煤。该井区各煤层的兰氏体积为11.06～22.52 m3/t，平均17.75 m3/t，低于相应的煤层含气量(煤层含气量为15.56～24.84 m3/t，平均20.76 m3/t)，根据现场解吸及等温吸附实验结果，该井3段产层均为过饱和储层，图4为7煤等温吸附曲线，其他2层煤具有类似特征。从图中可以看出一旦储层压力低于原始地层压力Pi，吸附气便进入快速解吸阶段，等温吸附曲线类型属于B类，储层条件好。
图4 YM1井7煤等温吸附曲线
Fig.4 Isothermal adsorption curve of No.7 coal in Well YM1
YM1井于2017年1月10日开始排采，经历32 d的排水降压后，当储层压力降至原始地层压力后，套压迅速上升,因该地区地层压力系数约为0.8，属于欠压储层，液柱高度需降至井底流压等于原始地层压力，才会出现套压，因此需排采一段时间才见气，见气后1 d套压升至2.2 MPa，产气增幅达到150 m3/d，表现出过饱和气藏典型的产气快，产气量增长快的特点。
从图5可以看出，初始产气阶段(阶段A)，控制较小的排采强度(流压降幅15 kPa/d左右)排采，产水及产气等比例快速上升，该阶段的主要供气源为游离气，解吸气量相对较少，随地层压差增大，气、水流量同时增大，水相渗透率对气相饱和度不敏感，说明储层渗透性较好。随压降的进一步传递(阶段B)，游离气相饱和度进一步增大，此时产气量继续升高，但产水基本稳定，近井地带改造后的总孔裂隙体积与气水流量之和达到平衡。截至B阶段以前，受上覆岩层压应力及基质收缩的影响，储层导流能力变化一直处于BC阶段(图2)。当储层压力降至4 MPa后(阶段C)，进入吸附气快速解吸阶段(图4)，近井地带含气饱和度急剧升高，阻碍远井端的水继续流向井筒，产水量迅速降低，此后因吸附气的大量解吸，基质收缩孔裂隙体积增加，储层渗透率的下降趋势减缓，直至开始缓慢回升(图2阶段CD)，压力降的传播阻力减小，吸附气与游离气互为补充，产气量急剧升高，截止目前该井已连续10个月产气量稳定在4 000 m3/d以上，取得较好的产气效果，与B类等温吸附特征的产气特点相吻合，即产气快、产气增长快、稳产时间长。该井在压裂施工、作业及排采过程未出现重大问题。
图5 YM1井排采生产曲线
Fig.5 Production curves of Well YM1
Z1井位于贵州六盘水市钟山区大河镇境内，该井主要压裂层段为C409煤、C406煤，其中C409煤下段煤体较为破碎，累计厚度10.85 m，煤层镜煤反射率Ro=1.08%，属于肥煤，该井区各煤层的兰氏体积为6 ～13 m3/t，平均10 m3/t，低于相应的煤层含气量(煤层含气量为12 ～18 m3/t，平均15 m3/t)，根据现场解吸及等温吸附试验结果，该井2段产层均为过饱和储层，C409煤等温吸附曲线知图所示，从图6可以看出该段产层游离气所占比例较大，随地层压力的降低，游离气在压差下克服流动阻力迅速产出，但早期高流压阶段，吸附气较长时间处于低效解吸区(图6)，吸附气解吸速度缓慢，解吸量少，储层导流能力变化长期处于BC阶段(图2)，直至井底流压Pd=3 MPa，即井底流压需降低Pi-Pd=5.2 MPa，吸附气才开始进入快速解吸区，但此时储层导流能力在应力压缩的作用下已缓慢降低至较低水平，加之该储层煤体结构相对较差，会进一步加剧应力压缩作用，使得储层渗透性急剧降低，压力降难以传递，吸附气量难以解吸释放，该井储层的等温吸附曲线类型属于A类，开发中后期储层渗透性急剧变差是该类储层难以实现长期高产、稳产的主控因素。
图6 Z1井C409号煤等温吸附曲线
Fig.6 Isothermal adsorption curve of No.C409 coal in Well Z1
Z1井于2016年6月21日开始排采，见套后呈现出典型的见气快、产气量增长快的特征，表现为套压增长快、产气量急剧上升，符合游离气的产出机理。然而该井产气量达到1 000 m3/d后，仅稳产5个月左右，产气量迅速衰减，整体呈现出产气快、初期产气增长快、但稳产期短、产气衰减快的特征。
分析其原因主要有以下几点：①根据煤储层等温吸附特征(图6)，排采初期高流压阶段(储层压力大于3 MPa)，吸附气始终处于低效解吸阶段，解吸气量很少，主要依靠游离气供气，因此初期的产气特征更趋于游离气的产出特点，总体呈现出见气快、产气量增长快的特征；②在储层压力降低至3 MPa(解吸敏感点)以前，因主力煤的煤体结构较为破碎，应力压缩造成的导流能力伤害异常明显，当气体进入快速解吸阶段时，储层的渗透率已降低至较低值，压力降的传播阻力逐渐增大，储层排水降压困难，煤基质孔隙表面吸附的气体难以解吸释放，游离气的产气通道也越来越狭小，因此整体呈现出稳产期短、产气衰减快的特点。③该井在提产阶段，为尽快落实地层可采资源量，提产速率较快，日流压降幅达到30～35 kPa/d，近井地带压差急剧增加，气体流速增大，加之主要煤层段构造煤较发育，速敏及应力敏感伤害加剧，近井地带储层渗透性迅速降低，这也是难以实现长期高产、稳产的重要原因。
通过对案例1井和案例2井的对比分析，过饱和煤层气藏排采初期具有见气快、产气增长快的特点。在资源量、改造效果一定的前提下，其稳产气量的大小、稳产时间及衰减速率等参数主要取决于产层的等温吸附曲线类型、煤体结构以及排采制度的合理性，排采制度及煤体结构的好坏会加剧或改善等温吸附特征对储层导流能力的影响。在排采制度无严重失误、煤体结构较好的前提下，等温吸附曲线类型为过饱和气藏产能的主控因素，其决定了吸附气快速解吸释放的时间及排采过程中储层导流能力的变化趋势，对产气通道的顺畅与否具有重要影响。而煤体结构及排采制度的合理性在一定程度上会进一步恶化或改善渗透性的变化程度，起到一定的诱导和催化作用。
图7 Z1井排采生产曲线
Fig.7 Production curves of Well Z1
1)基于游离气的产出机理，过饱和煤层气藏具有排采初期见气快、产气增长快的特点。其稳定产气量的大小、稳产期及衰减速率等主要取决于产层的等温吸附特征、煤体结构及排采制度的合理性，其中煤储层的等温吸附类型为最关键的影响因素。
2)对于过饱和煤层气藏，煤储层的等温吸附特征决定了吸附气大量解吸释放的时间，间接影响着储层导流能力的变化及排采过程中压力降的传播速率，最终决定了游离气的产出量与吸附气解吸释放的难易程度。
3)煤体结构的好坏在一定程度上极大的影响了其抵抗应力敏感伤害的能力及煤粉运移堵塞风险，排采制度的合理与否可减轻或加重渗透性的相关伤害，对于过饱和气藏的高产、稳产具有重要的决定作用。
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