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1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249
摘要： 我国煤层气资源丰富，经过三十多年的技术积累和工程示范，已初步实现煤层气的规模化开发利用。但目前储量动态评估技术相对滞后，导致“甜点区”判别不准，排采制度不合理。不同煤层的气水赋存状态可能存在较大差异，且煤层气体解吸速度受排水速度影响显著。因此，准确预测煤储层气水储量及其动态变化特征对于确定开发甜点、制定合理排采制度具有重要意义。
目前煤层气储量评估方法包括容积法、物质平衡法、数值模拟法和产量递减法等。容积法计算过程中各参数的不确定性较强。物质平衡法未能考虑煤层气开发过程中的压力滞后效应。数值模拟法过程复杂，对地质资料与动态数据的要求高。产量递减法适用于开发程度较高的煤层气田。现有研究对煤层水的赋存状态认识不清，上述储量评估方法未能估算煤层水的地质储量，且无法准确描述其对煤层气不同赋存状态和产量的影响规律。
针对上述问题，研究提出将煤层水划分为吸附态和游离态，建立了超临界甲烷—液态水竞争吸附模型，提出了煤储层气水储量动态预测方法。所提出的储量估算方法能够有效预测甲烷和水原始储量及其在开发过程中的变化，丰富和发展了煤储层地质储量预测方法，且对煤层气井排采制度优化设计具有重要指导意义。
关键词： 煤层甲烷；煤层水；竞争吸附；储量预测
据《国民经济和社会发展统计公报》核算 [1] ，2016年我国能源消费总量为43.6亿吨标准煤，对石油、天然气等清洁能源的需求大幅增长，其中，原油消费量增长5.5%，天然气消费量增长8.0%。然而，据国家发展改革委统计 [2] ，2016年上半年我国原油、天然气对外依存度分别达64%和35%，油气供应安全面临严峻挑战。随着勘探的不断深入，常规石油天然气资源增储、增产难度逐步加大，而煤层气、页岩气、致密气等非常规天然气资源潜力巨大，勘探开发技术日趋成熟，是我国的战略性接替能源 [3] 。
我国煤层气资源丰富，是继俄罗斯、加拿大之后的第三大储量国，约占世界煤层气总资源量的19.3% [4，5] 。根据最新一轮的全国油气资源评价结果 [6] ，我国2000米以浅的煤层气资源量为30万亿立方米，技术可采储量为12.5万亿立方米。经过近30年的技术积累和工程示范，我国已初步实现了煤层气的规模化开发利用 [7] ：2019年地面开发的煤层气产量达54.63亿立方米。但目前煤层气水储量动态评估技术相对滞后，导致“甜点区”判断不准，排采制度不合理。
煤的孔隙结构与煤层流体的赋存和流动特征密切相关，为了研究煤储层气水赋存特征和运移机理，首先需正确认识其孔隙分布的特征。国内外许多学者 [8-13] 基于甲烷在孔隙中的吸附、渗流特征，对其进行分类（如图1所示）。其中，Xouor [8] 和国际理论与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC） [9] 提出的分类方法应用最为广泛。尽管不同学者提出的分类方法略有区别，但不同孔隙界限基本处于同一数量级。为了便于建模，本研究将煤岩的孔隙结构简化为基质孔隙和裂隙。虽然这种方法做了一定程度的简化，但其在煤层气开发模拟过程中仍具有很强的实用性。
图1 煤岩孔隙尺寸划分
基质孔隙指的是有机质中形状不规则的孔隙（如图2所示） [14] 。基质孔隙约占煤岩孔隙空间的97%，是煤层流体的主要储集场所 [15] 。根据上述孔隙划分结果，基质孔隙可细分为微孔、介孔和小孔。小孔源自植物遗骸的原始细胞结构或矿物碎屑孔隙 [16] ；介孔的来源与小孔十分类似 [17] ；在煤化过程中，大量分子质量不同、结构相似但不完全相同的大分子化合物相互连接形成煤岩有机质，并产生不规则的微孔 [17，18] 。另外，平均孔隙尺寸越小，壁面与流体分子的相互作用越强，吸附作用越显著 [19] 。因此，煤层甲烷和水的吸附量通常随煤岩热成熟度的增大而增加 [10，20-22] 。
图2 煤岩中基质孔隙的电镜扫描图
裂隙是指煤层中发育的两组相互正交且垂直于层理面的天然裂隙（如图3所示） [23] 。面割理是主裂隙组，由基本平行的、连续的发育裂隙组成；端割理为次级裂隙组，也是基本平行的，连通性弱于面割理，通常在与面割理相交后停止延伸。尽管裂隙孔隙仅占煤岩孔隙空间的3%甚至更少，但裂隙网络具有良好的连通性，是煤层流体的主要流动通道 [15] 。裂隙主要通过裂隙朝向、裂隙间距、裂隙长度、裂隙高度、裂隙宽度等参数进行描述 [24] 。由于原位煤层条件下的裂隙宽度仅为0.0001～0.1mm [25] ，若煤岩所受应力或温度发生变化，都将导致裂隙网络变形，显著影响流体在其中的流动性。
图3 煤岩中裂隙的电镜扫描图
煤层通常含有大量的水，这些水能够以多种形式存在 [26-31] ：
（1）自由水。自由水主要存在于煤岩的裂隙网络和大孔隙中，起承压作用，其性质与常规水相同，排水降压采气主要就是将这一部分水从煤层中排出。
（2）毛细管水。毛细管水是指在毛细作用下凝聚在煤岩孔隙中的水，能在孔隙中流动，其性质与常规水相似，排采后期会将这一部分水从煤层中排出。
（3）束缚水。束缚水是指在孔隙结构或其表面性质作用下，束缚在孔隙中的不能自由移动的水，主要存在于煤岩孔隙系统中，其性质与常规水差别很大。
（4）吸附水。吸附水也叫氢键水，是指通过氢键附着在煤岩表面的水，主要存在于煤岩的孔隙系统中，其性质与常规水差别很大。
当前主要通过三种方法对煤样上的水进行区分：核磁共振 [30-33] 、差示扫描量热法和X射线衍射技术 [35-37] 。但是受技术限制，这些方法并不能很好地区分自由水和毛细管水、束缚水和吸附水。本研究中将自由水和毛细管水归为游离水，占41%～68%；将束缚水和吸附水归为吸附水，占32%～59%。
煤层气体以甲烷为主（约占97%），除非特别说明，本研究所述的煤层气体指的都是甲烷。在原位煤层条件下，煤层气体主要有三种赋存形式 [38-41] ：吸附气、游离气和溶解气。
（1）吸附气。吸附气指的是在色散作用下，附着在煤岩基质表面的气体。由于煤岩的微孔隙发育，吸附气是气体在煤层中最主要的赋存方式，占80%～90%。
（2）游离气。游离气指的是煤层中的体相气体，其性质与常规气体相同，主要聚集在煤岩的裂隙网络和大孔隙中，占8%～18%。
（3）溶解气。溶解气指的是溶解在煤层水中的气体。实际上，甲烷在煤层水中的溶解度很低 [42] ，仅占1%。
目前煤层气储量评估方法包括容积法、动态评估法、物质平衡法和产量递减法等 [43] 。
容积法是评估气藏初始储量的方法之一 [44] 。该方法依据平均化思想对煤层气储量进行计算，原理简单，计算所需要的参数较少，但由于受部分假设参数影响，例如储层体积等，误差可能较大 [45] 。采用容积法估算煤层气储量如式（1）所示。
其中，
为甲烷的地质储量，mol（单位，下同）；
为吸附态甲烷的地质储量，mol；
为游离态甲烷的地质储量，mol；
A
c
为煤层面积，m
2
；
t
c
为煤层厚度，m；
ρ
c
为煤岩密度，kg/m
3
；
M
A
为灰份含量，%；
为裂隙中甲烷的饱和度，无量纲；
为裂隙中甲烷的压缩因子，无量纲。
动态评估法是根据气、水生产的历史数据来计算原始气体含量的方法，动态评估法包括产量递减法和物质平衡法两种，这些方法都是基于产水量递减导致储层压力降低，使得基质中的气体解吸的原理进行预测，产气量随压力降低而不断增加，直至达到峰值 [46] 。
物质平衡法是储量评估最常用的方法之一，由于物质平衡方程依赖于 p / Z 和 Gp 之间的关系来预测初始含气量，该方法最初被用于计算常规储层中的天然气储量，见下式 [47] ：
煤层气储量可由 P/Z 与 G P 的关系图得出，但该模型未考虑储层中的吸附气，忽略吸附气的影响会导致煤层气储量评估结果不准确。因此，一些学者对物质平衡方程作了一些修正，下面将介绍一些基于物质平衡方程的煤层气修正模型 [48] 。
煤岩孔隙包括天然裂隙和基质孔隙两部分，煤层气主要以吸附态赋存于基质孔隙表面，其余气体以游离态储存在天然裂隙中。King [49] 假设煤储层为双重孔隙结构，利用物质平衡方程预测煤层气的原始储量，其方程如下：
物质平衡法依据物质守恒原理计算煤层气储量及其动态变化特征，弥补了容积法的不足，但计算过程中涉及的主要参数仍具有较强的不确定性，且未能考虑煤层气开发过程中的压力滞后效应。
部分学者在常规产量递减曲线分析方法的基础上，建立了几种产量递减曲线分析模型，用于计算煤层气原始储量。其中，部分模型基于Arps的指数、双曲和调和经验模型建立 [50] ，但Arps经验模型与非常规储层的流动周期不匹配，Seshadri等人 [51] 采用修正的双曲模型解决了这一问题，该模型是利用指数曲线拟合历史生产曲线 [52] 。
修正的双曲模型如下所示：
当 D ＞ D i ：
当 D ≤ D i ：
产量递减法基于气井的生产特征，配合体积法和数值模拟法进行煤层气储量预测，适用于开发程度较高的煤层气田。
尽管国内外学者针对煤层气储量开展了大量研究，但当前研究主要针对煤层气体，且忽略了溶解气的存在。同时，现有储量评估方法不能估算煤层水的地质储量，且无法准确描述其对煤层气不同赋存状态和产量的影响规律。
针对上述问题，汪志明等人 [53] 将煤层水划分为吸附态和游离态，煤层甲烷以吸附态、游离态和溶解态存在，建立了超临界甲烷—液态水竞争吸附模型，并对容积法和物质平衡法进行了改进，提出了煤储层气水储量动态预测方法，如式（6）、式（7）所示。
其中，
G
water
为煤层水的地质储量，mol；
为吸附态水的地质储量，mol；
为游离态水的地质储量，mol；
ρ
water
为水的密度，kg/m
3
；
为溶解态甲烷的地质储量，mol；
为甲烷的溶解度，无量纲。
其中，甲烷和水的吉布斯过量吸附可通过下式得出：
其中，
为甲烷吸附的表面积，m
2
/kg；
为水相组分的吸附量，mol/kg。
为了验证该储量计算方法的可靠性，汪志明等人还选取Law等人 [54] 的实例进行验证，并与各种油藏模拟器和Seidle [55] 的计算结果进行比较（如表1所示）。汪志明等人预测的甲烷地质储量与各煤储层模拟器的预测结果基本一致，煤层水地质储量与Seidle的预测结果处于同一数量级，这验证了该储量计算方法的可靠性。另外，汪志明等人提出的方法对不同赋存状态的甲烷和水进行了区分，丰富和发展了煤储层地质储量预测方法，能够有效指导煤层气排采设计。
表1 煤层甲烷和水的原始地质储量
（1）基质孔隙构成了煤岩孔隙空间的主体，甲烷主要以吸附态赋存于基质孔隙中，也有部分煤层水附着在基质孔隙中，与甲烷争夺吸附位点，二者存在竞争关系。
（2）容积法认为甲烷以吸附态和游离态赋存于煤层中，依据平均化思想进行煤层气储量计算，但计算过程中各参数的不确定性较强，储量预测结果存在较大误差。
（3）物质平衡法将煤层甲烷划分为吸附态和游离态，依据物质守恒原理计算煤层气储量及其动态变化特征，弥补了容积法的不足，但计算过程中涉及的主要参数仍具有较强的不确定性，且未能考虑煤层气开发过程中的压力滞后效应。
（4）产量递减法基于气井的生产特征，配合体积法和数值模拟法进行煤层气储量预测，适用于开发程度较高的煤层气田。
（5）汪志明等人在容积法和物质平衡法的基础上，结合超临界甲烷—液态水竞争吸附模型，提出了煤储层气水储量动态预测方法，能够有效预测甲烷和水的原始储量及其在开发过程中的变化。
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作者简介：孙晗森（1973—），男，浙江义乌人，教授级高级工程师，主要从事非常规气的勘探开发等技术研究。E-mail：sunhs@cnooc.com.cn。