第三节　研究方案

煤层气产出的持续性、稳定性、长久性与否是原始状态下储层特征、地应力特征、构造特征、水文地质特征和人工干预及诱导下物性参数变化耦合作用的结果。为了更好地指导煤层气井的排采生产管理，以煤储层类型为主线，以沁水盆地东南部的3#煤层为研究对象，以现场实测数据和实验室测试数据资料为基础，以煤层气地质学、岩体力学、渗流力学、损伤力学、煤层气开发地质学、煤岩学、构造地质学、采气理论等理论为指导，对沁东南地区煤层气富集、渗透格局的控制与微调作用、不同储层类型下压力传播变化规律、排采过程中有效应力、基质变形、渗透率的变化特征、不同储层类型下煤层气井的排采动态变化特征及排采工作制度等展开较深入的研究，以期为不同储层类型下煤层气井排采制度的制定及现场操作提供理论依据和借鉴。

一、主要研究内容

1.沁东南地区煤层气富集渗透特征与控制因素

以沁水盆地东南部为研究对象，系统分析3#煤储层埋深、变质程度、厚度、含气量、资源丰度等特征，结合他人研究成果，论述埋藏史、热史、构造演化史对沁东南地区含气量总格局的控制及水动力条件对含气量的再分配作用，在此基础上得出研究区煤层气富集模式。系统分析沁东南地区孔裂隙结构特征、渗透率特征，论述构造对渗透率总格局的控制及应力对渗透率的局部微调作用，在此基础上，划分高渗区、中渗区和低渗区。

2.煤层气排采潜力评价与排采阶段重新划分

根据现场产气资料，应用煤层气开发地质理论，确定评价指标及临界值，对沁东南地区3#煤层排采潜力类型进行划分，提出不同储层类型下开发的工艺技术建议。基于流态和现场煤层气井的生产特点，对煤层气井的排采阶段进行划分。系统分析排采过程中压力传播变化的主控因素，根据煤层气井的生产特点，划分排采储层类型，最终得出不同排采储层类型下压力传播变化规律。

3.排采过程中煤储层关键参数变化规律

以流体力学、岩体力学、煤层气开发地质学、煤层气地质学、渗流原理、损伤力学等理论为指导，以实验室测试、现场煤层气勘探开发资料为基础，构建煤层气产出的单相水流阶段、气-水两相流阶段有效应力、基质变形、渗透率变化的数学模型，阐明煤层气井排采过程中这些参数的动态变化规律。

4.煤层气直井的排采控制

系统分析排采的不同阶段渗透率变化的主控因素，根据渗流理论和气藏开发理论，构建不同排采阶段合理排采工作制度的数学模型。分析不同排采阶段排采曲线特征，制定出不同排采储层类型下合理的排采工作制度。

二、研究方法与技术路线

沁水盆地东南部高变质程度的无烟煤储层中获得工业性气流打破了国外的“无烟煤开发禁区”的论断，一度成为国人的骄傲。但随着煤层气开发生产井的增多，各井产能的差异性使人们对以往煤层气的产出机理、产出的控制因素产生了怀疑；同时其他无烟煤地区如焦作矿区效仿晋城矿区煤层气的开发工艺技术，失败几乎是颠覆性的。

为了更好地研究无烟煤储层的地质属性特征对产出的控制作用，阐明排采过程中渗透率变化的主控因素及变化规律，制定出不同储层类型下合理的排采工作制度，最大化提高煤层气井单井产气量。本次从系统论的角度出发，以沁水盆地东南部煤储层地质、钻井、测井、试井、压裂和排采资料为基础，以实验室测试为补充，以煤层气产出的地质属性和地质变量的耦合为核心，在深入系统地分析研究区孔裂隙结构、吸附特征、含气性特征、水文地质条件等基础储层条件和地质变量的基础上，建立各种地质模型及数理模型，划分无烟煤储层排采潜力，充分考虑煤层气直井的生产特点和排采时压力影响边界，应用煤层气开发地质学、渗流力学、岩体力学、岩石力学、试井测试等理论，系统分析不同储层类型下压力传播变化规律，构建排采过程中包括有效应力、基质收缩、渗透率变化的数理模型，阐明煤层气井排采过程中储层关键参数的动态变化规律，制定出不同排采储层类型下不同排采阶段的排采工作制度，为我国无烟煤储层煤层气直井的高产提供重要的理论支撑。

研究的技术路线图如图1-1所示。

三、预期目标

本书研究目标为：划分沁东南地区煤层气排采潜力等级，阐明高变质程度煤储层煤层气产出过程的主要物性参数的动态变化规律，制定出相对具有可操作性的不同排采阶段煤层气垂直井的排采工作制度。

具体分解如下。

第一，划分沁东南地区3#煤储层排采煤层气潜力等级

通过对沁东南地区3#煤层富集特征及控制作用、渗透性特征及控制作用的研究，充分考虑煤层气产出的基本储层特征、地质特征和开发工程的综合影响，确定出评价指标及临界值，划分沁东南地区3#煤储层排采煤层气潜力等级。

第二，阐明不同储层类型下煤层气直井压力传播变化规律

充分考虑煤层气直井排采时横向和纵向上压力传播的主要影响因素，确定压力传递边界，提出层状储层和块状储层的概念。根据煤储层渗透性和可改造性，结合围岩对煤层的补给条件，划分储层类型。根据不同储层类型特点，得出不同储层类型下煤层气直井压力传播变化特征。

第三，阐明不同煤储层属性下排采过程主要物性参数的变化规律

引入损伤力学理论，充分考虑煤岩总应力、孔隙应力损伤演化过程，构建煤储层基质有效应力数学模型。基于K.Terzaghi等有效应力概念的雏形及研究理论，考虑应力集中后的微裂隙扩展效应，建立有效应力压缩煤基质数理模型；根据吉布斯公式，结合Bangham理论和Langmuir气体吸附/解吸方程，建立气体解吸引起的煤基质收缩数理模型；基于表面自由能和煤基质弹性能等能量理论，充分考虑有效应力与气体解吸的相互影响，通过弹塑性力学计算与断裂力学分析，耦合得出考虑气体解吸及有效应力相互影响的煤基质收缩量数理模型。根据孔隙结构、弹塑性、损伤力学、能量平衡转化理论等构建排采过程渗透率变化的数理模型，量化不同地质参数下渗透率降低或回升值及临界状态下的地质参数值，得出不同条件下渗透率变化规律。

第四，制定出不同储层类型下具有可操作性的煤层气直井排采工作制度

充分考虑现场煤层气井的生产特点，基于“五段三压四点”的排采指导原则，应用渗流理论、岩体力学、煤层气开发地质学、试井等理论，构建不同排采阶段合理压降速率的数理论模型。分析不同储层类型、不同排采阶段产水量、产气量、套压等参数的变化特征，提出不同储层类型下煤层气直井合理的排采工作制度。