煤層氣井生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)抽排煤層中的承壓水，降低煤層壓力，使煤層中吸附的甲烷氣釋 放 出來(lái)。對(duì)煤 層抽水降壓是煤層氣生產(chǎn)的手段，也是人們目前唯一可以采用的方法。能否抽出地層 中的承壓水以降低煤層壓力是煤層氣生產(chǎn)的關(guān)鍵。 煤層段地層含水為承壓水。煤層氣井排采前，井中液面的高度即為煤層中地下水的水頭高度 ，此時(shí)不存在壓力差，地下水系統(tǒng)基本平衡，沒(méi)有地下水的流動(dòng)。當(dāng)煤層氣井開(kāi)始排采后， 井筒中的液面下降，在煤層氣井筒和煤層中形成壓力差，地下水從壓力高的地方流向壓力低 的地方，因此煤層中的地下水就源源不斷地流向井筒中，使得煤層中的壓力不斷下降，并逐 漸向遠(yuǎn)方擴(kuò)展，最終在以井筒為中心的煤層段形成一個(gè)水頭壓降漏斗，并隨著抽水的延續(xù)該 壓降漏斗不斷擴(kuò)大和加深。當(dāng)煤層的出水量和井口產(chǎn)水相平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的壓力降落漏斗 ，降落漏斗不再繼續(xù)延伸和擴(kuò)大，煤層各點(diǎn)儲(chǔ)層壓力也就不能得以進(jìn)一步降低，解吸停止， 產(chǎn)氣也就終止。此時(shí)根據(jù)所形成的降落漏斗體積，結(jié)合朗格繆爾方程，求出該井所能產(chǎn) 出的甲烷氣總量。 　　1　煤層氣單井的排采機(jī)理 在地層穩(wěn)定、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的地區(qū)，煤層氣井的排采可以看作是對(duì)承壓含水層的抽水過(guò)程。 根據(jù)水流的狀態(tài)和壓力降落漏斗隨時(shí)間延續(xù)的發(fā)展趨勢(shì)，可以將煤層氣單井的排采狀況分為以下幾種情況。 1.1　形成穩(wěn)定的壓力降落漏斗 　　(1)煤層存在補(bǔ)給邊界。 　　壓力降落漏斗隨著排采的繼續(xù)在煤層中不斷擴(kuò)展，當(dāng)其遇到張性斷層時(shí)，若該斷層與地表水 或其它地下水層相溝通，則這些水系的水就會(huì)通過(guò)斷層補(bǔ)給煤層。當(dāng)補(bǔ)給量與抽出量相當(dāng)時(shí) ，壓力降落漏斗達(dá)到穩(wěn)定，煤層甲烷解吸停止（圖1）。 　　圖1　煤層存在補(bǔ)給邊界（略） 　　(2)煤層存在越流補(bǔ)給。 　　此種情況下煤層的頂板或底板為弱透水層，且其相鄰的地層為含水層。煤層中壓力的降低使 得臨近含水層中的地下水通過(guò)頂板或底板補(bǔ)給煤層。煤層壓力降落漏斗的擴(kuò)大使得補(bǔ)給量不 斷增加，當(dāng)補(bǔ)給量與抽出量相當(dāng)時(shí)，降落漏斗達(dá)到穩(wěn)定，不再擴(kuò)展，煤層甲烷解吸停止（如 圖2）。 　　1.2　降落漏斗不斷擴(kuò)展 　　此種情況下煤層的一側(cè)或多側(cè)存在隔水邊界（如逆斷層、推覆斷層等），降落漏斗發(fā)展至該 隔水邊界時(shí)，由于隔水邊界無(wú)法補(bǔ)給或補(bǔ)給量小于抽出量，此時(shí)隔水邊界方向的降落漏斗不 再向遠(yuǎn)處發(fā)展，但迅速加深，使該處的煤層壓力快速下降，甲烷大量釋放，井口表現(xiàn)產(chǎn)氣量 大增。直至該處的煤層壓力降低，導(dǎo)致越流補(bǔ)給或其它方向的煤層水補(bǔ)給增強(qiáng)到補(bǔ)給量和抽 出量相等時(shí)，地層壓力趨于穩(wěn)定。若煤層周?chē)紴楦羲吔缜覠o(wú)越流補(bǔ)給，煤層壓力將最終 接近井底壓力，整個(gè)系統(tǒng)壓力平衡（圖3）。 　　圖2　煤層存在越流補(bǔ)給（略） 　　圖3　降落漏斗不斷擴(kuò)展（略） 　　1.3　降落漏斗不斷擴(kuò)展，但擴(kuò)展趨于逐漸穩(wěn)定 此種情況下的地層條件是，煤層無(wú)越流補(bǔ)給，且煤層水平無(wú)限延伸（附近無(wú)補(bǔ)給邊界或給水 邊界）。大多數(shù)的煤層氣井屬于這種情況。此種情況下，隨著抽水的延續(xù)，煤層中的壓力降 落漏斗不斷擴(kuò)大和加深，但其擴(kuò)展速度變慢，逐漸趨于穩(wěn)定。 　　 (1)初期定流量排水階段。 煤層氣井抽排初期，抽出的水量依泵的排量而定，此時(shí)抽出的水量是一定的，但井中的液面 不斷下降。根據(jù)無(wú)補(bǔ)給承壓水完整井定流量非穩(wěn)定流計(jì)算公式（即Theis 公式），抽水井影響范圍內(nèi)任一點(diǎn)任一時(shí)刻的水位降為：（略） 　　圖4　 W（u）—1/u曲線（略） 　　從上式可見(jiàn)，在定流量排水階段，煤層氣井影響范圍內(nèi)的任一點(diǎn)，參數(shù)Q、T、μ*、ｒ是 一定的，隨著抽水時(shí)間t的延續(xù)，該點(diǎn)（包括煤層氣井井中的液面）降深S不斷加大，但加 大的速度逐漸減小。其物理因素上是由于壓力降落漏斗的擴(kuò)大，使得匯水面積增加而引起的 。因此此階段煤層壓力降落漏斗的變化也是逐漸增大，但增大的速度逐漸變緩。煤層氣井井 口表現(xiàn)為產(chǎn)水量穩(wěn)定，產(chǎn)氣量逐漸增加。 　　(2)定降深排水階段。 　　煤層氣井中的液面是不能無(wú)限下降的，當(dāng)液面降低到接近抽排煤層時(shí)，降深就無(wú)法再 繼續(xù)下去，此時(shí)煤層氣井進(jìn)入定降深排采階段。由定流量階段轉(zhuǎn)入定降深階段的時(shí)間主要取 決于煤層的滲透系數(shù)和井壁的污染程度，滲透性差、井壁污染嚴(yán)重的煤層氣井排采開(kāi)始后很 快進(jìn)入定降深排水階段。 根據(jù)無(wú)越流補(bǔ)給側(cè)向無(wú)限延伸承壓含水層定降深井流的流量函數(shù)G（λ），并作G（λ）— λ曲線，如圖5所示：（略） 　　圖5　G(λ)—λ曲線（略） 可以看出上式中導(dǎo)水系統(tǒng)T、貯水系統(tǒng)μ*、煤層氣井液面降深Sw、煤層氣井半徑rw的 值一定，隨著抽排的延續(xù)，抽水時(shí)間增大，λ增大，G（λ）減小，流量Q也隨著減少，從 而使降落漏斗擴(kuò)展速度減緩。此階段井口產(chǎn)水量逐漸降低，產(chǎn)氣量由于降落漏斗的緩慢發(fā)展 仍在繼續(xù)，但煤層甲烷釋放速度緩慢，產(chǎn)氣量小，且逐漸降低。 〖KH+25mm〗〖HT5”SS〗〖JZ〗圖6　朗格繆爾曲線〖HT〗 此階段由于降落漏斗的擴(kuò)展，匯水面積不斷增大，使得漏斗遠(yuǎn)處平緩，即只有井口附近的煤 層壓力降幅較大，而遠(yuǎn)離井口的大部分煤層的壓力降幅較小。結(jié)合朗格繆爾曲線（圖6） 可以知道，煤層降壓初期的壓降引起的甲烷解吸量遠(yuǎn)小于后期相同壓降所引起的甲烷解 吸量。因此該階段雖然井口仍然產(chǎn)氣，但大部分煤層的甲烷并沒(méi)有被解吸出來(lái)，且存在解吸 逐漸減緩的趨勢(shì)。 在實(shí)際具體情況中，各單井的情況可能相對(duì)復(fù)雜。空間上地層形式 可能是上述幾種情形的組合。如：一側(cè)為補(bǔ)給邊界，另一側(cè)為無(wú)補(bǔ)給水平無(wú)限延伸的煤層； 或一側(cè)為補(bǔ)給邊界，另一側(cè)為隔水邊界等形式。在時(shí)間上隨著抽水的延續(xù)，煤層壓力逐漸降 低，其與鄰近含水層的壓力差逐漸增大，原本隔水的斷層可能發(fā)展成為弱透水?dāng)鄬踊蛲杆當(dāng)?層，原本無(wú)補(bǔ)給的鄰近含水層也可能形成越流補(bǔ)給（隔水和透水、有或無(wú)越流補(bǔ)給都是 相對(duì)的）。煤層的壓力降低是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，系統(tǒng)中的各項(xiàng)條件和因素都可能隨時(shí)間 的變化而發(fā)生變化。 　　2　煤層氣井群的排采機(jī)理 煤層氣井的商業(yè)生產(chǎn)是利用井群抽水降壓，而不是單獨(dú)的一口或幾口井來(lái)降壓的。一定范圍 內(nèi)的兩口或兩口以上抽水生產(chǎn)井稱(chēng)為井群。當(dāng)井群中的井與井之間的距離小于各井的影響半 徑時(shí)，彼此之間的流量和降深都要發(fā)生干擾。在承壓含水層中，地下水的流動(dòng)方程是線性的 ，可以直接運(yùn)用疊加原理，即當(dāng)兩口井的降落漏斗隨抽水的延續(xù)不斷擴(kuò)展至兩個(gè)壓力降落漏 斗相互交接、重疊時(shí)，重疊處的壓力降等于兩個(gè)降落漏斗所形成的壓力降之和（如圖7）。 如果流場(chǎng)內(nèi)有多口井同時(shí)抽水，則影響范圍內(nèi)任一點(diǎn)的壓力降為： Si = ΣSij　　　（j=1～ n） 圖7　煤層氣井間干擾示意圖（略） 此時(shí)，井間干擾對(duì)煤層氣井的排采具有促進(jìn)作用。 (1)產(chǎn)氣速度上。煤層氣井兩井間的煤層壓力降幅由于壓降的疊加而成倍增加，因此相對(duì)于 單井 來(lái)說(shuō)，單位時(shí)間內(nèi)的壓力下降幅度大，煤層甲烷的解吸速度快，井口表現(xiàn)為一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出 的甲烷氣量多，即產(chǎn)氣量高。 (2)總產(chǎn)氣量上。當(dāng)兩個(gè)降落漏斗相接時(shí)，雙方就相當(dāng)于分別遇到了前述的隔水邊界，此時(shí) 隨著 抽水的延續(xù)，壓力降落漏斗不再在水平方向上擴(kuò)大，而是在垂直方向上加深，最終使得兩井 間的煤層壓力可以降低到很低的程度，根據(jù)前述，這將使得兩井間范圍內(nèi)煤層中的大部分甲 烷都解吸出來(lái)，使煤層氣井的總產(chǎn)氣量增大。 　　當(dāng)一口井的周?chē)即嬖诔樗畷r(shí)，其各個(gè)方向上的煤層壓力都能得到充分的降低，該井控制 范圍內(nèi)的煤層甲烷也才能最大限度地解吸出來(lái)。有關(guān)井群排采機(jī)理雖然以單井排采機(jī)理為基 礎(chǔ)，但要比單井排采復(fù)雜得多，有待在今后的實(shí)踐中進(jìn)一步研究。 　　總之，在煤層地下水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，只要存在壓力差，就會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的變化，直至壓力 趨于平衡為止。只有結(jié)合煤層氣井的排采歷史，通過(guò)系統(tǒng)全面的分析，才能真正了解煤層氣 井的排水采氣情況，從而作出正確的解釋和決策。 　　作者簡(jiǎn)介：李國(guó)富，男，1965年8月出生，山西晉城人，高工，在晉城煤業(yè)集團(tuán)晉丹公司工 作。 參考文獻(xiàn) 1　薛禹群. 《地下水動(dòng)力學(xué)原理》.地質(zhì)出版社，1989 2　張力等. 煤層氣滲流方程數(shù)值分析. 煤炭科學(xué)技術(shù) No. 10,2001 3　蘇喜力. 唐書(shū)恒等.煤層氣的賦存運(yùn)移機(jī)理及產(chǎn)出特征. 河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào). Vol. 16.No.3