第二节　研究现状

煤层气井的产出是煤储层微观孔裂隙结构、细观能量系统、中观工程工艺技术及宏观构造动力条件、地下水动力条件等耦合作用的结果。研究内容涉及较多，下面仅对本书主体内容相关的煤储层富集高渗、煤储层孔裂隙及其几何模型、煤层气产气潜力评价、煤层气产出过程的动态参数变化、煤层气井的排采控制等方面的研究进展进行阐述。

一、煤储层富集高渗的研究现状

1.煤储层富集特征方面的研究

主要开展了煤层气成藏的基本条件和成藏过程等方面的研究。煤层气成藏基本条件方面，主要围绕着煤层气的生成、煤储层的物性、盖层、吸附解吸等方面进行了研究。成藏过程方面主要围绕构造动力条件、热动力条件、水动力条件、聚散动力条件等方面展开研究。

美国的煤层气工作者通过对本国煤储层地质条件及煤层气成藏进行研究，认为影响煤层气富集成藏的控制地质因素主要有：煤的沉积系统和煤层的分布、煤的演化程度（煤阶和甲烷气的生成）、煤中气体含量、煤层的渗透率、水动力因素、大地构造格局和构造条件等［9］，研究成果对美国煤层气的开发选区工作具有重要的指导意义。

我国煤层气研究者根据我国的地质特点，从热动力学条件、构造演化、封盖层、沉积环境、地下水动力条件及耦合叠加效应等方面对煤储层富集控气进行了卓有成效的研究。

热动力学条件不仅影响着煤的变质程度，同时还会引起煤孔裂隙结构、煤层气生成量的变化。研究者在实验室模拟测试的基础上，认为煤层气的成因主要有生物成因和热成因两种类型。低变质煤中主要是生物成因气，中高变质煤中主要是热成因气；提出了“煤化作用阶跃式控气”［10～12］的思想，并通过模拟实验对不同变质程度煤的生气量进行了表征。

构造对煤层气藏的形成和破坏主要表现在地质发展历史和构造样式两个方面。我国研究者把与煤层气富集有关的构造归纳为向斜构造、背斜构造、褶皱-逆冲推覆构造和伸展构造等4个大类10种型式［13～14］。研究成果对煤层气勘探开发战略选区具有指导意义。

盖层的封闭性在很大程度上决定了煤层气的保存量。研究者们在实验室对盖层的排驱压力、渗透率等参数进行了测试，结合数理模型，把盖层划分为屏蔽层、半屏蔽层和透气层。并根据其在不同构造发育区，划分出9类不同的盖层岩性组合类型［15］。提出了“生储盖组合形式”、“有效盖层厚度控气”的观点，为煤层气选区指明了方向。

沉积环境控制着煤层气的储/盖组合、煤储集层的几何形态、煤层厚度，并通过对沉积母质的控制，影响着煤储集层的含气性、吸附性和物性等。研究者基于我国煤层气地质背景条件，把沉积体系下的储/盖层条件划分成6种类型［16］，为煤层含气量预测提供了依据。

地下水动力条件的强弱对煤层气的富集与保存有重要的影响。煤层气研究者将水文地质区划分为供水区、强交替区、弱交替区、滞缓区、停滞区和泄水区六种类型［17～18］。认为：地下水动力条件强的地区煤层含气量比较低；地下水相对滞流的地区，煤层气含量较高。流动的地下水带走煤层甲烷的主要方式是通过水对甲烷的溶解作用，并使煤层甲烷的碳同位素发生分馏作用，使煤层甲烷碳同位素变轻［19～21］。

上述研究成果更多偏重于某一因素对煤层气富集的影响。事实上，煤层含气量的多少是多种因素耦合作用的结果。为了更准确地得出煤层气的富集成藏条件，国内煤层气研究者从多因素角度研究其控气作用。

煤层气科技工作者对我国研究区的构造演化史、沉积埋藏史、生烃史、热史及地下水动力条件等进行综合研究。认为：构造演化史、沉积埋藏史、生烃史的有利匹配是煤层气富集的先决条件；水动力条件强的区域不利于煤层气富集，滞流区有利于煤层气富集［22～24］。高煤阶煤层气藏中构造热事件对煤层气的生成、富集贡献较大；低阶煤地下水动力条件对气藏的调整和改造起到决定性的影响［25，26］。

研究者根据煤层气的成因及构造形态，提出了8种煤层气成藏类型，即：水压单斜型、水压向斜型、气压向斜型、断块型、背斜型、地层-岩性型、岩体刺窜型和复合类型的煤层气藏［27～29］。

综上所述，研究者大多以煤田、矿区、区块为研究单元，从煤储层本身特征、煤层所处的构造样式和构造形式、地下水的补给形式、煤层与其外在因素之间的耦合作用等角度进行了富集特征的研究，为我国煤层气富集区预测提供了重要的借鉴和帮助。

2.煤储层渗透率预测方面的研究

煤储层渗透率的大小是煤层导流能力的宏观表征。国内外煤层气科技工作者在煤储层渗透性预测方面做了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。现有的预测方法主要有以地质学为基础的方法，如构造曲率法、构造应力法等；以煤岩学为基础的方法，如裂隙观察法、煤体结构法等；还有借助一些实验测试、现场测试数据，采用多元回归法、BP神经网络法、灰色关联分析法等数学方法对渗透率进行预测的方法；或与计算机技术、地质学结合的综合预测方法，如数值模拟法、遥感测试法、测井/地震与煤岩结合法、地质强度因子法等。

构造曲率法预测渗透率是一种以裂隙成因为基础，用于评价裂隙发育情况的数学方法。应用构造曲率法需要两个基本前提，即所研究的地层必须是受构造应力作用发生了弯曲变形；基于煤岩体是完全的弹性体。在岩石力学性质相似的条件下，曲率越大，裂隙越发育，渗透性越好；但是，过高的构造曲率可能导致煤体结构强烈破碎，从而影响煤体裂隙的胀开［30～32］。确定构造曲率的临界值是此方法预测的难点和重点。

构造应力法主要是应用数值模拟方法对古构造应力场进行恢复。认为：古构造应力场控制了裂隙的样式，是控制裂隙发育程度的主控因素。当构造应力场最大主应力方向与储层的优势裂隙组发育方向一致时，裂隙受到张应力的作用，裂隙宽度增大，渗透率增高［33～35］。多期构造应力叠加增加了裂隙的复杂性，影响了渗透率预测结果的准确性。

裂隙观测法就是对煤岩宏观、微观裂隙进行统计，根据裂隙发育程度反映渗透率大小，更多的是基于统计学的思想，结合构造情况来对渗透率预测［36］。

煤体结构是煤的变形程度的反映，不同煤体结构的煤变形程度不同，导致渗透率大小存在一定的差异。通过野外露头、钻孔煤心直接观察或者利用测井曲线判识煤体结构，从而根据划分的煤体结构来判识渗透率的大小［37］。不同地区即使煤体结构相同，对应的渗透率的大小也可能存在较大差异。标定煤体结构与渗透率的对应关系是应用煤体结构预测渗透率的前提，由于煤体结构划分比较粗略，而渗透率大小是确定值，两者对应的准确程度对渗透率预测结果影响较大。

多元回归分析法、BP神经网络法、灰色关联分析法等都是根据大量的现场渗透率测试数据，基于地质条件、煤岩变形等属性基本相似的前提，通过建立数学模型来进行预测［38～40］。地质条件的复杂性、煤岩属性的差异性决定了此类预测方法的局限性。

一些研究者应用显微地层学和统计法、遥感探测技术等对煤层高渗区进行了预测。预测尺度相对宏观，预测结果与具体现场生产之间的匹配度存在不足［41，42］。另外，还有研究者应用模糊逻辑技术、地应力场与渗透率关系、马尔柯夫过程的原理和方法对渗透率进行了预测［43～46］，预测结果相对宏观，在此不再细致阐述。

综观国内外渗透率预测方面的研究，大致可分为定量预测和定性预测。不同的预测方法由于选择尺度、对地质条件的依赖程度、煤层属性的理解程度、测试手段的精确程度等的差异，导致预测结果存在较大差别。在具体应用时，需要根据研究区的具体情况，结合所掌握资料的翔实程度，选择恰当的预测方法对研究区的渗透性进行预测。

二、煤储层几何模型研究现状

1.煤储层孔隙结构特征的研究

煤储层既是煤层气的生气层，也是煤层气的储集层。煤储层的研究是进行煤层气产出研究的基础。煤是由植物经泥炭化作用和成煤作用后形成的，在植物形成煤炭的过程中及形成后，伴随有煤层气的生成。同时在煤层中形成了大小、形态不一的孔隙，这些孔隙成为煤层气的赋存空间。围绕着煤炭生成过程及后期地质构造对孔隙类型的控制作用，国内外研究者对煤中孔隙类型从成因角度进行了划分［47～51］。把气体逸出时在煤内形成的孔称为气孔；部分的植物细胞组织被保留后形成的孔称为残留植物组织孔；孔隙被矿物质充填后形成了次生孔隙或晶间孔；有些孔形成后又被溶蚀，称为溶蚀孔等。煤中孔隙类型的成因划分为进一步研究孔隙结构特征奠定了基础。

煤的孔隙类型的成因划分为更清晰地认识煤层气的生成起到了极大的推动作用，但对煤层气在其中的赋存状态、运移研究意义不大。为了更好地研究煤层气在煤层中的赋存、运移，国内外研究者借助各种测试仪器，对煤中的孔隙大小进行了表征。研究的视角、测试仪器的精度等的差异，导致不同的研究者对煤的孔径大小的分类存在一定的差异。其中代表性的孔径大小分类见表1-1。

仅仅知道煤层中孔隙的大小远远不能反映出煤孔隙结构特征。为了更好地表征煤储层孔隙的大小、形态、孔隙度、孔容、孔比表面等孔隙参量，国内外研究者采用压汞法、低温氮吸附法、光学显微镜、扫描电镜等方法对煤的孔隙参数进行了研究与表征，得出了不同地区孔隙结构特征［61～67］，为煤层气的运移产出研究奠定了基础。

基于不同的孔径分类，国内外研究者根据孔隙形态、不同的孔径得出煤层气在孔隙中的扩散类型。其中代表性的有：基于十进制的孔径分类，认为在大孔和中孔以管状、板状孔隙为主，易于气体的储集和运移，气体以容积型扩散为主；小孔和微孔以不平行板状毛细管孔和墨水瓶状孔为主，易于气体的储集，不利于气体的运移，气体以分子型扩散为主。从吸附运移特征角度对孔径进行分类，认为孔径以65nm为界限，分为吸附扩散和渗流两种状态，即孔径<65nm时，孔隙中的气体以扩散为主；孔径>65nm时，孔隙中的气体以渗流为主。孔径<8nm为表面扩散，8～20nm为混合扩散，20～65nm为Kundsen扩散；65～325nm为稳定层流；325～1000nm为剧烈层流；>1000nm时为紊流［68～73］。

为了研究不同变质程度煤的孔隙结构特征，研究者们主要采用压汞法、低温氮吸附法、光学显微镜、扫描电镜等方法对孔容、比表面积、孔隙度进行观察和测试，得出高变质程度的煤微孔发育、孔隙连通性差、吸附能力强，低变质程度煤大、中、过渡孔较多，孔隙连通性好、吸附能力差的结论，为不同变质程度煤中煤层气的运移产出研究奠定了基础［74～75］。

20世纪80年代末研究者们把分形几何学的思想引入到对煤的孔隙结构的研究中［76］。利用Menger海绵的构造思想模拟煤岩体的孔隙特性，结合孔径测试资料，得出不同孔径段的分形维数，对不同孔径段的孔隙离散性进行描述［77～81］，为孔隙复杂程度的表征提供了一种方法。

近年来，CT扫描技术、核磁共振（NMR）技术应用于煤孔裂隙的研究。利用CT技术，可实现对孔裂隙、矿物的发育形态、大小、方位、空间分布关系的定量精细描述［82～84］；利用核磁共振T2（岩石的横向弛豫时间）谱的分布能反映孔隙大小的分布，并能计算出残存水孔隙度和有效孔隙度［85］，为煤层气的运移产出机理的研究提供了更加可靠的依据。

2.煤储层裂隙结构特征的研究

煤储层裂隙是煤层气运移产出的主要通道。国外对裂隙的研究始于20世纪60年代的苏联。20世纪70年代美国进行了煤层气的勘探开发活动，把煤储层裂隙的研究推向高潮。国外把煤层中的裂隙称为割理，其中在煤层中延伸较远的称为面割理；仅发育在两条面割理之间的裂隙称为端割理［86～87］。

我国对煤层裂隙的研究开始于20世纪80年代。国内研究者在借鉴国外裂隙研究的基础上，根据煤层中裂隙发育情况提出了主裂隙和次裂隙的概念［88］。苏现波等［89］根据煤中裂隙的成因和形态，分成了内生裂隙、外生裂隙和继承性裂隙。张慧等［90］将内生裂隙进一步划分为失水裂隙、缩聚裂隙、静压裂隙，将外生裂隙进一步划分为张性裂隙、压性裂隙、剪性裂隙、松弛裂隙。这些研究成果都为不同裂隙对储层渗透率的贡献问题的研究奠定了基础。

为了对裂隙的长度、宽度、高度、充填特征、密度、裂隙度、产状、张开度、连通性等进行较精细的描述，国内研究者们通过手标本、扫描电镜观测、核磁共振成像法等［91～94］，对煤储层裂隙特征进行表征，认为由于煤中裂隙发育程度的差异，导致有些裂隙能相互沟通形成网状；有些裂隙部分沟通形成孤立的网状，而有些裂隙不能相互沟通，呈现孤立状，并据此对其渗透能力的强弱进行了划分，为煤层气渗流机理的研究奠定了基础。

3.煤储层几何模型的研究

煤储层的几何模型方面代表性的研究成果有Warrenh和Root的双重孔隙结构模型、苏现波的双直径球形孔隙结构模型和傅雪海的三元结构模型。

Warrenh和Root［95］把油气储层的双孔隙模型引入到煤层气储层中，认为：煤体是由基质孔隙和裂隙系统组成的双重孔隙介质，基质孔隙是气体储存的主要空间，裂隙系统是气体运移的主要通道，是煤层气井产能的主要贡献者。该模型主要考虑了内生裂隙对煤层气井产能的贡献，忽略了构造应力等作用形成的外生裂隙对煤层气运移的影响，对指导我国的煤层气开发具有很大的局限性。

苏现波［96］等在借鉴国外煤储层几何模型的基础上，根据煤经历地质构造运动后变形程度不同导致裂隙发育的差异，分别构建了针对原生结构煤和碎裂煤的三重结构模型及碎粒煤和糜棱煤的双直径球形几何模型。认为：原生结构煤和碎裂煤的储层渗透率的主要贡献者是外生裂隙，在无烟煤中更是如此，内生裂隙的主要贡献是沟通了基质块和外生裂隙的联系。对于碎粒煤和糜棱煤，煤储层中裂隙不甚发育，在这类储层内主要发生着两级扩散，即煤层气由基质微孔隙表面解吸扩散至基质大孔隙中，继而由基质大孔隙扩散至井筒产出。与Root的双重孔隙结构模型相比，此类模型更加全面。

傅雪海等［97］应用分形理论提出：煤储层孔裂隙系统是由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的三元结构系统。认为：宏观裂隙是渗透率的主要贡献者。宏观裂隙根据裂隙大小、形态特征和成因进一步分为大裂隙、中裂隙、小裂隙和微裂隙；显微裂隙根据其形态可分为阶梯状、雁列式、帚状和X式等；基于煤层气运移特征，将煤孔隙分为大孔、中孔、小孔、过渡孔和微孔等。

煤储层几何模型的构建，无疑对研究煤层气的运移产出机理和煤层气产能数学模型的构建提供了比较清晰的思路及方向。但我国煤储层孔隙结构、裂隙结构的复杂性，决定了仅仅通过某一种储层几何模型研究煤层气运移产出变化规律的局限性，急需在现有煤储层几何模型的基础上，进一步进行精细描述，以期为不同情况下煤层气运移产出机理研究提供基础。

三、煤层气产气潜力评价研究现状

20世纪80年代末到90年代初，是我国煤层气勘探的初始阶段。当时的煤层气选区评价，主要借鉴了美国的选区评价标准。当时美国主要以“中煤阶优势成藏理论”为选区的指导原则。在上述评价标准指导下，我国早期的煤层气资源评价和选区都以中煤阶含煤区为主，未考虑低煤阶褐煤、长焰煤和高煤阶无烟煤。

20世纪90年代初，借鉴美国煤层气成藏理论和选区方法、标准，结合我国地质条件，逐渐形成了我国煤层气勘探选区标准。首先根据煤的变质程度划分为低、中、高三种变质程度的煤，针对低、中、高三种变质程度的煤，分别从含气量、含气饱和度、渗透率、单层煤厚、累计厚度、资源丰度等参数进行界定和评价。与以前的评价方法相比，区分度更明显。但对于尺度相对小的情况，评价的区分度仍然较差。

煤层气的勘探开发是分步骤进行的。在此思想指导下，20世纪90年代中后期逐渐形成了阶梯优选资源评价方法，即“一剔除三筛选”方法。核心思想为：第一步是关键参数一票否决，当关键参数小于其临界值时，即认为没有继续评价的必要；第二步是面积-资源丰度筛选，通过对研究对象面积和资源丰度进行比较，利用黄金分割法分成四类，对于最差的一类不再进入下一级；第三步是渗透率筛选，通过对进入这一级的评价单元渗透率参数进行对比，利用黄金分割法分为两类，差的一类不进入下一级；第四步是产能筛选，对进入这一级的评价单元进行产能对比，分为两类，差的一类不进入下一级；第五步是经济评价筛选，方法同上。通过以上步骤筛选，对评价区等级进行了划分，评价的精度进一步提高。

21世纪初期，人们逐渐把数学的方法引入煤层气评价之中。采用层次分析法、BP神经网络法、灰色关联度法、灰色类聚法、综合突变理论、多模糊综合评价法、GIS与多模糊综合评价相结合的方法等对煤层气资源潜力进行评价，划分出有利区、较有利区和不利区等［98～101］。通过分析煤层气高产的影响因素，采用模糊物元的方法，结合勘探开发资料，对有利区进行了评价［102］，评价由定性向半定量方向发展。

这里特别要强调的是：20世纪90年代末期，池卫国提出了从地层能量的角度对煤层气进行有利区块优选。21世纪初期，以秦勇教授为代表的研究团队在这一思路基础上进行了拓展和延伸，从能量平衡系统的视角研究煤层气成藏的动力学条件及其配置关系。认为煤层弹性能由煤基质弹性能、水体弹性能、气体弹性能等构成，并基于物理模拟试验、煤岩应力应变、气体热力学、动力学等理论，构建了煤基质弹性能、水体弹性能、气体弹性能的数学模型。基于煤层气富集性依赖于有效压力系统，煤层气保存及可采性依赖于有效运移系统的指导思想，基于煤层弹性能，构建了煤层压力系统指数和煤层裂隙指数数学模型。以煤层弹性能为纽带，对煤层气成藏的宏观动力能、微观动力能进行定量表征，建立了包括煤储层裂隙发育程度系数、煤储层裂隙开合程度系数、煤储层压力系统发育程度系数等在内的煤层气成藏效应的三元判识标志，划分出27种成藏效应类型［103～110］，为高变质程度煤和中变质程度煤的开发靶区准确选择提供了较可靠的依据。基于煤层气成藏动力学分析，建立了煤层气地质选区理论与评价方法［111］。评价思想由表观逐渐向煤体内部扩展，评价结果更接近客观事实，但评价时对工程工艺方面的考虑较少。

四、煤层气井排采过程物性参数变化研究现状

煤层气井排采时，随着水的产出，会引起煤层的有效应力、含气量、渗透率、储层压力、孔隙度、产气量等一系列参数的变化，国内外研究者在这一方面也进行了大量的研究，其中渗透率的变化及主控参数方面的研究最多，在此也主要对其研究现状进行阐述。

1.排采过程中渗透率变化研究

排采时随着水的产出，煤基质所受应力增加，煤层中的裂隙被进一步挤压，煤层的导流能力下降，称之为煤岩弹性自调节负效应；当储层压力降低到气体的临界解吸压力以下时，气体开始解吸产出，引起煤基质收缩，煤层中裂隙被拉张，煤层的导流能力增加，称之为煤岩弹性自调节正效应。煤层气井排采时，在煤岩弹性正、负效应的综合作用下，裂隙的导流能力发生着变化。本次也从排采过程中煤储层渗透率的正、负效应角度阐述其变化的研究现状。

（1）排采过程中有效应力增加引起的煤岩弹性自调节负效应　有效应力是由K.Terzaghi提出，表征外力作用多相介质时，由固相介质承担的那部分外力［112］。排采时煤储层所受应力状态的改变，引起煤体内结构、流体流动状态等一系列的变化，这一现象可称为应力敏感性。研究者通过不断改进实验仪器设备的精度及条件得出与客观实际更贴近的试验结果。进行了应力-渗透率实验测试，引入敏感系数、有效应力等概念，建立了渗透率与有效应力之间的幂指数关系模型［113～118］。通过改变轴压、围压、天然裂隙数量、渗透率的各向异性等条件，得出了这些条件对渗透率的影响，并通过Bernabe和Berryman所提出的模型进行了解释［119～121］。一些研究者基于有效应力原理，通过理论分析得出了与实验结果相同的渗透率随有效应力的变化规律［122～123］，通过Cross-Plotting法对有效应力系数进行了确定，得出了渗透率随有效应力系数同步增减的结论［124］。

实验样品、测试环境、实验仪器本身、人为操作等的差异，导致采用实验测试手段得出的渗透率与有效应力的关系的个例较强，实验测试时间较长、测试费用相对较高、普适性受到较大影响。

为了得出一些具有相对普适性的数理模型，煤层气科技工作者基于双重变形介质理论、双重变形介质理论［125］、毛细管模型理论［126］、Biot理论［127］、细观损伤理论［128］、岩石力学与流体力学理论［129］、有效应力原理［130］等理论构建了流固耦合数理模型。研究成果多集中在油气藏，煤储层方面的流固耦合研究相对较少，且对于煤体复杂多变的结构特性考虑较少，在计算固体变形对渗透率的影响时，多集中在应力变形改变流体运移空间方面，在能量交换方面考虑较少，同时，排采过程中渗透率变化探讨的不仅仅是点的概念，导致目前的数理模型或实验测试结论在指导现场工程时存在一定的偏差。

（2）排采时气体解吸作用下引起的煤岩弹性自调节正效应研究　排采时气体的解吸引起表面自由能的变化，进而引起煤储层渗透率的变化。煤层气科技工作者通过三轴渗流实验［131～133］、煤体膨胀变形及自调节效应渗流实验［134］、孔隙度与渗透率模型、解吸运移气固耦合模型、非达西流双渗模型［135］、Seidle解吸渗流模型［136］、Shi-Durucan模型［137］、等效基质颗粒模型［138］、固体变形模型与Ji-Quan Shi模型［139］、自调节效应渗透率模型［140，141］得出了气体的解吸使储层渗透率有所回升的结论。

研究者通过实验测试、数学建模等方法，得出了煤层气井整个排采过程煤储层渗透率呈现“减少-增加”的变化规律，但对于基质收缩与有效应力间相互作用的力与能量的交换，气/水产出时煤体应力-结构的改变，不同煤岩本身属性、地应力特征、含气性特征等差异情况下基质收缩量、有效应力压缩量及两者相互之间的影响量却不能给出确定的回答，导致针对这些属性差异下的排采过程中渗透率的变化规律不能定量化，指导生产存在一定的局限性。

2.排采过程其他关键参数的变化研究

排采时不仅仅发生着煤储层渗透率的改变，事实是水的产出，引起了应力、含气量、渗透率、储层压力、产气量、孔隙度等一系列参数的联动变化。其中储层压力、产气量、孔隙度构成了煤层气井排采的外循环；应力变化、气含量变化和渗透率变化构成了煤层气井排采的内循环；控制压力变化是控制整个系统循环进行的基础。这一现象被称为双循环联动机制［142］。基于双循环联动机制，倪小明等［143］较系统地分析了煤层气井不同排采阶段储层物性的变化，为排采工作制度的制定奠定了基础。

围绕煤层气井排采时煤岩的弹性自调节正、负效应和内、外循环机制思想，煤层气科技工作者通过实验室岩心应力敏感性实验、煤层气数值模拟软件COM-ET2.0、ECLIPSE、Coalgas等模拟手段，得出渗透率随有效应力呈指数的变化规律的结论［144］。根据能量和质量守恒定律，采用压力增量迭代法，利用Matlab 7.11编写程序，得出排采过程中产水量与井底压力呈非线性的关系的结论。根据现场煤层气井的排采曲线，分析了产水量、动液面深度、套压等之间的关系，得出排采过程中排采参数具有明显的排采阶段特征的结论，需要针对不同的排采阶段进行分析［145～148］。

煤层气井排采过程中煤岩弹性自调节正、负效应模式以及双循环联动机制的提出，无疑为煤层气排采过程中物性参数的动态变化规律的研究指明了方向。排采是一个连续的、长期的过程，排采过程中各种参数的变化既受到本身固有属性的影响，同时受到外界条件变化的影响，是本身固有属性与外部条件耦合作用的结果。外部条件的多变性、内部固有属性的多样性，都可能导致排采过程中主控因素的变化，最终引起表现形式及变化规律的差异性。对于排采过程中各种物性参数的变化，需要继续根据煤层气井实际产气特征，在实验室测试、数值模拟和现场生产试验相结合的情况下，做更进一步的精细刻画和描述。

五、煤层气垂直井排采控制研究现状

制定合理的排采工作制度能够延长煤层气井产气高峰时间，提高煤层气井的产能。美国、加拿大等国家的煤储层主要是中-高渗煤储层，煤储层所受的构造动力影响小，排采制度的快慢对煤层气井产气量的影响较小，普遍以快速见气为排采手段，对我国排采制度的制定不具有借鉴意义。我国关于煤层气井排采理论的认识及合理排采制度的形成主要经历了三个阶段。

第一阶段：2003年以前的快速降压产气排采工作制度

这一阶段，主要以产气量为划分标准将排采阶段划分为排水降压、稳定产气、产气量下降三个阶段。排采初期以快速见气为目的，通过快速降低井底流压，实现煤层气井的快速产气。在煤储层原始渗透率较高、煤岩弹性模量较大、地应力较小的区域，采用此方法来进行煤层气井的排采，对煤层气井的产气量影响较小。随着煤层气开发井数量和深度的增加，发现快速排采导致渗透率下降快，初期产量高，但维持时间短，单井总产气量低。典型案例见于沁水盆地中段山西组3#煤层的煤层气开发，储层渗透率普遍在0.1mD以下，快速排采造成产气后3～5个月的短期高产和随之而来的后期无产量现象，教训惨重。所以，这种北美洲针对中-高渗煤储层排采理论指导下的排采制度，不适宜我国低渗透煤层气排采。

第二阶段：2004～2010年的“连续、渐变、稳定、长期”的排采工作制度

煤层气井排采以有效大面积降压和低成本开发为目标。煤层气产出时，会引起储层压力、渗透率、含气量等储层参数发生变化。快速排采往往造成渗透性急剧下降和有效降压面积有限。慢速排采则造成排采时间过长和增加开发成本。因此根据低渗煤储层渗流规律制定合理排采强度是煤层气井合理高产的基础。目前，数学建模［149］、COMET3模拟软件［150］、ECLIPSE E300三维双重孔隙介质多组分模拟器［151］等方法是研究模拟不同地质条件下排采过程中储层渗透性、储层压力等储层参数变化规律的主要技术。另外，基于渗流理论、排采机理［152］等理论分析以及Matlab［153］、Visual Modelflow［154］等软件模拟的方法，也广泛应用于排采过程储层渗透率等参数变化规律研究，为排采制度的制定提供了参考。

汲取快速排采失败教训后，人们发现我国低渗透煤储层排采具有自身特殊的规律，即排采期间低渗透煤层对应力变化极其敏感、渗透率急剧减小；研究了煤基质膨胀与收缩对产气量的影响，总结出“连续、渐变、稳定、长期”的排采工作原则，保障了相当一部分低渗透煤储层的正常合理排采产气。不同地区煤储层属性、围岩含水性及对煤层的补给量、见气时间等的差异性，导致这一指导思想对不同地区操作性方面存在较大差异，排采工作制度更多基于现场经验进行制定。

排采工作制度的合理性一定程度上决定了煤层气井的产气。为了研究煤层气垂直井在不同的排采阶段由于气、水产出引起的一系列的综合效应，最终对产气量的影响，制定出相对比较合理的排采工作制度。一些学者根据渗流力学理论、煤层气地质、岩体力学等理论，分析了煤层气井不同排采阶段由于水、气的产出引起的渗透率变化的因素，构成了排水采气数学模型，结合现场煤层气井实际排采资料及数值模拟的方法，得出煤层气井不同排采阶段排采工作制度［155～159］，并借助Visual Basic、Visual C++等开发语言，开发出煤层气排采控制决策系统［160］，为煤层气井排采工作制度的制定提供了理论指导。

一些学者通过实验室单相流驱替煤粉产出物理模拟实验，结合现场检泵、修泵时间等，得出煤粉产出量与液量、渗透率、围压等的关系，提出了现场煤粉浓度上限，为现场容易出煤粉的井的排采工作制度的制定提供了理论指导［161～163］。

第三阶段：2011年至今的“五段三压四点”式的排采工作制度

随着开发深度的加大，应力对煤储层渗透率的影响作用更明显，排采工作制度制定得合理与否对煤层气井产气量的影响作用越来越明显。为了制定出更符合现场煤层气井产气特点的工作制度，经过大量的实践探索，根据地层压力、解吸压力和井底流压的合理匹配，煤层气科技工作者把煤层气井的生产划分为“排水-憋压-控压-稳产-衰减”五个阶段，提出了密切关注地层“出水点、解吸点、放气点和稳产点”四个控制节点，形成了“五段三压四点”的排采控制技术，使煤层气井的排采把握住了关键点。一些学者根据现场煤层气井的排采曲线，得出煤层气产气曲线主要有“双峰型”、“台阶型”、“缓坡型”、“单峰型”和“直线型”五种类型［164］，更好地指导了煤层气井的排采。

这些研究成果无疑为煤层气井更科学、更合理的排采提供了指导。但对于不同地质条件、水文条件下煤层气井到底该采取何种排采工作制度，可操作性不太强，基于经验法的排采工作制度制定无法与多变的水文地质、煤储层属性特征相匹配。根据不同的储层类型制定相应的排采工作制度是提高现场可操作性、实用性的重要保障。