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[摘 要]煤层中的气体（煤层气）主要呈吸附状态，固体煤和吸附气体之间的相互作用关系是目前人们关心的问题，它与煤矿瓦斯防治和煤层气开采有关。根据表面物理化学和弹性力学原理，推导了煤吸附膨胀变形、吸附膨胀应力及有效应力计算公式，理论计算结果和试验结果基本一致。本文主要针对含吸附煤层气煤的有效应力进行分析，思考了含吸附煤层气煤的有效应力表现在哪些方面，以及有效应力是如何表现出来的，希望能够为今后的含吸附煤层气煤的有效应力方面研究提供借鉴。
[关键词]含吸附煤层，气煤，应力
中图分类号：TD713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）22-0006-01
前言
准确测量煤层气资源的位置和含量很重要。而且煤層气的开发不同于天然气，有很大的难度，精确测量关于煤层气的各个参数就显得更为重要。当前，在含吸附煤层气煤的有效应力的过程中，研究还不够深入，因此，我们有必要更加深入的进一步分析含吸附煤层气煤的有效应力问题，提高对其研究的水平。
1、中国煤层气勘探开发问题分析
土体是非线性的弹塑性体，由固态、液态、气态三相组成，其中固体颗粒占有主要部分，他们形成了有孔隙的骨架结构。骨架中含有孔隙水，孔隙水所承担的压力为孔隙水压力，它是一种中性力。作用在骨架单位面积上的应力为有效应力，是一种面积力。土体重力，水压力，外荷载作用力三者之和为总应力。依据太沙基有效应力原理，有效应力为作用在饱和土体上的总应力与孔隙水压力之差。即：有效应力=总应力-孔隙水压力。而土体的强度和土的变形主要取决于有效应力，而并非总应力，二者不能混淆。
众所周知，目前我国的沁水盆地中南部地区的煤层气的勘探开发利用发展较为快速，但其他地区的开发利用还停留在比较基础的阶段，因为：
（1）由于起步较晚，我国的CBM基础理论一般是从美国的技术学习而来，虽然美国的技术相对成熟，但是中国的地质结构特殊，结合中国煤层自身特点的赋存条件的指导理论研究尚且不足；
（2）石油天然气开发技术一直影响我国CBM的开发，我国的CBM开发工艺没有考虑到CBM独特的生储特性，没有做到具体问题具体分析。
资料显示，地质的演化或者现阶段地质的构造状况对CBM的开采影响十分巨大。由于我国的含煤岩系是经历了多期构造作用的影响而保存，与其他国家大为不同。煤体结构较为特殊，降低了煤层气的渗透性能且影响产能输出；同时，由于煤是自生自储，它与石油天然气的储层截然不同，多种因素制约着它的产能，例如CBM的勘探理论或者开采工艺技术，以及国家能源政策制约了对外合作，科技人才的短缺等。CBM产业属于新型能源行业，其国内的总体趋势是大步向前发展的。
2、有效应力对煤层气解吸渗流影响
随着我国经济的迅猛发展，各行各业对能源的需求与日俱增，煤层气作为一种新型的清洁能源，其开发利用可以在一定程度上减缓我国石油与天然气供应短缺的状况，从根本上消除煤炭开采中潜在的安全隐患，并大量减少甲烷排放所造成的环境污染，以改变我国的能源结构，具有重要战略意义。
排采制度对煤层气藏开发效果影响很大。煤层气储层应力敏感性较强，受有效应力影响较大，排采过快易导致煤层气有效应力增加，储层物性受到损害，从而降低煤层气产量；而排采过慢则会导致经济效益受损。目前阶段，计算煤层气储层有效应力多采用将基质与割理笼统考虑的方法，但在实际煤层气排采过程中，基质与割理内部流体流动规律不同，流体压力也不同，故基质与割理所受的有效应力也不同。
煤层气的开采实际上经历了解吸、扩散、渗流3个连续阶段，首先煤体微孔隙内表面吸附煤层气因孔隙压力降低而解吸，扩散至裂隙中转变为游离态煤层气，然后由于裂隙和钻井井孔之间的压力梯度和煤层气的浓度梯度而产生煤层气渗流，从而游离态气体向井孔移动，最后由井孔抽出。在此过程中，当煤储层压力降至解吸临界压力以下时，解吸量随煤储层压力继续下降而不断增多，从而提高解吸速度；另一方面，在煤层气的运移过程中，随着煤储层压力降低使得煤体发生变形，促进煤体孔隙和裂隙的扩展和延伸，煤层渗透系数增大，进而提高渗流作用效果，因此地应力是影响煤层气解吸、扩散、渗流和产量高低的重要因素。
3、煤层气储层有效应力的计算
3.1 煤储层有效应力分析
在煤层气的实际排采中，首先要抽离储层中的承压水、钻井液及压裂液，以降低储层压力，使气体从基质孔隙表面解吸。在该过程中，由于割理系统的渗透率较高，气、水两相流动较快，因此割理系统内部的压力处于不断变化之中，而基质孔隙直径很小，渗透率极低，一般认为水相无法进入其中，且吸附于孔隙表面的气体解吸需要一定的时间，所以在同等时间下，基质孔隙内流体流动非常缓慢，流体压力变化很小，与割理系统存在明显的不同。
基质孔隙内部的流体压力明显高于割理系统内部的流体压力；同一时间下，割理系统内部流体压力较小、下降较基质孔隙更快，而有效应力为上覆岩层压力与内部流体压力之差，所以相对于基质孔隙而言，割理系统的有效应力更大、增长也更快。因此，在煤层气的排采过程中，应当充分考虑储层的应力敏感所带来的影响，将排采速度保持在一个适当的数值，使得割理系统的有效应力缓慢增加，尽可能减小气体产量、经济效益等各方面的损失。
3.2 煤储层有效应力的计算
目前，对煤层气储层有效应力的计算多采用将基质与割理系统共同考虑的思路，忽略了两者内部流体压力变化的差异。由前述分析可知，现有的方法存在明显的弊端。考虑到割理系统对煤层气排采的重要性，本文将其与基质分开考虑，分别对两者的有效应力进行计算。
考虑上覆岩层压力及基质与割理之间相互作用力的影响，可以得到二者有效应力式（1）、式（2）：
式中，P'm，P'f分别为基质、割理系统的有效应力。
将上述案例中的数据代入计算，以投产10d、井眼处的压力为例，并假设该煤层气藏上覆岩层压力为10MPa。
可以得到井眼处基质压力Pm=2.85MPa，割理压力Pf=2.0MPa，分别代入式（1）、式（2）中计算得P'm=8MPa，P'f=8.85MPa，即煤层气投产进入第10d时，井眼处基质有效应力为8MPa，割理系统有效应力为8.85MPa。
同理可以计算得到煤层气投产10，50，100，500，1250，2500d。
随着煤层气开采时间的延长，储层基质与割理系统有效应力均变大，但在同一时间下，割理系统有效应力均大于基质孔隙有效应力。综上，由于割理系统的特殊性，煤层气储层的应力敏感性主要指割理系统的应力敏感。排采过程中，为提高煤层气产量，可以通过减小基质与割理系统的相互作用力来减小有效应力的增加，即在排水降压的过程中，严格控制排水速度。基质孔隙的直径很小，气体在其中的渗流非常缓慢，而割理系统作为主要渗流通道，气、水两相在其中的渗流很快，在相同时间内，基质孔隙内的压力变化非常微弱，甚至为零，而割理系统的压力变化则较为明显，以至于从基质孔隙表面解吸下来的气体无法迅速弥补割理系统中排出的地层水所亏空的体积，从而导致两者之间相互作用力的增加。
4、结束语
综上所述，对于含吸附煤层气煤的有效应力，我们应当更加清楚其发展问题，同时，要明确在发展过程中，含吸附煤层气煤的有效应力如何更好的达到应用，这才是最关键的研究方向。
参考文献
[1] 刘红林，王红岩，张建博.煤层气吸附时间计算及其影响因素分析[J].石油实验地质，2017，23（4）：365-367.
[关键词]含吸附煤层，气煤，应力
中图分类号：TD713 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）22-0006-01
前言
准确测量煤层气资源的位置和含量很重要。而且煤層气的开发不同于天然气，有很大的难度，精确测量关于煤层气的各个参数就显得更为重要。当前，在含吸附煤层气煤的有效应力的过程中，研究还不够深入，因此，我们有必要更加深入的进一步分析含吸附煤层气煤的有效应力问题，提高对其研究的水平。
1、中国煤层气勘探开发问题分析
土体是非线性的弹塑性体，由固态、液态、气态三相组成，其中固体颗粒占有主要部分，他们形成了有孔隙的骨架结构。骨架中含有孔隙水，孔隙水所承担的压力为孔隙水压力，它是一种中性力。作用在骨架单位面积上的应力为有效应力，是一种面积力。土体重力，水压力，外荷载作用力三者之和为总应力。依据太沙基有效应力原理，有效应力为作用在饱和土体上的总应力与孔隙水压力之差。即：有效应力=总应力-孔隙水压力。而土体的强度和土的变形主要取决于有效应力，而并非总应力，二者不能混淆。
众所周知，目前我国的沁水盆地中南部地区的煤层气的勘探开发利用发展较为快速，但其他地区的开发利用还停留在比较基础的阶段，因为：
（1）由于起步较晚，我国的CBM基础理论一般是从美国的技术学习而来，虽然美国的技术相对成熟，但是中国的地质结构特殊，结合中国煤层自身特点的赋存条件的指导理论研究尚且不足；
（2）石油天然气开发技术一直影响我国CBM的开发，我国的CBM开发工艺没有考虑到CBM独特的生储特性，没有做到具体问题具体分析。
资料显示，地质的演化或者现阶段地质的构造状况对CBM的开采影响十分巨大。由于我国的含煤岩系是经历了多期构造作用的影响而保存，与其他国家大为不同。煤体结构较为特殊，降低了煤层气的渗透性能且影响产能输出；同时，由于煤是自生自储，它与石油天然气的储层截然不同，多种因素制约着它的产能，例如CBM的勘探理论或者开采工艺技术，以及国家能源政策制约了对外合作，科技人才的短缺等。CBM产业属于新型能源行业，其国内的总体趋势是大步向前发展的。
2、有效应力对煤层气解吸渗流影响
随着我国经济的迅猛发展，各行各业对能源的需求与日俱增，煤层气作为一种新型的清洁能源，其开发利用可以在一定程度上减缓我国石油与天然气供应短缺的状况，从根本上消除煤炭开采中潜在的安全隐患，并大量减少甲烷排放所造成的环境污染，以改变我国的能源结构，具有重要战略意义。
排采制度对煤层气藏开发效果影响很大。煤层气储层应力敏感性较强，受有效应力影响较大，排采过快易导致煤层气有效应力增加，储层物性受到损害，从而降低煤层气产量；而排采过慢则会导致经济效益受损。目前阶段，计算煤层气储层有效应力多采用将基质与割理笼统考虑的方法，但在实际煤层气排采过程中，基质与割理内部流体流动规律不同，流体压力也不同，故基质与割理所受的有效应力也不同。
煤层气的开采实际上经历了解吸、扩散、渗流3个连续阶段，首先煤体微孔隙内表面吸附煤层气因孔隙压力降低而解吸，扩散至裂隙中转变为游离态煤层气，然后由于裂隙和钻井井孔之间的压力梯度和煤层气的浓度梯度而产生煤层气渗流，从而游离态气体向井孔移动，最后由井孔抽出。在此过程中，当煤储层压力降至解吸临界压力以下时，解吸量随煤储层压力继续下降而不断增多，从而提高解吸速度；另一方面，在煤层气的运移过程中，随着煤储层压力降低使得煤体发生变形，促进煤体孔隙和裂隙的扩展和延伸，煤层渗透系数增大，进而提高渗流作用效果，因此地应力是影响煤层气解吸、扩散、渗流和产量高低的重要因素。
3、煤层气储层有效应力的计算
3.1 煤储层有效应力分析
在煤层气的实际排采中，首先要抽离储层中的承压水、钻井液及压裂液，以降低储层压力，使气体从基质孔隙表面解吸。在该过程中，由于割理系统的渗透率较高，气、水两相流动较快，因此割理系统内部的压力处于不断变化之中，而基质孔隙直径很小，渗透率极低，一般认为水相无法进入其中，且吸附于孔隙表面的气体解吸需要一定的时间，所以在同等时间下，基质孔隙内流体流动非常缓慢，流体压力变化很小，与割理系统存在明显的不同。
基质孔隙内部的流体压力明显高于割理系统内部的流体压力；同一时间下，割理系统内部流体压力较小、下降较基质孔隙更快，而有效应力为上覆岩层压力与内部流体压力之差，所以相对于基质孔隙而言，割理系统的有效应力更大、增长也更快。因此，在煤层气的排采过程中，应当充分考虑储层的应力敏感所带来的影响，将排采速度保持在一个适当的数值，使得割理系统的有效应力缓慢增加，尽可能减小气体产量、经济效益等各方面的损失。
3.2 煤储层有效应力的计算
目前，对煤层气储层有效应力的计算多采用将基质与割理系统共同考虑的思路，忽略了两者内部流体压力变化的差异。由前述分析可知，现有的方法存在明显的弊端。考虑到割理系统对煤层气排采的重要性，本文将其与基质分开考虑，分别对两者的有效应力进行计算。
考虑上覆岩层压力及基质与割理之间相互作用力的影响，可以得到二者有效应力式（1）、式（2）：
式中，P'm，P'f分别为基质、割理系统的有效应力。
将上述案例中的数据代入计算，以投产10d、井眼处的压力为例，并假设该煤层气藏上覆岩层压力为10MPa。
可以得到井眼处基质压力Pm=2.85MPa，割理压力Pf=2.0MPa，分别代入式（1）、式（2）中计算得P'm=8MPa，P'f=8.85MPa，即煤层气投产进入第10d时，井眼处基质有效应力为8MPa，割理系统有效应力为8.85MPa。
同理可以计算得到煤层气投产10，50，100，500，1250，2500d。
随着煤层气开采时间的延长，储层基质与割理系统有效应力均变大，但在同一时间下，割理系统有效应力均大于基质孔隙有效应力。综上，由于割理系统的特殊性，煤层气储层的应力敏感性主要指割理系统的应力敏感。排采过程中，为提高煤层气产量，可以通过减小基质与割理系统的相互作用力来减小有效应力的增加，即在排水降压的过程中，严格控制排水速度。基质孔隙的直径很小，气体在其中的渗流非常缓慢，而割理系统作为主要渗流通道，气、水两相在其中的渗流很快，在相同时间内，基质孔隙内的压力变化非常微弱，甚至为零，而割理系统的压力变化则较为明显，以至于从基质孔隙表面解吸下来的气体无法迅速弥补割理系统中排出的地层水所亏空的体积，从而导致两者之间相互作用力的增加。
4、结束语
综上所述，对于含吸附煤层气煤的有效应力，我们应当更加清楚其发展问题，同时，要明确在发展过程中，含吸附煤层气煤的有效应力如何更好的达到应用，这才是最关键的研究方向。
参考文献
[1] 刘红林，王红岩，张建博.煤层气吸附时间计算及其影响因素分析[J].石油实验地质，2017，23（4）：365-367.