山西不同煤級(jí)儲(chǔ)層有效滲透率的實(shí)驗(yàn)研究

王紅冬張正喜王海生

(1.山西省煤炭地質(zhì)研究所,山西省太原市,030012; 2.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院,山西省太原市,030006)

★煤礦安全★

山西不同煤級(jí)儲(chǔ)層有效滲透率的實(shí)驗(yàn)研究

王紅冬1張正喜2王海生2

(1.山西省煤炭地質(zhì)研究所,山西省太原市,030012; 2.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院,山西省太原市,030006)

基于山西不同煤級(jí)煤巖體氣、水雙相滲透率實(shí)驗(yàn),探討了不同煤級(jí)儲(chǔ)層的有效滲透性特征、影響因素及隨含氣飽和度的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究表明,不同煤巖體相對(duì)滲透率顯示出“一高五低”的特點(diǎn),即殘余水飽和度高、等滲點(diǎn)相對(duì)滲透率低、CH4有效滲透率低、含氣飽和度低、兩相共流時(shí)跨度低、束縛水下CH4滲透率低。給出了各煤級(jí)煤氣、水滲透率與含氣飽和度呈冪函數(shù)關(guān)系。以此為基礎(chǔ),采用多元非線性回歸方法,構(gòu)建了氣、水相有效滲透率隨含氣飽和度變化的響應(yīng)模型。

煤層氣 有效滲透率 相對(duì)滲透率 山西省

煤儲(chǔ)層滲透率是控制煤層氣可經(jīng)濟(jì)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一,前人進(jìn)行了大量單相滲透率實(shí)驗(yàn)研究,探討了煤巖、煤級(jí)、應(yīng)力、煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)等因素對(duì)滲透率的影響,建立了一系列滲透率預(yù)測(cè)模型。然而,瓦斯排采過程為氣、水兩相流,其排采過程呈現(xiàn)的變化特征、受控因素以及如何建立綜合預(yù)測(cè)模型目前國(guó)內(nèi)還未見諸報(bào)道。本文采用非穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了CH4驅(qū)水物理模擬,再現(xiàn)了煤層氣排采過程中滲透率隨氣、水飽和度變化過程,力圖闡明氣、水有效滲透率隨含氣飽和度變化規(guī)律。

1 樣品采集

實(shí)驗(yàn)煤樣采自山西晉城、長(zhǎng)治、霍州礦區(qū),煤類為肥煤～3#無煙煤,鏡質(zhì)組最大反射率Ro,max0.89%～2.87%,鏡質(zhì)組含量55.7%～88.1%、惰質(zhì)組11.9%～34.4%、殼質(zhì)組0%～9.9%(見表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)裝置、樣品制備及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法參照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),氣、水相對(duì)滲透率測(cè)定方法進(jìn)行,氣體改用CH4(原標(biāo)準(zhǔn)用He),考慮煤對(duì)CH4和水的吸附性,穩(wěn)定時(shí)間由2 h增加到12 h,水飽和時(shí)間在48 h以上。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

氣、水相有效滲透率實(shí)驗(yàn)是在石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院開發(fā)所進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)Terra Tek公司生產(chǎn)的全直徑巖心流動(dòng)儀。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要用于模擬地應(yīng)力和油藏壓力條件下巖石的滲透性。模擬最高圍限壓力為70 MPa,流體壓力為65 MPa。實(shí)驗(yàn)設(shè)備由壓力系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和巖心夾持器、分離器等組成,其中Quiziz泵是該系統(tǒng)的核心,其主要功能是控制流體的排量,并為系統(tǒng)提供恒定壓力和恒定流量,其操作是由Runpump軟件控制。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還有一套完整的巖樣制備和常規(guī)巖心分析設(shè)備支持,系統(tǒng)所有的測(cè)量系統(tǒng)每年由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局進(jìn)行標(biāo)定校核。

2.2 樣品制備

從井下新揭露的工作面采取邊長(zhǎng)大于30 cm、形狀較規(guī)整的大塊煤樣,裝入黑色塑料袋,用寬膠帶包扎好,運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,每件煤樣沿層理方向在大煤塊鉆取直徑為50 mm,高為100 mm的大圓柱樣(用于氣、水有效滲透率實(shí)驗(yàn)),將端面切平整,加工精度按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)推薦的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。并取端部的碎煤樣用于煤質(zhì)、煤巖分析等實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

在煤樣完全被水飽和后,根據(jù)氣相有效滲透率選擇好初始?jí)翰?并保持2.5MPa的有效應(yīng)力,開始用加濕的CH4氣驅(qū)水,記錄各個(gè)時(shí)刻的驅(qū)替時(shí)間、驅(qū)替壓差、累計(jì)水、氣流量和初始見氣點(diǎn)。一般2 h以后,水流十分緩慢或幾乎不流動(dòng),再在保持有效應(yīng)力不變的情況下,緩慢增加氣體壓力,繼續(xù)測(cè)量和記錄,直至水體不流動(dòng),氣流量穩(wěn)定后,測(cè)量束縛水狀態(tài)下的氣相有效滲透率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:山西省各煤樣束縛水飽和度(Swo)47.6%～74.1%,平均為66.42%,而美國(guó)為21.2%～44.2%,平均為35.3%,約為我國(guó)的一半;束縛氣飽和度(Sgo) 0.56%～35.6%,平均10.74%,而美國(guó)為2.3%～32.2%,平均12.3%,兩者相差不大。在氣水相對(duì)滲透率曲線交叉點(diǎn),氣水相對(duì)滲透率平衡值為5%～7.2%,平均5.96%,而美國(guó)22.4%～78.9%,平均43.3%,兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí);等滲點(diǎn)處CH4有效滲透率0.002～0.233 mD,平均0.056 mD;等滲點(diǎn)氣飽和度10%～26.9%,平均14.8%,而美國(guó)22.4%～78.9%,平均43.3%,亦遠(yuǎn)大于我國(guó);兩相共流跨度為16.8%～26.7%,平均22.84%,不到美國(guó)46.6%～53.5%的一半;我國(guó)束縛水下CH4滲透率為0.0023～0.633 mD,平均0.165 mD(見表2)。總的來說,相對(duì)美國(guó),山西省不同煤巖體相對(duì)滲透率測(cè)試結(jié)果顯示出“一高五低”的特點(diǎn),即殘余水飽和度高、等滲點(diǎn)相對(duì)滲透率低、CH4有效滲透率底、含氣飽和度低、兩相共流跨度低、束縛水下CH4滲透率低,這就決定了我國(guó)煤層氣難于解吸、氣產(chǎn)量低、產(chǎn)氣高峰來臨時(shí)間早、氣井服務(wù)年限短等特點(diǎn)。

表2 各煤級(jí)煤相對(duì)滲透率特征

4 氣、水滲透率變化規(guī)律

(1)各煤級(jí)煤隨氣、水飽和度變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析顯示,煤的氣、水滲透率隨含氣飽和度動(dòng)態(tài)變化滿足冪函數(shù)規(guī)律。

式中:Kg——?dú)庀?CH4)滲透率,mD;

Sg——?dú)庀囡柡投?%;

Kw——水相相對(duì)滲透率,mD;

a,b,m,n——擬合系數(shù)。

對(duì)5個(gè)煤樣的相對(duì)滲透率測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合,獲得有效滲透率模型擬合參數(shù)(見圖1、表3)。結(jié)果顯示:冪函數(shù)關(guān)系與實(shí)測(cè)結(jié)果非常吻合,相關(guān)系數(shù)幾乎都在0.99以上;a介于0.0038～4595.62之間;b介于0.41～17.28之間;m介于0.0041～ 1.53之間;n介于7.70～18.41之間。

表3 實(shí)測(cè)煤樣滲透率擬合參數(shù)

(2)影響因素分析。從單煤樣有效滲隨飽和度變化規(guī)律模型上可以看出,擬合參數(shù)a、m不隨氣、水飽和度變化而變化,實(shí)質(zhì)是反映煤巖體氣、水絕對(duì)滲透率特征;b、n反映氣、水滲透率隨飽和度變化而變化的幅度。通過分析相應(yīng)煤樣實(shí)測(cè)滲透率資料進(jìn)一步佐證了前面基于數(shù)學(xué)模型的推論:氣相有效滲透率擬合參數(shù)a、b與CH4克氏滲透率存在明顯正相關(guān)關(guān)系;為了排除CH4克氏滲透率對(duì)b參數(shù)影響,采用b’(b/CH4克氏滲透率比)參數(shù)與鏡質(zhì)組反射率分析看,其與鏡質(zhì)組反射率呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖2(a));m與煤級(jí)關(guān)系不明顯,與水單相滲透率存在明顯正相關(guān)關(guān)系,n隨著鏡質(zhì)組反射率增高呈降低趨勢(shì),其隨含氣飽和度的變化趨勢(shì)與水相有效滲透率關(guān)系不明顯(見圖2 (b))。

圖1 氣、水滲透率隨飽和度變化曲線

圖2 有效滲透率擬合參數(shù)、滲透率及煤級(jí)綜合關(guān)系

(3)滲透率響應(yīng)模型。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)相關(guān)因素分析,采用多元非線性回歸分析方法,建立了耦合煤級(jí)的氣相有效滲透率隨含水飽和度變化模型:

式中:Kg——?dú)庀嘤行B透率,mD;

KCH4——煤樣CH4克氏滲透率,mD;

Sg——含氣飽和度,%。

同理,建立了耦合煤級(jí)水相有效滲透率隨含水飽和度變化模型:

式中:Kw——水相有效滲透率,mD。

模型相關(guān)系數(shù)均在0.95以上,說明模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合很好。另外,采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型對(duì)比分析看(見圖3),模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,顯示模型能夠較好反映氣相有效滲透率、水相有效滲透率隨含氣飽和度的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

通過山西省不同煤級(jí)煤巖體氣驅(qū)水物理模擬,再現(xiàn)了排采過程中氣、水相有效滲透率變化過程,分析了不同煤級(jí)煤滲透率隨含氣飽和度變化規(guī)律,獲得以下認(rèn)識(shí)和成果。

圖3 模型結(jié)果與有效滲透率實(shí)測(cè)

(1)不同煤巖體相對(duì)滲透率測(cè)試結(jié)果顯示出“一高五低”的特點(diǎn),即殘余水飽和度高、等滲點(diǎn)相對(duì)滲透率低、CH4有效滲透率、含氣飽和度低、兩相共流區(qū)跨度低,束縛水下CH4滲透率低。

(2)各煤級(jí)煤的氣、水滲透率隨含氣飽和度動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)冪函數(shù)規(guī)律,其中擬合參數(shù)a,m分別與CH4克氏滲透率、水相有效滲透率呈正相關(guān)關(guān)系;而擬合參數(shù)b受控于煤級(jí)且與煤級(jí)呈負(fù)相關(guān),而與CH4克氏滲透率正相關(guān)。n呈現(xiàn)出與煤級(jí)較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)基于多元非線性回歸程序,建立了氣、水滲透率隨飽和度變化綜合響應(yīng)模型,模型檢驗(yàn)顯示其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合。

[1]massarotto P.4～D coal permeability under true triaxial stresses and constant volume conditions.In,Division of ChemicalEngineering.Brisbane:Universityof Queensland,2002

[2]傅雪海,秦勇,姜波等.山西沁水盆地中南部煤儲(chǔ)層滲透率物理模擬與數(shù)值模擬[J].地質(zhì)科學(xué),2003(2)

[3]楊勝來,崔飛飛,楊思松等.煤層氣滲流特征實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)煤層氣,2005(2)

[4]George JDS,Barakatma.The change in effective stress associated with shrinkage from gas deportation in coal[J]. International Journal of Coal Geology,2001(45)

[5]Harpalani S,Zhao X.An investigation of the effect of gas desorption on coal permeability for mation.In,Coalbed Methane Symposium.Tuscaloosa,Alabama,1989

[6]陳金剛,秦勇,傅雪海.高煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透率在煤層氣排采中的動(dòng)態(tài)變化數(shù)值模擬[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(1)

[7]傅雪海,秦張.高煤級(jí)煤基質(zhì)力學(xué)效應(yīng)與煤儲(chǔ)層滲透率耦合關(guān)系分析[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào),2003(3)

[8]秦勇,傅雪海,吳財(cái)芳等.高煤級(jí)煤儲(chǔ)層彈性自調(diào)節(jié)作用及其成藏效應(yīng)[J].科學(xué)通報(bào),2005(S1)

[9]周軍平,鮮學(xué)福,姜永東等.考慮有效應(yīng)力和煤基質(zhì)收縮效應(yīng)的滲透率模型[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(1)

[10]秦勇,曾勇譯.煤層甲烷儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及生產(chǎn)技術(shù)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1996

(責(zé)任編輯 梁子榮)

Research on the effective permeability of reservoirs in coalmass of different ranks in Shanxi Province

WangDonghong1,Zhang Zhengxi2,Wang Haisheng2
(1.Shanxi Provincial Institute of Coal Geology,Taiyuan,Shanxi province 030012,China; 2.Shanxi Provincial Research institute of Coal Geology Survey,Taiyuan,Shanxi province 030012,China)

Based on experiment of the gas-water phase permeability of coal mass of different ranks in Shanxi Province,characteristics of the effective permeability of reservoirs in coal mass of different ranks are identified togetherwith factors affecting the permeability and patternsof changesof saturation in reservoirs.Research indicates that the relative permeability of different coalmass is characterized by high saturation of residualwater,with low relative permeability at isos motic points,low effective CH4per meability,low gas saturation in low salinity,low per meability range in two-phase flow,and low CH4per meability under irreducible water.The gas-waterpermeability in coalmassof different rankspresents a power function with the gas saturation,based on which,a response model is developed,using nonlinearmultivariate regression,to demonstrate the change of the effective gas-water phase per meabilitywith the level of gas saturation.

coal-bed methane,effective permeability,relative permeability,Shanxi Province

TD712

A

王紅冬(1966-),女,山西運(yùn)城人,高級(jí)工程師,從事煤層氣研究。