煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及意義

郭紅玉 蘇現(xiàn)波

1.河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及意義

郭紅玉1,2蘇現(xiàn)波1,2

1.河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

煤層氣的運(yùn)移產(chǎn)出流態(tài)是煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ),目前煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)大多采用達(dá)西滲流模型,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相差較大,因此判定煤層氣在儲(chǔ)層內(nèi)部的運(yùn)移流態(tài)至關(guān)重要。在RM T-150B巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出一套測(cè)試啟動(dòng)壓力梯度的裝置,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到流經(jīng)煤樣的氣體流速與壓力平方差,而兩者并非通過(guò)原點(diǎn)的線性關(guān)系,證明啟動(dòng)壓力梯度的存在。通過(guò)測(cè)試不同煤樣的啟動(dòng)壓力梯度與滲透率,其回歸曲線表明:兩者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,相關(guān)度達(dá)0.933,且隨著滲透率降低,其啟動(dòng)壓力梯度逐步增大,在低滲透階段增加趨勢(shì)就更加明顯。煤的啟動(dòng)壓力梯度存在證明煤層氣運(yùn)移流態(tài)為非線性滲流,該結(jié)論對(duì)改進(jìn)煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型有指導(dǎo)意義。

煤層氣 流體流動(dòng) 啟動(dòng)壓力梯度 滲透率 非達(dá)西流 生產(chǎn)能力 預(yù)測(cè) 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

0 引言

最早提出啟動(dòng)壓力梯度概念的是1951年前蘇聯(lián)的B.A.費(fèi)勞林,他認(rèn)為只有當(dāng)實(shí)際壓力梯度大于某一臨界值時(shí),流動(dòng)才能發(fā)生,此臨界值稱為啟動(dòng)壓力梯度[1-2]。開發(fā)低滲透油氣藏的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中的流體滲流不再遵循達(dá)西定律,而是帶有啟動(dòng)壓力梯度的非線性滲流[3-4]。到目前為止,確定低滲透油氣藏非達(dá)西流啟動(dòng)壓力梯度的方法主要有室內(nèi)測(cè)試法、數(shù)值實(shí)驗(yàn)法、理論計(jì)算法、生產(chǎn)分析法、穩(wěn)定試井和不穩(wěn)定試井,注水見效時(shí)間預(yù)測(cè)法等[5],其中室內(nèi)測(cè)試又可分為“氣泡法”、“毛細(xì)管平衡法”、“穩(wěn)壓法”和“壓差—流量法”等,測(cè)試對(duì)象基本是砂巖儲(chǔ)層,而對(duì)煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的測(cè)試還未見報(bào)道。

目前煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的主要依據(jù)是達(dá)西滲流理論,造成產(chǎn)能預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確,例如張冬麗等在模擬煤層氣羽狀水平井產(chǎn)能時(shí)發(fā)現(xiàn):考慮啟動(dòng)壓力梯度梯度將使降壓效果變差,產(chǎn)量大幅度減小[6-7]。因此要正確預(yù)測(cè)產(chǎn)能,就必須正確認(rèn)識(shí)其儲(chǔ)層特征和滲流規(guī)律,前提條件是準(zhǔn)確測(cè)試煤儲(chǔ)層的啟動(dòng)壓力梯度,這對(duì)煤層氣開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

1 啟動(dòng)壓力梯度測(cè)定原理

采用吳凡等計(jì)算砂巖啟動(dòng)壓力梯度的方法[8-9],當(dāng)不考慮啟動(dòng)壓力梯度時(shí)的氣體滲流方程為:

式中:v為氣體流速,m/s;K為滲透率,m2;p1為入口壓力,Pa;p2為出口壓力,Pa;p0為大氣壓力,101 325 Pa;μ為氣體黏度,Pa·s;L為氣體流經(jīng)長(zhǎng)度,m。

可以看出,v與 p12-p22為通過(guò)原點(diǎn)的線性關(guān)系。當(dāng)存在啟動(dòng)壓力梯度時(shí)應(yīng)該為:

式(2)中 a、b為常數(shù),令 v=0,則 p1與 p2關(guān)系為:

所以啟動(dòng)壓力梯度為:

因此,只要通過(guò)回歸 v與 p12-p22之間關(guān)系,求出常數(shù)a和b,代入式(4)就可計(jì)算啟動(dòng)壓力梯度。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 樣品制備與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

樣品采自陽(yáng)泉煤電集團(tuán)寺家莊煤礦的15#煤層,加工成`50×50 mm的煤心,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括密封橡膠套、試驗(yàn)機(jī)加載及控制系統(tǒng)、高壓氣源、氣體流量及壓力測(cè)試等幾部分(見圖1)。

圖1 啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試系統(tǒng)圖

由于改造的樣品室僅能容下`50×50 mm的煤樣,因此在不影響測(cè)試啟動(dòng)壓力梯度的前提下,沒(méi)有采用巖石力學(xué)測(cè)試常規(guī)的樣品尺寸`50×100 mm(高為直徑的2倍)。干燥基煤樣的工業(yè)分析結(jié)果為:灰分6.43%、揮發(fā)分7.46%、水分1.23%。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算

RM T-150B伺服試驗(yàn)機(jī)加載的軸向力4 kN,圍壓2 M Pa,為了保證測(cè)試過(guò)程封閉良好,所加氣壓不超過(guò)圍壓2 MPa。實(shí)驗(yàn)采用“倒退法”:即先將氣壓調(diào)到較高值,然后關(guān)閉穩(wěn)壓閥門,測(cè)試一系列壓力梯度對(duì)應(yīng)的流量。以煤樣11為例,由于出口端直通大氣,因此式(4)中的p2=p0=101 325 Pa,部分測(cè)試數(shù)據(jù)見表1,計(jì)算的滲透率為0.2 mD,流速與壓力平方差的關(guān)系見圖2。

2.2.2 滲透率與啟動(dòng)壓力梯度的關(guān)系

依上述的測(cè)試手段和啟動(dòng)壓力梯度計(jì)算方法,對(duì)同一煤樣鉆取的其余10個(gè)煤心進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算,樣品信息和結(jié)果見表2。

表1 煤樣11的部分測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖2 流速與壓力平方差的回歸曲線圖

從表2可以看出,同一煤樣在同一個(gè)方向和相同的測(cè)試條件下其滲透率及啟動(dòng)壓力梯度相差較大,這種離散的結(jié)果主要是制樣過(guò)程對(duì)煤樣的擾動(dòng)造成的。依據(jù)滲透率和啟動(dòng)壓力梯度的對(duì)應(yīng)關(guān)系作圖3,啟動(dòng)壓力梯度與滲透率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系:λ=0.111 08 K-0.33034,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.933,隨著滲透率的降低啟動(dòng)壓力梯度逐步增大,這種現(xiàn)象在低滲透階段更加顯著。

3 煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度測(cè)定的意義

氣體流態(tài)是煤層氣開發(fā)的理論依據(jù),而啟動(dòng)壓力梯度是線性滲流、非線性滲流與擴(kuò)散3種流態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)[10],即

存在啟動(dòng)壓力梯度是煤儲(chǔ)層的特點(diǎn),但以往瓦斯參數(shù)測(cè)試是基于煤層氣產(chǎn)出服從線性滲流定律,忽略了低速非線性滲流和擴(kuò)散;煤層氣井產(chǎn)能模擬顯示啟動(dòng)壓力梯度是產(chǎn)能下降和有效開采時(shí)間縮短的主要原因之一。通過(guò)研究表明:煤儲(chǔ)層的啟動(dòng)壓力梯度的確存在,并且可以通過(guò)室內(nèi)測(cè)試來(lái)查明,這對(duì)指導(dǎo)煤層氣開發(fā)有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

表2 啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試結(jié)果表

圖3 啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

1)在RM T-150B巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)量煤樣啟動(dòng)壓力梯度的實(shí)驗(yàn)流程,可在不同的圍壓和軸向壓力下測(cè)試煤樣的啟動(dòng)壓力梯度。試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果擬合表明此方法是可行的。

2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明氣體通過(guò)低滲透煤樣時(shí)存在低速非達(dá)西現(xiàn)象和啟動(dòng)壓力梯度,并回歸了啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系曲線,隨著滲透率的降低啟動(dòng)壓力梯度逐步增加,在低滲透階段更加顯著。

[1]戈?duì)柌贾Z夫A T.異常油田開發(fā)[M].張樹寶,譯.北京:石油工業(yè)出版社,1987.

[2]ALVARO P,FARUK C.Modification of Darcy’s law for the threshold p ressure gradient[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,1999,22(4):237-240.

[3]汪周華,鐘兵,伊向藝,等.低滲氣藏考慮非線性滲流特征的穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能方程[J].天然氣工業(yè),2008,28(8):81-83.

[4]YIN DA IYIN,PU HU I.Numerical simulation study on surfactant flooding fo r low permeability oilfield in the condition of threshold p ressure[J].Journal of Hydrodynamics, 2008,20(4):492-498.

[5]甘慶明,成珍,成綏民.低滲油藏非達(dá)西流啟動(dòng)壓力梯度的確定方法[J].油氣井測(cè)試,2004,13(3):1-4.

[6]張冬麗,王新海,宋巖.考慮啟動(dòng)壓力梯度的煤層氣羽狀水平井開采數(shù)值模擬[J].石油學(xué)報(bào),2006,27(4):89-92.

[7]倪小明,王延斌,接銘訓(xùn),等.煤層氣井排采初期合理排采強(qiáng)度的確定方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(6):101-104.

[8]吳凡,孫黎娟,喬國(guó)安,等.氣體滲流特征及啟動(dòng)壓力規(guī)律的研究[J].天然氣工業(yè),2001,21(1):82-84.

[9]薛國(guó)慶,李閩,羅碧華,等.低滲透氣藏低速非線性滲流數(shù)值模擬研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(2):163-166.

[10]馬耕,蘇現(xiàn)波,魏慶喜.基于瓦斯流態(tài)的抽放半徑確定方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(4):501-504.

An experimentalmeasurement of the threshold pressure gradient of coal reservoirsand its sign if icance

Guo Hongyu1,2,Su Xianbo1,2
(1.Key Laboratory of Organism M ineralizing Procedure,Henan Poly technic University,Jiaozuo,Henan 454000,China;2.School of Resources and Environment Engineering,Henan Poly technic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.52-54,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Themigration flow pattern of coalbed methane(CBM)is the theo retical basis fo r the fo recast of the CBM well p roduction. A t p resent,the Darcy seepagemodel is w idely adop ted for the p roduction forecast of the CBM wells.However,the forecast results show a big difference from the p ractical data.Therefo re,it is critical to make the judgment on the CBM flow pattern w ithin the coal bed layers.A measuring system of the threshold p ressure gradient is designed on the basis of the RM T-150B rock mechanics servo testing machine,through w hich the dataof the gas flow rate and the p ressure quadratic difference are collected from coal samp lesand their non-linear relationship isobtained w ithout passing through theo rigin of a rectangular coo rdinate.This confirm s the existence of the threshold p ressure gradient.Then,from themeasured resultsof the threshold p ressure gradient and the permeability from different coal samples,their regression curve show s a negative exponential relationship between them w ith a co rrelation degree of 0.933, that is,the smaller the permeability is,the larger the starting p ressure gradient is,especially at the lower permeability stage.That the migration flow pattern is non-linear flow has been p roved by the existence of the threshold p ressure gradient,w hich will help imp rove the forecastmodel of CBM p roduction mo re accurately.

coalbed methane,flow pattern,threshold p ressure gradient,permeability,Darcy,seepage,non-linear flow,p roduction p rediction,experimental study

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(編號(hào):IRT0618)、國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):40902044)和河南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(編號(hào):OTM P0901)的資助。

郭紅玉,1978年生,博士研究生;從事煤層氣地質(zhì)與勘探開發(fā)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。地址:(454000)河南省焦作市高新區(qū)河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院。電話:(0391)3987981,13462478762。E-mail:guohy@hpu.edu.cn

郭紅玉等.煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及意義.天然氣工業(yè),2010,30(6):52-54.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.014

2010-02-26 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.014

Guo Hongyu,born in 1978,is studying for a Ph.D degree.He has been engaged in teaching and research of geology,exp loration and development of coalbed methane.

Add:High-Tech District,Jiaozuo,Henan 454000,P.R.China

Tel:+86-391-3987 981 Mobile:+86-13462478762E-mail:guohy@hpu.edu.cn