煤層氣井排采過(guò)程中儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化簡(jiǎn)析

呂鵬偉+房媛+李俊乾

摘 要：煤儲(chǔ)層滲透率為動(dòng)態(tài)滲透率，是煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的儲(chǔ)層參數(shù)之一。該文從煤儲(chǔ)層滲透率變化的控制機(jī)制出發(fā)，采用數(shù)學(xué)模型，模擬分析了煤層氣井排采過(guò)程中原位儲(chǔ)層條件下煤滲透率動(dòng)態(tài)變化特征。并探討了初始割理壓縮系數(shù)、割理壓縮系數(shù)降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、初始割理孔隙度以及臨界解吸壓力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率變化的影響。模擬結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：煤層氣 原位滲透率 動(dòng)態(tài)變化 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：P618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0067-02

煤儲(chǔ)層滲透率為動(dòng)態(tài)滲透率，在整個(gè)煤層氣井排采過(guò)程中時(shí)刻發(fā)生著變化，影響著煤層氣單井產(chǎn)量以及生產(chǎn)能力[1]。通常，煤層氣井的排采是排水降壓、氣體解吸-擴(kuò)散-滲流耦合作用的 過(guò)程，依次出現(xiàn)單相水流、不飽和水單相流和氣-水兩相流三個(gè)階段[2]。在單相水流階段，煤儲(chǔ)層主要產(chǎn)水，屬于排水降壓的過(guò)程。在該階段儲(chǔ)層滲透率受應(yīng)力敏感性影響強(qiáng)烈，由儲(chǔ)層壓力降低而引起的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率降低[3]。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣體開(kāi)始從煤基質(zhì)內(nèi)表面上解吸出來(lái)，形成不連續(xù)氣泡，不飽和水單相流階段開(kāi)始出現(xiàn)；隨著解吸氣體量逐漸增多，出現(xiàn)連續(xù)氣流，即進(jìn)入氣-水兩相流階段。在不飽和水單相流和氣-水兩相流階段，煤儲(chǔ)層滲透率的變化受基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力增加的綜合影響，除了有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)之外，煤層氣解吸誘導(dǎo)的煤基質(zhì)收縮，使煤儲(chǔ)層滲透率增大。國(guó)內(nèi)學(xué)者傅雪海等實(shí)驗(yàn)證明，在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，煤的滲透率變化受有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)和基質(zhì)收縮正效應(yīng)的綜合控制，有效應(yīng)力增加使?jié)B透率降低，而基質(zhì)收縮使?jié)B透率增加。秦勇等將煤的滲透率隨基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力變化的機(jī)制稱之為“煤儲(chǔ)層的彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng)”?；谇叭搜芯?，本文從煤滲透率變化的控制機(jī)制出發(fā)，考慮基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力效應(yīng)對(duì)滲透率的作用，模擬分析煤層氣井排采過(guò)程中原位儲(chǔ)層條件下煤滲透率的變化特征。對(duì)于認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化具有一定參考價(jià)值。

1 原位煤儲(chǔ)層滲透率變化預(yù)測(cè)模型

在原位煤儲(chǔ)層條件下，煤層側(cè)向圍限、軸向發(fā)生應(yīng)變。將煤儲(chǔ)層理想化為火柴棍集合體模型，可推導(dǎo)得出原位儲(chǔ)層條件下煤的滲透率與儲(chǔ)層壓力降Δp之間的關(guān)系式：

（1）

式中，ko為初始滲透率；ke為壓力降為Δp時(shí)與有效應(yīng)力相關(guān)的滲透率；Δp為儲(chǔ)層壓力降，MPa； cf為割理壓縮系數(shù)，MPa-1，v為泊松比。

煤巖割理壓縮系數(shù)是變化的。McKee 等認(rèn)為割理壓縮系數(shù)隨有效應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系降低，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的擬合效果。據(jù)此，可得有效應(yīng)力增加Δσ過(guò)程中（假設(shè)煤層圍向應(yīng)力不變，則數(shù)值上等于Δp），平均割理壓縮系數(shù)為：

（2）

式中，為平均割理壓縮系數(shù)，即為式（1）中的cf，MPa-1。cfo為初始割理壓縮系數(shù)，MPa-1；Δσ為有效應(yīng)力增加量，MPa；α為割理壓縮系數(shù)降低率。

在儲(chǔ)層壓力降低過(guò)程中，隨著煤層氣體的解吸，煤基質(zhì)發(fā)生收縮作用。應(yīng)用火柴棍集合體模型，由煤基質(zhì)收縮引起的滲透率增加率可表示為[10]：

（3）

時(shí)和基質(zhì)收縮相關(guān)的滲透率；cx為基質(zhì)收縮系數(shù)，MPa-1；φf(shuō)o為初始割理孔隙度。

假設(shè)煤基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力增加引起的滲透率變化是兩個(gè)獨(dú)立事件，則儲(chǔ)層壓力降為Δp時(shí)總的滲透率變化率可表達(dá)為：

（4）

因此，在煤層氣井排采過(guò)程中，當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至煤層氣臨界解吸壓力之前，可用式（1）模擬儲(chǔ)層滲透率變化；當(dāng)煤層氣體開(kāi)始解吸之后，則采用式（4）模擬儲(chǔ)層滲透率變化。

2 模擬結(jié)果及認(rèn)識(shí)

參考前人對(duì)割理壓縮系數(shù)及其降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、割理孔隙度及臨界解吸壓力等的測(cè)試、計(jì)算結(jié)果，本次研究對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行合理取值，分別模擬了不同初始割理壓縮系數(shù)（0.04-0.2MPa-1）、割理壓縮系數(shù)降低率（0.05-0.4）、基質(zhì)收縮系數(shù)（0.0004-0.0025MPa-1?）、初始割理孔隙度（0.005-0.04）、臨界解吸壓力（2-8MPa）條件下煤儲(chǔ)層滲透率變化情況。

2.1 初始割理壓縮系數(shù)及其降低率

煤層氣井排采過(guò)程中，有效應(yīng)力的增加是導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低的一個(gè)主要因素。孟召平和侯泉林實(shí)驗(yàn)表明，有效應(yīng)力小于5MPa時(shí)，煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性最強(qiáng)；有效應(yīng)力在5-10MPa時(shí)，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)；有效應(yīng)力大于10MPa時(shí)，滲透率下降速度明顯減弱。通過(guò)煤巖割理壓縮系數(shù)可反應(yīng)煤滲透率對(duì)有效應(yīng)力的敏感性。在其他條件不變的情況下，煤巖初始割理壓縮系數(shù)越大，滲透率降低越明顯。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至臨界解吸壓力之后，基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力共同發(fā)生作用，此時(shí)割理壓縮系數(shù)越大，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)越強(qiáng)，滲透率越趨向于降低。另外，煤巖割理壓縮系數(shù)降低率對(duì)滲透率變化也有一定的影響，割理壓縮系數(shù)降低率越大，有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)越弱。

2.2 基質(zhì)收縮系數(shù)及初始割理孔隙度

煤層氣體吸附/解吸誘導(dǎo)的煤基質(zhì)收縮/膨脹是導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率變化的一個(gè)重要因素。伴隨著煤基質(zhì)收縮/膨脹過(guò)程，煤體產(chǎn)生了應(yīng)變，從而影響了煤的滲透率。吸附/解吸誘導(dǎo)的基質(zhì)膨脹/收縮現(xiàn)象比較復(fù)雜，受煤巖類型、煤巖組分、礦物類型和氣體組分等的綜合影響?？傮w而言，煤基質(zhì)收縮系數(shù)越大，基質(zhì)收縮正效應(yīng)越明顯，滲透率增加幅度越大。煤基質(zhì)收縮對(duì)滲透率的影響與煤巖孔-裂隙系統(tǒng)發(fā)育有一定相關(guān)性。通常煤巖以基質(zhì)孔隙為主，割理孔隙度低于2%，占總孔隙度的20%左右。初始割理孔隙度越小，滲透率增加幅度越大。然而，初始割理孔隙度越小，初始滲透率則越低，煤滲透率對(duì)應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，降低幅度相對(duì)越大[1]?？梢?jiàn)，對(duì)于初始割理孔隙度較小的煤巖，當(dāng)氣體解吸之后，基質(zhì)收縮起了較大的作用，使?jié)B透率增加幅度加大。

2.3 臨界解吸壓力

煤層氣以吸附形式存在于煤基質(zhì)內(nèi)表面上，這種特性必然導(dǎo)致煤儲(chǔ)層孔-裂隙結(jié)構(gòu)變形和煤層氣體吸附/解吸密切相關(guān)。臨界解吸壓力對(duì)儲(chǔ)層滲透率變化具有較大影響。在煤層氣排采過(guò)程中，臨界解吸壓力越高，儲(chǔ)層滲透率反彈升高的趨勢(shì)越明顯，可有效恢復(fù)由于有效應(yīng)力增加造成的滲透率傷害，因此，更有利于煤層氣開(kāi)采。

3 結(jié)語(yǔ)

煤層氣井排采過(guò)程中，儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化受煤自身物性，如初始割理壓縮系數(shù)、壓縮系數(shù)降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、初始割理空隙度及臨界解吸壓力等的影響。（1）初始割理壓縮系數(shù)越大，煤巖應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，滲透率損害越大；（2）割理壓縮系數(shù)降低率越大，可減弱有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)；（3）煤基質(zhì)收縮系數(shù)越大，滲透率增加幅度越大；（4）初始割理孔隙度越小，越有利于滲透率提高；（5）臨界解吸壓力越高，滲透率越易于反彈升高。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳振宏，陳艷鵬，楊焦生，等.高煤階煤層氣儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)滲透率特征及其對(duì)煤層氣產(chǎn)量的影響[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31（6）： 966-974.

[2] 尹光志，蔣長(zhǎng)寶，許江，等.煤層氣儲(chǔ)層含水率對(duì)煤層氣滲流影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（Z2）： 3401-3406.endprint

摘 要：煤儲(chǔ)層滲透率為動(dòng)態(tài)滲透率，是煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的儲(chǔ)層參數(shù)之一。該文從煤儲(chǔ)層滲透率變化的控制機(jī)制出發(fā)，采用數(shù)學(xué)模型，模擬分析了煤層氣井排采過(guò)程中原位儲(chǔ)層條件下煤滲透率動(dòng)態(tài)變化特征。并探討了初始割理壓縮系數(shù)、割理壓縮系數(shù)降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、初始割理孔隙度以及臨界解吸壓力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率變化的影響。模擬結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：煤層氣 原位滲透率 動(dòng)態(tài)變化 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：P618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0067-02

煤儲(chǔ)層滲透率為動(dòng)態(tài)滲透率，在整個(gè)煤層氣井排采過(guò)程中時(shí)刻發(fā)生著變化，影響著煤層氣單井產(chǎn)量以及生產(chǎn)能力[1]。通常，煤層氣井的排采是排水降壓、氣體解吸-擴(kuò)散-滲流耦合作用的 過(guò)程，依次出現(xiàn)單相水流、不飽和水單相流和氣-水兩相流三個(gè)階段[2]。在單相水流階段，煤儲(chǔ)層主要產(chǎn)水，屬于排水降壓的過(guò)程。在該階段儲(chǔ)層滲透率受應(yīng)力敏感性影響強(qiáng)烈，由儲(chǔ)層壓力降低而引起的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率降低[3]。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣體開(kāi)始從煤基質(zhì)內(nèi)表面上解吸出來(lái)，形成不連續(xù)氣泡，不飽和水單相流階段開(kāi)始出現(xiàn)；隨著解吸氣體量逐漸增多，出現(xiàn)連續(xù)氣流，即進(jìn)入氣-水兩相流階段。在不飽和水單相流和氣-水兩相流階段，煤儲(chǔ)層滲透率的變化受基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力增加的綜合影響，除了有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)之外，煤層氣解吸誘導(dǎo)的煤基質(zhì)收縮，使煤儲(chǔ)層滲透率增大。國(guó)內(nèi)學(xué)者傅雪海等實(shí)驗(yàn)證明，在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，煤的滲透率變化受有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)和基質(zhì)收縮正效應(yīng)的綜合控制，有效應(yīng)力增加使?jié)B透率降低，而基質(zhì)收縮使?jié)B透率增加。秦勇等將煤的滲透率隨基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力變化的機(jī)制稱之為“煤儲(chǔ)層的彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng)”。基于前人研究，本文從煤滲透率變化的控制機(jī)制出發(fā)，考慮基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力效應(yīng)對(duì)滲透率的作用，模擬分析煤層氣井排采過(guò)程中原位儲(chǔ)層條件下煤滲透率的變化特征。對(duì)于認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化具有一定參考價(jià)值。

1 原位煤儲(chǔ)層滲透率變化預(yù)測(cè)模型

在原位煤儲(chǔ)層條件下，煤層側(cè)向圍限、軸向發(fā)生應(yīng)變。將煤儲(chǔ)層理想化為火柴棍集合體模型，可推導(dǎo)得出原位儲(chǔ)層條件下煤的滲透率與儲(chǔ)層壓力降Δp之間的關(guān)系式：

（1）

式中，ko為初始滲透率；ke為壓力降為Δp時(shí)與有效應(yīng)力相關(guān)的滲透率；Δp為儲(chǔ)層壓力降，MPa； cf為割理壓縮系數(shù)，MPa-1，v為泊松比。

煤巖割理壓縮系數(shù)是變化的。McKee 等認(rèn)為割理壓縮系數(shù)隨有效應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系降低，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的擬合效果。據(jù)此，可得有效應(yīng)力增加Δσ過(guò)程中（假設(shè)煤層圍向應(yīng)力不變，則數(shù)值上等于Δp），平均割理壓縮系數(shù)為：

（2）

式中，為平均割理壓縮系數(shù)，即為式（1）中的cf，MPa-1。cfo為初始割理壓縮系數(shù)，MPa-1；Δσ為有效應(yīng)力增加量，MPa；α為割理壓縮系數(shù)降低率。

在儲(chǔ)層壓力降低過(guò)程中，隨著煤層氣體的解吸，煤基質(zhì)發(fā)生收縮作用。應(yīng)用火柴棍集合體模型，由煤基質(zhì)收縮引起的滲透率增加率可表示為[10]：

（3）

時(shí)和基質(zhì)收縮相關(guān)的滲透率；cx為基質(zhì)收縮系數(shù)，MPa-1；φf(shuō)o為初始割理孔隙度。

假設(shè)煤基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力增加引起的滲透率變化是兩個(gè)獨(dú)立事件，則儲(chǔ)層壓力降為Δp時(shí)總的滲透率變化率可表達(dá)為：

（4）

因此，在煤層氣井排采過(guò)程中，當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至煤層氣臨界解吸壓力之前，可用式（1）模擬儲(chǔ)層滲透率變化；當(dāng)煤層氣體開(kāi)始解吸之后，則采用式（4）模擬儲(chǔ)層滲透率變化。

2 模擬結(jié)果及認(rèn)識(shí)

參考前人對(duì)割理壓縮系數(shù)及其降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、割理孔隙度及臨界解吸壓力等的測(cè)試、計(jì)算結(jié)果，本次研究對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行合理取值，分別模擬了不同初始割理壓縮系數(shù)（0.04-0.2MPa-1）、割理壓縮系數(shù)降低率（0.05-0.4）、基質(zhì)收縮系數(shù)（0.0004-0.0025MPa-1?）、初始割理孔隙度（0.005-0.04）、臨界解吸壓力（2-8MPa）條件下煤儲(chǔ)層滲透率變化情況。

2.1 初始割理壓縮系數(shù)及其降低率

煤層氣井排采過(guò)程中，有效應(yīng)力的增加是導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低的一個(gè)主要因素。孟召平和侯泉林實(shí)驗(yàn)表明，有效應(yīng)力小于5MPa時(shí)，煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性最強(qiáng)；有效應(yīng)力在5-10MPa時(shí)，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)；有效應(yīng)力大于10MPa時(shí)，滲透率下降速度明顯減弱。通過(guò)煤巖割理壓縮系數(shù)可反應(yīng)煤滲透率對(duì)有效應(yīng)力的敏感性。在其他條件不變的情況下，煤巖初始割理壓縮系數(shù)越大，滲透率降低越明顯。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至臨界解吸壓力之后，基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力共同發(fā)生作用，此時(shí)割理壓縮系數(shù)越大，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)越強(qiáng)，滲透率越趨向于降低。另外，煤巖割理壓縮系數(shù)降低率對(duì)滲透率變化也有一定的影響，割理壓縮系數(shù)降低率越大，有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)越弱。

2.2 基質(zhì)收縮系數(shù)及初始割理孔隙度

煤層氣體吸附/解吸誘導(dǎo)的煤基質(zhì)收縮/膨脹是導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率變化的一個(gè)重要因素。伴隨著煤基質(zhì)收縮/膨脹過(guò)程，煤體產(chǎn)生了應(yīng)變，從而影響了煤的滲透率。吸附/解吸誘導(dǎo)的基質(zhì)膨脹/收縮現(xiàn)象比較復(fù)雜，受煤巖類型、煤巖組分、礦物類型和氣體組分等的綜合影響。總體而言，煤基質(zhì)收縮系數(shù)越大，基質(zhì)收縮正效應(yīng)越明顯，滲透率增加幅度越大。煤基質(zhì)收縮對(duì)滲透率的影響與煤巖孔-裂隙系統(tǒng)發(fā)育有一定相關(guān)性。通常煤巖以基質(zhì)孔隙為主，割理孔隙度低于2%，占總孔隙度的20%左右。初始割理孔隙度越小，滲透率增加幅度越大。然而，初始割理孔隙度越小，初始滲透率則越低，煤滲透率對(duì)應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，降低幅度相對(duì)越大[1]?？梢?jiàn)，對(duì)于初始割理孔隙度較小的煤巖，當(dāng)氣體解吸之后，基質(zhì)收縮起了較大的作用，使?jié)B透率增加幅度加大。

2.3 臨界解吸壓力

煤層氣以吸附形式存在于煤基質(zhì)內(nèi)表面上，這種特性必然導(dǎo)致煤儲(chǔ)層孔-裂隙結(jié)構(gòu)變形和煤層氣體吸附/解吸密切相關(guān)。臨界解吸壓力對(duì)儲(chǔ)層滲透率變化具有較大影響。在煤層氣排采過(guò)程中，臨界解吸壓力越高，儲(chǔ)層滲透率反彈升高的趨勢(shì)越明顯，可有效恢復(fù)由于有效應(yīng)力增加造成的滲透率傷害，因此，更有利于煤層氣開(kāi)采。

3 結(jié)語(yǔ)

煤層氣井排采過(guò)程中，儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化受煤自身物性，如初始割理壓縮系數(shù)、壓縮系數(shù)降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、初始割理空隙度及臨界解吸壓力等的影響。（1）初始割理壓縮系數(shù)越大，煤巖應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，滲透率損害越大；（2）割理壓縮系數(shù)降低率越大，可減弱有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)；（3）煤基質(zhì)收縮系數(shù)越大，滲透率增加幅度越大；（4）初始割理孔隙度越小，越有利于滲透率提高；（5）臨界解吸壓力越高，滲透率越易于反彈升高。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳振宏，陳艷鵬，楊焦生，等.高煤階煤層氣儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)滲透率特征及其對(duì)煤層氣產(chǎn)量的影響[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31（6）： 966-974.

[2] 尹光志，蔣長(zhǎng)寶，許江，等.煤層氣儲(chǔ)層含水率對(duì)煤層氣滲流影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（Z2）： 3401-3406.endprint

摘 要：煤儲(chǔ)層滲透率為動(dòng)態(tài)滲透率，是煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的儲(chǔ)層參數(shù)之一。該文從煤儲(chǔ)層滲透率變化的控制機(jī)制出發(fā)，采用數(shù)學(xué)模型，模擬分析了煤層氣井排采過(guò)程中原位儲(chǔ)層條件下煤滲透率動(dòng)態(tài)變化特征。并探討了初始割理壓縮系數(shù)、割理壓縮系數(shù)降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、初始割理孔隙度以及臨界解吸壓力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率變化的影響。模擬結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：煤層氣 原位滲透率 動(dòng)態(tài)變化 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：P618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0067-02

煤儲(chǔ)層滲透率為動(dòng)態(tài)滲透率，在整個(gè)煤層氣井排采過(guò)程中時(shí)刻發(fā)生著變化，影響著煤層氣單井產(chǎn)量以及生產(chǎn)能力[1]。通常，煤層氣井的排采是排水降壓、氣體解吸-擴(kuò)散-滲流耦合作用的 過(guò)程，依次出現(xiàn)單相水流、不飽和水單相流和氣-水兩相流三個(gè)階段[2]。在單相水流階段，煤儲(chǔ)層主要產(chǎn)水，屬于排水降壓的過(guò)程。在該階段儲(chǔ)層滲透率受應(yīng)力敏感性影響強(qiáng)烈，由儲(chǔ)層壓力降低而引起的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率降低[3]。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降低至臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣體開(kāi)始從煤基質(zhì)內(nèi)表面上解吸出來(lái)，形成不連續(xù)氣泡，不飽和水單相流階段開(kāi)始出現(xiàn)；隨著解吸氣體量逐漸增多，出現(xiàn)連續(xù)氣流，即進(jìn)入氣-水兩相流階段。在不飽和水單相流和氣-水兩相流階段，煤儲(chǔ)層滲透率的變化受基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力增加的綜合影響，除了有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)之外，煤層氣解吸誘導(dǎo)的煤基質(zhì)收縮，使煤儲(chǔ)層滲透率增大。國(guó)內(nèi)學(xué)者傅雪海等實(shí)驗(yàn)證明，在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，煤的滲透率變化受有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)和基質(zhì)收縮正效應(yīng)的綜合控制，有效應(yīng)力增加使?jié)B透率降低，而基質(zhì)收縮使?jié)B透率增加。秦勇等將煤的滲透率隨基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力變化的機(jī)制稱之為“煤儲(chǔ)層的彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng)”。基于前人研究，本文從煤滲透率變化的控制機(jī)制出發(fā)，考慮基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力效應(yīng)對(duì)滲透率的作用，模擬分析煤層氣井排采過(guò)程中原位儲(chǔ)層條件下煤滲透率的變化特征。對(duì)于認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化具有一定參考價(jià)值。

1 原位煤儲(chǔ)層滲透率變化預(yù)測(cè)模型

在原位煤儲(chǔ)層條件下，煤層側(cè)向圍限、軸向發(fā)生應(yīng)變。將煤儲(chǔ)層理想化為火柴棍集合體模型，可推導(dǎo)得出原位儲(chǔ)層條件下煤的滲透率與儲(chǔ)層壓力降Δp之間的關(guān)系式：

（1）

式中，ko為初始滲透率；ke為壓力降為Δp時(shí)與有效應(yīng)力相關(guān)的滲透率；Δp為儲(chǔ)層壓力降，MPa； cf為割理壓縮系數(shù)，MPa-1，v為泊松比。

煤巖割理壓縮系數(shù)是變化的。McKee 等認(rèn)為割理壓縮系數(shù)隨有效應(yīng)力呈指數(shù)關(guān)系降低，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的擬合效果。據(jù)此，可得有效應(yīng)力增加Δσ過(guò)程中（假設(shè)煤層圍向應(yīng)力不變，則數(shù)值上等于Δp），平均割理壓縮系數(shù)為：

（2）

式中，為平均割理壓縮系數(shù)，即為式（1）中的cf，MPa-1。cfo為初始割理壓縮系數(shù)，MPa-1；Δσ為有效應(yīng)力增加量，MPa；α為割理壓縮系數(shù)降低率。

在儲(chǔ)層壓力降低過(guò)程中，隨著煤層氣體的解吸，煤基質(zhì)發(fā)生收縮作用。應(yīng)用火柴棍集合體模型，由煤基質(zhì)收縮引起的滲透率增加率可表示為[10]：

（3）

時(shí)和基質(zhì)收縮相關(guān)的滲透率；cx為基質(zhì)收縮系數(shù)，MPa-1；φf(shuō)o為初始割理孔隙度。

假設(shè)煤基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力增加引起的滲透率變化是兩個(gè)獨(dú)立事件，則儲(chǔ)層壓力降為Δp時(shí)總的滲透率變化率可表達(dá)為：

（4）

因此，在煤層氣井排采過(guò)程中，當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至煤層氣臨界解吸壓力之前，可用式（1）模擬儲(chǔ)層滲透率變化；當(dāng)煤層氣體開(kāi)始解吸之后，則采用式（4）模擬儲(chǔ)層滲透率變化。

2 模擬結(jié)果及認(rèn)識(shí)

參考前人對(duì)割理壓縮系數(shù)及其降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、割理孔隙度及臨界解吸壓力等的測(cè)試、計(jì)算結(jié)果，本次研究對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行合理取值，分別模擬了不同初始割理壓縮系數(shù)（0.04-0.2MPa-1）、割理壓縮系數(shù)降低率（0.05-0.4）、基質(zhì)收縮系數(shù)（0.0004-0.0025MPa-1?）、初始割理孔隙度（0.005-0.04）、臨界解吸壓力（2-8MPa）條件下煤儲(chǔ)層滲透率變化情況。

2.1 初始割理壓縮系數(shù)及其降低率

煤層氣井排采過(guò)程中，有效應(yīng)力的增加是導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低的一個(gè)主要因素。孟召平和侯泉林實(shí)驗(yàn)表明，有效應(yīng)力小于5MPa時(shí)，煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性最強(qiáng)；有效應(yīng)力在5-10MPa時(shí)，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)；有效應(yīng)力大于10MPa時(shí)，滲透率下降速度明顯減弱。通過(guò)煤巖割理壓縮系數(shù)可反應(yīng)煤滲透率對(duì)有效應(yīng)力的敏感性。在其他條件不變的情況下，煤巖初始割理壓縮系數(shù)越大，滲透率降低越明顯。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至臨界解吸壓力之后，基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力共同發(fā)生作用，此時(shí)割理壓縮系數(shù)越大，有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng)越強(qiáng)，滲透率越趨向于降低。另外，煤巖割理壓縮系數(shù)降低率對(duì)滲透率變化也有一定的影響，割理壓縮系數(shù)降低率越大，有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)越弱。

2.2 基質(zhì)收縮系數(shù)及初始割理孔隙度

煤層氣體吸附/解吸誘導(dǎo)的煤基質(zhì)收縮/膨脹是導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率變化的一個(gè)重要因素。伴隨著煤基質(zhì)收縮/膨脹過(guò)程，煤體產(chǎn)生了應(yīng)變，從而影響了煤的滲透率。吸附/解吸誘導(dǎo)的基質(zhì)膨脹/收縮現(xiàn)象比較復(fù)雜，受煤巖類型、煤巖組分、礦物類型和氣體組分等的綜合影響。總體而言，煤基質(zhì)收縮系數(shù)越大，基質(zhì)收縮正效應(yīng)越明顯，滲透率增加幅度越大。煤基質(zhì)收縮對(duì)滲透率的影響與煤巖孔-裂隙系統(tǒng)發(fā)育有一定相關(guān)性。通常煤巖以基質(zhì)孔隙為主，割理孔隙度低于2%，占總孔隙度的20%左右。初始割理孔隙度越小，滲透率增加幅度越大。然而，初始割理孔隙度越小，初始滲透率則越低，煤滲透率對(duì)應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，降低幅度相對(duì)越大[1]?？梢?jiàn)，對(duì)于初始割理孔隙度較小的煤巖，當(dāng)氣體解吸之后，基質(zhì)收縮起了較大的作用，使?jié)B透率增加幅度加大。

2.3 臨界解吸壓力

煤層氣以吸附形式存在于煤基質(zhì)內(nèi)表面上，這種特性必然導(dǎo)致煤儲(chǔ)層孔-裂隙結(jié)構(gòu)變形和煤層氣體吸附/解吸密切相關(guān)。臨界解吸壓力對(duì)儲(chǔ)層滲透率變化具有較大影響。在煤層氣排采過(guò)程中，臨界解吸壓力越高，儲(chǔ)層滲透率反彈升高的趨勢(shì)越明顯，可有效恢復(fù)由于有效應(yīng)力增加造成的滲透率傷害，因此，更有利于煤層氣開(kāi)采。

3 結(jié)語(yǔ)

煤層氣井排采過(guò)程中，儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化受煤自身物性，如初始割理壓縮系數(shù)、壓縮系數(shù)降低率、基質(zhì)收縮系數(shù)、初始割理空隙度及臨界解吸壓力等的影響。（1）初始割理壓縮系數(shù)越大，煤巖應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，滲透率損害越大；（2）割理壓縮系數(shù)降低率越大，可減弱有效應(yīng)力的負(fù)效應(yīng)；（3）煤基質(zhì)收縮系數(shù)越大，滲透率增加幅度越大；（4）初始割理孔隙度越小，越有利于滲透率提高；（5）臨界解吸壓力越高，滲透率越易于反彈升高。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳振宏，陳艷鵬，楊焦生，等.高煤階煤層氣儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)滲透率特征及其對(duì)煤層氣產(chǎn)量的影響[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31（6）： 966-974.

[2] 尹光志，蔣長(zhǎng)寶，許江，等.煤層氣儲(chǔ)層含水率對(duì)煤層氣滲流影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（Z2）： 3401-3406.endprint