沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣藏自改造動(dòng)態(tài)分析

王　彬，周　彪，王新宇，閆兆金，薛洪剛，汪　洋，湯　勇

（1．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都　610500；2．中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒　841000；3．中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京　102249）

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沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣藏自改造動(dòng)態(tài)分析

王彬1，周彪2，王新宇3，閆兆金1，薛洪剛1，汪洋1，湯勇1

（1．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2．中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒841000；3．中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

摘要：不同于常規(guī)氣藏，煤層氣藏開(kāi)采過(guò)程中存在自改造效應(yīng)，即隨著地層壓力的降低，儲(chǔ)層滲透率會(huì)發(fā)生復(fù)雜變化。大量研究表明：有效應(yīng)力、煤基質(zhì)收縮、Klinkenberg效應(yīng)是自改造效應(yīng)的三大控制因素，改進(jìn)的SD模型更能準(zhǔn)確描述欠飽和煤層氣藏滲透率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算分析表明，楊氏模量對(duì)自改造效應(yīng)影響最大，泊松比對(duì)自改造效應(yīng)影響最小。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)出特征；影響因素；優(yōu)選模型；動(dòng)態(tài)分析

沁水盆地柿莊南區(qū)塊是我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)最成功的區(qū)塊之一，區(qū)塊內(nèi)主要發(fā)育二疊系下統(tǒng)山西組的3#煤層和石炭系上統(tǒng)太原組15#煤層，3#和15#煤層具有厚度大、滲透率低、儲(chǔ)層壓力低、欠飽和的特征。對(duì)該區(qū)壓裂井觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)采過(guò)程中，其儲(chǔ)層滲透率變化較大，自改造效應(yīng)明顯。

本文通過(guò)對(duì)自改造效應(yīng)影響因素的分析[1-4]，結(jié)合煤層氣的產(chǎn)出特征和沁水盆地柿莊南區(qū)塊的實(shí)際情況，優(yōu)選了改進(jìn)的SD模型對(duì)沁水盆地南端3#和15#煤層自改造效應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果分析具有一定的精度。

1　煤層氣的產(chǎn)出特征

1.1煤層氣的賦存狀態(tài)

煤儲(chǔ)層對(duì)煤層氣的容納能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基質(zhì)孔隙和裂隙體積[5，6]，其賦存狀態(tài)有別于常規(guī)氣藏天然氣的賦存狀態(tài)。目前，普遍認(rèn)為煤層氣以吸附態(tài)、自由態(tài)、溶解態(tài)三種狀態(tài)賦存于煤層中，以吸附態(tài)為主，基質(zhì)的微小孔隙中以吸附態(tài)為主，裂隙中以自由態(tài)和溶解態(tài)氣體為主。

1.2煤層氣產(chǎn)出機(jī)制

煤儲(chǔ)層的生產(chǎn)分為三個(gè)階段，單相流階段：煤層氣尚未開(kāi)始解吸，井筒附近只有單相流動(dòng)；非飽和單相流階段：氣體開(kāi)始解吸并向煤中裂隙系統(tǒng)擴(kuò)散，但氣體并不能流動(dòng)，該階段出現(xiàn)了氣、水兩相，但只有水相可以流動(dòng)；氣、水兩相流階段：隨著井筒壓力進(jìn)一步降低，氣體進(jìn)一步解吸、擴(kuò)散，水中含氣已達(dá)飽和，氣泡相互連接，形成連續(xù)流動(dòng)，水的相對(duì)滲透率減小，氣的相對(duì)滲透率增大，在裂隙系統(tǒng)中形成氣、水兩相達(dá)西流動(dòng)。

2　自改造效應(yīng)影響因素

2.1有效應(yīng)力

有效應(yīng)力作用于煤層氣開(kāi)采的整個(gè)階段，據(jù)Harpalani實(shí)驗(yàn)室研究表明，在高壓情況下有效應(yīng)力的影響起主導(dǎo)作用。地層壓力的降低，且有效應(yīng)力作用的情況下，煤儲(chǔ)層裂隙閉合，儲(chǔ)層滲透率降低。

2.2煤基質(zhì)收縮

煤基質(zhì)在吸附和解吸氣體過(guò)程中會(huì)引起自身的膨脹和收縮。煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，儲(chǔ)層壓力降至臨界解吸壓力以下時(shí)，煤層氣開(kāi)始解吸，煤層氣的解吸導(dǎo)致煤基質(zhì)體積變小，儲(chǔ)層滲透率升高。

2.3 Klinkenberg效應(yīng)

Klinkenberg效應(yīng)即滑脫效應(yīng)，是低滲透氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象，國(guó)外煤層氣自改造分析中一般會(huì)忽略該效應(yīng)的影響，但與國(guó)外煤層相比，我國(guó)煤儲(chǔ)層具有壓力低，低滲和特低滲的特征，因此，對(duì)于自改造效應(yīng)的動(dòng)態(tài)分析，不能忽略Klinkenberg效應(yīng)的影響。

3　優(yōu)選模型

基于欠飽和煤層氣藏開(kāi)發(fā)特征，考慮到儲(chǔ)層壓力處于臨界解吸壓力以上時(shí)，煤儲(chǔ)層僅受有效應(yīng)力影響，儲(chǔ)層壓力低于臨界解吸壓力時(shí)，煤基質(zhì)受收縮效應(yīng)和klinkenberg效應(yīng)的影響。改進(jìn)的SD模型更適合分析欠飽和煤層氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的滲透率變化趨勢(shì)，其綜合模型表達(dá)式為：

其中，k－壓力p下的滲透率，mD；k0－原始儲(chǔ)層壓力下的滲透率，mD；cf－割理壓縮系數(shù)，無(wú)量綱；υ－泊松比，無(wú)量綱；pc－臨界解吸壓力，MPa；b－壓力p下的滑脫系數(shù)，MPa；bc－臨界解吸壓力點(diǎn)的滑脫系數(shù)，MPa；E－楊氏模量，MPa；ε－蘭氏應(yīng)變常數(shù)，無(wú)量綱；pL－蘭氏壓力，MPa。

4　自改造效應(yīng)動(dòng)態(tài)分析

4.1參數(shù)選取

由于沁水盆地柿莊南區(qū)塊各井地層壓力、蘭氏體積、蘭氏壓力、臨界解吸壓力、含氣飽和度等參數(shù)均有差異，且無(wú)法根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)擬合出該區(qū)塊煤的等溫吸附曲線與臨界解吸壓力圖，因此，初始參數(shù)取值（見(jiàn)表1）。

表1　參數(shù)的選取

4.2動(dòng)態(tài)分析

4.2.1楊氏模量楊氏模量的增大，對(duì)前期有效應(yīng)力單獨(dú)作用段的儲(chǔ)層滲透率傷害影響不大，對(duì)后期自改造效應(yīng)階段自改造效率影響很大，楊氏模量是表征煤體不可壓縮性的物理量，楊氏模量越大，有效應(yīng)力導(dǎo)致的煤體形變?cè)叫。馕^(guò)程中，實(shí)際滲流通寬度越大，自改造效率越高（見(jiàn)圖1）。

圖1　楊氏模量敏感性分析

4.2.2割理壓縮系數(shù)割理壓縮系數(shù)越大，儲(chǔ)層滲透率傷害越大，自改造效率越高。割理壓縮系數(shù)是表征割理可壓縮性的物理量，割理可壓縮性越強(qiáng)，有效應(yīng)力對(duì)儲(chǔ)層滲透率傷害越大，同時(shí)，基質(zhì)收縮過(guò)程所引起的割理局部側(cè)向應(yīng)變也越大，自改造效率越高（見(jiàn)圖2）。

圖2　割理壓縮系數(shù)敏感性分析

4.2.3蘭氏應(yīng)變常數(shù)蘭氏應(yīng)變常數(shù)越大，自改造效率越高，儲(chǔ)層滲透率傷害程度幾乎不受其影響。蘭氏應(yīng)變常數(shù)是表征基質(zhì)吸附和解吸后基質(zhì)形變大小的物理量，顯然，其值越大，基質(zhì)收縮越明顯，自改造效率越高（見(jiàn)圖3）。

4.2.4蘭氏壓力蘭氏壓力越小，自改造效率越高，儲(chǔ)層滲透率傷害程度不受其影響。蘭氏壓力是指吸附量達(dá)到蘭氏體積一半時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力。由定義，含氣量相同情況下，蘭氏壓力越小，吸附氣量越多，自改造效率越高（見(jiàn)圖4）。

圖3　蘭氏應(yīng)變常數(shù)敏感性分析

圖4　蘭氏壓力敏感性分析

4.2.5滑脫系數(shù)滑脫效應(yīng)越大，自改造效率越高，同時(shí)儲(chǔ)層壓力大于1 MPa時(shí)，不同滑脫系數(shù)下的儲(chǔ)層滲透率基本相等，滑脫效應(yīng)不明顯，而儲(chǔ)層壓力小于1 MPa時(shí)，不同滑脫系數(shù)下的儲(chǔ)層滲透率差異顯現(xiàn)（見(jiàn)圖5）。

圖5　滑脫系數(shù)敏感性分析

4.2.6泊松比泊松比對(duì)自改造效率并沒(méi)有太大的影響，因?yàn)椴此杀缺碚髅后w橫向變形能力，由于煤層側(cè)向受?chē)鷫合拗疲虼嗣后w橫向變形并不會(huì)很大（見(jiàn)圖6）。

5　結(jié)論

煤層氣開(kāi)采過(guò)程中，解吸所引起的滲透率增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有效應(yīng)力導(dǎo)致的滲透率降低；對(duì)自改造效應(yīng)的影響，有楊氏模量＞割理壓縮系數(shù)＞蘭氏應(yīng)變常數(shù)＞蘭氏壓力＞滑脫系數(shù)＞泊松比的關(guān)系；對(duì)應(yīng)力越不敏感，解吸變形越大，地層壓力越低的煤層自改造效應(yīng)越明顯。

圖6　泊松比敏感性分析

參考文獻(xiàn)：

［1］藍(lán)強(qiáng).煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究［D］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

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Coal gas reservoirs self-transformation dynamic analysis in Shizhuang south block of Qinshui basin

WANG Bin1，ZHOU Biao2，WANG Xinyu3，YAN Zhaojin1，XUE Honggang1，WANG Yang1，TANG Yong1
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.Tarim Oilfield Company，PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China；3.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract:Unlike conventional gas reservoirs, coalbed methane reservoirs have the effect of self-transform, namely with decreasing reservoir pressure, reservoir permeability complex changes occur.Numerous studies show that, effective stress and coal matrix shrinkage, Klinkenberg effect is self-transformation effect of the three controlling factors, improved SD model more accurately describes undersaturated coalbed methane reservoir permeability dynamic variation, combined with the actual data, calculation and analysis show that Young's modulus of the greatest impact on self-transformation effect, Poisson's ratio of self-transformation effect with minimal impact.

Keywords：output characteristics；factors；preferred model；dynamic analysis

作者簡(jiǎn)介：王彬，男（1990-），碩士研究生，研究方向?yàn)闅馓镩_(kāi)發(fā)理論。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高溫高壓CO2-原油-地層水三相相平衡溶解度規(guī)律”，項(xiàng)目編號(hào)：51404037。

*收稿日期：2016－01-05修回日期：2016－01-15

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.005

中圖分類(lèi)號(hào)：TE132.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）02-0020-04