煤巖滲透率各向異性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究
——實(shí)驗(yàn)樣品取自陜西韓城礦區(qū)

王 亞，劉新偉，白 佳，解雄濤

(1.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司陜西技術(shù)服務(wù)分公司，陜西西安 710000；2.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司；3.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司)

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煤巖滲透率各向異性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究
——實(shí)驗(yàn)樣品取自陜西韓城礦區(qū)

王 亞1，劉新偉1，白 佳2，解雄濤3

(1.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司陜西技術(shù)服務(wù)分公司，陜西西安 710000；2.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司；3.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司)

煤巖滲透率各向異性對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)具有重要的影響。采用氦氣及甲烷對(duì)不同圍壓條件下陜西韓城礦區(qū)煤樣面割理及端割理方向滲透率進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明：煤巖滲透率存在明顯的各向異性，面割理與端割理方向滲透率之比可達(dá)5.1～9.0；隨著圍壓增大，不同方向滲透率比值逐漸增大,各向異性效應(yīng)增強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)氦氣滲透率整體高于甲烷滲透率，但前者所測(cè)滲透率比值整體低于后者；圍壓增大導(dǎo)致的滲透率損失量受實(shí)驗(yàn)流體影響極小，且對(duì)各向異性效應(yīng)的影響不明顯。

煤巖；滲透率實(shí)驗(yàn)；各向異性

我國(guó)煤層氣資源豐富，合理開(kāi)采和利用煤層氣資源具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。煤儲(chǔ)層滲透率是控制煤層氣經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的重要控制因素[1-3]。煤的雙重介質(zhì)特性，以及煤層氣吸附與有效應(yīng)力的共同作用使得煤儲(chǔ)層滲透率呈現(xiàn)出與常規(guī)油氣藏顯著不同的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化特征。前人針對(duì)應(yīng)力作用下的單相氣滲透率進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[4-7]，并建立了一系列的滲透率動(dòng)態(tài)演化預(yù)測(cè)模型[8-10]。然而，煤巖裂隙發(fā)育具有顯著的各向異性特征，其面割理與端割理方向滲透率之比變化大，盡管已有學(xué)者基于理論分析建立了煤巖滲透率各向異性動(dòng)態(tài)變化的理論模式，但相應(yīng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)尚未見(jiàn)諸報(bào)道。本文擬通過(guò)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，探討不同圍壓條件下的煤巖滲透率各向異性變化特征。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)煤樣采自我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)較為活躍的陜西韓城礦區(qū)，所取煤巖試樣面割理與端割理相互交錯(cuò)，呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征，煤質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。分別沿面割理及端割理方向鉆取直徑為2.5 cm的巖心，鉆取后將巖心端面進(jìn)行切割打磨，試樣兩端面平整度偏差在0.05 mm內(nèi)，制成長(zhǎng)度約為4 cm的巖心，用聚乙烯膜將巖心包好密封。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為美國(guó)巖心公司ULTRAPERM-400滲透率測(cè)定儀，實(shí)驗(yàn)用氣體是純度99.99%的氦氣及甲烷氣，實(shí)驗(yàn)溫度是30 ℃。測(cè)試前，將巖心置于90 ℃恒溫箱中烘干4 h，以去除水分對(duì)滲透率測(cè)定的影響。試樣和上下壓頭之間放置多孔剛性墊片，以使測(cè)試過(guò)程中流體能夠均勻地通過(guò)試樣。煤樣安置后，首先對(duì)煤樣施加圍壓pc，待圍壓穩(wěn)定后打開(kāi)試樣上下端進(jìn)出流體閥門(mén)，向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)中充入所用氣體，待上下游壓力穩(wěn)定后，記錄壓力及對(duì)應(yīng)的流量，根據(jù)穩(wěn)態(tài)法公式計(jì)算該圍壓下煤巖的滲透率：

表1 煤樣工業(yè)分析與煤巖分析結(jié)果

(1)

式中：k——?dú)怏w滲透率，10-3μm2；A——煤樣截面積，cm2；L——煤樣長(zhǎng)度，cm；P0——大氣壓力，MPa；μ——?dú)怏w黏度，mPa·s；Q0——大氣壓力下的流量，cm3/s；P1P2——兩端口壓力，MPa。

本實(shí)驗(yàn)的圍壓設(shè)置級(jí)別為2，3，4，5，6 MPa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持上游入口端壓力為1.0 MPa，下游回壓為0.5 MPa。測(cè)試流體為氦氣及甲烷。先開(kāi)展試樣低圍壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后逐步增大圍壓，接續(xù)開(kāi)展高圍壓實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1和圖2所示分別為不同圍壓條件下的煤巖面割理及端割理方向滲透率。由圖中可看出，對(duì)同一煤樣，氦氣滲透率與甲烷滲透率均隨圍壓增大而呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，采用指數(shù)關(guān)系(式2)可對(duì)滲透率遞減趨勢(shì)進(jìn)行較好的擬合(R2>0.95)。表2所示為不同氣體不同方向滲透率遞減關(guān)系擬合參數(shù)，由表中可看出，對(duì)于同一試樣，氦氣滲透率擬合值a要高于甲烷滲透率擬合值，表明氦氣滲透率要高于甲烷滲透率，其原因在于：氦氣為惰性氣體，在煤巖基質(zhì)中無(wú)吸附效應(yīng)，而甲烷在煤巖基質(zhì)的表面吸附促使基質(zhì)出現(xiàn)膨脹效應(yīng)，煤巖裂隙趨于閉合，進(jìn)而導(dǎo)致甲烷滲透率降低。

k=ae-b σ

(2)

式中：a，b——待擬合參數(shù)，σ——有效應(yīng)力，MPa。

圖1 圍壓對(duì)面割理方向滲透率的影響

測(cè)試氣體擬合參數(shù)面割理端割理氦氣abR210．550．530．962．470．600．95甲烷abR28．410．560．961．320．620．96

圖3所示為面割理與端割理方向滲透率比值km/kd隨圍壓的變化趨勢(shì)，由圖中可得：相同圍壓條件下，氦氣所測(cè)得的滲透率比值(5.1～6.6)要低于甲烷所測(cè)比值(7.3～9.0)。隨著圍壓的增大，不同氣體所測(cè)得的各向異性效應(yīng)趨于變強(qiáng)，其中：氦氣測(cè)得的滲透率比值由5.1增大至6.7，增幅為32.0%；甲烷測(cè)得的滲透率比值由7.3增大至9.0，增幅為23.3%。

圖2 圍壓對(duì)端割理方向滲透率的影響

圖3 圍壓對(duì)滲透率比值km/kd影響

為進(jìn)一步探究圍壓對(duì)滲透率各向異性效應(yīng)的影響作用，利用Wang建立的考慮各向異性影響的滲透率動(dòng)態(tài)演化模型[12]。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其模型表達(dá)式為：

(3)

式中：k0——初始滲透率，10-3μm2；φ0——初始孔隙度，無(wú)因次；Kb——體積模量，MPa；p0——初始孔隙壓力，MPa；εL——吸附應(yīng)變，無(wú)因次；Δσ——圍壓增量，MPa；F1、F10——Δσ及初始圍對(duì)應(yīng)的膨脹系數(shù)，無(wú)因次。

通過(guò)反復(fù)試算和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在孔隙壓力一定的條件下，孔隙度與體積模量對(duì)滲透率的影響作用較為顯著(圖4)，而膨脹系數(shù)、吸附應(yīng)變、孔隙壓力對(duì)滲透率的影響較小。

由圖5中可看出，采用Wang模型可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行較好的擬合，擬合所得φ0Kb為7.7。采用不同氣體測(cè)得的不同割理方向的滲透率比值隨圍壓增量極為接近，表明滲透率比值的各向異性效應(yīng)φ0Kb較弱。

圖4 φ0Kb對(duì)滲透率比值k/k0隨圍壓增量變化的影響

圖5 滲透率比值k/k0與圍壓增量關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同圍壓條件下煤樣面割理及端割理方向滲透率進(jìn)行的測(cè)定，利用氮?dú)饧凹淄闅怏w進(jìn)行對(duì)比分析，主要獲得了以下認(rèn)識(shí)和成果：

(1)煤巖滲透率存在明顯的各向異性，面割理與端割理方向滲透率之比可達(dá)5.1～9.0；

(2)隨著圍壓增大，不同方向滲透率比值逐漸增大,各向異性效應(yīng)增強(qiáng)；

(3)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)氦氣滲透率整體高于甲烷滲透率，但前者所測(cè)滲透率比值整體低于后者；

(4)圍壓增大導(dǎo)致的滲透率損失量受實(shí)驗(yàn)流體影響極小，且對(duì)各向異性效應(yīng)的影響不明顯。

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編輯：韓玉戟

1673-8217(2016)06-0092-03

2016-04-29

王亞，1989年生，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事煤層氣開(kāi)發(fā)工作。

國(guó)家重大油氣專(zhuān)項(xiàng)“煤層氣排采工藝及數(shù)值模擬技術(shù)研究”(ZX2011-05038)。

TE312

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