煤層氣開發(fā)過程中滲透率變化規(guī)律及對(duì)產(chǎn)量的影響

袁善磊

中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司

煤層氣開發(fā)過程中滲透率變化規(guī)律及對(duì)產(chǎn)量的影響

袁善磊

中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司

近年來，人們對(duì)煤層氣的認(rèn)識(shí)逐漸提高，煤層氣的開發(fā)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)過程，過去很長(zhǎng)一段時(shí)間，瓦斯都是煤礦開發(fā)過程中一項(xiàng)重大安全隱患，煤礦開發(fā)過程中發(fā)生瓦斯爆炸，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，由于認(rèn)識(shí)上的不足，其經(jīng)常被人們視作有害氣體直接被排放到空氣中，導(dǎo)致其價(jià)值沒有得到體現(xiàn)，并且對(duì)環(huán)境造成了污染?？萍嫉倪M(jìn)步，使人們認(rèn)識(shí)到了煤層氣的重要性，通過先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)對(duì)煤層氣進(jìn)行開發(fā)，能夠使其價(jià)值得到體現(xiàn)，一方面能夠解決全球能源短缺問題，另一方面也能夠改善環(huán)境。

煤層氣開發(fā)；滲透率；變化規(guī)律；產(chǎn)量；影響

1 滲透率動(dòng)態(tài)變化影響因素

1.1 有效應(yīng)力對(duì)滲透率的影響

隨著煤層氣井排水采氣的進(jìn)行，生產(chǎn)井筒內(nèi)的動(dòng)液面會(huì)不斷下降，孔隙流體壓力逐漸降低，導(dǎo)致煤體骨架承受的有效應(yīng)力增加，使得孔隙體積變小、裂縫趨于閉合，進(jìn)而造成煤巖滲透率逐步下降。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為煤儲(chǔ)層滲透率與有效應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，且對(duì)于高煤階低滲透性煤儲(chǔ)層，此關(guān)系更為明顯。有效應(yīng)力對(duì)滲透率的“負(fù)效應(yīng)”隨著煤層氣井氣、水的產(chǎn)出不可避免，認(rèn)清有效應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的影響規(guī)律，對(duì)控制煤儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性和科學(xué)地提高煤層氣氣井產(chǎn)能十分必要。

1.2 煤基質(zhì)收縮對(duì)滲透率的影響

和傳統(tǒng)油氣藏不同，煤層氣以吸附狀態(tài)賦存于煤層之中，當(dāng)儲(chǔ)層壓力小于臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣就會(huì)從煤基質(zhì)表面解吸，從而導(dǎo)致煤基質(zhì)體積收縮，增加煤層割理寬度，使得煤層滲透率增大。

由于煤層氣的吸附解吸是可逆的，通過對(duì)吸附膨脹量的研究即可得到解吸過程中的基質(zhì)收縮量，大部分研究學(xué)者普遍認(rèn)為吸附膨脹量與孔隙壓力呈Langmuir方程的關(guān)系。結(jié)合火柴棍模型推導(dǎo)孔隙度變化量，進(jìn)而利用孔隙度變化量與滲透率變化量的三次方關(guān)系，推導(dǎo)得出煤基質(zhì)收縮所引起的滲透率正效應(yīng)變化量。由于煤基質(zhì)收縮對(duì)滲透率的正效應(yīng)是在煤層氣解吸之后發(fā)生的，在開發(fā)過程中對(duì)于實(shí)際解吸點(diǎn)的確定尤為重要。

1.3 克林肯伯格效應(yīng)對(duì)滲透率的影響

理論上講，煤儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率與測(cè)試流體性質(zhì)無關(guān)，即氣測(cè)絕對(duì)滲透率與液測(cè)絕對(duì)滲透率應(yīng)是相同的。但在實(shí)際分析測(cè)試中，一般氣測(cè)滲透率均大于液測(cè)滲透率，而且這種差異隨著煤儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率的降低而增大，其主要原因是由于氣體存在克林肯伯格效應(yīng)(滑脫效應(yīng))。克林肯伯格效應(yīng)是指氣體在介質(zhì)孔道滲流的過程中出現(xiàn)在靠近孔道壁表面的氣體分子流速不為零，孔道壁面的氣體分子與孔道中心的分子流速幾乎沒有差別的現(xiàn)象。研究表明，低壓條件下克林肯伯格效應(yīng)普遍存在，低滲儲(chǔ)層尤其是特低滲儲(chǔ)層克林肯伯格效應(yīng)較強(qiáng)，氣體、溫度、束縛水飽和度等因素均對(duì)克林肯伯格效應(yīng)有一定的影響。當(dāng)儲(chǔ)層滲透率較大、孔隙壓力較高時(shí)，克林肯伯格效應(yīng)可以忽略不計(jì)。也就是說，在煤層氣井開發(fā)過程中，氣體克林肯伯格效應(yīng)對(duì)滲透率的正效應(yīng)影響主要體現(xiàn)在煤層氣井開發(fā)的中后期，對(duì)儲(chǔ)層滲透率的改善具有一定的促進(jìn)作用，但具體能對(duì)滲透率產(chǎn)生多大影響，需要結(jié)合儲(chǔ)層物性特征具體分析。

2 滲透率動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

煤層氣井開發(fā)過程中滲透率呈現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)變化是多種影響因素疊加下的綜合表征，其具體變化規(guī)律尤為復(fù)雜。一方面，隨著排水降壓的進(jìn)行，煤儲(chǔ)層表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，導(dǎo)致滲透率減?。涣硪环矫?，煤層氣的解吸產(chǎn)出導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮，導(dǎo)致滲透率增大。同時(shí)，由于煤儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較低，克林肯伯格效應(yīng)的存在能夠改善煤儲(chǔ)層滲透率。由于克林肯伯格效應(yīng)僅在儲(chǔ)層壓力較低的情況下作用明顯，且只是間接增大了儲(chǔ)層的氣體滲透率，并未對(duì)儲(chǔ)層物理性質(zhì)造成任何改變，作用效果在實(shí)際生產(chǎn)中相對(duì)有限且作用階段難以定量確定。因此，國內(nèi)外學(xué)者在研究滲透率動(dòng)態(tài)變化的過程中大都主要考慮有效應(yīng)力和基質(zhì)收縮效應(yīng)，忽略了克林肯伯格效應(yīng)對(duì)氣體滲透率的影響，因此，煤層氣井開發(fā)制度合理的情況下，壓降漏斗得到有效傳遞，煤儲(chǔ)層經(jīng)歷有效應(yīng)力作用階段、有效應(yīng)力和煤基質(zhì)收縮效應(yīng)耦合作用階段和有效應(yīng)力、煤基質(zhì)收縮、克林肯伯格效應(yīng)綜合作用階段。煤層氣井排采過程中滲透率呈現(xiàn)“先降低、后升高”的不對(duì)稱“U”型變化，但最終煤儲(chǔ)層滲透率的反彈程度受到儲(chǔ)層物性特征、煤體結(jié)構(gòu)和開發(fā)制度等因素的共同影響。儲(chǔ)層初始滲透率越低，開發(fā)初期應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，滲透率降低幅度相對(duì)越大，最終煤儲(chǔ)層滲透率不能恢復(fù)至原始水平；原生結(jié)構(gòu)煤彈性模量大、硬度高，開發(fā)初期煤體應(yīng)變較小，滲透率變化不大，后期基質(zhì)收縮正效應(yīng)可以起到充分作用，提高產(chǎn)氣量。構(gòu)造煤煤體破碎，滲透率恢復(fù)較原生結(jié)構(gòu)煤緩慢，滲透率傷害較大；開發(fā)初期開發(fā)制度制定不當(dāng)，開發(fā)速率過快，有效應(yīng)力會(huì)迅速增加，產(chǎn)生嚴(yán)重的壓敏效應(yīng)和速敏效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)煤儲(chǔ)層造成不可逆的傷害，導(dǎo)致滲透率無法反彈，氣井產(chǎn)能嚴(yán)重下降。

3 滲透率動(dòng)態(tài)變化對(duì)單井產(chǎn)量的影響

煤儲(chǔ)層滲透率的改變勢(shì)必會(huì)對(duì)氣井的生產(chǎn)能力造成一定程度的影響。應(yīng)力敏感主要發(fā)生在穩(wěn)產(chǎn)期和排水后期，而滲透率的反彈現(xiàn)象則主要發(fā)生在遞減環(huán)節(jié)，因此在對(duì)煤層氣開采達(dá)到一定程度后，壓降漏洞不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，此時(shí)產(chǎn)量將逐步進(jìn)入遞減環(huán)節(jié)，處于泄氣范圍內(nèi)的地層壓力將會(huì)繼續(xù)降低，而累計(jì)解吸量則會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷增加，通過一段時(shí)間的累積，煤基質(zhì)孔隙內(nèi)的空間將會(huì)達(dá)到一定范圍，此時(shí)滲透率將會(huì)快速變大。而通過大量的統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，隨著累積解吸量的增多，受解吸作用影響，儲(chǔ)層孔隙將會(huì)再一次變大，滲透率出現(xiàn)了較為明顯的反彈，產(chǎn)量將會(huì)再次回升，提高了煤層氣產(chǎn)量。

結(jié)語

煤層氣是一種潔凈能源，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)對(duì)緩解能源短缺意義重大，這也加強(qiáng)了人們對(duì)煤層氣開發(fā)的研究重視程度。大量的礦產(chǎn)生產(chǎn)證明，我國煤氣井在生產(chǎn)中受基質(zhì)滲透率和盈利敏感的影響十分明顯。因此，煤層氣開采中，應(yīng)在穩(wěn)產(chǎn)期和排水后期，對(duì)煤層氣的排量進(jìn)行合理控制，延長(zhǎng)氣井壽命，提高產(chǎn)量。

[1]陳亞西.煤層氣開發(fā)過程中儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化及合理排采速度分析[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2016.

[2]馬東.煤層滲透率變化規(guī)律和氣潤濕反轉(zhuǎn)方法提高煤層氣產(chǎn)量研究[D].長(zhǎng)江大學(xué)，2013.