煤層氣藏氣體產(chǎn)出路徑研究
——以沁水盆地南部馬必東區(qū)塊為例

張學(xué)英，王鈞劍，王 剛，王 寧，劉振興，宮賀宴，王偉光

（1.中國石油華北油田公司，河北任丘 062552；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

中國煤層氣資源豐富，勘探開發(fā)前景廣闊［1］。近年來，煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及水力壓裂、水平井等技術(shù)的成功應(yīng)用，將煤層氣的勘探開發(fā)推向新高潮［2-3］。然而目前針對煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理研究仍處于探索階段且存在爭議［2］。已有研究結(jié)果表明對于已壓裂的煤層氣井，煤層氣的產(chǎn)出存在一定的特殊性，解吸出的煤層氣需要通過致密的煤巖基質(zhì)孔隙、天然微裂隙、水力裂隙等多尺度介質(zhì)后才能從井筒產(chǎn)出［4］，同時氣體的流動也存在多尺度效應(yīng)，很難用單一的流動模型對其進(jìn)行描述［5-6］。

煤層氣儲層通常為由基質(zhì)孔隙和微裂隙組成的雙重孔隙系統(tǒng)，其中基質(zhì)孔隙是氣體的主要儲集場所，微裂隙是氣體的運移通道［7-8］。煤層氣儲層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育從納米級孔隙至天然微裂隙的多尺度儲滲空間［9］。此外，與常規(guī)天然氣儲層相比，煤層氣儲層往往具有低孔超低滲透的特征，對煤層氣采用衰竭模式開采不足以獲得工業(yè)性產(chǎn)量。因此，為進(jìn)一步提高煤層氣井產(chǎn)能，水力壓裂技術(shù)成為煤層氣開采的主要增產(chǎn)措施［10］。煤層氣儲層經(jīng)水力壓裂后，產(chǎn)生較大規(guī)模的人工裂隙會進(jìn)一步溝通天然微裂隙，形成以復(fù)雜縫網(wǎng)為主導(dǎo)的滲流通道，從而提高儲層的滲透性［11-12］。對于壓裂后煤層氣井的產(chǎn)氣路徑，目前普遍認(rèn)為在排采過程中，煤層氣以從小尺度向大尺度逐步運移的串聯(lián)方式流入大規(guī)模的人工裂隙及井筒。即在系統(tǒng)降壓以后，儲集在基質(zhì)微納米孔隙中的氣體以滲流或者擴(kuò)散的方式運移至天然微裂隙中，進(jìn)而在壓差的作用下從天然微裂隙滲流到人工裂隙并進(jìn)一步流入井筒［13］。然而在實際開發(fā)過程中，考慮煤巖基質(zhì)與天然裂隙有限的接觸面積，除上述模式以外，理應(yīng)存在基質(zhì)孔隙、天然微裂隙和次一級裂隙共同向主裂隙/井筒產(chǎn)出的并聯(lián)模式［14］。目前諸多學(xué)者對氣體串聯(lián)產(chǎn)出路徑頗有研究，現(xiàn)提出的多數(shù)數(shù)學(xué)模型也都基于多尺度逐級滲流的概念模型［15-17］。然而針對煤層氣并聯(lián)產(chǎn)出路徑現(xiàn)有研究較少，導(dǎo)致煤層氣向井筒的主導(dǎo)產(chǎn)氣模式尚未可知。

針對在壓差作用下煤層氣產(chǎn)出路徑這一關(guān)鍵問題，以沁水盆地馬必東區(qū)塊3#煤層樣品為研究對象，通過設(shè)計裂隙巖心和基質(zhì)巖心的串聯(lián)及并聯(lián)實驗，分別模擬煤巖基質(zhì)孔隙、天然微裂隙、人工裂隙不同的組合關(guān)系，進(jìn)而建立煤層氣的產(chǎn)出模式。根據(jù)研究區(qū)實際地層條件和地應(yīng)力條件，通過分析氣體體積流量、巖心滲透率及驅(qū)替壓差的關(guān)系，集中探討在不同壓差下氣體的產(chǎn)出路徑及其影響因素。

1 煤層氣產(chǎn)出路徑實驗?zāi)M

煤層氣從儲層中的高效產(chǎn)出離不開天然微裂隙或人工裂隙所提供的快速通道，而致密的煤巖基質(zhì)所提供的有效氣源也制約著煤層氣在儲層中能否高效產(chǎn)出。因此探究裂隙網(wǎng)格與煤巖基質(zhì)的合理配置，分析煤層氣在儲層中的產(chǎn)出行為，有利于優(yōu)化煤層壓裂改造方案，并極大地改善煤層氣的開發(fā)效果。

1.1 樣品的采集與制備

實驗樣品取自沁水盆地南部馬必東區(qū)塊的3#煤層。該煤層為研究區(qū)主要可采煤層，埋深約為1 000 m，平均厚度約為6 m，具有厚度大、結(jié)構(gòu)簡單、分布穩(wěn)定的特點。3#煤巖樣品為半亮煤，成分以亮煤為主，暗煤次之，夾有少量鏡煤條帶。局部發(fā)育裂隙，煤體結(jié)構(gòu)較完整，煤體堅硬，屬于原生結(jié)構(gòu)煤。

由于煤巖中發(fā)育大量割理與微裂隙，使得通過傳統(tǒng)的水鉆法制樣變得十分困難。水鉆法在鉆進(jìn)過程中極易受人為擾動而破壞煤巖的結(jié)構(gòu)使之發(fā)生破碎，為了提高制樣的成功率，根據(jù)宏觀煤巖描述結(jié)果，選取煤巖基質(zhì)部位及含有天然微裂隙的部位，采用線切割技術(shù)，分別制取直徑約為2.5 cm、長度約為5 cm 的煤巖柱樣若干。為模擬煤層氣在天然微裂隙中的滲流行為，通過CAD 設(shè)計人工裂隙的空間形態(tài)，進(jìn)而通過線切割技術(shù)制取人工裂隙樣品（圖1）。

圖1 線切割制取人工裂縫樣品示意Fig.1 Illustration of artificially fractured sample by line cutting technique

制作煤巖樣品后，分別測定各樣品的孔隙度和滲透率。根據(jù)滲透率依次增大的變化規(guī)律及樣品中天然微裂隙的發(fā)育特征，從所制樣品中選取3 塊典型巖樣，分別代表煤巖基質(zhì)孔隙、天然微裂隙和人工裂隙樣品。由3 塊煤巖樣品孔滲實驗參數(shù)（表1）可見，經(jīng)人工造縫的煤巖樣品滲透率遠(yuǎn)高于天然微裂隙和煤巖基質(zhì)孔隙樣品。

1.2 串、并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗設(shè)計與步驟

串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗?zāi)M在排采過程中氣體由煤巖基質(zhì)孔隙向天然微裂隙進(jìn)而向人工裂隙逐漸產(chǎn)出的運移模式。實驗裝置如圖2所示。

表1 煤巖樣品孔滲實驗參數(shù)Table1 Coal sample parameters

圖2 串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗裝置Fig.2 Schematic of series flow experiment

在串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗過程中，將代表煤巖基質(zhì)孔隙、天然微裂隙和人工裂隙的樣品按順序依次裝入相應(yīng)的巖心夾持器中，其中煤巖基質(zhì)孔隙樣品離注氣端最近，人工裂隙樣品離注氣端最遠(yuǎn)，從而模擬實際過程中氣體由基質(zhì)孔隙逐步向裂隙運移的過程?？紤]實驗的安全性，選取氮氣作為滲流介質(zhì)，模擬實際生產(chǎn)過程中煤層氣儲層內(nèi)部氣體的流動。實驗采用穩(wěn)態(tài)法計算樣品的滲透率，因此，可忽略氣體吸附解吸所導(dǎo)致的滲透率動態(tài)變化。為分析各樣品體積流量和滲透率的差異，分別在3 個夾持器的兩側(cè)接入壓力傳感器，來監(jiān)測整體壓力變化時不同樣品的兩端壓力變化，同時計量出口端的體積流量，用以計算在不同驅(qū)替壓力下整體的滲透率變化。

并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗?zāi)M在排采過程中氣體由煤巖基質(zhì)孔隙+天然微裂隙+人工裂隙共同產(chǎn)出模式，其實驗裝置見圖3。與串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗不同，并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗使用氣體體積流量計分別計量3塊巖心出口端的體積流量，同時監(jiān)測裝置出口端和入口端壓力的變化。

根據(jù)研究區(qū)煤層氣儲層的地層條件，將串、并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗的圍壓設(shè)置為15 MPa，用以模擬研究區(qū)煤層氣儲層地應(yīng)力情況。為明確在產(chǎn)出過程中氣體體積流量和滲透率的變化，根據(jù)研究區(qū)煤層氣儲層的平均地層壓力，分析在注入壓力由4.5 MPa下降至2 MPa 時各實驗組的壓力、體積流量以及滲透率的變化情況。2 套實驗的具體步驟包括：①按實驗裝置圖接好儀器設(shè)備，調(diào)節(jié)各儀器設(shè)備使其進(jìn)入實驗狀態(tài)。②將實驗用巖心放入巖心夾持器，利用圍壓泵給夾持器的巖心提供穩(wěn)定的圍壓15 MPa。③打開氣源并給定相應(yīng)的驅(qū)替壓力，檢查實驗流程，保證無漏氣后開始實驗。④調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力至設(shè)定值，等待一段時間，當(dāng)出口端體積流量穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)的壓力和體積流量。⑤根據(jù)實驗需要，重復(fù)步驟④至所有測試點測試完畢。⑥通過達(dá)西定律計算滲透率，進(jìn)行實驗的后期整理分析。

圖3 并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗裝置Fig.3 Schematic of parallel flow experiment

2 結(jié)果分析

2.1 串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗

利用人工裂隙樣品和煤巖基質(zhì)孔隙樣品的串聯(lián)，得到系統(tǒng)不同壓力梯度下的體積流量。由于注氣壓力往往體現(xiàn)地層能量的大小，且隨著注氣壓力的降低，地層壓力逐漸衰減，有效應(yīng)力逐漸增大，因此串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗出口端體積流量隨入口端注入壓力的增大呈現(xiàn)近線性降低的趨勢。壓差由4.5 MPa 降至2 MPa 時，體積流量由0.007 3 cm3/s 降至0.004 5 cm3/s（圖4）。

圖4 串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗體積流量與壓差的關(guān)系Fig.4 Relationship between flow rate and pressure difference in series flow experiment

為進(jìn)一步分析串聯(lián)產(chǎn)出路徑中氣體在各樣品中的滲流行為，統(tǒng)計了實驗中各樣品兩端壓差與相對應(yīng)的體積流量。結(jié)果（圖5）表明，隨串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗壓力的降低，各樣品兩端的壓差與體積流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)注入壓力由4.5 MPa下降至2 MPa時，串聯(lián)產(chǎn)出路徑中煤巖基質(zhì)孔隙樣品隨地層能量的衰減兩端壓力降幅及降速最大，壓差由2.77 MPa下降至0.55 MPa，降幅為80.1%；天然微裂隙樣品次之，兩端壓差由1.74 MPa 下降至1.48 MPa，降幅為14.9%；人工裂隙樣品最小，兩端壓差均為0.003 0 MPa左右。因此，在串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗中，基質(zhì)滲透率對煤層氣的產(chǎn)出起決定性作用。由于煤巖基質(zhì)滲透率較低，煤層氣在基質(zhì)孔隙中的流動能量消耗最大。當(dāng)氣體逐漸通過天然微裂隙流至人工裂隙以后，人工裂隙的入口壓力幾乎衰減至出口端壓力，即使人工裂隙能夠提供較高的滲透率和高滲流通道，但由于在串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗中，當(dāng)氣體流至人工裂隙后，地層能量嚴(yán)重不足，因此人工裂隙對煤層氣的產(chǎn)出貢獻(xiàn)較小。

圖5 串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗各樣品體積流量與壓差的關(guān)系Fig.5 Relationship between flow rate and pressure difference for each sample in series flow experiment

2.2 并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗

并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗出口端體積流量與壓差的關(guān)系（圖6）表明，并聯(lián)實驗組產(chǎn)出氣量與串聯(lián)實驗組出口端體積流量的變化規(guī)律類似，都隨入口端壓力的減小呈近線性降低。相比串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗，并聯(lián)實驗組由于樣品出口端截面較大且沿流動方向樣品長度較小，因此在各個入口壓力點下其出口端體積流量都高于串聯(lián)實驗組。當(dāng)入口端壓力由4.5 MPa 降至2.0 MPa 時，并聯(lián)產(chǎn)出路徑出口端體積流量由約25 cm3/s降至約5 cm3/s。

圖6 并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗出口端體積流量與壓差的關(guān)系Fig.6 Relationship between flow rate and pressure difference in parallel flow experiment

圖7 并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗各樣品體積流量與壓差的關(guān)系Fig.7 Relationship between flow rate and pressure difference for each sample in parallel flow experiment

并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗中煤巖基質(zhì)孔隙、天然微裂隙及人工裂隙的體積流量與壓差之間的關(guān)系（圖7）表明，隨整體地層壓力或地層能量的降低，3 塊樣品兩端壓差與體積流量均呈負(fù)相關(guān)。并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗天然微裂隙樣品體積流量下降最大，從0.07 cm3/s降至0.009 cm3/s，降幅為87%；人工裂隙樣品在地層能量衰減過程中氣體體積流量下降次之，從23 cm3/s下降至5.5 cm3/s，降幅為76%；煤巖基質(zhì)孔隙樣品降幅最小，從0.005 4 cm3/s降至0.002 5 cm3/s，降幅為60%。與此同時，煤巖基質(zhì)孔隙樣品體積流量遠(yuǎn)小于天然微裂隙樣品兩端體積流量，且遠(yuǎn)小于人工裂隙樣品兩端體積流量。在并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗中，氣體在人工裂隙中的快速流動形成優(yōu)勢通道，因此氣體在人工裂隙中的滲流決定煤層氣的產(chǎn)出，并限制氣體在煤巖基質(zhì)孔隙和天然微裂隙中的滲流。

2.3 串聯(lián)與并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗結(jié)果對比

為進(jìn)一步比較串聯(lián)產(chǎn)出路徑和并聯(lián)產(chǎn)出路徑對煤層氣產(chǎn)出的控制作用，考慮兩系統(tǒng)出口端截面積及壓力梯度不同，很難從測得體積流量的角度對兩系統(tǒng)進(jìn)行對比，因此，對2種產(chǎn)出路徑的等效滲透率及各樣品的滲透率變化進(jìn)行分析。

根據(jù)達(dá)西定律，對于串聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗，系統(tǒng)整體總壓差為各樣品兩端壓差之和，且通過各樣品的體積流量相同，因此串聯(lián)實驗系統(tǒng)的等效滲透率滿足條件為［18］：

對于并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗，考慮系統(tǒng)總流量為各分支樣品體積流量之和且各樣品兩端壓差相同，因此并聯(lián)實驗系統(tǒng)的等效滲透率滿足條件為［18］：

根據(jù)（1）式和（2）式計算串聯(lián)產(chǎn)出路徑和并聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率，結(jié)果見圖8。由于串聯(lián)產(chǎn)出路徑和并聯(lián)產(chǎn)出路徑中氣體的產(chǎn)出分別以煤巖基質(zhì)孔隙和天然微裂隙樣品為主，使得串聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率遠(yuǎn)低于并聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率。當(dāng)入口端壓力為4.5 MPa 時，并聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率為串聯(lián)產(chǎn)出路徑的30 倍左右。當(dāng)入口端壓力為2 MPa 時，盡管兩系統(tǒng)的滲透率均有所下降，但并聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率仍為串聯(lián)產(chǎn)出路徑的16 倍。因此，在已壓裂煤層氣井的排采過程中，近井地帶主裂隙附近，在考慮串聯(lián)產(chǎn)出路徑的同時，需要進(jìn)一步考慮并聯(lián)產(chǎn)出路徑中氣體的產(chǎn)出。

圖8 串、并聯(lián)產(chǎn)出路徑等效滲透率與壓差的關(guān)系Fig.8 Relationship between equivalent permeability and pressure difference for series and parallel flow experiments

圖9 串、并聯(lián)產(chǎn)出路徑等效滲透率與初始滲透率之比與壓差的關(guān)系Fig.9 Relationship between the ratio of equivalent permeability and initial permeability and the pressure difference for series and parallel flow experiments

由串聯(lián)產(chǎn)出路徑和并聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率與初始滲透率之比與壓差的關(guān)系（圖9）可見，隨地層壓力的衰減，有效應(yīng)力逐步增大，導(dǎo)致煤層中裂隙閉合且等效滲透率降低。相比于并聯(lián)產(chǎn)出路徑，串聯(lián)產(chǎn)出路徑任意樣品滲透率的急劇下降都會對整體滲透率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此串聯(lián)產(chǎn)出路徑等效滲透率與初始滲透率之比要低于并聯(lián)產(chǎn)出路徑等效滲透率與初始滲透率之比。

3 結(jié)論

煤層氣儲層存在煤巖基質(zhì)孔隙、天然微裂隙和水力裂隙等多尺度介質(zhì)，煤層氣的產(chǎn)出需要經(jīng)歷一系列串聯(lián)或者并聯(lián)耦合過程，合理有效的基質(zhì)孔隙與裂隙的配置關(guān)系是煤層氣有效產(chǎn)出的決定因素之一。通過建立煤層氣儲層串、并聯(lián)配置關(guān)系模型，實驗?zāi)M了煤層氣的產(chǎn)出過程，為深入研究煤層氣的產(chǎn)氣機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。

煤層氣儲層串、并聯(lián)產(chǎn)出路徑實驗結(jié)果表明，串聯(lián)產(chǎn)出路徑中氣體產(chǎn)出主要受煤巖基質(zhì)滲透率的影響。并聯(lián)產(chǎn)出路徑中氣體產(chǎn)出主要受人工裂隙的影響。不同路徑中各樣品的體積流量與壓差的相關(guān)關(guān)系有顯著差別。在相同條件下，串聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率遠(yuǎn)低于并聯(lián)產(chǎn)出路徑的等效滲透率，在壓裂煤層氣井的排采過程中，要進(jìn)一步考慮并聯(lián)產(chǎn)出路徑對煤層氣產(chǎn)出的控制作用。

符號解釋

Ks——串聯(lián)等效滲透率，D；Li——各巖心長度，m；i——樣品數(shù)；Ki——各巖心樣品的滲透率，D；Kp——并聯(lián)等效滲透率，D；Di——巖心樣品的直徑，m［18］。