低滲煤層氣藏中的滑脫效應(yīng)及影響因素

劉萱++許浩++湯達禎++高雅婕++袁懿琳++羅路寶

摘 要：論文主要綜述了滑脫效應(yīng)影響因素的國內(nèi)研究文獻?，F(xiàn)有文獻主要集中于分析滲透率、孔隙壓力、含水飽和度、圍壓、溫度和上覆巖層壓力等對滑脫效應(yīng)的影響。關(guān)于含水飽和度、圍壓的研究尚存在爭論；在孔隙壓力方面，對臨界孔隙壓力的概念及其范圍，基本上是持肯定的觀點；滲透率與滑脫效應(yīng)的影響具有雙向性；對溫度、上覆巖層壓力、巖心致密程度和氣體相對分子量對滑脫效應(yīng)的影響研究，結(jié)論較為統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：滑脫效應(yīng) 影響因素 煤層

中圖分類號：TD821 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0032-02

我國煤層普遍具有低滲透率、低孔隙度、低儲層壓力的“三低”特點，當氣體在低滲多孔隙介質(zhì)中低速滲流時，氣體滲流的主要物理特征是具有“滑脫效應(yīng)”?；撔?yīng)是氣體在低滲多孔介質(zhì)中流動時產(chǎn)生的一種分子滑移現(xiàn)象。其本質(zhì)是由于氣體分子平均自由程和流體通道在一個數(shù)量級上，氣體分子就與通道壁相互碰撞，從而造成氣體分子沿孔隙表面滑移，在宏觀上表現(xiàn)為氣體在孔道固壁面上具有非零速度，氣測滲透率大于液體滲透率。

滑脫效應(yīng)作為影響低滲儲層滲透率的重要因素，目前已引起了人們的重視。近年來，一些學者利用理論和實驗的方法研究低滲天然氣藏的滑脫效應(yīng)，但對于低滲煤層氣藏的氣體滑脫效應(yīng)研究較少，由于煤層氣和天然氣的賦存介質(zhì)的力學特性不同，煤層氣低滲規(guī)律存在一定差異，導(dǎo)致低滲煤層氣藏的開發(fā)缺乏深厚的理論基礎(chǔ)。本文涉及對象以煤層氣藏為主，低滲天然氣藏為輔，對我國滑脫效應(yīng)影響因素研究進行綜述，為后續(xù)研究提供一些參考。

1 滑脫效應(yīng)及其影響因素研究述評

1.1 水飽和度對滑脫效應(yīng)的影響

由于地面鉆井壓裂技術(shù)開發(fā)煤層氣過程中，鉆井開采帶來的鉆井液、完井液及酸化、壓裂液等外來流體侵入儲層后，導(dǎo)致儲層的水飽和度增加，儲層滲透率降低，致使滑脫效應(yīng)對滲透率的影響顯著，氣體運移規(guī)律復(fù)雜，出現(xiàn)抽采困難等問題。故水飽和度是在煤層氣開采過程中影響滑脫效應(yīng)的重要因素之一，目前研究結(jié)論存在爭論。

水飽和度對滑脫效應(yīng)的影響首先是在低滲天然氣藏中提出的。Rose、Fulton、Rushing等人先后通過砂巖巖心實驗，得到在一定的束縛水飽和度下，滑脫效應(yīng)隨著含水飽和度的增加而降低的結(jié)論[1]；但KewenLi、李寧等人卻得到了與前人相反的結(jié)論，即氣體滑脫因子b隨含水飽和度的增加而增加，并隨氣體固有有效滲透率的減小而增加[2]。

隨后我國學者對低滲透煤儲集層煤樣進行實驗時，得出滑脫在低圍壓（2～6 MPa）條件下，滑脫系數(shù)b隨著水飽和度的增加而增大；在高圍壓（8～10 MPa）條件下，滑脫系數(shù)b隨著水飽和度的增大而降低，且上述關(guān)系為滿足一次線性擬合關(guān)系[3]。隨后又有學者在高圍壓（10 Mpa）下進行試驗得出結(jié)論：在煤樣飽和水情況下，氣體滑脫效應(yīng)完全消失；在束縛水狀態(tài)下，氣體滑脫效應(yīng)對氣體滲透率貢獻率更大大，貢獻率最大值比單相氣體時的要大將近20個百分點[4]。

綜上所述，在實際的低滲煤儲層中，水相的存在對氣體滑脫效應(yīng)的影響不能忽略。

1.2 圍壓對滑脫效應(yīng)的影響

目前，圍壓對滑脫效應(yīng)的影響研究結(jié)論，尚存在爭議。其代表觀點為：（1）圍壓越低，滑脫效應(yīng)越明顯，圍壓增大，可減小滑脫效應(yīng)[5]。（2）圍壓越高氣體滲透率越低，滑脫效應(yīng)產(chǎn)生的附加滲透率在有效滲透率中所占比重隨著圍壓的增加而增加[3]。（3）隨著圍壓的增大，滑脫效應(yīng)產(chǎn)生的滲透率對氣測滲透率貢獻率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢[6]。以上三種研究結(jié)論的差異主要是由于對試驗數(shù)據(jù)的分析方式不同所造成。

第一種數(shù)據(jù)分析方法是考慮氣測滲透率與克氏滲透率差值與圍壓的關(guān)系。該研究方法存在局限性，氣測滲透率與克氏滲透率的差值不能直接反應(yīng)滑脫效應(yīng)對滲透率的影響程度，僅能反應(yīng)出隨圍壓增大，滑脫效應(yīng)產(chǎn)生的滲透率增量在減少。第二種數(shù)據(jù)分析方法是考慮滑脫效應(yīng)產(chǎn)生的附加滲透率在有效滲透率中所占比重與圍壓的關(guān)系，該分析方法能較好的反應(yīng)滑脫效應(yīng)對滲透率的貢獻程度，但目前多數(shù)文章中未給出明確計算公式。第三種數(shù)據(jù)分析方式是考慮克氏滲透率與氣測滲透率的比值與圍壓的關(guān)系，該比值不能反應(yīng)滑脫效應(yīng)在氣測滲透率中的貢獻程度，認為該數(shù)據(jù)處理方法有失偏頗。

目前研究圍壓對滑脫效應(yīng)的影響實驗方法主要為：控制圍壓一定，測不同孔隙流體壓力與氣測滲透率的關(guān)系，用線性回歸方法進行數(shù)據(jù)擬合，獲取克氏滲透率、滑脫系數(shù)；然后改變圍壓，獲取多組數(shù)據(jù)；最后利用上述三種方法進行數(shù)據(jù)處理或繪制滑脫系數(shù)和圍壓的關(guān)系。所以圍壓數(shù)據(jù)較少，一般僅3～4組。

綜上所述，圍壓與滑脫效應(yīng)的關(guān)系方面還存在很多問題有待研究。數(shù)據(jù)分析方面：滑脫效應(yīng)產(chǎn)生的滲透率增量，與滑脫效應(yīng)產(chǎn)生的滲透率在氣測滲透率中的比重的概念和計算公式有待明確；實驗方法方面：可采用控制進出口壓力，既保持孔隙流體壓力不變，測不同圍壓下的氣測滲透率，然后進行非線性擬合，來更直觀的反應(yīng)氣測滲透率隨圍壓的變化；研究方向方面：專門對圍壓與滑脫效應(yīng)的研究較少，且對不同地區(qū)、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關(guān)系研究尚為空白。

1.3 孔隙壓力對滑脫效應(yīng)的影響

在煤層氣產(chǎn)出過程中，當孔隙壓力較高時，是以有效應(yīng)力、基質(zhì)收縮作為影響滲透率的主導(dǎo)因素；孔隙壓力下降到一定程度時，氣體滑脫效應(yīng)對滲透率的影響十分的顯著，滲透率會有一個迅速的升高，尤其對于低滲儲層，所以在孔隙壓力處于某一較低范圍內(nèi)，儲層滲透率都將處于滑脫效應(yīng)的主導(dǎo)階段[7]。通過大量實驗也證實了滑脫效應(yīng)產(chǎn)生的滲透率貢獻率隨著孔隙壓力減小而增大的結(jié)論，所以目前對孔隙壓力的研究就集中在臨界孔隙壓力值上，即在一定圍壓條件下，存在一個發(fā)生氣體滑脫效應(yīng)的臨界孔隙壓力值，當在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應(yīng)存在。各代表性結(jié)論簡要總結(jié)如表1所示。endprint

綜上所述，近年來我國對孔隙壓力對滑脫效應(yīng)的影響得出的結(jié)論比較一致，但臨界孔隙壓力不是一定值，而是隨著煤儲層條件發(fā)生變化的。但對不同水飽和度、孔隙度、地下水礦化度下的臨界孔隙壓力的了解甚少，具體地區(qū)需要具體分析。

1.4 滲透率與滑脫效應(yīng)的相互影響

在相同圍壓單相氣體條件下，不同煤層的滑脫效應(yīng)的滲透率貢獻率不同，低滲透煤層中的滲透率貢獻率偏高，即滑脫效應(yīng)對低滲透儲層的滲透性能影響重大[8]。滲透率與滑脫效應(yīng)的關(guān)系具有雙向性，滲透率越低滑脫效應(yīng)的貢獻率越大，同時滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生的滲透率增量又反過來使?jié)B透率增高或使?jié)B透率降低速度減慢。

在煤層氣開采過程中，隨氣體壓力降低，煤巖骨架承受的有效應(yīng)力逐漸增加，使得滲流通道因受應(yīng)力作用而漸趨閉合，導(dǎo)致了氣體滲透率的降低[9]。實驗表明，在一定圍壓條件下，隨著孔隙壓力降低，無煙煤He測滲透率呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，在1 Mpa臨界孔隙壓力時發(fā)生反彈的現(xiàn)象，是由于氣體滑脫及有效應(yīng)力效應(yīng)共同作用的結(jié)果，即為有效應(yīng)力負效應(yīng)作用階段，導(dǎo)致滲透率降低，孔隙壓力降低至1 Mpa以下時，有效應(yīng)力與氣體滑脫效應(yīng)同時作用，此階段氣體滑脫正效應(yīng)強于有效應(yīng)力負效應(yīng)引起滲透率升高[10]。

1.5 其他因素對滑脫效應(yīng)的影響

不論是在單相氣體滲流時，還是含束縛水時，目前對溫度、上覆巖層壓力、巖心致密程度和氣體相對分子量對滑脫效應(yīng)的影響研究，結(jié)論較為統(tǒng)一[11-13]。該結(jié)論主要理論依據(jù)滑脫因子進行分析的，式中為比例因子，λ為氣體分子平均自由程，為孔隙的平均半徑，，和分別為進口和出口壓力。

并通過實驗加以證明其可靠性，得出以下結(jié)論（1）平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應(yīng)越嚴重；（2）溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應(yīng)越明顯；（3）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應(yīng)越嚴重；（4）相對分子量越小，滑脫效應(yīng)越嚴重[14]。

2 結(jié)語

低滲煤儲層中的滑脫效應(yīng)影響因素總結(jié)如下：

（1）水飽和度對滑脫效應(yīng)的影響存在爭議，國內(nèi)對低滲煤層進行研究，就高壓條件下，隨著水飽和度的增加，滑脫效應(yīng)逐漸減弱這一結(jié)論初步達成共識。

（2）圍壓對滑脫效應(yīng)的影響還有待研究，不同地區(qū)、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關(guān)系尚不明確，且數(shù)據(jù)分析處理方法上存在差異性、實驗研究方法較為單一。

（3）在圍壓一定的條件下，存在一個發(fā)生滑脫效應(yīng)的臨界孔隙壓力，在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應(yīng)存在，且隨著孔隙壓力的減小，滑脫因子逐漸增大，滑脫效應(yīng)逐漸增強。臨界孔隙壓力值隨水飽和度、圍壓等因素的影響而發(fā)生小幅度波動。

（4）低滲透率儲層使得滑脫效應(yīng)影響更顯著，同時滑脫效應(yīng)又會使?jié)B透率增加或滲透率降低速度減慢。

（5）根據(jù)克氏理論及實驗得出其他影響滑脫效應(yīng)的因素：①平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應(yīng)越嚴重；②溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應(yīng)越明顯；③巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應(yīng)越嚴重；④相對分子量越小，滑脫效應(yīng)越嚴重。

參考文獻

[1] 張俊，郭平.低滲透致密氣藏的滑脫效應(yīng)研究[J].斷塊油氣田，2006，13（3）：54-56.

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[11] 王勇杰.低滲透多孔介質(zhì)中氣體滑脫行為研究[J].石油學報，1995（3）.

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[14] 萬軍鳳，盧淵.低滲氣藏滑脫效應(yīng)研究現(xiàn)狀及認識[J].新疆石油地質(zhì)，2008，29（2）：229-231.endprint

綜上所述，近年來我國對孔隙壓力對滑脫效應(yīng)的影響得出的結(jié)論比較一致，但臨界孔隙壓力不是一定值，而是隨著煤儲層條件發(fā)生變化的。但對不同水飽和度、孔隙度、地下水礦化度下的臨界孔隙壓力的了解甚少，具體地區(qū)需要具體分析。

1.4 滲透率與滑脫效應(yīng)的相互影響

在相同圍壓單相氣體條件下，不同煤層的滑脫效應(yīng)的滲透率貢獻率不同，低滲透煤層中的滲透率貢獻率偏高，即滑脫效應(yīng)對低滲透儲層的滲透性能影響重大[8]。滲透率與滑脫效應(yīng)的關(guān)系具有雙向性，滲透率越低滑脫效應(yīng)的貢獻率越大，同時滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生的滲透率增量又反過來使?jié)B透率增高或使?jié)B透率降低速度減慢。

在煤層氣開采過程中，隨氣體壓力降低，煤巖骨架承受的有效應(yīng)力逐漸增加，使得滲流通道因受應(yīng)力作用而漸趨閉合，導(dǎo)致了氣體滲透率的降低[9]。實驗表明，在一定圍壓條件下，隨著孔隙壓力降低，無煙煤He測滲透率呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，在1 Mpa臨界孔隙壓力時發(fā)生反彈的現(xiàn)象，是由于氣體滑脫及有效應(yīng)力效應(yīng)共同作用的結(jié)果，即為有效應(yīng)力負效應(yīng)作用階段，導(dǎo)致滲透率降低，孔隙壓力降低至1 Mpa以下時，有效應(yīng)力與氣體滑脫效應(yīng)同時作用，此階段氣體滑脫正效應(yīng)強于有效應(yīng)力負效應(yīng)引起滲透率升高[10]。

1.5 其他因素對滑脫效應(yīng)的影響

不論是在單相氣體滲流時，還是含束縛水時，目前對溫度、上覆巖層壓力、巖心致密程度和氣體相對分子量對滑脫效應(yīng)的影響研究，結(jié)論較為統(tǒng)一[11-13]。該結(jié)論主要理論依據(jù)滑脫因子進行分析的，式中為比例因子，λ為氣體分子平均自由程，為孔隙的平均半徑，，和分別為進口和出口壓力。

并通過實驗加以證明其可靠性，得出以下結(jié)論（1）平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應(yīng)越嚴重；（2）溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應(yīng)越明顯；（3）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應(yīng)越嚴重；（4）相對分子量越小，滑脫效應(yīng)越嚴重[14]。

2 結(jié)語

低滲煤儲層中的滑脫效應(yīng)影響因素總結(jié)如下：

（1）水飽和度對滑脫效應(yīng)的影響存在爭議，國內(nèi)對低滲煤層進行研究，就高壓條件下，隨著水飽和度的增加，滑脫效應(yīng)逐漸減弱這一結(jié)論初步達成共識。

（2）圍壓對滑脫效應(yīng)的影響還有待研究，不同地區(qū)、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關(guān)系尚不明確，且數(shù)據(jù)分析處理方法上存在差異性、實驗研究方法較為單一。

（3）在圍壓一定的條件下，存在一個發(fā)生滑脫效應(yīng)的臨界孔隙壓力，在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應(yīng)存在，且隨著孔隙壓力的減小，滑脫因子逐漸增大，滑脫效應(yīng)逐漸增強。臨界孔隙壓力值隨水飽和度、圍壓等因素的影響而發(fā)生小幅度波動。

（4）低滲透率儲層使得滑脫效應(yīng)影響更顯著，同時滑脫效應(yīng)又會使?jié)B透率增加或滲透率降低速度減慢。

（5）根據(jù)克氏理論及實驗得出其他影響滑脫效應(yīng)的因素：①平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應(yīng)越嚴重；②溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應(yīng)越明顯；③巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應(yīng)越嚴重；④相對分子量越小，滑脫效應(yīng)越嚴重。

參考文獻

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[7] 肖曉春，潘一山.滑脫效應(yīng)影響的低滲煤層氣運移實驗研究[J].巖土工程學報，2009，31（10）：1555-1558.

[8] 朱光亞，劉先貴.低滲氣藏氣體滲流滑脫效應(yīng)影響研究[J].天然氣工業(yè)，2007，27（5）：44-47.

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[12] 王勇杰，王昌杰，高家碧.低滲透多孔介質(zhì)中氣體滑脫行為研究[J].石油學報，1995，16（3）：101-105.

[13] 姚約東，李相方，葛家理，等.低滲氣層中氣體滲流克林貝爾效應(yīng)的實驗研究[J].天然氣工業(yè)，2004，24（11）：100-102.

[14] 萬軍鳳，盧淵.低滲氣藏滑脫效應(yīng)研究現(xiàn)狀及認識[J].新疆石油地質(zhì)，2008，29（2）：229-231.endprint

綜上所述，近年來我國對孔隙壓力對滑脫效應(yīng)的影響得出的結(jié)論比較一致，但臨界孔隙壓力不是一定值，而是隨著煤儲層條件發(fā)生變化的。但對不同水飽和度、孔隙度、地下水礦化度下的臨界孔隙壓力的了解甚少，具體地區(qū)需要具體分析。

1.4 滲透率與滑脫效應(yīng)的相互影響

在相同圍壓單相氣體條件下，不同煤層的滑脫效應(yīng)的滲透率貢獻率不同，低滲透煤層中的滲透率貢獻率偏高，即滑脫效應(yīng)對低滲透儲層的滲透性能影響重大[8]。滲透率與滑脫效應(yīng)的關(guān)系具有雙向性，滲透率越低滑脫效應(yīng)的貢獻率越大，同時滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生的滲透率增量又反過來使?jié)B透率增高或使?jié)B透率降低速度減慢。

在煤層氣開采過程中，隨氣體壓力降低，煤巖骨架承受的有效應(yīng)力逐漸增加，使得滲流通道因受應(yīng)力作用而漸趨閉合，導(dǎo)致了氣體滲透率的降低[9]。實驗表明，在一定圍壓條件下，隨著孔隙壓力降低，無煙煤He測滲透率呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，在1 Mpa臨界孔隙壓力時發(fā)生反彈的現(xiàn)象，是由于氣體滑脫及有效應(yīng)力效應(yīng)共同作用的結(jié)果，即為有效應(yīng)力負效應(yīng)作用階段，導(dǎo)致滲透率降低，孔隙壓力降低至1 Mpa以下時，有效應(yīng)力與氣體滑脫效應(yīng)同時作用，此階段氣體滑脫正效應(yīng)強于有效應(yīng)力負效應(yīng)引起滲透率升高[10]。

1.5 其他因素對滑脫效應(yīng)的影響

不論是在單相氣體滲流時，還是含束縛水時，目前對溫度、上覆巖層壓力、巖心致密程度和氣體相對分子量對滑脫效應(yīng)的影響研究，結(jié)論較為統(tǒng)一[11-13]。該結(jié)論主要理論依據(jù)滑脫因子進行分析的，式中為比例因子，λ為氣體分子平均自由程，為孔隙的平均半徑，，和分別為進口和出口壓力。

并通過實驗加以證明其可靠性，得出以下結(jié)論（1）平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應(yīng)越嚴重；（2）溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應(yīng)越明顯；（3）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應(yīng)越嚴重；（4）相對分子量越小，滑脫效應(yīng)越嚴重[14]。

2 結(jié)語

低滲煤儲層中的滑脫效應(yīng)影響因素總結(jié)如下：

（1）水飽和度對滑脫效應(yīng)的影響存在爭議，國內(nèi)對低滲煤層進行研究，就高壓條件下，隨著水飽和度的增加，滑脫效應(yīng)逐漸減弱這一結(jié)論初步達成共識。

（2）圍壓對滑脫效應(yīng)的影響還有待研究，不同地區(qū)、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關(guān)系尚不明確，且數(shù)據(jù)分析處理方法上存在差異性、實驗研究方法較為單一。

（3）在圍壓一定的條件下，存在一個發(fā)生滑脫效應(yīng)的臨界孔隙壓力，在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應(yīng)存在，且隨著孔隙壓力的減小，滑脫因子逐漸增大，滑脫效應(yīng)逐漸增強。臨界孔隙壓力值隨水飽和度、圍壓等因素的影響而發(fā)生小幅度波動。

（4）低滲透率儲層使得滑脫效應(yīng)影響更顯著，同時滑脫效應(yīng)又會使?jié)B透率增加或滲透率降低速度減慢。

（5）根據(jù)克氏理論及實驗得出其他影響滑脫效應(yīng)的因素：①平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應(yīng)越嚴重；②溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應(yīng)越明顯；③巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應(yīng)越嚴重；④相對分子量越小，滑脫效應(yīng)越嚴重。

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