低滲煤層氣藏中的滑脫效應及影響因素

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影響因素的國內研究文獻。現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的影響。關于含水飽和度、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的影響研究，結論較為統一。

關鍵詞：滑脫效應 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中低速滲流時，氣體滲流的主要物理特征是具有“滑脫效應”。滑脫效應是氣體在低滲多孔介質中流動時產生的一種分子滑移現象。其本質是由于氣體分子平均自由程和流體通道在一個數量級上，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，但對于低滲煤層氣藏的氣體滑脫效應研究較少，由于煤層氣和天然氣的賦存介質的力學特性不同，煤層氣低滲規律存在一定差異，導致低滲煤層氣藏的開發缺乏深厚的理論基礎。本文涉及對象以煤層氣藏為主，低滲天然氣藏為輔，對我國滑脫效應影響因素研究進行綜述，為后續研究提供一些參考。

1 滑脫效應及其影響因素研究述評

1.1 水飽和度對滑脫效應的影響

由于地面鉆井壓裂技術開發煤層氣過程中，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，導致儲層的水飽和度增加，儲層滲透率降低，致使滑脫效應對滲透率的影響顯著，氣體運移規律復雜，出現抽采困難等問題。故水飽和度是在煤層氣開采過程中影響滑脫效應的重要因素之一，目前研究結論存在爭論。

水飽和度對滑脫效應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，滑脫效應隨著含水飽和度的增加而降低的結論[1]；但KewenLi、李寧等人卻得到了與前人相反的結論，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b隨著水飽和度的增大而降低，且上述關系為滿足一次線性擬合關系[3]。隨后又有學者在高圍壓（10 Mpa）下進行試驗得出結論：在煤樣飽和水情況下，氣體滑脫效應完全消失；在束縛水狀態下，氣體滑脫效應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的影響不能忽略。

1.2 圍壓對滑脫效應的影響

目前，圍壓對滑脫效應的影響研究結論，尚存在爭議。其代表觀點為：（1）圍壓越低，滑脫效應越明顯，圍壓增大，可減小滑脫效應[5]。（2）圍壓越高氣體滲透率越低，滑脫效應產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，滑脫效應產生的滲透率對氣測滲透率貢獻率出現先增大后減小的趨勢[6]。以上三種研究結論的差異主要是由于對試驗數據的分析方式不同所造成。

第一種數據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滑脫效應對滲透率的影響程度，僅能反應出隨圍壓增大，滑脫效應產生的滲透率增量在減少。第二種數據分析方法是考慮滑脫效應產生的附加滲透率在有效滲透率中所占比重與圍壓的關系，該分析方法能較好的反應滑脫效應對滲透率的貢獻程度，但目前多數文章中未給出明確計算公式。第三種數據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系，該比值不能反應滑脫效應在氣測滲透率中的貢獻程度，認為該數據處理方法有失偏頗。

目前研究圍壓對滑脫效應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系，用線性回歸方法進行數據擬合，獲取克氏滲透率、滑脫系數；然后改變圍壓，獲取多組數據；最后利用上述三種方法進行數據處理或繪制滑脫系數和圍壓的關系。所以圍壓數據較少，一般僅3～4組。

綜上所述，圍壓與滑脫效應的關系方面還存在很多問題有待研究。數據分析方面：滑脫效應產生的滲透率增量，與滑脫效應產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的研究較少，且對不同地區、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關系研究尚為空白。

1.3 孔隙壓力對滑脫效應的影響

在煤層氣產出過程中，當孔隙壓力較高時，是以有效應力、基質收縮作為影響滲透率的主導因素；孔隙壓力下降到一定程度時，氣體滑脫效應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，儲層滲透率都將處于滑脫效應的主導階段[7]。通過大量實驗也證實了滑脫效應產生的滲透率貢獻率隨著孔隙壓力減小而增大的結論，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，存在一個發生氣體滑脫效應的臨界孔隙壓力值，當在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應存在。各代表性結論簡要總結如表1所示。endprint

綜上所述，近年來我國對孔隙壓力對滑脫效應的影響得出的結論比較一致，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，具體地區需要具體分析。

1.4 滲透率與滑脫效應的相互影響

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，即滑脫效應對低滲透儲層的滲透性能影響重大[8]。滲透率與滑脫效應的關系具有雙向性，滲透率越低滑脫效應的貢獻率越大，同時滑脫效應的產生的滲透率增量又反過來使滲透率增高或使滲透率降低速度減慢。

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力逐漸增加，使得滲流通道因受應力作用而漸趨閉合，導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測滲透率呈現先降低后升高的變化趨勢，在1 Mpa臨界孔隙壓力時發生反彈的現象，是由于氣體滑脫及有效應力效應共同作用的結果，即為有效應力負效應作用階段，導致滲透率降低，孔隙壓力降低至1 Mpa以下時，有效應力與氣體滑脫效應同時作用，此階段氣體滑脫正效應強于有效應力負效應引起滲透率升高[10]。

1.5 其他因素對滑脫效應的影響

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的影響研究，結論較為統一[11-13]。該結論主要理論依據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，得出以下結論（1）平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應越嚴重；（2）溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應越明顯；（3）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應越嚴重；（4）相對分子量越小，滑脫效應越嚴重[14]。

2 結語

低滲煤儲層中的滑脫效應影響因素總結如下：

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

（2）圍壓對滑脫效應的影響還有待研究，不同地區、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關系尚不明確，且數據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，存在一個發生滑脫效應的臨界孔隙壓力，在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應存在，且隨著孔隙壓力的減小，滑脫因子逐漸增大，滑脫效應逐漸增強。臨界孔隙壓力值隨水飽和度、圍壓等因素的影響而發生小幅度波動。

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

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

參考文獻

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

[2] 李寧，唐顯貴，張清秀，等.低滲氣藏中氣體低速非達西滲流特征實驗研究[J].天然氣勘探與開發，2003，26（2）：49-55.

[3] 肖曉春，潘一山，于麗艷.水飽和度作用下低滲透氣藏滑脫效應實驗研究[J].水資源與水工程學報，2010，21（5）：17-19.

[4] 于麗艷.低滲煤層氣藏氣體KlinKenberg效應試驗研究[J].水資源與水工程學報，2011，22（2）：16-19.

[5] 吳家文.考慮壓敏和滑脫效應的低滲透氣藏滲流規律研究[J].鉆采工藝，2007，30（6）：49-51.

[6] 肖曉春.低滲煤儲層氣體滑脫效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（增）：3509-3515.

[7] 肖曉春，潘一山.滑脫效應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影響研究[J].天然氣工業，2007，27（5）：44-47.

[9] 陳代珣.滲流氣體滑脫現象與滲透率變化的關系[J].力學學報，2002，34（1）.

[10] 李俊乾，氣體滑脫及有效應力對煤巖氣相滲透率的控制作用[J].天然氣地球學，2013，10（5）：1075-1078.

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

[12] 王勇杰，王昌杰，高家碧.低滲透多孔介質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的實驗研究[J].天然氣工業，2004，24（11）：100-102.

[14] 萬軍鳳，盧淵.低滲氣藏滑脫效應研究現狀及認識[J].新疆石油地質，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的影響得出的結論比較一致，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，具體地區需要具體分析。

1.4 滲透率與滑脫效應的相互影響

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，即滑脫效應對低滲透儲層的滲透性能影響重大[8]。滲透率與滑脫效應的關系具有雙向性，滲透率越低滑脫效應的貢獻率越大，同時滑脫效應的產生的滲透率增量又反過來使滲透率增高或使滲透率降低速度減慢。

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力逐漸增加，使得滲流通道因受應力作用而漸趨閉合，導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測滲透率呈現先降低后升高的變化趨勢，在1 Mpa臨界孔隙壓力時發生反彈的現象，是由于氣體滑脫及有效應力效應共同作用的結果，即為有效應力負效應作用階段，導致滲透率降低，孔隙壓力降低至1 Mpa以下時，有效應力與氣體滑脫效應同時作用，此階段氣體滑脫正效應強于有效應力負效應引起滲透率升高[10]。

1.5 其他因素對滑脫效應的影響

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的影響研究，結論較為統一[11-13]。該結論主要理論依據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，得出以下結論（1）平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應越嚴重；（2）溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應越明顯；（3）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應越嚴重；（4）相對分子量越小，滑脫效應越嚴重[14]。

2 結語

低滲煤儲層中的滑脫效應影響因素總結如下：

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

（2）圍壓對滑脫效應的影響還有待研究，不同地區、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關系尚不明確，且數據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，存在一個發生滑脫效應的臨界孔隙壓力，在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應存在，且隨著孔隙壓力的減小，滑脫因子逐漸增大，滑脫效應逐漸增強。臨界孔隙壓力值隨水飽和度、圍壓等因素的影響而發生小幅度波動。

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

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

參考文獻

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

[2] 李寧，唐顯貴，張清秀，等.低滲氣藏中氣體低速非達西滲流特征實驗研究[J].天然氣勘探與開發，2003，26（2）：49-55.

[3] 肖曉春，潘一山，于麗艷.水飽和度作用下低滲透氣藏滑脫效應實驗研究[J].水資源與水工程學報，2010，21（5）：17-19.

[4] 于麗艷.低滲煤層氣藏氣體KlinKenberg效應試驗研究[J].水資源與水工程學報，2011，22（2）：16-19.

[5] 吳家文.考慮壓敏和滑脫效應的低滲透氣藏滲流規律研究[J].鉆采工藝，2007，30（6）：49-51.

[6] 肖曉春.低滲煤儲層氣體滑脫效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（增）：3509-3515.

[7] 肖曉春，潘一山.滑脫效應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影響研究[J].天然氣工業，2007，27（5）：44-47.

[9] 陳代珣.滲流氣體滑脫現象與滲透率變化的關系[J].力學學報，2002，34（1）.

[10] 李俊乾，氣體滑脫及有效應力對煤巖氣相滲透率的控制作用[J].天然氣地球學，2013，10（5）：1075-1078.

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

[12] 王勇杰，王昌杰，高家碧.低滲透多孔介質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的實驗研究[J].天然氣工業，2004，24（11）：100-102.

[14] 萬軍鳳，盧淵.低滲氣藏滑脫效應研究現狀及認識[J].新疆石油地質，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的影響得出的結論比較一致，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，具體地區需要具體分析。

1.4 滲透率與滑脫效應的相互影響

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，即滑脫效應對低滲透儲層的滲透性能影響重大[8]。滲透率與滑脫效應的關系具有雙向性，滲透率越低滑脫效應的貢獻率越大，同時滑脫效應的產生的滲透率增量又反過來使滲透率增高或使滲透率降低速度減慢。

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力逐漸增加，使得滲流通道因受應力作用而漸趨閉合，導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測滲透率呈現先降低后升高的變化趨勢，在1 Mpa臨界孔隙壓力時發生反彈的現象，是由于氣體滑脫及有效應力效應共同作用的結果，即為有效應力負效應作用階段，導致滲透率降低，孔隙壓力降低至1 Mpa以下時，有效應力與氣體滑脫效應同時作用，此階段氣體滑脫正效應強于有效應力負效應引起滲透率升高[10]。

1.5 其他因素對滑脫效應的影響

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的影響研究，結論較為統一[11-13]。該結論主要理論依據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，得出以下結論（1）平均壓力越小，則分子的平均自由行程越大，滑脫效應越嚴重；（2）溫度越高，氣體分子越活潑，滑脫效應越明顯；（3）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應越嚴重；（4）相對分子量越小，滑脫效應越嚴重[14]。

2 結語

低滲煤儲層中的滑脫效應影響因素總結如下：

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

（2）圍壓對滑脫效應的影響還有待研究，不同地區、不同水飽和度、不同儲層物性的煤樣與圍壓的關系尚不明確，且數據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，存在一個發生滑脫效應的臨界孔隙壓力，在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力時，滑脫效應存在，且隨著孔隙壓力的減小，滑脫因子逐漸增大，滑脫效應逐漸增強。臨界孔隙壓力值隨水飽和度、圍壓等因素的影響而發生小幅度波動。

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

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

參考文獻

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

[2] 李寧，唐顯貴，張清秀，等.低滲氣藏中氣體低速非達西滲流特征實驗研究[J].天然氣勘探與開發，2003，26（2）：49-55.

[3] 肖曉春，潘一山，于麗艷.水飽和度作用下低滲透氣藏滑脫效應實驗研究[J].水資源與水工程學報，2010，21（5）：17-19.

[4] 于麗艷.低滲煤層氣藏氣體KlinKenberg效應試驗研究[J].水資源與水工程學報，2011，22（2）：16-19.

[5] 吳家文.考慮壓敏和滑脫效應的低滲透氣藏滲流規律研究[J].鉆采工藝，2007，30（6）：49-51.

[6] 肖曉春.低滲煤儲層氣體滑脫效應試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（增）：3509-3515.

[7] 肖曉春，潘一山.滑脫效應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影響研究[J].天然氣工業，2007，27（5）：44-47.

[9] 陳代珣.滲流氣體滑脫現象與滲透率變化的關系[J].力學學報，2002，34（1）.

[10] 李俊乾，氣體滑脫及有效應力對煤巖氣相滲透率的控制作用[J].天然氣地球學，2013，10（5）：1075-1078.

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

[12] 王勇杰，王昌杰，高家碧.低滲透多孔介質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的實驗研究[J].天然氣工業，2004，24（11）：100-102.

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