煤層氣井排采過程中儲層滲透率動態變化簡析

呂鵬偉+房媛+李俊乾

摘 要：煤儲層滲透率為動態滲透率，是煤層氣開發過程中需要重點考慮的儲層參數之一。該文從煤儲層滲透率變化的控制機制出發，采用數學模型，模擬分析了煤層氣井排采過程中原位儲層條件下煤滲透率動態變化特征。并探討了初始割理壓縮系數、割理壓縮系數降低率、基質收縮系數、初始割理孔隙度以及臨界解吸壓力對煤儲層滲透率變化的影響。模擬結果對于認識煤儲層滲透率動態變化具有一定參考價值。

關鍵詞：煤層氣 原位滲透率 動態變化 數值模擬

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0067-02

煤儲層滲透率為動態滲透率，在整個煤層氣井排采過程中時刻發生著變化，影響著煤層氣單井產量以及生產能力[1]。通常，煤層氣井的排采是排水降壓、氣體解吸-擴散-滲流耦合作用的 過程，依次出現單相水流、不飽和水單相流和氣-水兩相流三個階段[2]。在單相水流階段，煤儲層主要產水，屬于排水降壓的過程。在該階段儲層滲透率受應力敏感性影響強烈，由儲層壓力降低而引起的有效應力增加，導致煤儲層滲透率降低[3]。當儲層壓力降低至臨界解吸壓力時，煤層氣體開始從煤基質內表面上解吸出來，形成不連續氣泡，不飽和水單相流階段開始出現；隨著解吸氣體量逐漸增多，出現連續氣流，即進入氣-水兩相流階段。在不飽和水單相流和氣-水兩相流階段，煤儲層滲透率的變化受基質收縮和有效應力增加的綜合影響，除了有效應力負效應之外，煤層氣解吸誘導的煤基質收縮，使煤儲層滲透率增大。國內學者傅雪海等實驗證明，在煤層氣開發過程中，煤的滲透率變化受有效應力負效應和基質收縮正效應的綜合控制，有效應力增加使滲透率降低，而基質收縮使滲透率增加。秦勇等將煤的滲透率隨基質收縮和有效應力變化的機制稱之為“煤儲層的彈性自調節效應”。基于前人研究，本文從煤滲透率變化的控制機制出發，考慮基質收縮和有效應力效應對滲透率的作用，模擬分析煤層氣井排采過程中原位儲層條件下煤滲透率的變化特征。對于認識煤儲層滲透率動態變化具有一定參考價值。

1 原位煤儲層滲透率變化預測模型

在原位煤儲層條件下，煤層側向圍限、軸向發生應變。將煤儲層理想化為火柴棍集合體模型，可推導得出原位儲層條件下煤的滲透率與儲層壓力降Δp之間的關系式：

（1）

式中，ko為初始滲透率；ke為壓力降為Δp時與有效應力相關的滲透率；Δp為儲層壓力降，MPa； cf為割理壓縮系數，MPa-1，v為泊松比。

煤巖割理壓縮系數是變化的。McKee 等認為割理壓縮系數隨有效應力呈指數關系降低，與實驗數據具有很好的擬合效果。據此，可得有效應力增加Δσ過程中（假設煤層圍向應力不變，則數值上等于Δp），平均割理壓縮系數為：

（2）

式中，為平均割理壓縮系數，即為式（1）中的cf，MPa-1。cfo為初始割理壓縮系數，MPa-1；Δσ為有效應力增加量，MPa；α為割理壓縮系數降低率。

在儲層壓力降低過程中，隨著煤層氣體的解吸，煤基質發生收縮作用。應用火柴棍集合體模型，由煤基質收縮引起的滲透率增加率可表示為[10]：

（3）

時和基質收縮相關的滲透率；cx為基質收縮系數，MPa-1；φfo為初始割理孔隙度。

假設煤基質收縮和有效應力增加引起的滲透率變化是兩個獨立事件，則儲層壓力降為Δp時總的滲透率變化率可表達為：

（4）

因此，在煤層氣井排采過程中，當儲層壓力降至煤層氣臨界解吸壓力之前，可用式（1）模擬儲層滲透率變化；當煤層氣體開始解吸之后，則采用式（4）模擬儲層滲透率變化。

2 模擬結果及認識

參考前人對割理壓縮系數及其降低率、基質收縮系數、割理孔隙度及臨界解吸壓力等的測試、計算結果，本次研究對這些參數進行合理取值，分別模擬了不同初始割理壓縮系數（0.04-0.2MPa-1）、割理壓縮系數降低率（0.05-0.4）、基質收縮系數（0.0004-0.0025MPa-1?）、初始割理孔隙度（0.005-0.04）、臨界解吸壓力（2-8MPa）條件下煤儲層滲透率變化情況。

2.1 初始割理壓縮系數及其降低率

煤層氣井排采過程中，有效應力的增加是導致儲層滲透率降低的一個主要因素。孟召平和侯泉林實驗表明，有效應力小于5MPa時，煤儲層應力敏感性最強；有效應力在5-10MPa時，應力敏感性較強；有效應力大于10MPa時，滲透率下降速度明顯減弱。通過煤巖割理壓縮系數可反應煤滲透率對有效應力的敏感性。在其他條件不變的情況下，煤巖初始割理壓縮系數越大，滲透率降低越明顯。當儲層壓力降至臨界解吸壓力之后，基質收縮和有效應力共同發生作用，此時割理壓縮系數越大，有效應力負效應越強，滲透率越趨向于降低。另外，煤巖割理壓縮系數降低率對滲透率變化也有一定的影響，割理壓縮系數降低率越大，有效應力的負效應越弱。

2.2 基質收縮系數及初始割理孔隙度

煤層氣體吸附/解吸誘導的煤基質收縮/膨脹是導致煤儲層滲透率變化的一個重要因素。伴隨著煤基質收縮/膨脹過程，煤體產生了應變，從而影響了煤的滲透率。吸附/解吸誘導的基質膨脹/收縮現象比較復雜，受煤巖類型、煤巖組分、礦物類型和氣體組分等的綜合影響。總體而言，煤基質收縮系數越大，基質收縮正效應越明顯，滲透率增加幅度越大。煤基質收縮對滲透率的影響與煤巖孔-裂隙系統發育有一定相關性。通常煤巖以基質孔隙為主，割理孔隙度低于2%，占總孔隙度的20%左右。初始割理孔隙度越小，滲透率增加幅度越大。然而，初始割理孔隙度越小，初始滲透率則越低，煤滲透率對應力敏感性越強，降低幅度相對越大[1]。可見，對于初始割理孔隙度較小的煤巖，當氣體解吸之后，基質收縮起了較大的作用，使滲透率增加幅度加大。

2.3 臨界解吸壓力

煤層氣以吸附形式存在于煤基質內表面上，這種特性必然導致煤儲層孔-裂隙結構變形和煤層氣體吸附/解吸密切相關。臨界解吸壓力對儲層滲透率變化具有較大影響。在煤層氣排采過程中，臨界解吸壓力越高，儲層滲透率反彈升高的趨勢越明顯，可有效恢復由于有效應力增加造成的滲透率傷害，因此，更有利于煤層氣開采。

3 結語

煤層氣井排采過程中，儲層滲透率動態變化受煤自身物性，如初始割理壓縮系數、壓縮系數降低率、基質收縮系數、初始割理空隙度及臨界解吸壓力等的影響。（1）初始割理壓縮系數越大，煤巖應力敏感性越強，滲透率損害越大；（2）割理壓縮系數降低率越大，可減弱有效應力的負效應；（3）煤基質收縮系數越大，滲透率增加幅度越大；（4）初始割理孔隙度越小，越有利于滲透率提高；（5）臨界解吸壓力越高，滲透率越易于反彈升高。

參考文獻

[1] 陳振宏，陳艷鵬，楊焦生，等.高煤階煤層氣儲層動態滲透率特征及其對煤層氣產量的影響[J].石油學報，2010，31（6）： 966-974.

[2] 尹光志，蔣長寶，許江，等.煤層氣儲層含水率對煤層氣滲流影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30（Z2）： 3401-3406.endprint

摘 要：煤儲層滲透率為動態滲透率，是煤層氣開發過程中需要重點考慮的儲層參數之一。該文從煤儲層滲透率變化的控制機制出發，采用數學模型，模擬分析了煤層氣井排采過程中原位儲層條件下煤滲透率動態變化特征。并探討了初始割理壓縮系數、割理壓縮系數降低率、基質收縮系數、初始割理孔隙度以及臨界解吸壓力對煤儲層滲透率變化的影響。模擬結果對于認識煤儲層滲透率動態變化具有一定參考價值。

關鍵詞：煤層氣 原位滲透率 動態變化 數值模擬

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0067-02

煤儲層滲透率為動態滲透率，在整個煤層氣井排采過程中時刻發生著變化，影響著煤層氣單井產量以及生產能力[1]。通常，煤層氣井的排采是排水降壓、氣體解吸-擴散-滲流耦合作用的 過程，依次出現單相水流、不飽和水單相流和氣-水兩相流三個階段[2]。在單相水流階段，煤儲層主要產水，屬于排水降壓的過程。在該階段儲層滲透率受應力敏感性影響強烈，由儲層壓力降低而引起的有效應力增加，導致煤儲層滲透率降低[3]。當儲層壓力降低至臨界解吸壓力時，煤層氣體開始從煤基質內表面上解吸出來，形成不連續氣泡，不飽和水單相流階段開始出現；隨著解吸氣體量逐漸增多，出現連續氣流，即進入氣-水兩相流階段。在不飽和水單相流和氣-水兩相流階段，煤儲層滲透率的變化受基質收縮和有效應力增加的綜合影響，除了有效應力負效應之外，煤層氣解吸誘導的煤基質收縮，使煤儲層滲透率增大。國內學者傅雪海等實驗證明，在煤層氣開發過程中，煤的滲透率變化受有效應力負效應和基質收縮正效應的綜合控制，有效應力增加使滲透率降低，而基質收縮使滲透率增加。秦勇等將煤的滲透率隨基質收縮和有效應力變化的機制稱之為“煤儲層的彈性自調節效應”。基于前人研究，本文從煤滲透率變化的控制機制出發，考慮基質收縮和有效應力效應對滲透率的作用，模擬分析煤層氣井排采過程中原位儲層條件下煤滲透率的變化特征。對于認識煤儲層滲透率動態變化具有一定參考價值。

1 原位煤儲層滲透率變化預測模型

在原位煤儲層條件下，煤層側向圍限、軸向發生應變。將煤儲層理想化為火柴棍集合體模型，可推導得出原位儲層條件下煤的滲透率與儲層壓力降Δp之間的關系式：

（1）

式中，ko為初始滲透率；ke為壓力降為Δp時與有效應力相關的滲透率；Δp為儲層壓力降，MPa； cf為割理壓縮系數，MPa-1，v為泊松比。

煤巖割理壓縮系數是變化的。McKee 等認為割理壓縮系數隨有效應力呈指數關系降低，與實驗數據具有很好的擬合效果。據此，可得有效應力增加Δσ過程中（假設煤層圍向應力不變，則數值上等于Δp），平均割理壓縮系數為：

（2）

式中，為平均割理壓縮系數，即為式（1）中的cf，MPa-1。cfo為初始割理壓縮系數，MPa-1；Δσ為有效應力增加量，MPa；α為割理壓縮系數降低率。

在儲層壓力降低過程中，隨著煤層氣體的解吸，煤基質發生收縮作用。應用火柴棍集合體模型，由煤基質收縮引起的滲透率增加率可表示為[10]：

（3）

時和基質收縮相關的滲透率；cx為基質收縮系數，MPa-1；φfo為初始割理孔隙度。

假設煤基質收縮和有效應力增加引起的滲透率變化是兩個獨立事件，則儲層壓力降為Δp時總的滲透率變化率可表達為：

（4）

因此，在煤層氣井排采過程中，當儲層壓力降至煤層氣臨界解吸壓力之前，可用式（1）模擬儲層滲透率變化；當煤層氣體開始解吸之后，則采用式（4）模擬儲層滲透率變化。

2 模擬結果及認識

參考前人對割理壓縮系數及其降低率、基質收縮系數、割理孔隙度及臨界解吸壓力等的測試、計算結果，本次研究對這些參數進行合理取值，分別模擬了不同初始割理壓縮系數（0.04-0.2MPa-1）、割理壓縮系數降低率（0.05-0.4）、基質收縮系數（0.0004-0.0025MPa-1?）、初始割理孔隙度（0.005-0.04）、臨界解吸壓力（2-8MPa）條件下煤儲層滲透率變化情況。

2.1 初始割理壓縮系數及其降低率

煤層氣井排采過程中，有效應力的增加是導致儲層滲透率降低的一個主要因素。孟召平和侯泉林實驗表明，有效應力小于5MPa時，煤儲層應力敏感性最強；有效應力在5-10MPa時，應力敏感性較強；有效應力大于10MPa時，滲透率下降速度明顯減弱。通過煤巖割理壓縮系數可反應煤滲透率對有效應力的敏感性。在其他條件不變的情況下，煤巖初始割理壓縮系數越大，滲透率降低越明顯。當儲層壓力降至臨界解吸壓力之后，基質收縮和有效應力共同發生作用，此時割理壓縮系數越大，有效應力負效應越強，滲透率越趨向于降低。另外，煤巖割理壓縮系數降低率對滲透率變化也有一定的影響，割理壓縮系數降低率越大，有效應力的負效應越弱。

2.2 基質收縮系數及初始割理孔隙度

煤層氣體吸附/解吸誘導的煤基質收縮/膨脹是導致煤儲層滲透率變化的一個重要因素。伴隨著煤基質收縮/膨脹過程，煤體產生了應變，從而影響了煤的滲透率。吸附/解吸誘導的基質膨脹/收縮現象比較復雜，受煤巖類型、煤巖組分、礦物類型和氣體組分等的綜合影響。總體而言，煤基質收縮系數越大，基質收縮正效應越明顯，滲透率增加幅度越大。煤基質收縮對滲透率的影響與煤巖孔-裂隙系統發育有一定相關性。通常煤巖以基質孔隙為主，割理孔隙度低于2%，占總孔隙度的20%左右。初始割理孔隙度越小，滲透率增加幅度越大。然而，初始割理孔隙度越小，初始滲透率則越低，煤滲透率對應力敏感性越強，降低幅度相對越大[1]。可見，對于初始割理孔隙度較小的煤巖，當氣體解吸之后，基質收縮起了較大的作用，使滲透率增加幅度加大。

2.3 臨界解吸壓力

煤層氣以吸附形式存在于煤基質內表面上，這種特性必然導致煤儲層孔-裂隙結構變形和煤層氣體吸附/解吸密切相關。臨界解吸壓力對儲層滲透率變化具有較大影響。在煤層氣排采過程中，臨界解吸壓力越高，儲層滲透率反彈升高的趨勢越明顯，可有效恢復由于有效應力增加造成的滲透率傷害，因此，更有利于煤層氣開采。

3 結語

煤層氣井排采過程中，儲層滲透率動態變化受煤自身物性，如初始割理壓縮系數、壓縮系數降低率、基質收縮系數、初始割理空隙度及臨界解吸壓力等的影響。（1）初始割理壓縮系數越大，煤巖應力敏感性越強，滲透率損害越大；（2）割理壓縮系數降低率越大，可減弱有效應力的負效應；（3）煤基質收縮系數越大，滲透率增加幅度越大；（4）初始割理孔隙度越小，越有利于滲透率提高；（5）臨界解吸壓力越高，滲透率越易于反彈升高。

參考文獻

[1] 陳振宏，陳艷鵬，楊焦生，等.高煤階煤層氣儲層動態滲透率特征及其對煤層氣產量的影響[J].石油學報，2010，31（6）： 966-974.

[2] 尹光志，蔣長寶，許江，等.煤層氣儲層含水率對煤層氣滲流影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30（Z2）： 3401-3406.endprint

摘 要：煤儲層滲透率為動態滲透率，是煤層氣開發過程中需要重點考慮的儲層參數之一。該文從煤儲層滲透率變化的控制機制出發，采用數學模型，模擬分析了煤層氣井排采過程中原位儲層條件下煤滲透率動態變化特征。并探討了初始割理壓縮系數、割理壓縮系數降低率、基質收縮系數、初始割理孔隙度以及臨界解吸壓力對煤儲層滲透率變化的影響。模擬結果對于認識煤儲層滲透率動態變化具有一定參考價值。

關鍵詞：煤層氣 原位滲透率 動態變化 數值模擬

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0067-02

煤儲層滲透率為動態滲透率，在整個煤層氣井排采過程中時刻發生著變化，影響著煤層氣單井產量以及生產能力[1]。通常，煤層氣井的排采是排水降壓、氣體解吸-擴散-滲流耦合作用的 過程，依次出現單相水流、不飽和水單相流和氣-水兩相流三個階段[2]。在單相水流階段，煤儲層主要產水，屬于排水降壓的過程。在該階段儲層滲透率受應力敏感性影響強烈，由儲層壓力降低而引起的有效應力增加，導致煤儲層滲透率降低[3]。當儲層壓力降低至臨界解吸壓力時，煤層氣體開始從煤基質內表面上解吸出來，形成不連續氣泡，不飽和水單相流階段開始出現；隨著解吸氣體量逐漸增多，出現連續氣流，即進入氣-水兩相流階段。在不飽和水單相流和氣-水兩相流階段，煤儲層滲透率的變化受基質收縮和有效應力增加的綜合影響，除了有效應力負效應之外，煤層氣解吸誘導的煤基質收縮，使煤儲層滲透率增大。國內學者傅雪海等實驗證明，在煤層氣開發過程中，煤的滲透率變化受有效應力負效應和基質收縮正效應的綜合控制，有效應力增加使滲透率降低，而基質收縮使滲透率增加。秦勇等將煤的滲透率隨基質收縮和有效應力變化的機制稱之為“煤儲層的彈性自調節效應”。基于前人研究，本文從煤滲透率變化的控制機制出發，考慮基質收縮和有效應力效應對滲透率的作用，模擬分析煤層氣井排采過程中原位儲層條件下煤滲透率的變化特征。對于認識煤儲層滲透率動態變化具有一定參考價值。

1 原位煤儲層滲透率變化預測模型

在原位煤儲層條件下，煤層側向圍限、軸向發生應變。將煤儲層理想化為火柴棍集合體模型，可推導得出原位儲層條件下煤的滲透率與儲層壓力降Δp之間的關系式：

（1）

式中，ko為初始滲透率；ke為壓力降為Δp時與有效應力相關的滲透率；Δp為儲層壓力降，MPa； cf為割理壓縮系數，MPa-1，v為泊松比。

煤巖割理壓縮系數是變化的。McKee 等認為割理壓縮系數隨有效應力呈指數關系降低，與實驗數據具有很好的擬合效果。據此，可得有效應力增加Δσ過程中（假設煤層圍向應力不變，則數值上等于Δp），平均割理壓縮系數為：

（2）

式中，為平均割理壓縮系數，即為式（1）中的cf，MPa-1。cfo為初始割理壓縮系數，MPa-1；Δσ為有效應力增加量，MPa；α為割理壓縮系數降低率。

在儲層壓力降低過程中，隨著煤層氣體的解吸，煤基質發生收縮作用。應用火柴棍集合體模型，由煤基質收縮引起的滲透率增加率可表示為[10]：

（3）

時和基質收縮相關的滲透率；cx為基質收縮系數，MPa-1；φfo為初始割理孔隙度。

假設煤基質收縮和有效應力增加引起的滲透率變化是兩個獨立事件，則儲層壓力降為Δp時總的滲透率變化率可表達為：

（4）

因此，在煤層氣井排采過程中，當儲層壓力降至煤層氣臨界解吸壓力之前，可用式（1）模擬儲層滲透率變化；當煤層氣體開始解吸之后，則采用式（4）模擬儲層滲透率變化。

2 模擬結果及認識

參考前人對割理壓縮系數及其降低率、基質收縮系數、割理孔隙度及臨界解吸壓力等的測試、計算結果，本次研究對這些參數進行合理取值，分別模擬了不同初始割理壓縮系數（0.04-0.2MPa-1）、割理壓縮系數降低率（0.05-0.4）、基質收縮系數（0.0004-0.0025MPa-1?）、初始割理孔隙度（0.005-0.04）、臨界解吸壓力（2-8MPa）條件下煤儲層滲透率變化情況。

2.1 初始割理壓縮系數及其降低率

煤層氣井排采過程中，有效應力的增加是導致儲層滲透率降低的一個主要因素。孟召平和侯泉林實驗表明，有效應力小于5MPa時，煤儲層應力敏感性最強；有效應力在5-10MPa時，應力敏感性較強；有效應力大于10MPa時，滲透率下降速度明顯減弱。通過煤巖割理壓縮系數可反應煤滲透率對有效應力的敏感性。在其他條件不變的情況下，煤巖初始割理壓縮系數越大，滲透率降低越明顯。當儲層壓力降至臨界解吸壓力之后，基質收縮和有效應力共同發生作用，此時割理壓縮系數越大，有效應力負效應越強，滲透率越趨向于降低。另外，煤巖割理壓縮系數降低率對滲透率變化也有一定的影響，割理壓縮系數降低率越大，有效應力的負效應越弱。

2.2 基質收縮系數及初始割理孔隙度

煤層氣體吸附/解吸誘導的煤基質收縮/膨脹是導致煤儲層滲透率變化的一個重要因素。伴隨著煤基質收縮/膨脹過程，煤體產生了應變，從而影響了煤的滲透率。吸附/解吸誘導的基質膨脹/收縮現象比較復雜，受煤巖類型、煤巖組分、礦物類型和氣體組分等的綜合影響。總體而言，煤基質收縮系數越大，基質收縮正效應越明顯，滲透率增加幅度越大。煤基質收縮對滲透率的影響與煤巖孔-裂隙系統發育有一定相關性。通常煤巖以基質孔隙為主，割理孔隙度低于2%，占總孔隙度的20%左右。初始割理孔隙度越小，滲透率增加幅度越大。然而，初始割理孔隙度越小，初始滲透率則越低，煤滲透率對應力敏感性越強，降低幅度相對越大[1]。可見，對于初始割理孔隙度較小的煤巖，當氣體解吸之后，基質收縮起了較大的作用，使滲透率增加幅度加大。

2.3 臨界解吸壓力

煤層氣以吸附形式存在于煤基質內表面上，這種特性必然導致煤儲層孔-裂隙結構變形和煤層氣體吸附/解吸密切相關。臨界解吸壓力對儲層滲透率變化具有較大影響。在煤層氣排采過程中，臨界解吸壓力越高，儲層滲透率反彈升高的趨勢越明顯，可有效恢復由于有效應力增加造成的滲透率傷害，因此，更有利于煤層氣開采。

3 結語

煤層氣井排采過程中，儲層滲透率動態變化受煤自身物性，如初始割理壓縮系數、壓縮系數降低率、基質收縮系數、初始割理空隙度及臨界解吸壓力等的影響。（1）初始割理壓縮系數越大，煤巖應力敏感性越強，滲透率損害越大；（2）割理壓縮系數降低率越大，可減弱有效應力的負效應；（3）煤基質收縮系數越大，滲透率增加幅度越大；（4）初始割理孔隙度越小，越有利于滲透率提高；（5）臨界解吸壓力越高，滲透率越易于反彈升高。

參考文獻

[1] 陳振宏，陳艷鵬，楊焦生，等.高煤階煤層氣儲層動態滲透率特征及其對煤層氣產量的影響[J].石油學報，2010，31（6）： 966-974.

[2] 尹光志，蔣長寶，許江，等.煤層氣儲層含水率對煤層氣滲流影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30（Z2）： 3401-3406.endprint