煤巖滲透率各向異性實驗評價研究
——實驗樣品取自陜西韓城礦區

王 亞，劉新偉，白 佳，解雄濤

(1.中國石油煤層氣有限責任公司陜西技術服務分公司，陜西西安 710000；2.中國石油煤層氣有限責任公司忻州分公司；3.中國石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司)

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煤巖滲透率各向異性實驗評價研究
——實驗樣品取自陜西韓城礦區

王 亞1，劉新偉1，白 佳2，解雄濤3

(1.中國石油煤層氣有限責任公司陜西技術服務分公司，陜西西安 710000；2.中國石油煤層氣有限責任公司忻州分公司；3.中國石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司)

煤巖滲透率各向異性對煤層氣開發具有重要的影響。采用氦氣及甲烷對不同圍壓條件下陜西韓城礦區煤樣面割理及端割理方向滲透率進行了測定。結果表明：煤巖滲透率存在明顯的各向異性，面割理與端割理方向滲透率之比可達5.1～9.0；隨著圍壓增大，不同方向滲透率比值逐漸增大,各向異性效應增強；實驗范圍內氦氣滲透率整體高于甲烷滲透率，但前者所測滲透率比值整體低于后者；圍壓增大導致的滲透率損失量受實驗流體影響極小，且對各向異性效應的影響不明顯。

煤巖；滲透率實驗；各向異性

我國煤層氣資源豐富，合理開采和利用煤層氣資源具有重大的現實意義。煤儲層滲透率是控制煤層氣經濟開發的重要控制因素[1-3]。煤的雙重介質特性，以及煤層氣吸附與有效應力的共同作用使得煤儲層滲透率呈現出與常規油氣藏顯著不同的復雜的動態變化特征。前人針對應力作用下的單相氣滲透率進行了大量的實驗研究[4-7]，并建立了一系列的滲透率動態演化預測模型[8-10]。然而，煤巖裂隙發育具有顯著的各向異性特征，其面割理與端割理方向滲透率之比變化大，盡管已有學者基于理論分析建立了煤巖滲透率各向異性動態變化的理論模式，但相應的室內實驗尚未見諸報道。本文擬通過穩態實驗方法，探討不同圍壓條件下的煤巖滲透率各向異性變化特征。

1 實驗樣品

實驗煤樣采自我國煤層氣勘探開發較為活躍的陜西韓城礦區，所取煤巖試樣面割理與端割理相互交錯，呈現出明顯的各向異性特征，煤質分析結果見表1。分別沿面割理及端割理方向鉆取直徑為2.5 cm的巖心，鉆取后將巖心端面進行切割打磨，試樣兩端面平整度偏差在0.05 mm內，制成長度約為4 cm的巖心，用聚乙烯膜將巖心包好密封。

2 實驗方法

實驗所用設備為美國巖心公司ULTRAPERM-400滲透率測定儀，實驗用氣體是純度99.99%的氦氣及甲烷氣，實驗溫度是30 ℃。測試前，將巖心置于90 ℃恒溫箱中烘干4 h，以去除水分對滲透率測定的影響。試樣和上下壓頭之間放置多孔剛性墊片，以使測試過程中流體能夠均勻地通過試樣。煤樣安置后，首先對煤樣施加圍壓pc，待圍壓穩定后打開試樣上下端進出流體閥門，向實驗系統中充入所用氣體，待上下游壓力穩定后，記錄壓力及對應的流量，根據穩態法公式計算該圍壓下煤巖的滲透率：

表1 煤樣工業分析與煤巖分析結果

(1)

式中：k——氣體滲透率，10-3μm2；A——煤樣截面積，cm2；L——煤樣長度，cm；P0——大氣壓力，MPa；μ——氣體黏度，mPa·s；Q0——大氣壓力下的流量，cm3/s；P1P2——兩端口壓力，MPa。

本實驗的圍壓設置級別為2，3，4，5，6 MPa。實驗過程中保持上游入口端壓力為1.0 MPa，下游回壓為0.5 MPa。測試流體為氦氣及甲烷。先開展試樣低圍壓實驗，實驗結束后逐步增大圍壓，接續開展高圍壓實驗。

3 實驗結果

圖1和圖2所示分別為不同圍壓條件下的煤巖面割理及端割理方向滲透率。由圖中可看出，對同一煤樣，氦氣滲透率與甲烷滲透率均隨圍壓增大而呈現出遞減的趨勢，采用指數關系(式2)可對滲透率遞減趨勢進行較好的擬合(R2>0.95)。表2所示為不同氣體不同方向滲透率遞減關系擬合參數，由表中可看出，對于同一試樣，氦氣滲透率擬合值a要高于甲烷滲透率擬合值，表明氦氣滲透率要高于甲烷滲透率，其原因在于：氦氣為惰性氣體，在煤巖基質中無吸附效應，而甲烷在煤巖基質的表面吸附促使基質出現膨脹效應，煤巖裂隙趨于閉合，進而導致甲烷滲透率降低。

k=ae-b σ

(2)

式中：a，b——待擬合參數，σ——有效應力，MPa。

圖1 圍壓對面割理方向滲透率的影響

測試氣體擬合參數面割理端割理氦氣abR210．550．530．962．470．600．95甲烷abR28．410．560．961．320．620．96

圖3所示為面割理與端割理方向滲透率比值km/kd隨圍壓的變化趨勢，由圖中可得：相同圍壓條件下，氦氣所測得的滲透率比值(5.1～6.6)要低于甲烷所測比值(7.3～9.0)。隨著圍壓的增大，不同氣體所測得的各向異性效應趨于變強，其中：氦氣測得的滲透率比值由5.1增大至6.7，增幅為32.0%；甲烷測得的滲透率比值由7.3增大至9.0，增幅為23.3%。

圖2 圍壓對端割理方向滲透率的影響

圖3 圍壓對滲透率比值km/kd影響

為進一步探究圍壓對滲透率各向異性效應的影響作用，利用Wang建立的考慮各向異性影響的滲透率動態演化模型[12]。對實驗數據進行擬合，其模型表達式為：

(3)

式中：k0——初始滲透率，10-3μm2；φ0——初始孔隙度，無因次；Kb——體積模量，MPa；p0——初始孔隙壓力，MPa；εL——吸附應變，無因次；Δσ——圍壓增量，MPa；F1、F10——Δσ及初始圍對應的膨脹系數，無因次。

通過反復試算和實驗發現，在孔隙壓力一定的條件下，孔隙度與體積模量對滲透率的影響作用較為顯著(圖4)，而膨脹系數、吸附應變、孔隙壓力對滲透率的影響較小。

由圖5中可看出，采用Wang模型可對實驗結果進行較好的擬合，擬合所得φ0Kb為7.7。采用不同氣體測得的不同割理方向的滲透率比值隨圍壓增量極為接近，表明滲透率比值的各向異性效應φ0Kb較弱。

圖4 φ0Kb對滲透率比值k/k0隨圍壓增量變化的影響

圖5 滲透率比值k/k0與圍壓增量關系

4 結論

通過對不同圍壓條件下煤樣面割理及端割理方向滲透率進行的測定，利用氮氣及甲烷氣體進行對比分析，主要獲得了以下認識和成果：

(1)煤巖滲透率存在明顯的各向異性，面割理與端割理方向滲透率之比可達5.1～9.0；

(2)隨著圍壓增大，不同方向滲透率比值逐漸增大,各向異性效應增強；

(3)實驗范圍內氦氣滲透率整體高于甲烷滲透率，但前者所測滲透率比值整體低于后者；

(4)圍壓增大導致的滲透率損失量受實驗流體影響極小，且對各向異性效應的影響不明顯。

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編輯：韓玉戟

1673-8217(2016)06-0092-03

2016-04-29

王亞，1989年生，2011年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，現從事煤層氣開發工作。

國家重大油氣專項“煤層氣排采工藝及數值模擬技術研究”(ZX2011-05038)。

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