煤層氣開發過程中滲透率變化規律及對產量的影響

袁善磊

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

煤層氣開發過程中滲透率變化規律及對產量的影響

袁善磊

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

近年來，人們對煤層氣的認識逐漸提高，煤層氣的開發經歷了一個漫長過程，過去很長一段時間，瓦斯都是煤礦開發過程中一項重大安全隱患，煤礦開發過程中發生瓦斯爆炸，將會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，由于認識上的不足，其經常被人們視作有害氣體直接被排放到空氣中，導致其價值沒有得到體現，并且對環境造成了污染。科技的進步，使人們認識到了煤層氣的重要性，通過先進的開發技術對煤層氣進行開發，能夠使其價值得到體現，一方面能夠解決全球能源短缺問題，另一方面也能夠改善環境。

煤層氣開發；滲透率；變化規律；產量；影響

1 滲透率動態變化影響因素

1.1 有效應力對滲透率的影響

隨著煤層氣井排水采氣的進行，生產井筒內的動液面會不斷下降，孔隙流體壓力逐漸降低，導致煤體骨架承受的有效應力增加，使得孔隙體積變小、裂縫趨于閉合，進而造成煤巖滲透率逐步下降。目前國內外學者普遍認為煤儲層滲透率與有效應力呈負指數關系，且對于高煤階低滲透性煤儲層，此關系更為明顯。有效應力對滲透率的“負效應”隨著煤層氣井氣、水的產出不可避免，認清有效應力對煤儲層滲透率的影響規律，對控制煤儲層的應力敏感性和科學地提高煤層氣氣井產能十分必要。

1.2 煤基質收縮對滲透率的影響

和傳統油氣藏不同，煤層氣以吸附狀態賦存于煤層之中，當儲層壓力小于臨界解吸壓力時，煤層氣就會從煤基質表面解吸，從而導致煤基質體積收縮，增加煤層割理寬度，使得煤層滲透率增大。

由于煤層氣的吸附解吸是可逆的，通過對吸附膨脹量的研究即可得到解吸過程中的基質收縮量，大部分研究學者普遍認為吸附膨脹量與孔隙壓力呈Langmuir方程的關系。結合火柴棍模型推導孔隙度變化量，進而利用孔隙度變化量與滲透率變化量的三次方關系，推導得出煤基質收縮所引起的滲透率正效應變化量。由于煤基質收縮對滲透率的正效應是在煤層氣解吸之后發生的，在開發過程中對于實際解吸點的確定尤為重要。

1.3 克林肯伯格效應對滲透率的影響

理論上講，煤儲層絕對滲透率與測試流體性質無關，即氣測絕對滲透率與液測絕對滲透率應是相同的。但在實際分析測試中，一般氣測滲透率均大于液測滲透率，而且這種差異隨著煤儲層絕對滲透率的降低而增大，其主要原因是由于氣體存在克林肯伯格效應(滑脫效應)。克林肯伯格效應是指氣體在介質孔道滲流的過程中出現在靠近孔道壁表面的氣體分子流速不為零，孔道壁面的氣體分子與孔道中心的分子流速幾乎沒有差別的現象。研究表明，低壓條件下克林肯伯格效應普遍存在，低滲儲層尤其是特低滲儲層克林肯伯格效應較強，氣體、溫度、束縛水飽和度等因素均對克林肯伯格效應有一定的影響。當儲層滲透率較大、孔隙壓力較高時，克林肯伯格效應可以忽略不計。也就是說，在煤層氣井開發過程中，氣體克林肯伯格效應對滲透率的正效應影響主要體現在煤層氣井開發的中后期，對儲層滲透率的改善具有一定的促進作用，但具體能對滲透率產生多大影響，需要結合儲層物性特征具體分析。

2 滲透率動態變化規律

煤層氣井開發過程中滲透率呈現出的動態變化是多種影響因素疊加下的綜合表征，其具體變化規律尤為復雜。一方面，隨著排水降壓的進行，煤儲層表現出較強的應力敏感性，導致滲透率減小；另一方面，煤層氣的解吸產出導致煤基質收縮，導致滲透率增大。同時，由于煤儲層滲透率相對較低，克林肯伯格效應的存在能夠改善煤儲層滲透率。由于克林肯伯格效應僅在儲層壓力較低的情況下作用明顯，且只是間接增大了儲層的氣體滲透率，并未對儲層物理性質造成任何改變，作用效果在實際生產中相對有限且作用階段難以定量確定。因此，國內外學者在研究滲透率動態變化的過程中大都主要考慮有效應力和基質收縮效應，忽略了克林肯伯格效應對氣體滲透率的影響，因此，煤層氣井開發制度合理的情況下，壓降漏斗得到有效傳遞，煤儲層經歷有效應力作用階段、有效應力和煤基質收縮效應耦合作用階段和有效應力、煤基質收縮、克林肯伯格效應綜合作用階段。煤層氣井排采過程中滲透率呈現“先降低、后升高”的不對稱“U”型變化，但最終煤儲層滲透率的反彈程度受到儲層物性特征、煤體結構和開發制度等因素的共同影響。儲層初始滲透率越低，開發初期應力敏感性越強，滲透率降低幅度相對越大，最終煤儲層滲透率不能恢復至原始水平；原生結構煤彈性模量大、硬度高，開發初期煤體應變較小，滲透率變化不大，后期基質收縮正效應可以起到充分作用，提高產氣量。構造煤煤體破碎，滲透率恢復較原生結構煤緩慢，滲透率傷害較大；開發初期開發制度制定不當，開發速率過快，有效應力會迅速增加，產生嚴重的壓敏效應和速敏效應，進而對煤儲層造成不可逆的傷害，導致滲透率無法反彈，氣井產能嚴重下降。

3 滲透率動態變化對單井產量的影響

煤儲層滲透率的改變勢必會對氣井的生產能力造成一定程度的影響。應力敏感主要發生在穩產期和排水后期，而滲透率的反彈現象則主要發生在遞減環節，因此在對煤層氣開采達到一定程度后，壓降漏洞不會繼續擴大，此時產量將逐步進入遞減環節，處于泄氣范圍內的地層壓力將會繼續降低，而累計解吸量則會隨著時間的推移不斷增加，通過一段時間的累積，煤基質孔隙內的空間將會達到一定范圍，此時滲透率將會快速變大。而通過大量的統計可以發現，隨著累積解吸量的增多，受解吸作用影響，儲層孔隙將會再一次變大，滲透率出現了較為明顯的反彈，產量將會再次回升，提高了煤層氣產量。

結語

煤層氣是一種潔凈能源，對其進行開發對緩解能源短缺意義重大，這也加強了人們對煤層氣開發的研究重視程度。大量的礦產生產證明，我國煤氣井在生產中受基質滲透率和盈利敏感的影響十分明顯。因此，煤層氣開采中，應在穩產期和排水后期，對煤層氣的排量進行合理控制，延長氣井壽命，提高產量。

[1]陳亞西.煤層氣開發過程中儲層滲透率動態變化及合理排采速度分析[D].中國地質大學(北京)，2016.

[2]馬東.煤層滲透率變化規律和氣潤濕反轉方法提高煤層氣產量研究[D].長江大學，2013.