煤巖氣儲層滑脫效應實驗研究

王湘濤，王學武，宋文銅，印樹明

（中國石油大學勝利學院 油氣工程學院，山東東營257061）

煤儲層滲透率為動態滲透率，在開發過程中隨儲層環境的改變而變化，是影響煤層氣產量和開采效益的重要儲層參數之一。目前關于低滲透巖石氣體滲透性的研究多是在干燥狀態下進行[1]，但是，在實際過程中，水分存在于巖石當中。氣體在巖石中的滲流不單單是氣體作為單相進行，而是氣-液兩相滲流，在此過程中水的影響因素便不可忽略。因此在實驗進行時首先進行煤巖的干燥。在干燥后進行測量煤巖的孔隙度與氣測滲透率。

傅雪海等[2-3]通過煤巖物理模擬實驗，指出在煤層氣開發過程中，煤巖滲透率變化與有效應力和煤基質收縮有關。兩者耦合作用的綜合表現為:高階煤滲透率與儲層壓力存在正相關，即滲透率隨壓力降低而逐漸減小；中階煤滲透率與儲層壓力存在負相關，即滲透率隨壓力降低而逐漸增大。在前人的基礎上，本文研究氣體滑脫與壓力、滲透率的關系，討論氣體滑脫效應的影響因素。

1 煤層氣儲層滑脫效應

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，宏觀上表現為氣體在孔道固壁面流速不為零，氣測滲透率大于液體滲透率。

1.1 孔隙壓力對滑脫效應影響

在煤層氣產出過程中，當孔隙壓力較高時，是以基質及有效應力收縮作為影響滲透率的主要因素，因此，當孔隙壓力下降到一定值后，氣體滑脫效應對滲透率的影響因而變得十分的明顯。這時滲透率會出現一個迅速的升高的現象，尤其是對于低滲儲層，所以在孔隙壓力處于某一較低范圍內，儲層滲透率都將在受到滑脫效應的主要影響之下。實驗結果也證實了在滑脫效應測出低滲儲層煤巖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，滑脫效應存在。

1.2 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所產生影響不同。研究已知滑脫效應對低滲透儲層的滲透性能影響很大[4]。滲透率與滑脫效應的關系具有雙向性，滲透率越低，對滑脫效應的產生的貢獻率越大，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。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

實驗設備:巖心流動驅替測試儀

2.2 實驗樣品

XLHT-31 BYH4-9 XT-5 BYH2-8

2.3 實驗步驟

1)準備階段。

在將煤樣取芯之后，取直徑為2.4～2.5cm，長度為其直徑的2～3倍，最后打磨兩平面，使其光滑。實驗第一步:將煤樣放入烘箱，在50℃烘5～6h，篩選優質煤巖，然后測其直徑、長度，計算面積。

2)測定煤樣孔隙度。

3)測量煤巖滲透率。

按照步驟測定巖石滲透率。

3 數據分析

Klinkenberg提出了氣測滲透率與絕對滲透率的關系:

此后，經研究發現氣體分子平均自由程與平均孔隙壓力成反比:

式中:bk為滑脫因子；Pm為巖心進出口平均壓力。

式中:P1:進口氣體壓力；P2:出口氣體壓力；1

式中:n為分子密度；d為分子直徑

由公式1-5計算可得bk，結果見表1。

由理論已知:bk反映的是滑脫效應的強弱，即bk越大,氣體滑脫效應越強，當bk為零時不存在滑脫效應。由表1可以得到與理論相符的結論。

表1 不同壓力下滑脫因子

4 結論

1）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應越嚴。

2）巖石外加壓力越大，滑脫效應越嚴重。

3）滑脫效應還與相對分子量有關，相對分子量越小，滑脫效應越嚴重。

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