煤巖氣儲(chǔ)層滑脫效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

王湘濤，王學(xué)武，宋文銅，印樹(shù)明

（中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061）

煤儲(chǔ)層滲透率為動(dòng)態(tài)滲透率，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中隨儲(chǔ)層環(huán)境的改變而變化，是影響煤層氣產(chǎn)量和開(kāi)采效益的重要儲(chǔ)層參數(shù)之一。目前關(guān)于低滲透巖石氣體滲透性的研究多是在干燥狀態(tài)下進(jìn)行[1]，但是，在實(shí)際過(guò)程中，水分存在于巖石當(dāng)中。氣體在巖石中的滲流不單單是氣體作為單相進(jìn)行，而是氣-液兩相滲流，在此過(guò)程中水的影響因素便不可忽略。因此在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)首先進(jìn)行煤巖的干燥。在干燥后進(jìn)行測(cè)量煤巖的孔隙度與氣測(cè)滲透率。

傅雪海等[2-3]通過(guò)煤巖物理模擬實(shí)驗(yàn)，指出在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，煤巖滲透率變化與有效應(yīng)力和煤基質(zhì)收縮有關(guān)。兩者耦合作用的綜合表現(xiàn)為:高階煤滲透率與儲(chǔ)層壓力存在正相關(guān)，即滲透率隨壓力降低而逐漸減小；中階煤滲透率與儲(chǔ)層壓力存在負(fù)相關(guān)，即滲透率隨壓力降低而逐漸增大。在前人的基礎(chǔ)上，本文研究氣體滑脫與壓力、滲透率的關(guān)系，討論氣體滑脫效應(yīng)的影響因素。

1 煤層氣儲(chǔ)層滑脫效應(yīng)

滑脫效應(yīng)是氣體在低滲多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一種分子滑移現(xiàn)象。其本質(zhì)是由于氣體分子平均自由程和流體通道在一個(gè)數(shù)量級(jí)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(xiàn)為氣體在孔道固壁面流速不為零，氣測(cè)滲透率大于液體滲透率。

1.1 孔隙壓力對(duì)滑脫效應(yīng)影響

在煤層氣產(chǎn)出過(guò)程中，當(dāng)孔隙壓力較高時(shí)，是以基質(zhì)及有效應(yīng)力收縮作為影響滲透率的主要因素，因此，當(dāng)孔隙壓力下降到一定值后，氣體滑脫效應(yīng)對(duì)滲透率的影響因而變得十分的明顯。這時(shí)滲透率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)迅速的升高的現(xiàn)象，尤其是對(duì)于低滲儲(chǔ)層，所以在孔隙壓力處于某一較低范圍內(nèi)，儲(chǔ)層滲透率都將在受到滑脫效應(yīng)的主要影響之下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了在滑脫效應(yīng)測(cè)出低滲儲(chǔ)層煤巖的滲透率貢獻(xiàn)率隨著孔隙壓力減小而增大的結(jié)論，所以目前對(duì)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(gè)發(fā)生氣體滑脫效應(yīng)的臨界孔隙壓力值，當(dāng)在孔隙壓力小于臨界孔隙壓力，滑脫效應(yīng)存在。

1.2 滲透率與滑脫效應(yīng)的相互影響

在相同圍壓?jiǎn)蜗鄽怏w條件下，不同煤層的滑脫效應(yīng)的滲透率所產(chǎn)生影響不同。研究已知滑脫效應(yīng)對(duì)低滲透儲(chǔ)層的滲透性能影響很大[4]。滲透率與滑脫效應(yīng)的關(guān)系具有雙向性，滲透率越低，對(duì)滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生的貢獻(xiàn)率越大，同時(shí)滑脫效應(yīng)的產(chǎn)生的滲透率增量又反過(guò)來(lái)使?jié)B透率增高。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:巖心流動(dòng)驅(qū)替測(cè)試儀

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

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

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)準(zhǔn)備階段。

在將煤樣取芯之后，取直徑為2.4～2.5cm，長(zhǎng)度為其直徑的2～3倍，最后打磨兩平面，使其光滑。實(shí)驗(yàn)第一步:將煤樣放入烘箱，在50℃烘5～6h，篩選優(yōu)質(zhì)煤巖，然后測(cè)其直徑、長(zhǎng)度，計(jì)算面積。

2)測(cè)定煤樣孔隙度。

3)測(cè)量煤巖滲透率。

按照步驟測(cè)定巖石滲透率。

3 數(shù)據(jù)分析

Klinkenberg提出了氣測(cè)滲透率與絕對(duì)滲透率的關(guān)系:

此后，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)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(jìn)出口平均壓力。

式中:P1:進(jìn)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(jì)算可得bk，結(jié)果見(jiàn)表1。

由理論已知:bk反映的是滑脫效應(yīng)的強(qiáng)弱，即bk越大,氣體滑脫效應(yīng)越強(qiáng)，當(dāng)bk為零時(shí)不存在滑脫效應(yīng)。由表1可以得到與理論相符的結(jié)論。

表1 不同壓力下滑脫因子

4 結(jié)論

1）巖心越致密，孔道半徑越小，滑脫效應(yīng)越嚴(yán)。

2）巖石外加壓力越大，滑脫效應(yīng)越嚴(yán)重。

3）滑脫效應(yīng)還與相對(duì)分子量有關(guān)，相對(duì)分子量越小，滑脫效應(yīng)越嚴(yán)重。

4）低滲透率儲(chǔ)層使得滑脫效應(yīng)影響更顯著，同時(shí)滑脫效應(yīng)又使?jié)B透率增加或滲透率降低速度減慢。