基于分形理論的高煤階煤巖滲透率計算方法研究與應用
2020-08-23 07:37:26王鏡惠梅明華劉娟王華軍
當代化工 2020年7期
王鏡惠 梅明華 劉娟 王華軍
摘????? 要：為了提供有效的煤巖滲透率計算方法，基于分形理論推導了煤樣滲透率計算模型，提出了相應參數的獲取方法，基于高壓壓汞實驗獲得的毛管壓力數據和實驗測得的相應煤樣的滲透率數據驗證了計算方法的正確性，并基于該方法利用數值模擬的方法分析了煤樣滲透率的主要影響因素。結果表明，分形理論的煤巖滲透率計算方法能夠有效預測煤巖滲透率，平均誤差僅為6.84%;煤巖分形維數、迂曲度和最大孔隙半徑對滲透率具有重要影響，煤巖滲透率隨著分形維數和迂曲度增加而降低，隨最大孔隙半徑增加而增加。
關? 鍵? 詞：分形理論;高煤階;煤巖;滲透率;計算方法
中圖分類號：TQ021.4?????? 文獻標識碼： A? ????文章編號：1671-0460（2020）07-1356-05
Research and Application of the Permeability Calculation
Method for High-rank Coal Rock Based on Fractal Theory
WANG Jing-hui1a， MEI Ming-hua2， LIU Juan1b， WANG Hua-jun2
（1. a.School of Chemistry and Chemical Engineering;1b. School of life Science，Yulin University， Yulin Shaanxi 719000， China;
2. The Second Gas Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Branch Company， Shaanxi Yulin719000， China;
Abstract： In order to provide effective calculation method of the coal rock permeability， the permeability calculation model of coal samples was deduced based on the fractal theory， and the acquisition approach of corresponding parameters was proposed. The correctness of the calculation method was verified based on the capillary pressure data from high-pressure mercury injection experiments， and the main influencing factors of the coal sample permeability were analyzed based on the permeability calculation model. The results showed that the permeability calculation method of high-rank coal rock based on the fractal theory could effectively predict the permeability， and the average error was only 6.84%. The fractal dimension， tortuosity and maximum pore radius of coal rock had important influence on its permeability. And the permeability of high-rank coal rock decreased with the increase of fractal dimension and tortuosity， and increased with the increase of maximum pore radius.
Key words： Fractal theory; High coal rank; Coal rock; Permeability; Calculation method
煤層氣儲層滲透率對開展煤層氣儲層評價，實現煤層氣井高產穩產具有重要意義[1]。煤層氣儲層一般需要通過壓裂提供滲透率[2]，但煤層原始滲透率對煤層氣開發起決定性作用。煤層氣儲層為低孔低滲儲層，孔隙結構復雜，煤樣制取難度較大且滲透率測試較難，迫切需要有效的滲透率計算模型。許多學者對致密砂巖儲層滲透率預測進行了研究，如鄧浩陽等研究了基于致密砂巖儲層孔隙結構參數，利用多元回歸的方法建立滲透率計算模型[3];張濤等建立了致密砂巖儲層絕地滲透率計算模
型[4];范宜仁等基于三組分法建立了致密砂巖巖心核磁共振滲透率表征新模型[5];而對于煤巖滲透率的研究則多為實驗測試，缺乏成熟的計算方法，劉帥帥等以鄂爾多斯盆地東緣柳林礦區南部4號煤層為研究對象，研究了有效應力對煤儲層不同方向滲透率的影響[6]。牛麗飛等以山西潞安常村礦3號煤層圓柱試樣為對象，測試并研究了垂直層理和平行層理方向煤體滲透率變化特征[7]。魏建平等基于裂隙平板模型，理論推導了瓦斯解吸、擴散及滲流過程中煤體滲透率的變化關系，認為滲透率與瓦斯壓力的關系呈現一種非對稱“U”字型變化規律[8]。劉永茜等通過建立描述煤體孔隙和裂隙滲透率統一數學模型，將煤體內氣體滲流分為孔隙控制型、裂隙控制型和孔隙-裂隙聯合控制型3類[9]。付新等對煤巖孔隙結構進行了研究，并將進汞量約25%處的煤巖孔隙半徑與滲透率進行回歸，得到滲透率預測方
法[10]，但該方法僅基于數學統計，缺乏理論基礎。李立功等研究了考慮克林伯格系數的煤儲層滲透率預測模型，但該模型參數眾多，不適于現場應用[11]。因此，文章引進分形理論對孔隙結構進行定量評價，并在此基礎上推導了煤樣滲透率計算方法，并基于高壓壓汞實驗獲得的毛管壓力曲線驗證了本文提供計算方法的正確性。
1 ?滲透率計算方法理論推導
許多學者研究表明，煤巖孔隙結構具有分形特征[12-13]，則根據分形理論，煤巖孔隙數目與孔隙半徑成冪率關系，則其定量表達公式為：
（1）
式中： N（>r）—多孔介質孔隙數量;
r —多孔介質孔隙半徑;
a —常數;
Df —分形維數。
由于煤巖孔隙結構復雜，孔隙數目巨大，N（>r）可近似看成連續可微函數，對其微分得到半徑在r～r+dr范圍內毛管孔隙數量為：
（2）
根據Poiseuille定律得到經過單根毛管孔隙圓形截面的流量為[14]：
（3）
式中： q —單根毛管孔隙中流體流量;
dp —單根毛管孔隙進出口壓力差;
τ —毛細管孔隙迂曲度;
μ —流體黏度;
l —毛細管孔隙長度。
基于毛管束理論，將煤樣孔隙體系看作一個整體，并將其假想為一束具有不同孔隙半徑的毛管束，但每根毛管具有相同直徑，以此為理論基礎，將q在rmin～rmax范圍內積分，可得到煤儲層滲流截面A上的總流量為：
（4）
式中： Q —滲流截面A上的總流量;
A —截面面積;
rmin —最小孔隙半徑;
rmax —最大孔隙半徑。
將式（3）和式（2）帶入式（4）整理得：
（5）
根據達西定律，毛管內流量可以通過下式進行計算：
（6）
式中： K —煤層滲透率。
將式（5）和式（6）聯立可得：
（7）
式（7）即為煤層氣儲層滲透率計算公式。由式（7）可知，煤層氣儲層滲透率主要取決于煤樣分形維數和孔隙半徑。
2? 關鍵參數確定方法
根據式（7），計算煤巖滲透率需要獲取分形常數a，分形維數Df，最小孔隙半徑rmin，最大孔隙半徑rmax，毛細管孔隙迂曲度τ等5個參數。其中煤巖孔隙迂曲度τ一般在1.5～3.0之間，其余4個參數均通過煤巖毛管壓力曲線獲得，本文中毛管壓力曲線通過高壓壓汞實驗獲得。
將式（1）兩邊取對數得：
（8）
則在雙對數坐標中，N（>r）和r成線性關系，且斜率為-Df。設直線斜率為k，截距為b，則
（9）
（10）
其中孔隙半徑（r）可以利用煤巖壓汞曲線通過式（11）求得：
（11）
式中： Pc —毛管壓力;
σ —界面張力;
θ —汞與空氣接觸角。
根據式（11）求出的煤樣孔隙半徑分布范圍，進而確定各煤樣的rmin和rmax。不同孔隙半徑的孔隙數量N（r）可以根據壓汞實驗數據計算得到：
（12）
式中：ΔVHg —與孔隙半徑r相對應的同一進汞壓力下的進汞體積。
3? 實驗驗證
3.1? 煤巖毛管壓力實驗
煤巖毛管壓力實驗樣品取自沁水盆地南部煤礦，將大塊煤樣加工制作6塊長度為50 mm，直徑為25 mm的柱狀煤巖樣品，采用空氣滲透率測試儀分別測定各個煤樣滲透率，結果見表1，滲透率測試完畢后，利用各煤樣在室溫條件下開展高壓壓汞實驗，得到6塊煤樣的毛管壓力曲線如圖1所示。
由圖1可知，煤樣1、5、6壓汞曲線最為陡峭，曲線接近縱坐標軸，表明煤樣物性較差，孔隙結構非均質性強。利用分形維數可以表征煤樣孔隙結構的非均質性，分形維數越大，非均質性越強，煤樣滲透率越低，煤樣1、5、6中每樣5的分形維數僅為2.31，表明其孔隙結構均質性較強，因此盡管其毛管壓力曲線較為陡峭，但其滲透率仍然較高。煤樣2、3、4壓汞曲線形態相對較為平緩，存在中間相對平緩段，表明這3塊煤樣滲透性高于上述煤樣，如表1所示，該3塊煤樣滲透率均大于0.35 mD，滲透率相對較高。但整體上除煤樣4以外，5塊每樣中間平緩段均不太明顯，這表明6塊煤樣孔隙結構整體復雜，為低滲透煤樣。
3.2? 滲透率計算及驗證
根據式（11）、（12），利用上述6塊煤樣壓汞曲線對應的數據，計算煤巖的孔隙半徑（r）和對應的孔隙數量N（r），將兩個參數取對數后繪制lg（r）與lg（N（r））散點圖，結果如圖2所示。圖2表明，各煤樣孔隙半徑（r）和對應的孔隙數量N（r）在雙對數坐標中均成線性關系，這進一步證明了各煤樣孔隙結構滿足分形特征。
分別對各煤樣進行線性擬合，根據式（8）得到各煤樣的k和b值，然后根據式（9）、（10）計算相應的Df和a，然后從計算得到的孔隙半徑（r）中讀取rmin和rmax值，煤樣迂曲度按1.75計算，最后根據式（7）計算各煤樣滲透率，結果如表1所示。
4? 煤巖滲透率影響因素分析
根據式（7），模擬分形維數、迂曲度、最大孔隙半徑和最小孔隙半徑對煤巖滲透率的影響，基本參數采用煤樣2數值計算，結果如圖3—圖6所示。
4.1? 分形維數影響
分形維數表征煤巖孔隙結構非均質性，分形維數越大，煤巖孔隙結構越復雜，非均質性越強，物性越差[15]。由圖3可知，煤樣滲透率隨著分形維數增加而降低，二者成負指數關系，且分形維數在2～2.5之間時，滲透率下降速度快，分形維數大于2.5后，滲透率下降速度變慢。如分形維數為2時，滲透率為3.38 mD，當分形維數增至2.5時，滲透率下降至0.32 mD，下降了91%;而分形維數為3時，滲透率比分形維數為2.5時下降了0.29，下降了90%。
4.2? 迂曲度影響
煤巖迂曲度表征煤巖孔隙的彎曲程度，煤巖孔隙結構越復雜，彎曲度越大，迂曲度越大[16]。由圖4可知，煤樣滲透率隨著迂曲度增加而降低，二者反函數關系，且隨迂曲度增加，滲透率降低速度先快后慢。如迂曲度為1.5時，滲透率為1.14 mD，當迂曲度增至2.5時，滲透率降至0.69 mD，下降了39.5%。
4.3? 孔隙半徑影響
孔隙半徑對煤樣滲透率具有重要的影響，模擬得到煤樣最大孔隙半徑、最小孔隙半徑對滲透率的影響，結果如圖5—圖6所示。煤樣滲透率隨著最大孔隙半徑增加而增加，二者成冪指數關系（圖5），這是由于最大孔隙半徑越大，則煤樣的整體孔隙半徑都會增加，導致煤樣整體滲透率增加，進而氣體通過煤樣的能力越強。而滲透率卻隨最小孔隙半徑增加而降低，但降低幅度很小（圖6）。在其他條件不變時，當最小孔隙半徑為0.005 nm時，滲透率為0.990 mD，當最小孔隙半徑5 nm時，滲透率為0.989 mD，因此，最小孔隙半徑對煤層滲透率影響極小，可以忽略。
因此，可以不考慮最小孔隙半徑，將孔隙半徑約等于0，則根據式（7）可以得到另一個簡化的煤層滲透率計算公式：
（13）
由表1可知，式（13）和式（7）計算滲透率值高度一致，表明式（7）可以等同于式（13）。
5? 結論
1） 本文提供的基于分形理論的煤巖滲透率計算方法： 和 ?能夠有效預測煤巖滲透率，預測結果與空氣滲透率測試結果平均誤差僅為6.84%，大幅降低了煤層氣儲層滲透率測試的難度和成本。 作為簡化后的煤層滲透率計算公式具有更加廣闊的推廣空間。
2） 利用本文提出的煤樣滲透率計算公式開展數值模擬，結果表明，煤巖分形維數、迂曲度和最大孔隙半徑對滲透率具有重要影響，煤巖滲透率隨著分形維數和迂曲度增加而降低，隨最大孔隙半徑增加而增加。
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基金項目：榆林市科技計劃項目（項目編號：2018-2-53）。
收稿日期：2019-11-06
作者簡介：王鏡惠（1984-），男，陜西榆林市人，講師，碩士，2012年畢業于西安石油大學油氣田開發專業，研究方向：油氣地質勘探及油氣田開發。E-mail： wangjinghui2219@sohu.com。
