煤層氣儲層的不同多相流因素對滲透率影響

摘 要：針對勘察過程中對氣儲層滲透率影響因素的分析不夠全面。以滲流機理分析結果為基礎，分析煤層氣儲層勘察中不同因素對滲透率影響。以煤層氣儲層滲流的密度、飽和度與速度特征為基礎計算滲透率；以有效圍壓、氣體壓力和溫度的影響因素為指標，分析煤層氣儲層不同因素指標對滲透率的影響。實驗結果表明，隨著有效圍壓逐漸增大，煤層氣儲層的滲透率呈現下降趨勢，當氣體壓力大于1 MPa時，滲透率變化程度較為緩慢；15 ℃下煤層氣儲層滲透率普遍更高，表明了溫度因素可以改變煤層氣儲層滲流能力。可為煤層氣勘探提供科學依據。

關鍵詞：煤層氣勘察；儲層地質；滲透率；特征分析；影響因素

中圖分類號：TQ547；TD163 + .1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0128-04

The influence of different multiphase flow factorson permeability in coalbed methane reservoirs

XU Shun，YANG Feifei

（Zhongjin Environmental Technology Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China）

Abstract：In view of the incomplete analysis of the influencing factors of gas reservoir permeability in the explora?tion process，the influence of different factors on the permeability of coalbed methane reservoir was analyzed basedon the results of seepage mechanism analysis. The permeability was calculated based on the density，saturation andvelocity characteristics of the seepage in the coalbed methane reservoir. Taking the influencing factors of effectiveconfining pressure，gas pressure and temperature as indicators，the influence of different factors on the permeabilityof coalbed methane reservoir was analyzed. The experimental results showed that as the effective confining pressuregradually increased，the permeability of coalbed methane reservoirs showed a downward trend. When the gas pres?sure was greater than 1MPa，the degree of permeability change was relatively slow. The permeability of coalbedmethane reservoirs was generally higher at 15 ℃，indicating that temperature factors can change the permeability ofcoalbed methane reservoirs. It can provide a scientific basis for coalbed methane exploration.

Key words：coal bed methane exploration；reservoir geology；permeability；feature analysis；influence factor

由于煤層氣儲層的滲透性較差、孔隙結構 [1] 復雜，傳統勘察方法常無法準確描述影響滲透率參數的相關特征 [2] 。因此，需要在現有勘察方法的基礎上，進一步開展煤層氣儲層地質勘察研究，以提高勘探效果和評價精度。不同的地質勘察方法不斷出現，為實現高效勘察提供了新的技術途徑和廣泛的技術支持 [3] 。為此，相關學者已展開大量研究，如采用多層次模糊方法選取最優區塊，以此獲取煤層氣勘探開發有利區 [4] 。利用覆壓孔滲的方法展開實驗，設定不同有效應力，研究滲透率的變化規律 [5] 。因此，本文分析煤層氣儲層勘察中不同因素對滲透率特征影響，進一步分析相關理論。

1 煤層氣儲層滲流機理分析

在煤層氣儲層的勘察過程中，隨著地層壓力的遞減，地層中的氣體呈現出明顯的分層特征 [6] 。這種分層特征是由不同層次的煤體孔隙結構和滲透性差異所導致的。煤層氣滲流機理主要分為3個層次：單向流階段、非飽和單相流階段和氣水兩相流階段。在不同壓力條件下，煤層氣的行為會發生變化。煤層氣滲流機理圖如圖1所示。

由圖 1 可知，第 1 層次為單向流階段，地層壓力下降的程度相對較小，煤層氣的解吸現象很少發生 [7] 。此時，主要發生的是水相滲流，即地層中的水向周圍的孔隙、裂縫移動。隨著地層壓力下降速率的加快，進入了第2層次的非飽和單相流階段[8] ；隨著地層壓力下降程度的進一步加快，煤層進入了第 3 層次的氣水兩相流階段。在這個階段，煤層中的煤層氣飽和度逐漸增加，滲透率逐漸升高 [9] 。

2 基于微元體能量守恒的地質滲透率計算基于質量守恒原理 [10] ，在裂縫系統中，可以將裂縫看作是一組微觀通道，其中煤層氣和水在不同通道中流動。

在煤層氣儲層中，做滲流運動的物質包含煤層氣、水以及煤基質 [11-12] ，滲透率的表達式為：

式中： ρ g 、 S g 、 V ˉ g 表示煤層氣的密度、飽和度與速度平均值； q m 、 q g 表示煤層氣源項與匯項； ρ w 、 S w 、 V ˉ w表示水的密度、飽和度與速度平均值； q w 表示水的匯項； ρ s 、 S s 、 V ˉ s 表示煤基質的壓力、飽和度與速度平均值。其中， S g +S w =1 。

3 煤層氣儲層地質中滲透率影響因素分析

由于煤層氣流動的復雜性，煤儲層中的氣和水通常以多相流的形式存在 [13] 。氣-水相滲曲線反映著煤儲層中煤層氣的含量，提供煤層氣與水在煤儲層中的滲流特征。煤層氣儲層滲流會出現一個三角區，滲流三角區示意圖如圖2所示。

圖2顯示了滲流參數的關系，在閉合三角形ABC 中， A 點表示水飽和度點； B 點表示等滲點；C 點表示殘余煤層氣飽和度點。當限制氣體壓力、煤層氣儲層中除去氣體壓力外的巖石圍壓，即有效圍壓以及溫度時，滲透率會隨著水飽和度的變化發生著變換，滲透率 K rg 與水飽和度 K rw 的關系表達式為：

式中： a 煤儲層滲透流體系數。

在同一坐標系中， AB 與 BC 曲線長度反映的是氣-水兩相相互干擾程度大小。 BD 曲線的長度反映了共滲點的高度或共滲能力。

4 壓力和溫度對滲透率的影響測試實驗

實驗選擇了一個典型煤層作為研究對象。勘察點位于煤層區域，以確保對煤層滲流參數特征具有良好的代表性。

在采樣深度方面，根據地質調查數據，在煤層中選擇了5個具有代表性的勘察點，并將其標記為 A 、B 、 C 、 D 和 E 點，分別處于100、200、300、400和500m的深度位置。

為了獲取樣品，采用鉆孔法，從地表逐漸向下鉆探至煤層深部進行采集。通過這種方法，可以獲取較為準確和代表性的煤層樣品。采樣的樣品經過嚴格的加工處理，在實驗室中被制成了直徑為38 mm、長度約5～8 cm的圓柱狀樣品，以保證樣品尺寸的一致性。實驗所用裝置如表1所示。

4. 1 有效圍壓對地質滲透率的影響

使用滲透率測定儀，測量煤層樣品的滲透率。將8塊煤儲層試樣烘干24 h后，分別裝入直徑38 mm的巖心夾持器中，通入甲烷氣體，保持煤儲層試樣入口端氣體壓力為0.2 MPa，分別在有效圍壓2～10MPa內實驗，測量各個樣品的滲透率，并記錄其平均值，得到有效圍壓與滲透率關系曲線如圖3所示。

由圖3可知，在有效圍壓的作用下，試樣受到擠壓力的影響，裂縫會逐漸閉合。有效圍壓作用下，試樣受到擠壓力的影響。擠壓力會使試樣中的孔隙變小并且裂縫逐漸閉合，進而限制了煤層氣的滲透。

4. 2 氣體壓力對地質滲透率的影響

利用手搖圍壓泵，設置通入甲烷氣體的儲層試樣的有效圍壓為2 MPa，調節甲烷氣瓶壓力，測定在不同氣體壓力（0.2～2.5 MPa）下每個試樣的滲透率，取平均值，結果如圖4所示。

由圖4的結果可見，當氣體壓力小于1 MPa時，滲透率的變化程度較為明顯，而且均值都在0.04 mD以上。從實驗結果可以推測，氣體壓力的增加可能導致煤體中孔隙微裂縫的逐漸閉合，進而限制了煤層中氣體的運移與滲透。

4. 3 溫度對地質滲透率的影響

將有效圍壓為2MPa的通入甲烷氣體的儲層試樣在室溫5～15℃條件下分別測定每個試樣的滲透率，取平均值，得到溫度對滲透率的影響結果如表2所示。

由表2可知，隨著溫度的升高，煤層氣儲層的滲透率有所增加。在相同氣體壓力下，試樣在較高溫度下的滲透率要高于較低溫度下的滲透率。這可能是因為溫度的升高使得氣體分子運動更加活躍，增加了氣體分子在孔隙和裂縫之間的相對運動能力，從而促進了氣體的滲透能力。

5 結語

煤層氣的勘察和利用不僅受資源狀況制約，還要考慮煤層氣壓力、滲透率和水文地質條件。在相同的孔隙壓力下，增加圍壓會使煤體受到擠壓力，并逐漸閉合孔隙和微裂縫，限制了煤層氣的滲透；在相同的有效圍壓下，氣體壓力的增加會提高滲透率；在不改變圍壓以及氣體壓力的情況下，隨著溫度的升高，滲透性增大。由此可知影響煤層氣儲層滲透率的主要因素包括圍壓、氣體壓力和溫度。

在進行煤層氣儲層地質勘察時，需要重點考慮和評估這些因素的影響，以更準確地預測和評估儲層中煤層氣資源的產能和開采潛力。

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