时间：2022-07-20 06:25:42
摘 要：煤储层渗透率为动态渗透率，是煤层气开发过程中需要重点考虑的储层参数之一。该文从煤储层渗透率变化的控制机制出发，采用数学模型，模拟分析了煤层气井排采过程中原位储层条件下煤渗透率动态变化特征。并探讨了初始割理压缩系数、割理压缩系数降低率、基质收缩系数、初始割理孔隙度以及临界解吸压力对煤储层渗透率变化的影响。模拟结果对于认识煤储层渗透率动态变化具有一定参考价值。
关键词：煤层气 原位渗透率 动态变化 数值模拟
中图分类号：P618 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0067-02
煤储层渗透率为动态渗透率，在整个煤层气井排采过程中时刻发生着变化，影响着煤层气单井产量以及生产能力[1]。通常，煤层气井的排采是排水降压、气体解吸-扩散-渗流耦合作用的 过程，依次出现单相水流、不饱和水单相流和气-水两相流三个阶段[2]。在单相水流阶段，煤储层主要产水，属于排水降压的过程。在该阶段储层渗透率受应力敏感性影响强烈，由储层压力降低而引起的有效应力增加，导致煤储层渗透率降低[3]。当储层压力降低至临界解吸压力时，煤层气体开始从煤基质内表面上解吸出来，形成不连续气泡，不饱和水单相流阶段开始出现；随着解吸气体量逐渐增多，出现连续气流，即进入气-水两相流阶段。在不饱和水单相流和气-水两相流阶段，煤储层渗透率的变化受基质收缩和有效应力增加的综合影响，除了有效应力负效应之外，煤层气解吸诱导的煤基质收缩，使煤储层渗透率增大。国内学者傅雪海等实验证明，在煤层气开发过程中，煤的渗透率变化受有效应力负效应和基质收缩正效应的综合控制，有效应力增加使渗透率降低，而基质收缩使渗透率增加。秦勇等将煤的渗透率随基质收缩和有效应力变化的机制称之为“煤储层的弹性自调节效应”。基于前人研究，本文从煤渗透率变化的控制机制出发，考虑基质收缩和有效应力效应对渗透率的作用，模拟分析煤层气井排采过程中原位储层条件下煤渗透率的变化特征。对于认识煤储层渗透率动态变化具有一定参考价值。
1 原位煤储层渗透率变化预测模型
在原位煤储层条件下，煤层侧向围限、轴向发生应变。将煤储层理想化为火柴棍集合体模型，可推导得出原位储层条件下煤的渗透率与储层压力降Δp之间的关系式：
（1）
式中，ko为初始渗透率；ke为压力降为Δp时与有效应力相关的渗透率；Δp为储层压力降，MPa； cf为割理压缩系数，MPa-1，v为泊松比。
煤岩割理压缩系数是变化的。McKee 等认为割理压缩系数随有效应力呈指数关系降低，与实验数据具有很好的拟合效果。据此，可得有效应力增加Δσ过程中（假设煤层围向应力不变，则数值上等于Δp），平均割理压缩系数为：
（2）
式中，为平均割理压缩系数，即为式（1）中的cf，MPa-1。cfo为初始割理压缩系数，MPa-1；Δσ为有效应力增加量，MPa；α为割理压缩系数降低率。
在储层压力降低过程中，随着煤层气体的解吸，煤基质发生收缩作用。应用火柴棍集合体模型，由煤基质收缩引起的渗透率增加率可表示为[10]：
（3）
时和基质收缩相关的渗透率；cx为基质收缩系数，MPa-1；φfo为初始割理孔隙度。
假设煤基质收缩和有效应力增加引起的渗透率变化是两个独立事件，则储层压力降为Δp时总的渗透率变化率可表达为：
（4）
因此，在煤层气井排采过程中，当储层压力降至煤层气临界解吸压力之前，可用式（1）模拟储层渗透率变化；当煤层气体开始解吸之后，则采用式（4）模拟储层渗透率变化。
2 模拟结果及认识
参考前人对割理压缩系数及其降低率、基质收缩系数、割理孔隙度及临界解吸压力等的测试、计算结果，本次研究对这些参数进行合理取值，分别模拟了不同初始割理压缩系数（0.04-0.2MPa-1）、割理压缩系数降低率（0.05-0.4）、基质收缩系数（0.0004-0.0025MPa-1?）、初始割理孔隙度（0.005-0.04）、临界解吸压力（2-8MPa）条件下煤储层渗透率变化情况。
2.1 初始割理压缩系数及其降低率
煤层气井排采过程中，有效应力的增加是导致储层渗透率降低的一个主要因素。孟召平和侯泉林实验表明，有效应力小于5MPa时，煤储层应力敏感性最强；有效应力在5-10MPa时，应力敏感性较强；有效应力大于10MPa时，渗透率下降速度明显减弱。通过煤岩割理压缩系数可反应煤渗透率对有效应力的敏感性。在其他条件不变的情况下，煤岩初始割理压缩系数越大，渗透率降低越明显。当储层压力降至临界解吸压力之后，基质收缩和有效应力共同发生作用，此时割理压缩系数越大，有效应力负效应越强，渗透率越趋向于降低。另外，煤岩割理压缩系数降低率对渗透率变化也有一定的影响，割理压缩系数降低率越大，有效应力的负效应越弱。
2.2 基质收缩系数及初始割理孔隙度
煤层气体吸附/解吸诱导的煤基质收缩/膨胀是导致煤储层渗透率变化的一个重要因素。伴随着煤基质收缩/膨胀过程，煤体产生了应变，从而影响了煤的渗透率。吸附/解吸诱导的基质膨胀/收缩现象比较复杂，受煤岩类型、煤岩组分、矿物类型和气体组分等的综合影响。总体而言，煤基质收缩系数越大，基质收缩正效应越明显，渗透率增加幅度越大。煤基质收缩对渗透率的影响与煤岩孔-裂隙系统发育有一定相关性。通常煤岩以基质孔隙为主，割理孔隙度低于2%，占总孔隙度的20%左右。初始割理孔隙度越小，渗透率增加幅度越大。然而，初始割理孔隙度越小，初始渗透率则越低，煤渗透率对应力敏感性越强，降低幅度相对越大[1]。可见，对于初始割理孔隙度较小的煤岩，当气体解吸之后，基质收缩起了较大的作用，使渗透率增加幅度加大。
2.3 临界解吸压力
煤层气以吸附形式存在于煤基质内表面上，这种特性必然导致煤储层孔-裂隙结构变形和煤层气体吸附/解吸密切相关。临界解吸压力对储层渗透率变化具有较大影响。在煤层气排采过程中，临界解吸压力越高，储层渗透率反弹升高的趋势越明显，可有效恢复由于有效应力增加造成的渗透率伤害，因此，更有利于煤层气开采。
3 结语
煤层气井排采过程中，储层渗透率动态变化受煤自身物性，如初始割理压缩系数、压缩系数降低率、基质收缩系数、初始割理空隙度及临界解吸压力等的影响。（1）初始割理压缩系数越大，煤岩应力敏感性越强，渗透率损害越大；（2）割理压缩系数降低率越大，可减弱有效应力的负效应；（3）煤基质收缩系数越大，渗透率增加幅度越大；（4）初始割理孔隙度越小，越有利于渗透率提高；（5）临界解吸压力越高，渗透率越易于反弹升高。
参考文献
[1] 陈振宏，陈艳鹏，杨焦生，等.高煤阶煤层气储层动态渗透率特征及其对煤层气产量的影响[J].石油学报，2010，31（6）： 966-974.
[2] 尹光志，蒋长宝，许江，等.煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30（Z2）： 3401-3406.