煤层气储层三维渗透率变化规律实验研究_裴柏林.pdf

第41卷第4期 2013年8月 文章编号1001-1986201304-0026-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 3D permeability; lab flowing experiment; power exponent relation; sensitivity 我国煤层气资源极其丰富，根据目前探测结果， 其储量约为43万亿旷，几乎达到目前天然气的探测 储量，煤层气开发具有广阔的发展前景，并有望成为 继煤炭和石油天然气之后的战略性新能源，因而越 来越多的专家学者投身于煤层气的勘探开发事业中， 并逐渐解决了一系列煤层气作为非常规能源特有的 开发难题［1-10］。 煤层气储层大多存在渗透率低、吸附性强、浅层 煤层气储层压力低、解吸速度慢等问题，因此煤层气 的解吸和运移过程相对较为复杂，且煤层气采出难度 大［2-4］。影响煤层气开发的因素很多，而储层的渗透 收稿日期2012-05-01 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05042-002 性是制约煤层气开发的重要因素之一。煤层不同方向 渗透性具有各向异性，同时其对应力的敏感性也存在 差异，如何确定各方向渗透性的应力敏感性成为高效 开发煤层气的惯性因素。本文拟通过室内实验方法， 对晋城寺河矿区的煤心进行三维渗透率变化规律研 究，以期得出该区块各方向渗透率的变化特性，为煤 层气开采提供指导性建议。 1 研究区煤系概况 晋城寺河矿区含煤地层为石炭系上统太原组和 二叠系下统山西组，平均厚136.02m，含煤15层， 作者简介裴柏林（1959一），男，四川眉山人，副教授，硕士生导师，研究方向为渗流理论与油藏数值模拟． ChaoXing 第4期裴柏林煤层气储层三维渗透率变化规律实验研究 27 主要开采层位为太原组8号一15号煤层，煤层总厚 度为14.67m，含煤系数10.8。含煤地层由灰一深 灰色砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩及煤层组成。 2实验 2.1 煤心数据及实验流体 实验煤样取自本区太原组8号一15号煤层，共25 块煤心。根据实验要求，采用不同方向取心方法，将煤 心分为前后、上下和左右方向3类（图1），煤心基本数 据如表1所示。煤心长度为2.6,--,6.7cm，直径2.5cm。 实验流体采用氮气。实验装置如图2所示。 ’ 上下 .... , γ 前后 左右 图1煤心三维渗透率示意图 Fig. 1 Tri-axial permeability 实验过程中，采用不同的注人压差，测试不同围 压下的煤心渗透率，从而增加实验的对比性。测试过 程中，每个围压点稳定30min，进行3次流量测试， 从而减小实验误差，提高实验数据的准确性。 表1媒心基础鼓据表 Table 1 Basic data of coal cores 煤心前后方向煤心上下方向煤心左右方向 煤心编号1-1 2-1 8-1 3-1 4-1 7-1 5-1 6-1 初始渗透率／mD0.014 2 0.211 92 0.019 03 0.015 87 0.017 28 0.009 04 0.511 13 0.472 11 长度／cm6.7 4.4 6.2 3.4 2.9 2.9 5.7 2.6 煤心编号1-2 2-2 8-2 3-2 4-2 7-2 5-2 6-2 初始渗透率／mD0.014 81 0.218 77 0.020 45 0.015 46 0.017 43 0.008 89 0.547 1 0.543 71 长度／cm6.7 4.4 6.2 3.4 2.9 2.9 5.7 2.6 煤心编号1-3 2-3 8-3 3-3 4-3 7-3 5-3 6-3 初始渗透率／mD0.017 33 0.254 66 0.020 41 0.016 58 0.018 76 0.008 55 0.565 11 0.572 7 长度／cm6.7 4.4 6.2 3.4 2.9 2.9 5.7 2.6 表2煤心（前后方向）实验结果 Table2 Coal core laboratory datafront and back 8 图2渗透率测定系统示意图 Fig. 2 Permeability measuring system l一氯气瓶；2一氯气减压阀（①一稳压器；②一恒压器）；3一四通阀； 4---..;精度压力表；5一围压泵；ι－压力表；7一皂沫流量计； 8一胶囊（内装发泡剂）；9一岩心夹持器 2.2 实验数据及结果分析 实验采用同一煤心重复性实验，每块煤心进行3 次不同流压下的流动实验，其中，各煤心的渗透率即 为其初始渗透率。 通过煤心流动实验可以看出（表2），前后方向的 煤心最终渗透率（K与初始渗透率（Ko）之比变化范围 为0.0087-0.199 7。由图3一图5可以看出，第2次 和第3次增压过程的煤心伤害程度都比第1次的伤害 小，这说明煤心对有效应力的敏感性伤害是不可逆 的。同时，3次增压过程的渗透率下降都比较明显， 在5MPa之前的低压区，渗透率随压力增加变化速 煤心编号 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 2-3 8-1 8-2 8-3 初始渗透／mD 0.014 2 0.014 8 0.017 3 0.211 9 0.218 8 0.254 7 0.019 0 0.020 5 0.020 4 Kl Ko 0.122 5 0.022 3 0.008 7 0.155 0 0.148 2 0.127 0 0.199 7 0.023 5 0.012 7 0.020 0.016 Jo.012 罢。008 0.004 0 0 ... . u avnz 2 4 6 8 围压/MPa A压差0.8MPa B压差0.6MPa 压差0.4MPa 10 12 图31-1、1-2、1-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 3 Permeability variation of coal cores 1-1, 1-2 and 1-3 with confining pressure ChaoXing 煤田地质与勘探 血压压压差差差HMPa 0.020 口h在Pa 可‘ 差MPa 。 . s烟0.012 . . . . . 国 28 0.30 0.25 ♀0.20 ; 0.15 处。10 0.05 0 0 2 4 6 8 10 12 国压／MPa 图42-1、2-2、2-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 4 Permeabili variation of coal cores 2-1, 2-2 and 2-3 with confining pressure 0.025 血压差0.8MPa 口压差0.6MPa 压差0.4MPa 0.020 10.015 器0.010 0.005 事 ‘ ... - Q. 0 0 2 4 6 8 10 12 围压／MPa 图58-1、8-2、8-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 5 Permeability variation of coal cores 8-1, 8-2 and 8-3 with confining pressure 度较大，很快下降至较低渗透率水平；而在大于5 MP a的高压区，渗透率随压力增加变化幅度较小，下 降曲线趋于平缓。另外，不同流压下，曲线之间变化不 明显。 由表3可知，上下方向的煤心最终渗透率与初始渗 透率之比变化范围为0.0171--0.252 2。由图6一图8可 以看出，第2次和第3次增压过程的煤心伤害程度都比 第1次的伤害小，而后两次的最终伤害值较为接近，这 说明煤心对有效应力的敏感性伤害是不可逆的。同时， 3次增压过程的渗透率下降都比较明显，在5MPa之前 的低压区，渗透率随压力增加变化速度较大，很快下降 至较低渗透率水平；而在大于5阳a的高压区，渗透 率随压力增加变化幅度较小，下降曲线趋于平缓。另 外，不同流压下，曲线变化趋势基本相同。 表3煤心（上下方向）实验结果 Table 3 Coal core laboratory dataup and down 煤心编号初始渗透／mD Kl Ko 3-1 0.015 9 0.157 5 3-2 0.015 5 0.029 I 3-3 0.016 6 0.021 7 4-1 0.017 3 0.144 I 4-2 0.017 4 0.022 9 4-3 0.018 8 0.017 I 7-1 0.009 0 0.252 2 7-2 0.008 9 0.055 1 7-3 0.008 6 0.045 6 第41卷 ...压差0.8MPa 口压差0.6MPa 压差0.4MPa 0 2 4 6 8 10 12 能｜压/MPa 图63-1、3-2、3-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 6 Permeability variation of coal cores 3-1,3-2 and 3-3 with confining pressure 0.020 ‘ A压差0.8MPa 口压差0.6MPa 压差0.4MPa 0.016 0 毒0.012 去。008 0.004 自. . 。 0 2 4 6 8 10 12 国压/MPa 图74-1、4-2、4-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 7 Permeability variation of coal cores 4-1,4-2 and 4-3 with confining pressure 0.010 A压差0.8MPa 口压差0.6MPa 压差0.4MPa 0.008 0 i 0.006 器。004 童 0.002 命瞿 .“. ua liil 0 0 2 4 6 8 10 12 国压／MPa 图87-1、7-2、7-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 8 Permeability variation of coal cores 7-1,7-2 and 7-3 with confining pressure 由表4可知，左右方向的煤心最终渗透率与初始渗 透率之比变化范围为0.0134--0.154 6。由图9、图10 可以看出，第2次和第3次增压过程的煤心伤害程度都 比第1次的伤害小，后两次增压过程的伤害值基本一 致，这说明煤心对有效应力的敏感性伤害是不可逆的。 同时，3次增压过程的渗透率下降都比较明显，在5MPa 之前的低压区，渗透率随压力增加变化速度较大，很快 下降至较低渗透率水平；而在大于5岛。a的高压区， 渗透率随压力增加变化幅度较小，下降曲线趋于平缓。 另外，不同流压下，曲线趋势基本一致。 将3次加压过程的数据进行汇总，得到每次加压 过程中，渗透率变化与围压之间的关系，通过实验回 归可以得出3次加压过程的渗透率随围压变化的回归 模型（图11一图1月，其形式如下式 K/K0 axP-b ChaoXing 第4期裴柏林煤层气储层三维渗透率变化规律实验研究 29 表4媒心（左右方向｝实验结果 Table 4 Coal core laboratory dataleft and right 煤心编号初始渗透率／m.DKl Ko 5-1 0.511 l 0.154 6 5-2 、0.547l 0.022 5 、 5-3 0.565 l 0.019 8 6-1 0.472 l 0.043 6 6-2 0.543 7 0.014 7 6-3 0.572 7 0.013 4 血压差差gs阳a 0.5 口压6MPa 压差0.4MPa 虽翁♀岛o归o盯42 . . . Q 。2 4 6 8 10 12 罔压/MPa 图95-1、5-2、5-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 9 Permeability variation of coal cores 5-1,5-2 and 5-3 Wl也confiningpressure 0.6 0.5 ♀0.4 io.J 维也0.2 0.1 0 。 . ‘ . . 血压差O.SMPa 口压差0.6MPa 压差0.4MPa 0 2 4 6 8 10 12 围压/MPa 图106-1、6-2、6-3号煤心渗透率随围压变化曲线 Fig. 10 Permeability variation of coal cores 6-1, 6-2 and 6-3 with confining pressure 3次加压过程的回归模型分别为 K/K0 4.812xP-2179, R2 0.925 5; K/K0 5.003 5xP-2川，R2 0.951; K/ K0 5.828 3 x p-2-47, R2 0.944。 将3次加压过程的回归模型中的系数a、b与压 差结合在一起考虑，假定煤心的基本物性不变，即可 以得出回归模型分别为 b 1.909 5 x e0.313 4,v, R2 0.967 2 ; a 3.899 3 x e0478 7,v, R2 0.894 9。 通过实验回归方法，可以看出渗透率变化与围压 之间存在着幕指数关系，而回归模型的系数a、b与 流压之间存在着指数关系，并且模拟的拟合程度相对较 高，基本都在90以上，如图14、图15所示。 1.4 1.2 1.0 “ 0.8 0.6 0.4 0.2 0 - 0 2 l .. ,; 4 6 8 围压/MPa 图11第1次加压时煤心渗透率比与围压的变化关系 （压差为0.4阳a Fig. 11 The variation of permeability of coal cores with confining pressure at first pressurization ι 1.2 1.0 0.8 主0.6 0.4 0.2 0 . 1 ..＿、 Y 5.003r221 R20.951 0 2 4 6 8 10 12 因压/MPa 图12第2次加压时煤心渗透率比与围压的变化关系 （压差为0.6MPa Fig. 12 The variation of permeability of coal cores w灿confining pressure at阳。ndpressurization differential pressure is 0.6 MPa 1.2 1.0 . y5.82-J- 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 注入压差/MPa 图15系数a与注入压差之间的关系曲线 Fig. 15 Relation between factor a and injection pressure difference 3结论 a.由实验结果可知，前后方向、上下方向和左 右方向的煤心最终渗透率与初始渗透率之比分别低 于0.2547、0.2522和0.1546，由此可以看出，左右 方向的岩心渗透率对围压更为敏感。 b.煤心的渗透率对有效应力的敏感性是不可逆 过程，后两次实验的渗透率伤害值要低于第1次实验 渗透率伤害值。 c.对于3个方向的煤心，在低压区间，岩心渗 透率随围压变化的下降现象比较明显，而在高压区 间，则变化较小，最后趋于平缓。 d.通过实验数据回归的方法得出，煤心渗透率 变化与围压之间存在着幕指数关系，而回归模型的系 数a、b与流压之间存在着指数关系，并且模拟的拟 合程度相对较高，基本都在90以上。 参考文献 [l）李前贵，康毅力，罗平亚煤层甲烧解吸一扩散二渗流过程的 影响因素分析［J］.煤田地质与勘探，2003,314 26-29. 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