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煤层气储层渗透率特征研究

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煤层气 渗透 特征 研究
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  [收 稿 日 期 ] 2009208220[基 金 项 目 ] 国 家 科 技 重 大 专 项 项 目 (2008。[作 者 简 介 ] 汪 伟 英 (19592) , 女 , 1982 年 大 学 毕 业 , 硕 士 , 教 授 , 现 主 要 从 事 石 油 工 程 方 面 的 教 学 与 研 究 工 作 。煤 层 气 储 层 渗 透 率 特 征 研 究汪 伟 英 , 汪 亚 蓉   (长 江 大 学 石 油 工 程 学 院 , 湖 北 荆 州 434023)邹 来 方   (中 国 石 油 集 团 钻 井 工 程 研 究 院 , 北 京 100000)石 惠 宁   (华 北 油 田 分 公 司 采 油 工 艺 研 究 院 , 河 北 任 丘 06255)[摘 要 ] 采 用 煤 岩 渗 流 试 验 装 置 , 研 究 了 煤 层 气 储 层 中 气 体 的 渗 流 规 律 , 以 及 气 体 滑 脱 效 应 、 有 效 应 力 对煤 岩 渗 透 率 的 影 响 。 从 理 论 上 研 究 了 煤 岩 孔 隙 系 统 特 征 。 研 究 结 果 表 明 , 由 于 煤 岩 特 殊 的 双 重 孔 隙 介 质特 征 , 有 效 应 力 对 渗 透 率 影 响 非 常 严 重 。 岩 石 总 有 效 应 力 增 大 , 煤 岩 渗 透 率 下 降 。 而 卸 压 时 渗 透 率 只 能得 到 一 定 程 度 的 恢 复 , 从 而 造 成 渗 透 率 的 损 失 。[关 键 词 ] 煤 层 气 ; 有 效 应 力 ; 渗 透 率 ; 滑 脱 效 应[中 图 分 类 号 ] 文 献 标 识 码 ] A     [文 章 编 号 ] 100029752 (2009) 0620127202渗 透 率 是 煤 岩 渗 透 流 体 能 力 大 小 的 度 量 , 它 是 煤 层 气 甲 烷 开 采 中 一 个 最 为 关 键 的 参 数 , 也 是 最 复 杂且 难 以 确 定 的 参 数 。 由 于 煤 具 有 较 软 、 低 弹 性 模 量 的 力 学 性 质 , 在 钻 井 或 开 采 中 外 界 条 件 的 改 变 可 对 其产 生 强 烈 的 影 响 。 笔 者 利 用 山 西 沁 水 郑 庄 煤 层 气 储 层 天 然 煤 样 , 进 行 系 统 室 内 试 验 , 研 究 了 煤 岩 渗 透 率特 征 和 影 响 因 素 , 可 为 合 理 设 计 煤 层 气 储 层 钻 完 井 方 案 提 供 理 论 依 据 。1   煤 层 气 储 层 的 孔 隙 系 统 特 征煤 的 孔 隙 结 构 分 基 质 孔 隙 和 裂 缝 孔 隙 , 从 而 构 成 煤 的 双 重 孔 隙 系 统 。 煤 有 许 多 裂 缝 将 煤 体 切 割 成 许多 小 块 体 (称 基 质 块 体 或 基 岩 块 体 ) 。 把 煤 中 裂 缝 称 为 割 理 (煤 裂 隙 ) 是 英 国 采 矿 业 的 习 惯 。 煤 的 割 理(微 裂 缝 ) 由 面 割 理 和 端 割 理 组 成 , 面 割 理 可 长 达 几 百 米 , 端 割 理 仅 发 育 在 两 条 面 割 理 之 间 , 纵 横 交 错的 割 理 构 成 了 甲 烷 气 的 渗 流 通 道 [1 ] 。渗 透 率 是 煤 层 气 甲 烷 开 采 中 一 个 最 为 关 键 的 参 数 。 煤 基 质 的 渗 透 率 极 低 , 一 般 可 不 考 虑 , 通 常 所 说的 煤 层 渗 透 率 是 指 煤 层 割 理 渗 透 率 。 煤 层 气 储 层 的 渗 透 率 除 受 自 身 裂 隙 发 育 这 一 内 部 因 素 控 制 外 , 煤 层气 开 采 过 程 中 外 界 条 件 的 改 变 也 可 对 其 产 生 强 烈 影 响 。2   煤 岩 渗 透 率 特 征 试 验 研 究211   试 验 方 法 及 试 验 装 置1) 样 品 制 备   将 采 自 山 西 沁 水 郑 庄 区 块 的 3 # 煤 层 天 然 煤 样 在 水 中 钻 成 直 径 为 215长 为 4~6 圆 柱 体 样 品 , 样 品 圆 柱 体 中 段 外 侧 用 密 封 胶 带 缠 结 , 以 防 裂 缝 系 统 受 到 破 坏 。 取 样 时 选 取 有 代 表性 的 煤 样 , 钻 样 方 向 与 煤 岩 水 平 方 向 一 致 。 样 品 钻 取 后 在 40 ℃ 恒 温 条 件 下 烘 干 , 以 备 使 用 。2) 试 验 装 置 及 材 料   用 气 体 作 为 流 动 介 质 的 渗 透 率 测 定 装 置 主 要 部 件 包 括 一 模 拟 三 轴 应 力 条 件 的岩 心 夹 持 器 、 高 压 气 源 和 测 定 气 体 流 量 的 流 量 计 。 用 液 体 作 为 流 动 介 质 的 渗 透 率 测 定 装 置 , 岩 心 夹 持 器结 构 与 气 测 装 置 相 同 , 驱 动 装 置 为 美 国 产 , 可 进 行 恒 压 或 恒 流 条 件 下 的 岩 心 流 动 试 验 。 试 验 用液 体 为 人 工 配 制 的 模 拟 煤 层 水 。·721·石 油 天 然 气 学 报 (江 汉 石 油 学 院 学 报 )   2009 年 12 月   第 31 卷   第 6 期il I)   试 验 步 骤   采 用 气 体 测 定 渗 透 率 时 , 首 先 将 准 备 好 的 圆 柱 体 岩 心 放 入 岩 心 夹 持 器 , 加 围 压 到 一定 值 (围 压 要 高 于 入 口 压 力 2, 接 通 气 源 , 让 气 体 在 设 定 的 压 力 下 通 过 岩 心 , 测 定 岩 心 两 端 的 压差 和 出 口 端 气 体 流 量 , 计 算 在 所 设 定 入 口 压 力 下 的 气 体 渗 透 率 。采 用 液 体 测 定 渗 透 率 时 , 首 先 将 准 备 好 的 圆 柱 体 岩 心 放 入 岩 心 夹 持 器 , 加 围 压 到 一 定 值 (围 压 要 高于 入 口 压 力 2 对 煤 层 岩 心 一 般 围 压 取 10 , 打 开 , 将 液 体 在 一 定 注 入 压 力 下 注 入 岩心 , 测 定 岩 心 两 端 压 差 和 出 口 端 流 量 。212   煤 岩 渗 透 率 变 化 规 律图 1   煤 样 气 体 渗 透 率 和 平 均 压 力 的 关 系采 用 气 体 测 定 煤 岩 渗 透 率 时 发 现 , 煤 样 气 体 渗透 率 与 平 均 压 力 有 关 。 平 均 压 力 为 ( + ) / 2。 平 均 压 力 越 高 , 气 体 渗 透 率 越 小 。 图 1 是取 自 3 # 煤 层 的 煤 岩 心 在 不 同 平 均 压 力 时 测得 的 渗 透 率 。 试 验 时 保 持 岩 心 夹 持 器 围 压 不 变 , 岩心 出 口 压 力 为 大 气 压 , 通 过 改 变 入 口 压 力 来 测 定 不同 平 均 压 力 下 的 渗 透 率 。 图 1 中 显 示 的 气 体 渗 透 率随 平 均 压 力 增 大 而 减 小 的 趋 势 表 明 , 在 煤 岩 中 气 体滑 脱 效 应 是 影 响 渗 透 率 的 重 要 因 素 。 由 于 煤 层 气 储层 渗 透 率 非 常 低 , 因 此 , 气 体 滑 脱 效 应 在 细 毛 管 中更 为 突 出 。213   煤 岩 渗 透 率 与 应 力 的 关 系煤 储 层 的 力 学 性 质 与 常 规 储 集 岩 (砂 岩 ) 不同 。 尽 管 煤 基 质 块 的 泊 松 比 较 高 , 但 煤 中 天 然 裂 隙 的 发 育 大 大 降 低 了 煤 的 强 度 , 使 之 比 其 他 岩 石 更 易 被压 缩 、 破 碎 。 因 此 在 钻 井 或 开 采 过 程 中 , 很 小 的 应 力 变 化 都 会 引 起 渗 透 率 的 较 大 变 化 [2 ,3 ] 。 笔 者 通 过 应力 敏 感 性 试 验 , 研 究 了 应 力 对 煤 岩 渗 透 率 的 影 响 。图 2   煤 样 渗 透 率 随 围 压 的 变 化 曲 线煤 层 气 储 层 应 力 敏 感 性 试 验 方 法 尚 无 行 业 标准 。 该 次 试 验 采 用 改 变 煤 样 的 净 围 压 模 拟 地 层 有效 应 力 的 变 化 , 并 测 量 渗 透 率 随 净 围 压 变 化 的 情况 , 来 分 析 储 层 应 力 敏 感 的 程 度 。 净 围 压 = (围压 - 驱 替 压 力 ) / 2。 考 虑 到 气 体 在 煤 岩 裂 隙 中 流动 时 滑 脱 效 应 对 气 测 渗 透 率 值 的 影 响 , 在 试 验 测定 时 保 持 岩 样 孔 隙 中 平 均 压 力 不 变 , 即 ( + ) / 2 不 变 , 通 过 改 变 围 压 , 测 试 在 不 同 应 力 条件 下 的 煤 样 渗 透 率 。 具 体 操 作 步 骤 是 , 将 准 备 好的 圆 柱 体 煤 样 装 入 高 压 岩 心 夹 持 器 , 接 通气 源 , 保 持 煤 样 入 口 气 体 压 力 等 于 0135 围压 分 别 取 310、 315、 410、 415、 510、 515、 610、615、 710、 715、 810、 815、 910、 915、 1010 在 各 有 效 围 压 下 分 别 测 定 煤 样 的 渗 透 率 。 每 改 变 1 次 围 压 , 测 定 3 次 气 体 流 量 , 取 其 平 均 值 , 代入 公 式 计 算 气 体 渗 透 率 。 试 验 数 据 见 图 2。从 试 验 结 果 可 以 作 出 如 下 分 析 :1) 随 着 围 压 增 大 , 煤 岩 渗 透 率 降 低 。 以 取 自 3 # 煤 层 的 煤 样 为 例 , 当 围 压 从 3 高 到10 , 渗 透 率 下 降 近 80 %。 这 是 因 为 在 孔 隙 压 力 不 变 的 条 件 下 , 增 大 围 压 意 味 着 煤 岩 所 受 有 效 应力 增 大 , 煤 样 受 到 压 缩 , 孔 隙 变 小 , 微 裂 缝 闭 合 , 最 终 导 致 煤 岩 渗 透 率 下 降 。(下 转 第 164 页 )·821·   石 油 天 然 气 学 报 (江 汉 石 油 学 院 学 报 ) 2009 年 12 月压 力 ) ,各 因 素 的 优 水 平 分 别 是 2) 正 交 试 验 的 方 差 分 析 表 明 , 因 素 C (焊 接 时 间 ) 对 接 头 抗 剪 强 度 的 影 响 显 著 , 而 因 素 A (焊 接 温度 ) 、 因 素 B (焊 接 压 力 ) 对 接 头 抗 剪 强 度 的 影 响 显 著 性 较 低 。 因 此 , 因 素 C 应 选 取 优 水 平 而 因 素A 、 B 可 从 降 低 生 产 成 本 、 防 止 变 形 等 因 素 考 虑 来 选 取 平 , 其 最 佳 因 素 水 平 组 合 是 3 ,即 该 试 验 条 件 下 的 最 佳 工 艺 参 数 为 焊 接 温 度 1050 ℃ 、 焊 接 压 力 120焊 接 时 间 20) 验 证 试 验 表 明 , 在 该 最 佳 试 验 工 艺 条 件 下 , 可 获 得 高 强 度 、 高 致 密 性 的 焊 接 接 头 , 石 油 钻 头 自激 振 荡 脉 冲 喷 嘴 扩 散 焊 接 接 头 的 抗 剪 强 度 ≥ 750 现 场 试 压 和 耐 冲 蚀 试 验 表 明 , 接 头 无 渗 漏 、 刺 穿和 折 断 现 象 , 耐 冲 蚀 和 耐 冲 击 的 性 能 好 , 完 全 能 满 足 钻 井 工 程 的 使 用 要 求 。注 : 该 研 究 又 为 辽 河 石 油 勘 探 局 攻 关 项 目 《 根 据 电 测 资 料 识 别 岩 性 设 计 个 性 钻 头 》 , 项 目 编 号08 参 考 文 献 ][ 1 ] 王 循 明 , 祝 勇 仁 , 张 炜 , 等 1 自 激 脉 冲 射 流 喷 嘴 参 数 对 装 置 能 耗 的 影 响 分 析 [J ] 1 轻 工 机 械 , 2007 , 25 (3) : 48~ 521[ 2 ] 杨 雄 1 高 压 钻 井 用 弯 头 脉 动 喷 嘴 的 研 制 [J ] 1 石 油 天 然 气 学 报 , 2005 , 27 (4) : 394~ 3951[ 3 ] 杨 雄 , 刘 昌 明 1 牙 轮 钻 头 质 合 金 中 心 喷 嘴 真 空 扩 散 焊 试 验 [J ] 1 石 油 机 械 , 1995 , 23 (09) : 16~ 211[ 4 ] 杨 雄 1 头 真 空 扩 散 焊 机 液 压 系 统 的 节 能 改 造 [J ] 1 石 油 天 然 气 学 报 , 2006 , 28 (1) : 143~ 1451[ 5 ] 杨 雄 , 吴 文 秀 1 牙 轮 钻 头 质 合 金 喷 嘴 真 空 扩 散 焊 工 艺 夹 层 材 料 选 择 试 验 [J ] 1 石 油 机 械 , 1995 , 23 (10) : 15~ 201[ 6 ] 赵 选 民 1 试 验 设 计 方 法 [ M] 1 北 京 : 科 学 技 术 出 版 社 , 20061[ 7 ] 吴 建 福 , 迈 克 尔 哈 曼 蒂 1 试 验 设 计 与 分 析 及 参 数 优 化 [ M ] 1 张 润 楚 译 1 北 京 : 中 国 统 计 出 版 社 , 20031[编 辑 ]   苏 开 科(上 接 第 128 页 )2) 在 有 效 应 力 较 低 的 情 况 下 , 随 着 围 压 增 大 , 煤 岩 渗 透 率 急 剧 下 降 ; 当 有 效 应 力 增 大 到 一 定 值 时 ,渗 透 率 下 降 速 度 减 慢 。3) 煤 样 经 加 压 2卸 压 (图 2 中 蓝 色 曲 线 为 加 压 过 程 , 红 色 曲 线 为 卸 压 过 程 ) , 渗 透 率 无 法 得 到 恢 复 。加 压 使 渗 透 率 降 低 , 而 卸 压 时 渗 透 率 只 能 得 到 一 定 程 度 的 恢 复 , 从 而 造 成 渗 透 率 的 损 失 (即 所 谓 渗 透 性滞 后 现 象 ) 。 从 煤 样 试 验 结 果 可 以 看 出 , 当 围 压 增 加 到 5 , 渗 透 率 下 降 到 2191 × 10 - 3μ 进 一 步 增 加 围 压 到 10 , 渗 透 率 下 降 到 01956 × 10 - 3μ 但 在 卸 压 过 程 中 , 当 围 压 卸 到5 , 渗 透 率 只 恢 复 到 1124 × 10 - 3μ 该 现 象 说 明 , 在 生 产 过 程 或 钻 井 过 程 中 如 果 井 底 压 力 过低 , 引 起 井 周 围 煤 岩 渗 透 率 下 降 , 即 使 再 恢 复 压 力 , 渗 透 率 仍 然 恢 复 不 到 初 始 值 , 对 地 层 造 成 永 久 性 的伤 害 。3   结     论1) 煤 岩 单 相 气 体 流 动 时 , 渗 透 率 受 气 体 滑 脱 效 应 影 响 , 随 气 体 压 力 升 高 , 煤 岩 心 渗 透 率 下 降 , 当平 均 压 力 倒 数 趋 于 零 时 , 渗 透 率 与 液 体 渗 透 率 等 效 。2) 由 于 煤 岩 特 殊 的 双 重 孔 隙 介 质 特 征 , 有 效 应 力 对 渗 透 率 影 响 非 常 严 重 。 当 围 压 升 高 , 孔 隙 压 力不 变 时 , 岩 石 总 有 效 应 力 增 大 , 煤 岩 渗 透 率 下 降 。3) 增 加 围 压 使 渗 透 率 降 低 , 而 卸 压 时 渗 透 率 只 能 得 到 一 定 程 度 的 恢 复 , 从 而 造 成 渗 透 率 的 损 失 。[参 考 文 献 ][ 1 ] D , S , , 等 1 煤 层 甲 烷 储 层 评 价 及 生 产 技 术 [ M] 1 秦 勇 译 1 徐 州 : 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 , 19961[ 2 ] 何 应 付 , 张 亚 蒲 , 刘 学 伟 1 煤 层 气 藏 单 相 气 体 渗 流 特 征 试 验 研 究 [J ] 1 中 国 煤 层 气 , 2009 , 6 (1) : 10~ 141[ 3 ] 杨 胜 来 , 崔 飞 飞 , 杨 思 松 1 煤 层 气 渗 流 特 征 试 验 研 究 [J ] 1 中 国 煤 层 气 , 2005 , 2 (1) : 36~ 391[编 辑 ]   萧   雨·461·   石 油 天 然 气 学 报 (江 汉 石 油 学 院 学 报 ) 2009 年 12 月 ( et y , J 34023 , H on of p p n to of p on a he of he of is to of at of he a ( et y , J 34023 , H ( C, B ei j 00000 , ( I H il f d 62552 , of in he of by he of he s to of of of on is of of p is to a in ( x f il y) , ry J 34023 , H f et of ry et B ei j 02249 , ( et x S I N O P j 00083 , A f f p he to of f t p of of in f of of f of f of of f by it is po to of f f f f ( et y , J 34023 , H U to of of of t in to of in as a of p of f f by 4 + 5 8 as a p of of of of he be of is f ( et y , J 34023 , H ( I H il f d 62552 , ( il f 57000 , S a to he 01 01 s of a to to f of is to p of he to is in is to of f in ( I y , J 34023 , H ( x il f d S I N O P 41100 , X ( I y , J 34023 , H ( et x C, j 00083 ,
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