煤儲層啟動壓力梯度的實驗測定及意義

摘 要

摘要：煤層氣的運移產(chǎn)出流態(tài)是煤層氣井產(chǎn)能預測的理論基礎，目前煤層氣井產(chǎn)能預測大多采用達西滲流模型，預測結(jié)果與實際相差較大，因此判定煤層氣在儲層內(nèi)部的運移流態(tài)至關重要。在
摘要：煤層氣的運移產(chǎn)出流態(tài)是煤層氣井產(chǎn)能預測的理論基礎，目前煤層氣井產(chǎn)能預測大多采用達西滲流模型，預測結(jié)果與實際相差較大，因此判定煤層氣在儲層內(nèi)部的運移流態(tài)至關重要。在RMT-150B巖石力學伺服試驗機的基礎上，設計出一套測試啟動壓力梯度的裝置，通過實驗得到流經(jīng)煤樣的氣體流速與壓力平方差，而兩者并非通過原點的線性關系，證明啟動壓力梯度的存在。通過測試不同煤樣的啟動壓力梯度與滲透率，其回歸曲線表明：兩者呈負指數(shù)關系，相關度達0.933，且隨著滲透率降低，其啟動壓力梯度逐步增大，在低滲透階段增加趨勢就更加明顯。煤的啟動壓力梯度存在證明煤層氣運移流態(tài)為非線性滲流，該結(jié)論對改進煤層氣井產(chǎn)能預測模型有指導意義。
關鍵詞：煤層氣；流體流動；啟動壓力梯度；滲透率；非達西流；生產(chǎn)能力；預測；實驗室；試驗
0 引言
    最早提出啟動壓力梯度概念的是1951年前蘇聯(lián)的B.A.費勞林，他認為只有當實際壓力梯度大于某一臨界值時，流動才能發(fā)生，此臨界值稱為啟動壓力梯度[1～2]。開發(fā)低滲透油氣藏的過程中發(fā)現(xiàn)其中的流體滲流不再遵循達西定律，而是帶有啟動壓力梯度的非線性滲流[3～4]。到目前為止，確定低滲透油氣藏非達西流啟動壓力梯度的方法主要有室內(nèi)測試法、數(shù)值實驗法、理論計算法、生產(chǎn)分析法、穩(wěn)定試井和不穩(wěn)定試井，注水見效時間預測法等[5]，其中室內(nèi)測試又可分為“氣泡法”、“毛細管平衡法”、“穩(wěn)壓法”和“壓差流量法”等，測試對象基本是砂巖儲層，而對煤儲層啟動壓力梯度的測試還未見報道。
    目前煤層氣井產(chǎn)能預測的主要依據(jù)是達西滲流理論，造成產(chǎn)能預測不準確，例如張冬麗等在模擬煤層氣羽狀水平井產(chǎn)能時發(fā)現(xiàn)：考慮啟動壓力梯度梯度將使降壓效果變差，產(chǎn)量大幅度減小[6～7]。因此要正確預測產(chǎn)能，就必須正確認識其儲層特征和滲流規(guī)律，前提條件是準確測試煤儲層的啟動壓力梯度，這對煤層氣開發(fā)具有重要指導意義。
1 啟動壓力梯度測定原理
采用吳凡等計算砂巖啟動壓力梯度的方法[8～9]，當不考慮啟動壓力梯度時的氣體滲流方程為：
 
式中：v為氣體流速，m/s；K為滲透率，m2；p1為入口壓力，Pa；p2為出口壓力，Pa；p0為大氣壓力，101325Pa；μ為氣體黏度，Pa·s；L為氣體流經(jīng)長度，m。
    可以看出，v與p12-p22為通過原點的線性關系。當存在啟動壓力梯度時應該為：
    v=a(p12-p22)-b    (2)
式(2)中a、b為常數(shù)，令v=0，則p1與p2關系為：
 
所以啟動壓力梯度為：
 
因此，只要通過回歸v與p12-p22之間關系，求出常數(shù)a和b，代入式(4)就可計算啟動壓力梯度。
2 實驗與結(jié)果
2.1 樣品制備與實驗系統(tǒng)
樣品采自陽泉煤電集團寺家莊煤礦的15#煤層，加工成Φ50×50mm的煤心，實驗系統(tǒng)包括密封橡膠套、試驗機加載及控制系統(tǒng)、高壓氣源、氣體流量及壓力測試等幾部分(見圖1)。
 

   由于改造的樣品室僅能容下Φ50×50mm的煤樣，因此在不影響測試啟動壓力梯度的前提下，沒有采用巖石力學測試常規(guī)的樣品尺寸Φ50×100mm(高為直徑的2倍)。干燥基煤樣的工業(yè)分析結(jié)果為：灰分6.43%、揮發(fā)分7.46%、水分l.23%。
2.2 實驗結(jié)果與分析
2.2.1啟動壓力梯度計算
RMT-150B伺服試驗機加載的軸向力4kN，圍壓2MPa，為了保證測試過程封閉良好，所加氣壓不超過圍壓2MPa。實驗采用“倒退法”：即先將氣壓調(diào)到較高值燃后關閉穩(wěn)壓閥門，測試一系列壓力梯度對應的流量。以煤樣11為例，由于出口端直通大氣，因此式(4)中的p2=p0=101325Pa，部分測試數(shù)據(jù)見表1，計算的滲透率為0.2mD，流速與壓力平方差的關系見圖2。
 

2.2.2滲透率與啟動壓力梯度的關系
   依上述的測試手段和啟動壓力梯度計算方法，對同一煤樣鉆取的其余10個煤心進行測試和計算，樣品信息和結(jié)果見表2。
 
    從表2可以看出，同一煤樣在同一個方向和相同的測試條件下其滲透率及啟動壓力梯度相差較大，這種離散的結(jié)果主要是制樣過程對煤樣的擾動造成的。依據(jù)滲透率和啟動壓力梯度的對應關系作圖3，啟動壓力梯度與滲透率呈負指數(shù)關系：λ=0.11108K-0.33034，相關系數(shù)達0.933，隨著滲透率的降低啟動壓力梯度逐步增大，這種現(xiàn)象在低滲透階段更加顯著。

3 煤儲層啟動壓力梯度測定的意義
    氣體流態(tài)是煤層氣開發(fā)的理論依據(jù)，而啟動壓力梯度是線性滲流、非線性滲流與擴散3種流態(tài)的判斷標準[10]，即
 
    存在啟動壓力梯度是煤儲層的特點，但以往瓦斯參數(shù)測試是基于煤層氣產(chǎn)出服從線性滲流定律，忽略了低速非線性滲流和擴散；煤層氣井產(chǎn)能模擬顯示啟動壓力梯度是產(chǎn)能下降和有效開采時間縮短的主要原因之一。通過研究表明：煤儲層的啟動壓力梯度的確存在，并且可以通過室內(nèi)測試來查明，這對指導煤層氣開發(fā)有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。
4 結(jié)論
    1) 在RMT-150B巖石力學伺服試驗機基礎上，設計了一套用于測量煤樣啟動壓力梯度的實驗流程，可在不同的圍壓和軸向壓力下測試煤樣的啟動壓力梯度。試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)計算結(jié)果擬合表明此方法是可行的。
    2) 實驗數(shù)據(jù)表明氣體通過低滲透煤樣時存在低速非達西現(xiàn)象和啟動壓力梯度，并回歸了啟動壓力梯度與滲透率關系曲線，隨著滲透率的降低啟動壓力梯度逐步增加，在低滲透階段更加顯著。
參考文獻
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(本文作者：郭紅玉1，2 蘇現(xiàn)波1，2 1.河南省生物遺跡與成礦過程重點實驗室；2.河南理工大學能源科學與工程學院)