煤层气开发过程中渗透率变化规律及对产量的影响

2017-03-10袁善磊

环球市场 2017年23期

关键词：林肯伯格煤层气

袁善磊

中石油煤层气有限责任公司韩城分公司

煤层气开发过程中渗透率变化规律及对产量的影响

袁善磊

中石油煤层气有限责任公司韩城分公司

近年来，人们对煤层气的认识逐渐提高，煤层气的开发经历了一个漫长过程，过去很长一段时间，瓦斯都是煤矿开发过程中一项重大安全隐患，煤矿开发过程中发生瓦斯爆炸，将会造成巨大的经济损失和人员伤亡，由于认识上的不足，其经常被人们视作有害气体直接被排放到空气中，导致其价值没有得到体现，并且对环境造成了污染。科技的进步，使人们认识到了煤层气的重要性，通过先进的开发技术对煤层气进行开发，能够使其价值得到体现，一方面能够解决全球能源短缺问题，另一方面也能够改善环境。

煤层气开发；渗透率；变化规律；产量；影响

1 渗透率动态变化影响因素

1.1 有效应力对渗透率的影响

随着煤层气井排水采气的进行，生产井筒内的动液面会不断下降，孔隙流体压力逐渐降低，导致煤体骨架承受的有效应力增加，使得孔隙体积变小、裂缝趋于闭合，进而造成煤岩渗透率逐步下降。目前国内外学者普遍认为煤储层渗透率与有效应力呈负指数关系，且对于高煤阶低渗透性煤储层，此关系更为明显。有效应力对渗透率的“负效应”随着煤层气井气、水的产出不可避免，认清有效应力对煤储层渗透率的影响规律，对控制煤储层的应力敏感性和科学地提高煤层气气井产能十分必要。

1.2 煤基质收缩对渗透率的影响

和传统油气藏不同，煤层气以吸附状态赋存于煤层之中，当储层压力小于临界解吸压力时，煤层气就会从煤基质表面解吸，从而导致煤基质体积收缩，增加煤层割理宽度，使得煤层渗透率增大。

由于煤层气的吸附解吸是可逆的，通过对吸附膨胀量的研究即可得到解吸过程中的基质收缩量，大部分研究学者普遍认为吸附膨胀量与孔隙压力呈Langmuir方程的关系。结合火柴棍模型推导孔隙度变化量，进而利用孔隙度变化量与渗透率变化量的三次方关系，推导得出煤基质收缩所引起的渗透率正效应变化量。由于煤基质收缩对渗透率的正效应是在煤层气解吸之后发生的，在开发过程中对于实际解吸点的确定尤为重要。

1.3 克林肯伯格效应对渗透率的影响

理论上讲，煤储层绝对渗透率与测试流体性质无关，即气测绝对渗透率与液测绝对渗透率应是相同的。但在实际分析测试中，一般气测渗透率均大于液测渗透率，而且这种差异随着煤储层绝对渗透率的降低而增大，其主要原因是由于气体存在克林肯伯格效应(滑脱效应)。克林肯伯格效应是指气体在介质孔道渗流的过程中出现在靠近孔道壁表面的气体分子流速不为零，孔道壁面的气体分子与孔道中心的分子流速几乎没有差别的现象。研究表明，低压条件下克林肯伯格效应普遍存在，低渗储层尤其是特低渗储层克林肯伯格效应较强，气体、温度、束缚水饱和度等因素均对克林肯伯格效应有一定的影响。当储层渗透率较大、孔隙压力较高时，克林肯伯格效应可以忽略不计。也就是说，在煤层气井开发过程中，气体克林肯伯格效应对渗透率的正效应影响主要体现在煤层气井开发的中后期，对储层渗透率的改善具有一定的促进作用，但具体能对渗透率产生多大影响，需要结合储层物性特征具体分析。

2 渗透率动态变化规律

煤层气井开发过程中渗透率呈现出的动态变化是多种影响因素叠加下的综合表征，其具体变化规律尤为复杂。一方面，随着排水降压的进行，煤储层表现出较强的应力敏感性，导致渗透率减小；另一方面，煤层气的解吸产出导致煤基质收缩，导致渗透率增大。同时，由于煤储层渗透率相对较低，克林肯伯格效应的存在能够改善煤储层渗透率。由于克林肯伯格效应仅在储层压力较低的情况下作用明显，且只是间接增大了储层的气体渗透率，并未对储层物理性质造成任何改变，作用效果在实际生产中相对有限且作用阶段难以定量确定。因此，国内外学者在研究渗透率动态变化的过程中大都主要考虑有效应力和基质收缩效应，忽略了克林肯伯格效应对气体渗透率的影响，因此，煤层气井开发制度合理的情况下，压降漏斗得到有效传递，煤储层经历有效应力作用阶段、有效应力和煤基质收缩效应耦合作用阶段和有效应力、煤基质收缩、克林肯伯格效应综合作用阶段。煤层气井排采过程中渗透率呈现“先降低、后升高”的不对称“U”型变化，但最终煤储层渗透率的反弹程度受到储层物性特征、煤体结构和开发制度等因素的共同影响。储层初始渗透率越低，开发初期应力敏感性越强，渗透率降低幅度相对越大，最终煤储层渗透率不能恢复至原始水平；原生结构煤弹性模量大、硬度高，开发初期煤体应变较小，渗透率变化不大，后期基质收缩正效应可以起到充分作用，提高产气量。构造煤煤体破碎，渗透率恢复较原生结构煤缓慢，渗透率伤害较大；开发初期开发制度制定不当，开发速率过快，有效应力会迅速增加，产生严重的压敏效应和速敏效应，进而对煤储层造成不可逆的伤害，导致渗透率无法反弹，气井产能严重下降。

3 渗透率动态变化对单井产量的影响

煤储层渗透率的改变势必会对气井的生产能力造成一定程度的影响。应力敏感主要发生在稳产期和排水后期，而渗透率的反弹现象则主要发生在递减环节，因此在对煤层气开采达到一定程度后，压降漏洞不会继续扩大，此时产量将逐步进入递减环节，处于泄气范围内的地层压力将会继续降低，而累计解吸量则会随着时间的推移不断增加，通过一段时间的累积，煤基质孔隙内的空间将会达到一定范围，此时渗透率将会快速变大。而通过大量的统计可以发现，随着累积解吸量的增多，受解吸作用影响，储层孔隙将会再一次变大，渗透率出现了较为明显的反弹，产量将会再次回升，提高了煤层气产量。