山西不同煤级储层有效渗透率的实验研究

王红冬张正喜王海生

(1.山西省煤炭地质研究所,山西省太原市,030012; 2.山西省煤炭地质勘查研究院,山西省太原市,030006)

★煤矿安全★

山西不同煤级储层有效渗透率的实验研究

王红冬1张正喜2王海生2

(1.山西省煤炭地质研究所,山西省太原市,030012; 2.山西省煤炭地质勘查研究院,山西省太原市,030006)

基于山西不同煤级煤岩体气、水双相渗透率实验,探讨了不同煤级储层的有效渗透性特征、影响因素及随含气饱和度的变化规律。实验研究表明,不同煤岩体相对渗透率显示出“一高五低”的特点,即残余水饱和度高、等渗点相对渗透率低、CH4有效渗透率低、含气饱和度低、两相共流时跨度低、束缚水下CH4渗透率低。给出了各煤级煤气、水渗透率与含气饱和度呈幂函数关系。以此为基础,采用多元非线性回归方法,构建了气、水相有效渗透率随含气饱和度变化的响应模型。

煤层气 有效渗透率 相对渗透率 山西省

煤储层渗透率是控制煤层气可经济开发的关键因素之一,前人进行了大量单相渗透率实验研究,探讨了煤岩、煤级、应力、煤基质自调节效应等因素对渗透率的影响,建立了一系列渗透率预测模型。然而,瓦斯排采过程为气、水两相流,其排采过程呈现的变化特征、受控因素以及如何建立综合预测模型目前国内还未见诸报道。本文采用非稳态实验方法进行了CH4驱水物理模拟,再现了煤层气排采过程中渗透率随气、水饱和度变化过程,力图阐明气、水有效渗透率随含气饱和度变化规律。

1 样品采集

实验煤样采自山西晋城、长治、霍州矿区,煤类为肥煤～3#无烟煤,镜质组最大反射率Ro,max0.89%～2.87%,镜质组含量55.7%～88.1%、惰质组11.9%～34.4%、壳质组0%～9.9%(见表1)。

表1 实验样品基础测试结果

2 实验装置、样品制备及实验方法

实验方法参照中华人民共和国石油天然气行业标准,气、水相对渗透率测定方法进行,气体改用CH4(原标准用He),考虑煤对CH4和水的吸附性,稳定时间由2 h增加到12 h,水饱和时间在48 h以上。

2.1 实验装置

气、水相有效渗透率实验是在石油勘探开发研究院廊坊分院开发所进行的,实验设备为美国Terra Tek公司生产的全直径岩心流动仪。该实验系统主要用于模拟地应力和油藏压力条件下岩石的渗透性。模拟最高围限压力为70 MPa,流体压力为65 MPa。实验设备由压力系统、恒温系统、控制系统和岩心夹持器、分离器等组成,其中Quiziz泵是该系统的核心,其主要功能是控制流体的排量,并为系统提供恒定压力和恒定流量,其操作是由Runpump软件控制。该实验系统还有一套完整的岩样制备和常规岩心分析设备支持,系统所有的测量系统每年由国家标准计量局进行标定校核。

2.2 样品制备

从井下新揭露的工作面采取边长大于30 cm、形状较规整的大块煤样,装入黑色塑料袋,用宽胶带包扎好,运至实验室。根据实验要求,每件煤样沿层理方向在大煤块钻取直径为50 mm,高为100 mm的大圆柱样(用于气、水有效渗透率实验),将端面切平整,加工精度按照国际岩石力学学会(ISRM)推荐的标准进行。并取端部的碎煤样用于煤质、煤岩分析等实验。

2.3 实验方法

在煤样完全被水饱和后,根据气相有效渗透率选择好初始压差,并保持2.5MPa的有效应力,开始用加湿的CH4气驱水,记录各个时刻的驱替时间、驱替压差、累计水、气流量和初始见气点。一般2 h以后,水流十分缓慢或几乎不流动,再在保持有效应力不变的情况下,缓慢增加气体压力,继续测量和记录,直至水体不流动,气流量稳定后,测量束缚水状态下的气相有效渗透率。

3 实验结果讨论

相对渗透率实验结果显示:山西省各煤样束缚水饱和度(Swo)47.6%～74.1%,平均为66.42%,而美国为21.2%～44.2%,平均为35.3%,约为我国的一半;束缚气饱和度(Sgo) 0.56%～35.6%,平均10.74%,而美国为2.3%～32.2%,平均12.3%,两者相差不大。在气水相对渗透率曲线交叉点,气水相对渗透率平衡值为5%～7.2%,平均5.96%,而美国22.4%～78.9%,平均43.3%,两者相差一个数量级;等渗点处CH4有效渗透率0.002～0.233 mD,平均0.056 mD;等渗点气饱和度10%～26.9%,平均14.8%,而美国22.4%～78.9%,平均43.3%,亦远大于我国;两相共流跨度为16.8%～26.7%,平均22.84%,不到美国46.6%～53.5%的一半;我国束缚水下CH4渗透率为0.0023～0.633 mD,平均0.165 mD(见表2)。总的来说,相对美国,山西省不同煤岩体相对渗透率测试结果显示出“一高五低”的特点,即残余水饱和度高、等渗点相对渗透率低、CH4有效渗透率底、含气饱和度低、两相共流跨度低、束缚水下CH4渗透率低,这就决定了我国煤层气难于解吸、气产量低、产气高峰来临时间早、气井服务年限短等特点。

表2 各煤级煤相对渗透率特征

4 气、水渗透率变化规律

(1)各煤级煤随气、水饱和度变化规律。实验结果分析显示,煤的气、水渗透率随含气饱和度动态变化满足幂函数规律。

式中:Kg——气相(CH4)渗透率,mD;

Sg——气相饱和度,%;

Kw——水相相对渗透率,mD;

a,b,m,n——拟合系数。

对5个煤样的相对渗透率测试结果进行拟合,获得有效渗透率模型拟合参数(见图1、表3)。结果显示:幂函数关系与实测结果非常吻合,相关系数几乎都在0.99以上;a介于0.0038～4595.62之间;b介于0.41～17.28之间;m介于0.0041～ 1.53之间;n介于7.70～18.41之间。

表3 实测煤样渗透率拟合参数

(2)影响因素分析。从单煤样有效渗随饱和度变化规律模型上可以看出,拟合参数a、m不随气、水饱和度变化而变化,实质是反映煤岩体气、水绝对渗透率特征;b、n反映气、水渗透率随饱和度变化而变化的幅度。通过分析相应煤样实测渗透率资料进一步佐证了前面基于数学模型的推论:气相有效渗透率拟合参数a、b与CH4克氏渗透率存在明显正相关关系;为了排除CH4克氏渗透率对b参数影响,采用b’(b/CH4克氏渗透率比)参数与镜质组反射率分析看,其与镜质组反射率呈明显负相关关系(见图2(a));m与煤级关系不明显,与水单相渗透率存在明显正相关关系,n随着镜质组反射率增高呈降低趋势,其随含气饱和度的变化趋势与水相有效渗透率关系不明显(见图2 (b))。

图1 气、水渗透率随饱和度变化曲线

图2 有效渗透率拟合参数、渗透率及煤级综合关系

(3)渗透率响应模型。根据上述实验数据及参数相关因素分析,采用多元非线性回归分析方法,建立了耦合煤级的气相有效渗透率随含水饱和度变化模型:

式中:Kg——气相有效渗透率,mD;

KCH4——煤样CH4克氏渗透率,mD;

Sg——含气饱和度,%。

同理,建立了耦合煤级水相有效渗透率随含水饱和度变化模型:

式中:Kw——水相有效渗透率,mD。

模型相关系数均在0.95以上,说明模型与实测数据吻合很好。另外,采用实测数据和模型对比分析看(见图3),模型与实测数据吻合较好,显示模型能够较好反映气相有效渗透率、水相有效渗透率随含气饱和度的变化规律。

5 结论

通过山西省不同煤级煤岩体气驱水物理模拟,再现了排采过程中气、水相有效渗透率变化过程,分析了不同煤级煤渗透率随含气饱和度变化规律,获得以下认识和成果。

图3 模型结果与有效渗透率实测

(1)不同煤岩体相对渗透率测试结果显示出“一高五低”的特点,即残余水饱和度高、等渗点相对渗透率低、CH4有效渗透率、含气饱和度低、两相共流区跨度低,束缚水下CH4渗透率低。

(2)各煤级煤的气、水渗透率随含气饱和度动态变化呈现幂函数规律,其中拟合参数a,m分别与CH4克氏渗透率、水相有效渗透率呈正相关关系;而拟合参数b受控于煤级且与煤级呈负相关,而与CH4克氏渗透率正相关。n呈现出与煤级较好的负相关关系。

(3)基于多元非线性回归程序,建立了气、水渗透率随饱和度变化综合响应模型,模型检验显示其与实测数据相当吻合。

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(责任编辑 梁子荣)

Research on the effective permeability of reservoirs in coalmass of different ranks in Shanxi Province

WangDonghong1,Zhang Zhengxi2,Wang Haisheng2
(1.Shanxi Provincial Institute of Coal Geology,Taiyuan,Shanxi province 030012,China; 2.Shanxi Provincial Research institute of Coal Geology Survey,Taiyuan,Shanxi province 030012,China)

Based on experiment of the gas-water phase permeability of coal mass of different ranks in Shanxi Province,characteristics of the effective permeability of reservoirs in coal mass of different ranks are identified togetherwith factors affecting the permeability and patternsof changesof saturation in reservoirs.Research indicates that the relative permeability of different coalmass is characterized by high saturation of residualwater,with low relative permeability at isos motic points,low effective CH4per meability,low gas saturation in low salinity,low per meability range in two-phase flow,and low CH4per meability under irreducible water.The gas-waterpermeability in coalmassof different rankspresents a power function with the gas saturation,based on which,a response model is developed,using nonlinearmultivariate regression,to demonstrate the change of the effective gas-water phase per meabilitywith the level of gas saturation.

coal-bed methane,effective permeability,relative permeability,Shanxi Province

TD712

A

王红冬(1966-),女,山西运城人,高级工程师,从事煤层气研究。