沁水盆地柿庄南区块煤层气藏自改造动态分析

王　彬，周　彪，王新宇，闫兆金，薛洪刚，汪　洋，汤　勇

（1．西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室，四川成都　610500；2．中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒　841000；3．中国石油大学（北京）石油工程学院，北京　102249）



沁水盆地柿庄南区块煤层气藏自改造动态分析

王彬1，周彪2，王新宇3，闫兆金1，薛洪刚1，汪洋1，汤勇1

（1．西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室，四川成都610500；2．中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000；3．中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

摘要：不同于常规气藏，煤层气藏开采过程中存在自改造效应，即随着地层压力的降低，储层渗透率会发生复杂变化。大量研究表明：有效应力、煤基质收缩、Klinkenberg效应是自改造效应的三大控制因素，改进的SD模型更能准确描述欠饱和煤层气藏渗透率动态变化规律，结合实际数据，计算分析表明，杨氏模量对自改造效应影响最大，泊松比对自改造效应影响最小。

关键词：产出特征；影响因素；优选模型；动态分析

沁水盆地柿庄南区块是我国煤层气开发最成功的区块之一，区块内主要发育二叠系下统山西组的3#煤层和石炭系上统太原组15#煤层，3#和15#煤层具有厚度大、渗透率低、储层压力低、欠饱和的特征。对该区压裂井观测发现，开采过程中，其储层渗透率变化较大，自改造效应明显。

本文通过对自改造效应影响因素的分析[1-4]，结合煤层气的产出特征和沁水盆地柿庄南区块的实际情况，优选了改进的SD模型对沁水盆地南端3#和15#煤层自改造效应过程进行了模拟计算，结果分析具有一定的精度。

1　煤层气的产出特征

1.1煤层气的赋存状态

煤储层对煤层气的容纳能力远远大于基质孔隙和裂隙体积[5，6]，其赋存状态有别于常规气藏天然气的赋存状态。目前，普遍认为煤层气以吸附态、自由态、溶解态三种状态赋存于煤层中，以吸附态为主，基质的微小孔隙中以吸附态为主，裂隙中以自由态和溶解态气体为主。

1.2煤层气产出机制

煤储层的生产分为三个阶段，单相流阶段：煤层气尚未开始解吸，井筒附近只有单相流动；非饱和单相流阶段：气体开始解吸并向煤中裂隙系统扩散，但气体并不能流动，该阶段出现了气、水两相，但只有水相可以流动；气、水两相流阶段：随着井筒压力进一步降低，气体进一步解吸、扩散，水中含气已达饱和，气泡相互连接，形成连续流动，水的相对渗透率减小，气的相对渗透率增大，在裂隙系统中形成气、水两相达西流动。

2　自改造效应影响因素

2.1有效应力

有效应力作用于煤层气开采的整个阶段，据Harpalani实验室研究表明，在高压情况下有效应力的影响起主导作用。地层压力的降低，且有效应力作用的情况下，煤储层裂隙闭合，储层渗透率降低。

2.2煤基质收缩

煤基质在吸附和解吸气体过程中会引起自身的膨胀和收缩。煤层气开采过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气开始解吸，煤层气的解吸导致煤基质体积变小，储层渗透率升高。

2.3 Klinkenberg效应

Klinkenberg效应即滑脱效应，是低渗透气藏开发过程中常见的现象，国外煤层气自改造分析中一般会忽略该效应的影响，但与国外煤层相比，我国煤储层具有压力低，低渗和特低渗的特征，因此，对于自改造效应的动态分析，不能忽略Klinkenberg效应的影响。

3　优选模型

基于欠饱和煤层气藏开发特征，考虑到储层压力处于临界解吸压力以上时，煤储层仅受有效应力影响，储层压力低于临界解吸压力时，煤基质受收缩效应和klinkenberg效应的影响。改进的SD模型更适合分析欠饱和煤层气藏开发过程中的渗透率变化趋势，其综合模型表达式为：

其中，k－压力p下的渗透率，mD；k0－原始储层压力下的渗透率，mD；cf－割理压缩系数，无量纲；υ－泊松比，无量纲；pc－临界解吸压力，MPa；b－压力p下的滑脱系数，MPa；bc－临界解吸压力点的滑脱系数，MPa；E－杨氏模量，MPa；ε－兰氏应变常数，无量纲；pL－兰氏压力，MPa。

4　自改造效应动态分析

4.1参数选取

由于沁水盆地柿庄南区块各井地层压力、兰氏体积、兰氏压力、临界解吸压力、含气饱和度等参数均有差异，且无法根据实际数据拟合出该区块煤的等温吸附曲线与临界解吸压力图，因此，初始参数取值（见表1）。

表1　参数的选取

4.2动态分析

4.2.1杨氏模量杨氏模量的增大，对前期有效应力单独作用段的储层渗透率伤害影响不大，对后期自改造效应阶段自改造效率影响很大，杨氏模量是表征煤体不可压缩性的物理量，杨氏模量越大，有效应力导致的煤体形变越小，解吸过程中，实际渗流通宽度越大，自改造效率越高（见图1）。

图1　杨氏模量敏感性分析

4.2.2割理压缩系数割理压缩系数越大，储层渗透率伤害越大，自改造效率越高。割理压缩系数是表征割理可压缩性的物理量，割理可压缩性越强，有效应力对储层渗透率伤害越大，同时，基质收缩过程所引起的割理局部侧向应变也越大，自改造效率越高（见图2）。

图2　割理压缩系数敏感性分析

4.2.3兰氏应变常数兰氏应变常数越大，自改造效率越高，储层渗透率伤害程度几乎不受其影响。兰氏应变常数是表征基质吸附和解吸后基质形变大小的物理量，显然，其值越大，基质收缩越明显，自改造效率越高（见图3）。

4.2.4兰氏压力兰氏压力越小，自改造效率越高，储层渗透率伤害程度不受其影响。兰氏压力是指吸附量达到兰氏体积一半时对应的压力。由定义，含气量相同情况下，兰氏压力越小，吸附气量越多，自改造效率越高（见图4）。

图3　兰氏应变常数敏感性分析

图4　兰氏压力敏感性分析

4.2.5滑脱系数滑脱效应越大，自改造效率越高，同时储层压力大于1 MPa时，不同滑脱系数下的储层渗透率基本相等，滑脱效应不明显，而储层压力小于1 MPa时，不同滑脱系数下的储层渗透率差异显现（见图5）。

图5　滑脱系数敏感性分析

4.2.6泊松比泊松比对自改造效率并没有太大的影响，因为泊松比表征煤体横向变形能力，由于煤层侧向受围压限制，因此煤体横向变形并不会很大（见图6）。

5　结论

煤层气开采过程中，解吸所引起的渗透率增大，远远大于有效应力导致的渗透率降低；对自改造效应的影响，有杨氏模量＞割理压缩系数＞兰氏应变常数＞兰氏压力＞滑脱系数＞泊松比的关系；对应力越不敏感，解吸变形越大，地层压力越低的煤层自改造效应越明显。

图6　泊松比敏感性分析

参考文献：

［1］蓝强.煤储层应力敏感性及产能预测研究［D］.北京：中国矿业大学，2014.

［2］付玉.煤层气储层数值模拟研究［D］.四川：西南石油大学，2004.

［3］Klinkenberg.The permeability of porous media to liquids and gases［J］.API Drilling and Production Practices，1941，5（3）：200-213.

［4］Shi .J .Q，S.Durucan.A Model for Changes in Coalbed Permeability During Primary and Enhanced Methane Recovery［J］.SPE Reservoir Evaluation & Engineering，2005：（8）：291-299.

［5］张健，汪志明.煤层应力对裂隙渗透率的影响［J］.中国石油大学学报，2008，32（8）：92-95.

［6］李祥春，聂百胜.煤层渗透性变化影响因素分析［J］.中国矿业，2011，20（6）：112-115.

Coal gas reservoirs self-transformation dynamic analysis in Shizhuang south block of Qinshui basin

WANG Bin1，ZHOU Biao2，WANG Xinyu3，YAN Zhaojin1，XUE Honggang1，WANG Yang1，TANG Yong1
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.Tarim Oilfield Company，PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China；3.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract:Unlike conventional gas reservoirs, coalbed methane reservoirs have the effect of self-transform, namely with decreasing reservoir pressure, reservoir permeability complex changes occur.Numerous studies show that, effective stress and coal matrix shrinkage, Klinkenberg effect is self-transformation effect of the three controlling factors, improved SD model more accurately describes undersaturated coalbed methane reservoir permeability dynamic variation, combined with the actual data, calculation and analysis show that Young's modulus of the greatest impact on self-transformation effect, Poisson's ratio of self-transformation effect with minimal impact.

Keywords：output characteristics；factors；preferred model；dynamic analysis

作者简介：王彬，男（1990-），硕士研究生，研究方向为气田开发理论。

基金项目：国家自然科学基金项目“高温高压CO2-原油-地层水三相相平衡溶解度规律”，项目编号：51404037。

*收稿日期：2016－01-05修回日期：2016－01-15

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.005

中图分类号：TE132.2

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）02-0020-04