高煤階煤層氣擴(kuò)散-滲流機(jī)理及初期排采強(qiáng)度數(shù)值模擬

李國(guó)慶,孟召平,王保玉

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

高煤階煤層氣擴(kuò)散-滲流機(jī)理及初期排采強(qiáng)度數(shù)值模擬

李國(guó)慶1,孟召平2,王保玉2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

為了分析排采控制對(duì)氣井產(chǎn)能的影響,以沁水盆地南部煤層氣藏為例,應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)、巖石力學(xué)理論,分析了高階煤層氣擴(kuò)散、滲流機(jī)理;應(yīng)用Simed軟件,分別采用不變滲透率、應(yīng)力敏感以及考慮割理壓縮率變化的S-D滲透率模型,進(jìn)行了不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤層氣井初期排水強(qiáng)度數(shù)值研究。研究表明:解吸、擴(kuò)散、天然裂縫滲流以及壓裂裂縫導(dǎo)流等環(huán)節(jié)需協(xié)調(diào)作用,才有利于產(chǎn)氣;隨著排采的進(jìn)行,擴(kuò)散系數(shù)會(huì)逐漸增大,而壓裂裂縫導(dǎo)流系數(shù)會(huì)因有效應(yīng)力作用、煤粉堵塞等因素而降低;滲透率是影響研究區(qū)氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素,滲透率高的產(chǎn)氣效果好;構(gòu)造煤對(duì)于初期降液速率較敏感,對(duì)較高的導(dǎo)流系數(shù)不敏感;原生、碎裂煤對(duì)初期降液速率不敏感,但對(duì)導(dǎo)流系數(shù)較敏感;低滲煤層氣井宜采用較低的初期降液速率;高滲煤層氣井可以采用較高的初期排采強(qiáng)度持續(xù)排出水和煤粉。

煤層氣;擴(kuò)散-滲流機(jī)理;排水強(qiáng)度;高煤階

抽采煤層氣(瓦斯)具有3種效益:提供天然氣資源、降低煤礦瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、減少溫室氣體排放。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì),截止到2013年底,我國(guó)已完成鉆進(jìn)煤層氣井12 500余口,煤層氣產(chǎn)能建設(shè)已達(dá)到一定規(guī)模。但總體而言,已有生產(chǎn)井的排采效果不佳,單井日均產(chǎn)氣量不足500 m3,大量的井產(chǎn)氣量很低或者不產(chǎn)氣。由于缺乏科學(xué)有效的理論指導(dǎo),排采已成為目前煤層氣工業(yè)發(fā)展的瓶頸,不合理的排采制度導(dǎo)致氣產(chǎn)量衰減過(guò)快、煤粉堵塞近井帶、煤粉損壞排采設(shè)備等不良后果。

我國(guó)含煤盆地經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造與熱變質(zhì)作用改造,煤層變質(zhì)程度高、非均質(zhì)性強(qiáng)、各向異性強(qiáng)烈、透氣性差,煤層氣成藏機(jī)理、產(chǎn)出機(jī)理方面具有特殊性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤層滲透率動(dòng)態(tài)變化、煤粉產(chǎn)出等方面取得了一些研究成果。Shi和Durucan[1-2]提出了考慮應(yīng)力敏感、基質(zhì)收縮效應(yīng)的滲透率模型,并考慮了割理壓縮系數(shù)的變化,該模型得到了廣泛的應(yīng)用。Liu和Rutqvist[3]認(rèn)為煤基質(zhì)收縮或膨脹產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力,并與割理發(fā)生相互作用,S-D模型高估了基質(zhì)收縮或膨脹效應(yīng)。Pan和Connell[4]則提出現(xiàn)有滲透率模型沒(méi)有考慮頂板沉降,且對(duì)近井帶滲透率存在低估。孟召平等[5-7]進(jìn)行了高階煤層應(yīng)力敏感及其影響因素的實(shí)驗(yàn)研究。鄒雨時(shí)等[8]提出煤粉的聚集附著、橋堵孔喉是支撐劑充填層導(dǎo)流能力傷害的主要原因。張雙斌等[9]提出變流量排采、煤粉嵌入會(huì)使導(dǎo)流能力大幅下降。魏迎春等[10]指出構(gòu)造煤發(fā)育是煤粉產(chǎn)出的主控地質(zhì)因素,排采初期及產(chǎn)氣量快速上升期容易發(fā)生卡泵事故。康永尚等[11]分析了鄂爾多斯盆地35口煤層氣井的排采動(dòng)態(tài)特征并提出了8個(gè)排采指標(biāo)。林鑫等[12]對(duì)柳林地區(qū)中階煤層氣藏的敏感性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。劉升貴等[13]指出潘莊區(qū)塊含氣量、地層壓力及滲透率等指標(biāo)值高,產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)早且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)?？傮w而言,已有研究成果多是針對(duì)中階煤的,有關(guān)高階煤層氣的研究主要是滲透性、吸附性方面的,而排采控制方面的研究報(bào)道較少,高階煤層氣排采仍處于探索階段,缺乏必要的理論方法指導(dǎo)。

煤層氣井排采效果主要受地質(zhì)、工程兩方面因素影響,有時(shí)還受到采煤采氣接替關(guān)系的影響。地質(zhì)方面包括資源條件(煤厚、含氣量)、解吸條件(吸附飽和度、蘭氏壓力、地解比)、擴(kuò)散性能(擴(kuò)散系數(shù)、基質(zhì)孔隙半徑與迂曲度、分子種類(lèi)、儲(chǔ)層壓力、溫度)、滲透性(橫向、縱向水文地質(zhì)邊界條件、滲透率、煤體結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育程度、裂縫開(kāi)度、地應(yīng)力)、儲(chǔ)層壓力、構(gòu)造環(huán)境、水動(dòng)力條件等;工程方面包括井網(wǎng)布置、鉆井、完井質(zhì)量、改造措施、排采制度等。筆者以沁水盆地南部煤層氣藏為例,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,系統(tǒng)闡述高階煤層甲烷擴(kuò)散-滲流機(jī)理及影響因素,并應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了高階煤層氣井初期排水強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)氣潛力的影響,揭示了高煤階煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性特征,為本區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。

1 高階煤層甲烷擴(kuò)散、滲流機(jī)理

目前,煤層氣開(kāi)發(fā)的主要方法是壓力衰竭法,一般采用直井壓裂方式增強(qiáng)煤層滲透性,通過(guò)抽取煤層水降低儲(chǔ)層壓力,進(jìn)而采出煤層甲烷氣。在降壓排采時(shí),煤層中吸附態(tài)氣體會(huì)經(jīng)歷解吸、擴(kuò)散和滲流3個(gè)過(guò)程。高階煤微孔發(fā)育,吸附能力強(qiáng),一般含氣性好,但構(gòu)造煤普遍發(fā)育,滲透率低。根據(jù)氣體分子動(dòng)力學(xué)理論,氣體分子的吸附與解吸速率很快,在一個(gè)大氣壓下,解吸速率約3×1023mol/(cm2·s),解吸與吸附幾乎是瞬時(shí)完成的[14]。因此,擴(kuò)散與滲流是煤層甲烷產(chǎn)出機(jī)理的關(guān)鍵。

1.1 擴(kuò) 散

物理擴(kuò)散是在濃度差或其他推動(dòng)力的作用下,由于分子、原子等的熱運(yùn)動(dòng)所引起的物質(zhì)在空間的遷移現(xiàn)象,是質(zhì)量傳遞的一種基本方式。擴(kuò)散的推動(dòng)力主要有濃度差、溫度差以及電場(chǎng)、磁場(chǎng)等外力作用,固體、液體、氣體均可以發(fā)生擴(kuò)散。擴(kuò)散速度在氣體中最大,液體中其次,固體中最小,而且濃度差越大、溫度越高、參與的粒子質(zhì)量越小,擴(kuò)散速度也越大。由于氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的速率很大,分子間極為頻繁地互相碰撞,每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)軌跡都是無(wú)規(guī)則的雜亂折線。溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)就越激烈。在0℃時(shí)空氣分子的平均速率約為400 m/s,但是,由于極為頻繁的碰撞,分子運(yùn)動(dòng)的速度大小和方向時(shí)刻都在改變,氣體分子沿一定方向遷移的速度就相當(dāng)慢,所以氣體擴(kuò)散的速度比氣體分子運(yùn)動(dòng)的速度要慢得多。

氣體在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散,可根據(jù)孔隙的大小、形狀以及氣體性質(zhì)分為3類(lèi),用Knudsen因子(Kn= d/λ)定量區(qū)分,其中λ為分子熱運(yùn)動(dòng)自由程,d為煤層的孔隙直徑,即Fick擴(kuò)散(Kn＞10)、Knudsen擴(kuò)散(Kn＜0.1)及過(guò)渡型擴(kuò)散(Kn=0.1～10)[15-18]。

1.1.1 Fick擴(kuò)散

Fick擴(kuò)散也叫布朗擴(kuò)散,當(dāng)孔隙直徑遠(yuǎn)大于分子平均自由程時(shí),分子運(yùn)動(dòng)以分子間的相互碰撞為主,極少數(shù)與孔壁碰撞,其擴(kuò)散規(guī)律可用Fick定律來(lái)定量描述,只需考慮多孔介質(zhì)的孔隙率和曲折因數(shù)(表示因毛細(xì)孔道曲折而增加的擴(kuò)散距離),對(duì)一般的分子擴(kuò)散系數(shù)加以修正,見(jiàn)式(1),(2)[14]。當(dāng)A,B為同一種氣體時(shí),則DAB表示氣體分子自擴(kuò)散系數(shù)。

式中,DAB為氣體A在氣體B中的擴(kuò)散系數(shù);kB是Boltzmann常數(shù),1.38×10-23J/K;dA和dB分別為氣體A和 B的分子直徑;T為絕對(duì)溫度;p為氣體壓力;mA,mB為氣體分子摩爾質(zhì)量;DABp為多孔介質(zhì)內(nèi)氣體A在B中有效擴(kuò)散系數(shù);ε為多孔介質(zhì)孔隙率;τ為多孔介質(zhì)的曲折因數(shù)。

1.1.2 Knudsen擴(kuò)散

當(dāng)孔隙直徑很小、氣體壓力很低時(shí),氣體分子運(yùn)動(dòng)平均自由程遠(yuǎn)大于孔隙直徑,氣體分子與孔隙壁頻繁發(fā)生碰撞,物質(zhì)沿孔擴(kuò)散的阻力主要取決于分子與壁面的碰撞。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論,Knudsen擴(kuò)散系數(shù)為

其中,Dkp為Knudsen擴(kuò)散系數(shù);r為毛細(xì)孔道的平均半徑。Knudsen擴(kuò)散可進(jìn)一步分為兩種:當(dāng) Kn= 0.1～0.01時(shí),氣體擴(kuò)散表現(xiàn)為分子沿著孔隙壁面的滑動(dòng),即滑脫效應(yīng);當(dāng)Kn＜0.01時(shí),可認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)。Dkp隨著壓力的降低而升高。

1.1.3 過(guò)渡型擴(kuò)散

氣體在孔隙中的運(yùn)動(dòng)情況介于上述Fick擴(kuò)散與Knudsen擴(kuò)散之間,過(guò)渡型擴(kuò)散系數(shù)Dp為

式(4)中如果1/Dkp項(xiàng)可以忽略,則擴(kuò)散為分子擴(kuò)散;如果1/DABp項(xiàng)可以忽略,則擴(kuò)散為Knudsen擴(kuò)散。甲烷、二氧化碳分子直徑分別為0.38,0.33 nm,在2 MPa、27℃ 下,分子自由程分別為 3.23, 4.28 nm。而煤是一種雙孔隙介質(zhì),孔隙直徑從納米到毫米級(jí)不等,因此以上3種擴(kuò)散均有可能發(fā)生,而不同煤階的煤基質(zhì)孔徑分布不同,其甲烷吸附、擴(kuò)散特征也存在很大差異。在直徑為2～50 nm的孔隙中,Knudsen擴(kuò)散占主導(dǎo)地位;在直徑大于50 nm的孔隙中,分子擴(kuò)散與過(guò)渡性擴(kuò)散占主導(dǎo)。

根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)理論,分子熱運(yùn)動(dòng)自由程為

式中,d0為分子有效直徑,nm。

隨著壓力的降低,氣體分子運(yùn)動(dòng)平均自由程迅速增大(圖1),擴(kuò)散類(lèi)型及擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生了明顯變化,擴(kuò)散能力明顯增強(qiáng)。而在目前的研究中,通常采用吸附時(shí)間常數(shù)來(lái)表征煤層甲烷的擴(kuò)散能力。實(shí)際上擴(kuò)散系數(shù)在煤層氣產(chǎn)出過(guò)程中并非定值,在低壓區(qū)擴(kuò)散系數(shù)明顯升高,因此,吸附時(shí)間也應(yīng)該是一個(gè)變量[18]。在低壓下,構(gòu)造煤的擴(kuò)散能力明顯高于原生結(jié)構(gòu)煤,一個(gè)反映煤體對(duì)低壓氣體吸附-擴(kuò)散能力的指標(biāo)——瓦斯放散速度,被廣泛用于指導(dǎo)瓦斯突出災(zāi)害防治。

圖1 20℃時(shí)氣體分子運(yùn)動(dòng)平均自由程隨壓力的變化Fig.1 Variation of gas motion free path with pressure at 20℃

1.2 滲 流

煤層是一種雙孔隙介質(zhì),內(nèi)生割理、次生裂隙系統(tǒng)是滲流的主要通道,煤層滲透率主要依賴(lài)裂隙系統(tǒng)。對(duì)于理想光滑平直裂縫,體積流量與等效隙寬的立方成線性關(guān)系,即立方定律,有

有效應(yīng)力通過(guò)改變裂隙寬度而改變滲透率:裂隙面法向應(yīng)力變化導(dǎo)致裂隙寬度變化,滲透性改變;裂隙發(fā)生剪切變形,剪脹或剪縮效應(yīng)使得裂隙寬度、粗糙度發(fā)生變化,從而使?jié)B透性增大或減小。

有效應(yīng)力水平越高,煤層裂隙滲透率越低。滲透性主要依賴(lài)裂隙系統(tǒng),對(duì)于因強(qiáng)烈構(gòu)造改造而形成的粉煤層而言,通常沒(méi)有裂隙系統(tǒng),煤粉顆粒間孔隙是滲流通道。有裂隙系統(tǒng)的煤層滲透率明顯高于無(wú)裂隙系統(tǒng)或者裂隙不發(fā)育的煤層滲透率,即原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)煤層滲透率高于碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)的煤層滲透率。

應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)表明,滲透率與圍壓呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。但事實(shí)上,由于煤層的非均質(zhì)各向異性特征,滲透率與圍壓之間并非嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系[2-3,7]。應(yīng)力敏感系數(shù)定義為

其中,Δk為滲透率改變量,10-15m2;Δσe為有效應(yīng)力改變量,MPa;k為滲透率,10-15m2。式(7)的解析解為

式中,c為通解的積分常數(shù)項(xiàng)。

式(7)和式(8)表明,應(yīng)力敏感系數(shù)的定義已經(jīng)決定了滲透率與有效應(yīng)力為負(fù)指數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與負(fù)指數(shù)函數(shù)的吻合情況并不十分理想[7],尤其是降壓測(cè)試數(shù)據(jù)。究其原因,一方面可能是存在實(shí)驗(yàn)誤差,另一方面是應(yīng)力敏感系數(shù)實(shí)際并非定值,應(yīng)力敏感系數(shù)會(huì)隨著壓力區(qū)間的不同以及加載和卸載的不同而變化。

從應(yīng)力敏感的機(jī)理看,在低有效應(yīng)力水平下,裂縫開(kāi)度相對(duì)較大,有效應(yīng)力增加使得裂縫開(kāi)度較快、較大幅度閉合,滲透率也相應(yīng)出現(xiàn)較大幅度下降;在達(dá)到較高有效應(yīng)力條件下,因?yàn)榱芽p的不平整性,裂縫進(jìn)一步閉合的幅度有限,滲透率下降的幅度也有限。同時(shí)當(dāng)?shù)貙訅毫档椭僚R界解吸壓力時(shí),煤層氣開(kāi)始解吸、擴(kuò)散,煤基質(zhì)發(fā)生收縮變形,又促使?jié)B透率上升,即有效應(yīng)力效應(yīng)與基質(zhì)收縮效應(yīng)綜合作用影響滲透率的變化。在初期排水階段,僅出現(xiàn)有效應(yīng)力效應(yīng),即應(yīng)力敏感,地層壓力越高,排水引起更大幅度的水壓下降,進(jìn)而滲透率下降越多。

2 高煤階煤層氣井初期排采強(qiáng)度數(shù)值研究

2.1 數(shù)值方法概述

數(shù)值模擬是研究煤層氣藏參數(shù)、預(yù)測(cè)氣井產(chǎn)量的重要技術(shù)手段。Simed是一款由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院與新南威爾士大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的高級(jí)煤層氣藏?cái)?shù)值模擬軟件,該軟件采用全耦合隱式求解法,可以模擬煤層有效應(yīng)力效應(yīng)、基質(zhì)收縮與膨脹效應(yīng)、多組分氣體吸附以及氣井排采控制等。軟件不僅內(nèi)置了4個(gè)滲透率模型,還可以由用戶自定義滲透率動(dòng)態(tài)變化等參數(shù)[19-21]。筆者以沁水南部不同煤體結(jié)構(gòu)高階煤層氣藏為例,采用Simed軟件進(jìn)行不同初期排采強(qiáng)度下的氣井產(chǎn)能模擬。

2.2 輸入?yún)?shù)

本次模擬采用的滲透率模型為Shi-Durucan(SD)模型,該模型描述了煤的含氣性、膨脹收縮效應(yīng)及應(yīng)力變化,然后再將應(yīng)力變化和滲透率聯(lián)系起來(lái),能較好地反映氣井排采過(guò)程中煤層滲透率的動(dòng)態(tài)變化以及產(chǎn)能的響應(yīng)。S-D模型數(shù)學(xué)表達(dá)式[1-2]為

式中,σ0為初始有效應(yīng)力,MPa;σ為有效應(yīng)力,MPa;p0為初始地層壓力,MPa;k0為初始滲透率, 10-15m2;ν為泊松比;E為楊氏模量,MPa;VLj為j氣體的Langmuir體積,m3/t;VLmax為最大吸附體積,m3/ t;bj為j氣體組分的Langmuir常數(shù);Ctot0為初始?xì)怏w總含量,m3/t;Ctot為氣體總含量,m3/t;ε為體積應(yīng)變;εmax為最大吸附量時(shí)的體積應(yīng)變;cf為煤的平均割理壓縮率,MPa-1;α為割理壓縮率的下降率, MPa-1;cf0為初始煤割理壓縮率,MPa-1。

沁水盆地南部主采的3號(hào)煤層主要為無(wú)煙煤,蘭氏體積和原地含氣量高,甲烷含量高達(dá)21 m3/t, 30℃的蘭氏體積高達(dá)50 m3/t,蘭氏壓力為0.6～2.5 MPa,普遍低于1.5 MPa。區(qū)內(nèi)煤層埋深400～700 m,構(gòu)造煤廣泛發(fā)育,其中原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)煤中裂隙系統(tǒng)較發(fā)育,滲透率相對(duì)較高,而碎粒、糜棱煤中裂隙基本消失,滲透率低。除潘莊區(qū)塊外,煤層氣井排采效果普遍不佳。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本次模擬主要參數(shù)見(jiàn)表1和圖2。

采用壓裂直井進(jìn)行降壓排采,初始液位降速分別為1 m/d和5 m/d,降至150 kPa后保持穩(wěn)定,當(dāng)井底流壓小于150 kPa時(shí)停止模擬。分別考察儲(chǔ)層在以下3種情形下的產(chǎn)氣規(guī)律:① 既無(wú)應(yīng)力敏感又無(wú)基質(zhì)收縮,即滲透率不變;②僅有應(yīng)力敏感;③既有應(yīng)力敏感又有基質(zhì)收縮。

表1 Simed軟件輸入?yún)?shù)Table 1 Parameters used in Simed

圖2 相對(duì)滲透率曲線Fig.2 Relative permeability curves

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié) 果

圖3顯示了滲透率為5.0×10-15,0.5×10-15m2的煤層氣井產(chǎn)能數(shù)值模擬結(jié)果。其中1,2和3分別表示不考慮應(yīng)力敏感和基質(zhì)收縮、考慮應(yīng)力敏感、既有應(yīng)力敏感又有基質(zhì)收縮3種情況。表2為模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與對(duì)比。

圖3 滲透率為5.0×10-15,0.5×10-15m2的煤層氣井不同降液速率的產(chǎn)氣效果Fig.3 The gas production of a CBM well using different drainage strategies(permeability is 5.0×10-15,0.5×10-15m2)

表2 不同煤體結(jié)構(gòu)煤層氣井產(chǎn)氣模擬結(jié)果Table 2 Numerical simulation results of gas production in coal seams of different coal textures

為考察壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響,分別進(jìn)行了不同導(dǎo)流系數(shù)下的氣井產(chǎn)能情況模擬,結(jié)果見(jiàn)圖4和表3。模擬結(jié)果表明:

圖4 不同壓裂裂縫導(dǎo)流系數(shù)下煤層氣井產(chǎn)氣效果(降液速率為5 m/d)Fig.4 The gas production with varying hydraulic fracture conductivity(drop rate of fluid level is 5 m/d)

(1)對(duì)于滲透率為5.0×10-15m2的原生、碎裂結(jié)構(gòu)煤層,初始降液速率為1,5 m/d,在不同的滲透率模型下模擬生產(chǎn)3 000 d,其累計(jì)產(chǎn)氣量結(jié)果較接近,前者略低于后者?？紤]應(yīng)力敏感比不考慮應(yīng)力敏感累計(jì)產(chǎn)氣量降低47%,考慮應(yīng)力敏感與基質(zhì)收縮累計(jì)產(chǎn)氣量比滲透率不變的累計(jì)產(chǎn)氣量增加45%。

表3 不同導(dǎo)流能力下的產(chǎn)氣能力Table 3 Gas production with varying fracture conductivity

(2)對(duì)于滲透率為0.5×10-15m2的碎裂、糜棱結(jié)構(gòu)煤層,初始降液速率為1 m/d和5 m/d,在不同的滲透率模型下模擬生產(chǎn)3 000 d,其累計(jì)產(chǎn)氣結(jié)果有一定差別:滲透率不變時(shí),1 m/d降速的累計(jì)產(chǎn)氣量略低于5 m/d降速的累計(jì)產(chǎn)氣量;但在考慮應(yīng)力敏感、應(yīng)力敏感與基質(zhì)收縮效應(yīng)時(shí),1 m/d降速的累計(jì)產(chǎn)氣量大于5 m/d降速的累計(jì)產(chǎn)氣量?？紤]應(yīng)力敏感與不考慮應(yīng)力敏感相比,累計(jì)產(chǎn)氣降低了39.31%和40.35%;但考慮應(yīng)力敏感與基質(zhì)收縮效應(yīng)時(shí),累計(jì)產(chǎn)氣增加了51.70%和46.78%。表明低滲煤層宜采用較低的初期降液速率。

(3)滲透率是影響研究區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣效果的關(guān)鍵因素之一,滲透率5.0×10-15m2的煤層累計(jì)產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率峰值遠(yuǎn)高于0.5×10-15m2的煤層。

(4)對(duì)于滲透率0.5×10-15m2煤層,裂縫導(dǎo)流能力為1.5和1.0 μm2·m時(shí),累計(jì)產(chǎn)氣量分別為20.99萬(wàn)m3,20.89萬(wàn)m3,兩者基本相同(圖4(b)和表3)。壓裂裂縫導(dǎo)流能力也是影響產(chǎn)氣效果的重要因素之一,導(dǎo)流能力越強(qiáng),產(chǎn)氣效果越好。但對(duì)于低滲煤層,導(dǎo)流能力高至一定限度(本案例中約1.0 μm2·m)以后,產(chǎn)氣能力對(duì)導(dǎo)流能力不敏感。

3.2 討 論

本次模擬中,總體上產(chǎn)氣速率峰值不高,5.0× 10-15m2煤層產(chǎn)氣速率峰值為1 252.97 m3/d,這與排采面積偏小、蘭氏壓力低、地層壓力低等因素有關(guān)。由圖5可知,蘭氏體積相同而蘭氏壓力較低的等溫吸附線在低壓區(qū)較陡峭、高壓區(qū)相對(duì)平緩。在地層壓力降低初期,解吸量較少,產(chǎn)氣量較低;儲(chǔ)層壓力降至一定階段,等溫吸附線斜率明顯增大,解吸量會(huì)迅速增加(圖5)。因此,對(duì)于高階煤層氣藏,應(yīng)盡量降低地層壓力,以提高可解吸量。

圖5 不同蘭氏壓力的高階煤甲烷吸附等溫吸附線Fig.5 CH4adsorption isotherm lines of high rank coal with different Langmuir volumes

在排水降壓過(guò)程中,采用較高的降液速率,可以較快達(dá)到較高產(chǎn)氣速率,但高產(chǎn)氣速率維持時(shí)間較短。不論采用多高的初期降液速率,煤層的有效應(yīng)力效應(yīng)都不可避免,但在煤層甲烷開(kāi)始解吸后,基質(zhì)收縮效應(yīng)會(huì)抵消有效應(yīng)力負(fù)效應(yīng),并可能導(dǎo)致滲透率回升。在本案例的排采初期,有效應(yīng)力效應(yīng)使?jié)B透率降低,在地層壓力由初始的1.5 MPa降至臨界解吸壓力1 MPa時(shí),滲透率降至初始滲透率值的85%,之后由于煤層甲烷開(kāi)始解吸,滲透率因基質(zhì)收縮效應(yīng)而回升,并在0.86 MPa時(shí)滲透率開(kāi)始超過(guò)初始滲透率,并在地層壓力為0.15 MPa時(shí)達(dá)到初始滲透率的3.76倍。如果不考慮基質(zhì)收縮效應(yīng),則在地層壓力降至0.15 MPa時(shí),煤層滲透率降至初始值的64.5%(圖6)。臨界解吸壓力與初始地層壓力比值越小,有效應(yīng)力效應(yīng)作用越明顯,初期排水階段滲透率下降幅度越大;基質(zhì)收縮效應(yīng)越強(qiáng),排采后期滲透率升高幅度越大。

圖6 滲透率動(dòng)態(tài)特征Fig.6 The dynamic characteristics of permeability

本次模擬中,采用的S-D滲透率模型假設(shè)煤層上覆載荷是不變的,并基于均質(zhì)各向同性彈性假設(shè),推導(dǎo)出地層壓力降低導(dǎo)致的水平應(yīng)力變化。然而,這些假設(shè)條件與實(shí)際煤層是不符合的。隨著排采的進(jìn)行,煤層頂板會(huì)發(fā)生沉降變形,因此,近井帶煤層上覆載荷是變化的,煤層不是均質(zhì)各向同性介質(zhì),不符合彈性理論的假設(shè)條件,因此,由S-D模型計(jì)算出的近井帶滲透率值偏低[3-4]。

本次模擬中,假定煤層是均質(zhì)的,壓裂裂縫是理想的垂直裂縫形態(tài),整個(gè)生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行無(wú)中斷的。而在實(shí)際生產(chǎn)中,煤層是非均質(zhì)的,鉆井、壓裂及完井可能給煤層造成損害,過(guò)快的降液可能增加煤粉堵塞井底沉砂袋、卡泵等事件發(fā)生的概率,過(guò)慢的降液速率也可能導(dǎo)致煤粉不易排出、生產(chǎn)成本高等。如果生產(chǎn)中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則會(huì)發(fā)生煤粉沉降堵塞近井帶、井筒液柱升高造成近井帶水鎖等,會(huì)給氣井產(chǎn)能造成重要影響。與擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)的吸附時(shí)間是隨著解吸過(guò)程而變化的。這些都是本案例沒(méi)有考慮的因素。

黏性流體攜帶固體顆粒的能力與流體流速正相關(guān),高速流體可以攜帶較大尺寸固體顆粒。高滲煤層機(jī)械強(qiáng)度較高、裂隙發(fā)育且裂隙寬度較大,裂隙通過(guò)煤粉的能力較強(qiáng);低滲構(gòu)造軟煤層機(jī)械強(qiáng)度低、天然裂隙不發(fā)育且裂隙寬度小,且壓裂效果往往也不理想,煤粉產(chǎn)出多,高的排液速率更容易造成近井帶裂隙堵塞。

4 結(jié) 論

(1)煤層甲烷運(yùn)移包括基質(zhì)解吸、擴(kuò)散、天然裂縫滲流、壓裂裂縫導(dǎo)流等環(huán)節(jié),這些環(huán)節(jié)需協(xié)調(diào)作用,才有利于產(chǎn)氣。擴(kuò)散系數(shù)隨地層壓力降低而增大,而壓裂裂縫導(dǎo)流系數(shù)會(huì)因有效應(yīng)力作用、煤粉堵塞等因素而降低。

(2)研究區(qū)高階煤層氣藏具有地層壓力不高、蘭氏壓力低、解吸困難的特點(diǎn),盡量降低地層壓力有利于解吸。滲透率是影響研究區(qū)氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵地質(zhì)因素,滲透率高,則產(chǎn)氣效果好。滲透率在排采中是動(dòng)態(tài)變化的,應(yīng)力敏感效應(yīng)不可避免,它能顯著降低煤層滲透率和氣井產(chǎn)能,但如果排采控制得當(dāng),基質(zhì)收縮效應(yīng)可以有效恢復(fù)煤層滲透率,并獲得較好的產(chǎn)氣效果。滲透率高、壓裂效果好的煤層裂縫寬度較大,通過(guò)煤粉能力強(qiáng),在不致引起煤粉堵塞壓裂裂縫的前提下,可采用較高的降液速率,持續(xù)抽出煤粉、水,將有利于獲得高產(chǎn)。低滲的構(gòu)造煤對(duì)初期降液速率敏感,宜采用較低的初始降液速率,而且低滲煤層裂縫不發(fā)育、裂縫寬度小,高強(qiáng)度排采更易導(dǎo)致煤粉堵塞裂縫。

(3)壓裂裂縫導(dǎo)流能力是影響產(chǎn)氣效果的重要因素,導(dǎo)流能力越高,產(chǎn)氣效果越好。但對(duì)于低滲煤層,導(dǎo)流能力超過(guò)一定限度后,提高導(dǎo)流能力并不能提高產(chǎn)氣效果。

(4)初期排采速率過(guò)高,易造成煤粉產(chǎn)出過(guò)多、過(guò)快,堵塞近井帶和井底,造成卡泵等事故。而排采過(guò)程的中斷會(huì)造成煤粉沉淀堵塞裂縫、近井帶水鎖,給儲(chǔ)層造成傷害。排采過(guò)程應(yīng)保持連續(xù),避免中斷。

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Diffusion and seepage mechanisms of high rank coal-bed methane reservoir and its numerical simulation at early drainage rate

LI Guo-qing1,MENG Zhao-ping2,WANG Bao-yu2

(1.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources,Ministry of Education,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,China;2.College of Geosciences and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

To investigate the influence of drainage strategy on gas production with the coal-bed methane(CBM)reservoir in Southern Qinshui Basin,China as example,based on molecular dynamics and rock mechanics theory,the mechanisms of methane,diffusion and seepage in high rank coal were systematically investigated.Based on a constant permeability soft,a stress-dependent permeability model and a S-D permeability model considering the varying cleat compressibility,respectively,the influence of early drainage rate on gas production potential in high rank coal seams of different coal textures was investigated using a CBM numerical simulation soft called Simed.It demonstrates that the transportation of methane in coal seam involves desorption,diffusion,seepage in natural fractures and hydraulic fractures and the gas production will be sufficient only when all these four steps work coordinately.The diffusivity will increase and the conductivity will decrease due to the increase of effective stress and plugging in hydraulic fracture by pulverized coal during CBM depletion.Coal seam permeability is one of key factors influencing the gas production po-tential in the study area.High permeability will result in high gas production.Tectonically deformed coals are sensitive to early drainage rate but not sensitive to the fracture conductivity above a certain value.Intact and blocky coal seams are not very sensitive to early drainage rate but sensitive to fracture conductivity.A low rate of early drainage suits low permeability coal seam.A high drainage rate can be used to extract the coal and water continually from a high permeability coal seam during CBM depletion.

coal-bed methane;diffusion and seepage mechanisms;drainage rate;high rank coal

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1919-08

2014-06-08 責(zé)任編輯:韓晉平

山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2012012014);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172145);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(CUGL120258)

李國(guó)慶(1980—),男,湖北武漢人,講師,博士。Tel:027-67884179,E-mail:ligq@cug.edu.cn

李國(guó)慶,孟召平,王保玉.高煤階煤層氣擴(kuò)散-滲流機(jī)理及初期排采強(qiáng)度數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(9):1919-1926.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8024

Li Guoqing,Meng Zhaoping,Wang Baoyu.Diffusion and seepage mechanisms of high rank coal-bed methane reservoir and its numerical simulation at early drainagerate[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1919-1926.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8024