煤儲(chǔ)層流速敏感性“氣液等效”評(píng)價(jià)方法

孫晗森 徐加放 于政廉 王德桂 馬洪濤 馬騰飛

1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院

煤層氣開采過程中，近井地帶壓力不斷降低，在壓差驅(qū)動(dòng)下，遠(yuǎn)井的氣體和液體會(huì)逐漸流向井筒。若排采強(qiáng)度過大，流體流速過快，流體動(dòng)能增加，攜帶能力增強(qiáng)，煤層中未膠結(jié)和膠結(jié)疏松的微粒以及壓裂過程中注入的支撐劑會(huì)在流體的攜帶作用下產(chǎn)生運(yùn)移，堵塞流體的運(yùn)移通道，從而造成儲(chǔ)層滲透率降低，發(fā)生流速敏感性效應(yīng)［1-4］。所以，確定合理的排水采氣速度是制定煤層氣井排采工作制度的重要依據(jù)。

針對(duì)煤巖的流速敏感特性評(píng)價(jià)多依據(jù)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》(SY/T 5358—2010)進(jìn)行。但煤層氣開發(fā)是排水-采氣過程，由于氣體與液體物性不同，2 種介質(zhì)在儲(chǔ)層中的流動(dòng)情況及與儲(chǔ)層微粒的作用特性存在很大差異，用液體作實(shí)驗(yàn)介質(zhì)不能完全反映采氣過程中煤儲(chǔ)層的真實(shí)流速敏感性情況［5-8］。此外，常規(guī)敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法主要適用于氣測(cè)滲透率大于1×10-3μm2的儲(chǔ)層巖樣，對(duì)氣測(cè)滲透率小于1×10-3μm2的低滲透巖心沒有具體說明［9］。部分煤巖尤其是高階煤巖普遍具有低孔低滲特點(diǎn)，對(duì)于氣測(cè)滲透率小于1×10-3μm2的高階煤巖很難按照常規(guī)油層損害的評(píng)價(jià)方法利用地層水進(jìn)行煤巖的流速敏感性評(píng)價(jià)。針對(duì)上述情況，Jian Tian［10］及康毅力等［11］對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層特征進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，施加回壓可在一定程度上增大低滲透巖心的滲透率，但相對(duì)于致密砂巖，煤巖埋深較淺，一般在1 000 m 以淺，原位地應(yīng)力較小，具有很強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，在獲取煤心的過程中經(jīng)歷了應(yīng)力釋放等一系列應(yīng)力變化過程，所以在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)盡可能避免應(yīng)力波動(dòng)或應(yīng)力過大引起的應(yīng)力敏感，而施加回壓會(huì)使煤巖的應(yīng)力狀態(tài)頻繁發(fā)生改變，更易使煤巖發(fā)生應(yīng)力敏感。此外，煤巖裂隙發(fā)育，部分膠結(jié)疏松，在較低流速下敏感性更易發(fā)生，且相對(duì)于石油的開采速度，煤儲(chǔ)層排水速度較小(一般小于10 m3/d)，因此研究在較低流速下煤巖滲透率隨流速的變化更符合煤層氣的排采特點(diǎn)。所以施加回壓的方法不適用于煤儲(chǔ)層的敏感性評(píng)價(jià)。綜上，有必要進(jìn)一步研究替代現(xiàn)有液測(cè)流速敏感性實(shí)驗(yàn)的方法，使其更適用于煤儲(chǔ)層流速敏感性的評(píng)價(jià)。

針對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法的不足，推導(dǎo)了氣測(cè)和液測(cè)速敏臨界流量之間的關(guān)系，建立了“氣液等效”的煤儲(chǔ)層流速敏感性氣測(cè)實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較強(qiáng)的可參考性。

1 氣測(cè)流速敏感性評(píng)價(jià)方法

1.1 理論依據(jù)

煤儲(chǔ)層具有易碎易坍塌等特點(diǎn)，在鉆完井以及排采過程中地層中流體的動(dòng)力作用易對(duì)煤層產(chǎn)生激勵(lì)，從而使得煤層中產(chǎn)生大量細(xì)小的煤粉微粒，這些煤粉微粒最大的特點(diǎn)是在流體的攜帶作用下易于起動(dòng)。在煤層氣開采過程中，排水和采氣過程都存在對(duì)孔隙表面自由煤粉的沖刷作用，都會(huì)造成煤粉顆粒的運(yùn)移。當(dāng)流體的沖刷作用達(dá)到一定程度，運(yùn)移的煤粉顆粒到達(dá)一定粒徑后由于顆粒的架橋原理會(huì)堵塞煤層氣的運(yùn)移通道［12-13］，從而對(duì)滲透率產(chǎn)生較大危害。

煤層氣開采過程中，煤層中的顆粒受流體沖刷力、顆粒與孔壁之間的吸附力和摩擦力等作用，根據(jù)最小動(dòng)能理論，當(dāng)流體的動(dòng)能，即流體的沖刷作用大到足夠克服微粒所受上述作用力之和時(shí)，微粒就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)移，且固體運(yùn)移的速度與流體對(duì)其所做的功有關(guān)，由于在不同流體中顆粒與孔壁之間的作用力可近似視為相等，故處于不同相態(tài)流體中的固體顆粒運(yùn)移速度只與流體的動(dòng)能相關(guān)，其表達(dá)式為

式中，EF為流體動(dòng)能，J；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s。

當(dāng)煤層孔道中的運(yùn)移流體分別為氣體和液體并對(duì)孔道中的固體微粒產(chǎn)生相同作用效果時(shí)須滿足2 種流體動(dòng)能相等，即

流體在地層滲流過程中，其流量與滲流速度之間滿足以下關(guān)系

式中，Q為液體和/或氣體的滲流流量，mL/min；A為樣品的截面積，cm2； φ為孔隙度，無量綱。

對(duì)于同一滲透介質(zhì)，A和φ是相同的，所以聯(lián)立式(1)～式(3)可根據(jù)氣測(cè)法發(fā)生速敏時(shí)的臨界流量對(duì)液測(cè)的臨界流量進(jìn)行計(jì)算

式中，Ql、Qg分別為液體和氣體的滲流流量，mL/min；下標(biāo)l、g 分別代表液體和氣體。

由式(4)，已知?dú)鉁y(cè)流速敏感性的臨界流量以及液體和氣體的密度時(shí)可計(jì)算液測(cè)速敏的臨界流量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用氣測(cè)法進(jìn)行流速敏感性測(cè)定時(shí)基本實(shí)驗(yàn)步驟［9］：在75 ℃下將煤樣烘干，然后將其放入巖心夾持器中；在實(shí)驗(yàn)過程中，始終保持樣品圍壓大于入口壓力1.5～2.0 MPa；逐漸增大驅(qū)替壓差，以增大通過煤巖樣品的氣體流速，為消除應(yīng)力敏感性的影響，實(shí)驗(yàn)過程中有效應(yīng)力始終保持不變；當(dāng)巖樣入口端和出口端壓力以及巖樣出口流量穩(wěn)定時(shí)，記錄巖樣入口端和出口端壓力以及氣體的流量值。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 氣測(cè)滲透率計(jì)算

采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量煤心氣體滲透率，根據(jù)達(dá)西定律，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤樣滲透率的公式［14］可寫為

式中，kg為氣體的有效滲透率，10-3μm2；Q為大氣壓下巖樣出口端氣體體積流量，cm3/s；L為巖樣長(zhǎng)度，cm；psc為大氣壓，MPa；pi為巖樣進(jìn)口端壓力，MPa；po為巖樣出口端壓力，MPa；μ為氮?dú)怵ざ?，mPa · s。

覃建華［15］對(duì)低滲儲(chǔ)層氣測(cè)滲透率研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氣體在低滲多孔隙介質(zhì)中低速滲流時(shí)，氣體滲流具有“滑脫效應(yīng)”，在流速較低時(shí)滲透率的下降主要由“滑脫效應(yīng)”造成，不能視為煤心發(fā)生了流速敏感效應(yīng)。Klinkenberg［16］給出的滑脫效應(yīng)表達(dá)式為

式中，kg和k0分別為氣體的有效滲透率和絕對(duì)滲透率，10-3μm2；pr為地層平均孔隙壓力，MPa；b為滑脫因子，當(dāng)b=0 時(shí)表示在滲流介質(zhì)中沒有氣體分子和孔道壁互相作用的滑脫流，當(dāng)b≠0 時(shí)，滲流介質(zhì)中的氣體存在滑脫效應(yīng)。

1.3.2 流量的處理

氣體具有較強(qiáng)的可壓縮性，在測(cè)量時(shí)入口壓力與出口壓力之間存在一定差值，導(dǎo)致出、入口之間流量具有較大差異，在實(shí)驗(yàn)過程中取地層平均孔隙壓力下的流量為真實(shí)流量，以Qg表示(即公式4 氣體的滲流流量)，由氣體的狀態(tài)方程可知其計(jì)算公式為

式中，Qg、Qo分別表示氣體的真實(shí)流量和出口流量，mL/min；Zr、Zo分別表示地層平均孔隙壓力下的壓縮因子和出口壓力下的壓縮因子。

1.3.3 速敏損害率和臨界流速

按照滑脫效應(yīng)的原理，在不發(fā)生速敏效應(yīng)時(shí)，滲透率與孔隙平均壓力的倒數(shù)之間為線性關(guān)系，截距為有效滲透率。發(fā)生速敏后，滲透率與孔隙平均壓力之間的關(guān)系發(fā)生變化，有效滲透率會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，滲透率的變化率可表示為

式中，Dvi為第i次實(shí)驗(yàn)流速下所對(duì)應(yīng)的煤樣滲透率的變化率，%；kn為煤樣初始滲透率，10-3μm2；ki為第i次實(shí)驗(yàn)煤樣的滲透率，10-3μm2。

速敏損害率計(jì)算公式為

式中，Dv為速敏實(shí)驗(yàn)滲透率損害率(變化率)，%；Dv2，Dv3，Dvn分別為不同流速下所對(duì)應(yīng)的滲透率損害率。

煤儲(chǔ)層臨界流速是指隨流速增加，不同流速下煤巖滲透率與初始滲透率相比較，變化率大于20%時(shí)所對(duì)應(yīng)的前一個(gè)點(diǎn)的流速。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

實(shí)驗(yàn)樣品來自滇東黔西地區(qū)HG、LC 煤礦。兩個(gè)區(qū)塊都位于上二疊統(tǒng)，屬于海陸過渡相沉積。首先對(duì)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析、核磁共振實(shí)驗(yàn)、X-射線衍射實(shí)驗(yàn)以及掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，確定該煤樣的地質(zhì)組分和縫隙結(jié)構(gòu)，以確定其潛在敏感因素，并分別采用氮?dú)夂偷貙铀? 種流體介質(zhì)對(duì)同一地層的煤樣流速敏感性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

2.1 樣品物性分析

煤樣的工業(yè)分析結(jié)果以及物性參數(shù)見表1，核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的物性參數(shù)和工業(yè)分析Table 1 Physical property parameters and industrial analysis of the experimental coal samples

圖1 煤樣核磁共振圖譜Fig.1 NMR map of coal samples

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：HG 區(qū)塊煤樣所處煤層的孔隙結(jié)構(gòu)以吸附孔等小孔隙為主，中大孔以及裂縫有少量發(fā)育，各種類型孔隙之間連通性較好，具有較好的滲流能力，孔隙喉道之間更易被運(yùn)移的顆粒堵塞，更易產(chǎn)生流速敏感性；LC 區(qū)塊煤樣所處煤層的結(jié)構(gòu)同樣以吸附孔等小孔隙為主，中大孔隙發(fā)育較少，小孔與中大孔隙之間連通性較差，中大孔之間連通相對(duì)較好，速敏易發(fā)生于中大孔之間的滲流過程中。

利用X-射線衍射和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)對(duì)煤樣礦物組分和孔隙發(fā)育情況進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 和圖2 所示。

由XRD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：HG 區(qū)塊煤層存在石英、高嶺石、氟磷灰石以及方解石等礦物；LC 區(qū)塊煤層存在石英、伊利石以及方解石等礦物。由電鏡掃描結(jié)果可知：HG 區(qū)塊儲(chǔ)層中的高嶺石呈片狀發(fā)育，煤層中發(fā)育有張性裂隙以及大量膠結(jié)疏松的煤基質(zhì)顆粒，這些基質(zhì)顆粒在流體的沖刷下極易脫落，因此排采過程中易產(chǎn)生自由顆粒，堵塞運(yùn)移孔道，產(chǎn)生速敏效應(yīng)。LC 區(qū)塊膠結(jié)致密，質(zhì)地較硬，表面發(fā)育有少量黏土礦物，在流體沖刷下，黏土礦物極易脫落，堵塞小孔隙，阻礙流體的運(yùn)移，產(chǎn)生速敏效應(yīng)。

表2 煤樣礦物組分分析結(jié)果Table 2 Analysis results on the mineral compositions of the coal samples

圖2 煤樣掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.2 SEM pictures of coal samples

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用巖心氣測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)儀，按照1.2 中所述的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行氣測(cè)滲透率實(shí)驗(yàn)，得出HG 和LC區(qū)塊樣品有效滲透率與出口流量之間的關(guān)系曲線。由圖3 可知，2 個(gè)區(qū)塊的巖心在流速較低時(shí)滲透率隨流速增加有較大程度下降，滑脫效應(yīng)明顯。進(jìn)一步研究視滲透率與孔隙平均壓力倒數(shù)之間的關(guān)系，分別做出k0-1/p關(guān)系圖并進(jìn)行線性擬合 (圖4)。

圖3 煤樣氣測(cè)有效滲透率隨流量變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the effective gas permeability of coal sample and the flow rate

圖4 煤樣視滲透率與平均壓力倒數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the gas permeability of coal sample and the derivative of average pressure

由圖4 可知：當(dāng)流速到達(dá)一定的值后，2 個(gè)區(qū)塊煤樣的k0與1/p之間斜率發(fā)生變化，偏離原有的線性關(guān)系，呈現(xiàn)出2 段線性關(guān)系。將2 個(gè)區(qū)塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到以下擬合公式。

HG 區(qū)塊的擬合公式

LC 區(qū)塊的擬合公式

式中，kHG1、kHG2、kLC1及kLC1分別表示不同擬合曲線計(jì)算出的視滲透率，10-3μm2；p為平均孔隙壓力，MPa；R2為擬合曲線的可決系數(shù)。

由擬合公式可知：HG 區(qū)塊的煤樣在1/pr為1.82 MPa-1時(shí)擬合曲線的截距由8.27 下降至6.33，說明該樣品的滲透率由 8.27×10-3μm2下降至 6.33×10-3μm2，下降幅度為23.46%，為弱速敏，且由滲透率隨流速的變化曲線可知，當(dāng)擬合曲線斜率發(fā)生明顯變化即發(fā)生流速敏感性的臨界出口流速為3.37 mL/s。按照1.3 中所述，獲得實(shí)際流速為

根據(jù)式(4)可計(jì)算地層水在HG 地層中的臨界流速為

同理，由式(12)和(13)可知，LC 區(qū)塊的樣品在氣體流量到達(dá)0.97 mL/s 時(shí)滲透率由0.53×10-3μm2降至0.33×10-3μm2。進(jìn)一步計(jì)算其臨界流速為7.2×10-3mL/s。

利用巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，按照SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行地層水的流速敏感性實(shí)驗(yàn)。其中，針對(duì)LC 區(qū)塊滲透率極低的情況對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試流速做了一定調(diào)整，由達(dá)西定律可得液測(cè)滲透率，2 個(gè)地層的液測(cè)滲透率隨流速的變化關(guān)系如圖5 所示。

圖5 煤樣液測(cè)滲透率隨流量的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the liquid permeability of coal sample and the flow rate

HG 區(qū)塊煤樣的液測(cè)流速敏感性實(shí)驗(yàn)表明：在低流速(流量0.25 mL/min)下測(cè)得的滲透率為2.71×10-3μm2，隨流速增加滲透率先小幅上升(上升幅度小于10%)之后下降；在流量大于1.0 mL/min 時(shí)滲透率下降加快，2.5 mL/min 時(shí)滲透率損害率達(dá)到39%，為中等偏弱速敏，液測(cè)流速敏感性的臨界流量為1.25 mL/min，液測(cè)和氣測(cè)臨界流量之間的誤差為

LC 區(qū)塊樣品在流速較低時(shí)滲透率保持平穩(wěn)，但當(dāng)流量大于0.5 mL/min 時(shí)隨流速增加滲透率急劇下降，流量為0.7 mL/min 時(shí)，滲透率損害率為69%，為中等偏強(qiáng)速敏，臨界流量為0.5 mL/min。2 種測(cè)試方法之間的誤差為

上述結(jié)果表明，2 個(gè)區(qū)塊液測(cè)和氣測(cè)臨界流量之間的誤差均在20%以內(nèi)。當(dāng)煤層滲透率較低(氣測(cè)滲透率低于1×10-3μm2)或煤心在液體中易分散時(shí)，可在一定程度上采用氣測(cè)法對(duì)臨界流速進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有液測(cè)流速敏感性評(píng)價(jià)方法不適合于煤層滲透率低、排水采氣共存的特點(diǎn)，以動(dòng)能定理為依據(jù)，考慮滑脫效應(yīng)的影響，建立了“氣液等效”流速敏感性的實(shí)驗(yàn)方法，并給出了液測(cè)速敏與氣測(cè)速敏之間臨界流速的關(guān)系式。

(2)對(duì)HG 和LC 兩個(gè)地層的流速敏感性進(jìn)行研究，氣測(cè)與液測(cè)的臨界流速之間的誤差分別為20%和13.6%，具有較強(qiáng)的可參考性。

(3)氣測(cè)煤樣流速敏感性具有方法操作簡(jiǎn)便，更適合低滲透性煤儲(chǔ)層排水采氣過程的特點(diǎn)，是對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)層液體流速敏感性測(cè)試方法的有益補(bǔ)充。