煤岩渗透率各向异性实验评价研究——实验样品取自陕西韩城矿区

王 亚，刘新伟，白 佳，解雄涛

(1.中国石油煤层气有限责任公司陕西技术服务分公司，陕西西安 710000；2.中国石油煤层气有限责任公司忻州分公司；3.中国石油煤层气有限责任公司临汾分公司)



煤岩渗透率各向异性实验评价研究
——实验样品取自陕西韩城矿区

王 亚1，刘新伟1，白 佳2，解雄涛3

(1.中国石油煤层气有限责任公司陕西技术服务分公司，陕西西安 710000；2.中国石油煤层气有限责任公司忻州分公司；3.中国石油煤层气有限责任公司临汾分公司)

煤岩渗透率各向异性对煤层气开发具有重要的影响。采用氦气及甲烷对不同围压条件下陕西韩城矿区煤样面割理及端割理方向渗透率进行了测定。结果表明：煤岩渗透率存在明显的各向异性，面割理与端割理方向渗透率之比可达5.1～9.0；随着围压增大，不同方向渗透率比值逐渐增大,各向异性效应增强；实验范围内氦气渗透率整体高于甲烷渗透率，但前者所测渗透率比值整体低于后者；围压增大导致的渗透率损失量受实验流体影响极小，且对各向异性效应的影响不明显。

煤岩；渗透率实验；各向异性

我国煤层气资源丰富，合理开采和利用煤层气资源具有重大的现实意义。煤储层渗透率是控制煤层气经济开发的重要控制因素[1-3]。煤的双重介质特性，以及煤层气吸附与有效应力的共同作用使得煤储层渗透率呈现出与常规油气藏显著不同的复杂的动态变化特征。前人针对应力作用下的单相气渗透率进行了大量的实验研究[4-7]，并建立了一系列的渗透率动态演化预测模型[8-10]。然而，煤岩裂隙发育具有显著的各向异性特征，其面割理与端割理方向渗透率之比变化大，尽管已有学者基于理论分析建立了煤岩渗透率各向异性动态变化的理论模式，但相应的室内实验尚未见诸报道。本文拟通过稳态实验方法，探讨不同围压条件下的煤岩渗透率各向异性变化特征。

1 实验样品

实验煤样采自我国煤层气勘探开发较为活跃的陕西韩城矿区，所取煤岩试样面割理与端割理相互交错，呈现出明显的各向异性特征，煤质分析结果见表1。分别沿面割理及端割理方向钻取直径为2.5 cm的岩心，钻取后将岩心端面进行切割打磨，试样两端面平整度偏差在0.05 mm内，制成长度约为4 cm的岩心，用聚乙烯膜将岩心包好密封。

2 实验方法

实验所用设备为美国岩心公司ULTRAPERM-400渗透率测定仪，实验用气体是纯度99.99%的氦气及甲烷气，实验温度是30 ℃。测试前，将岩心置于90 ℃恒温箱中烘干4 h，以去除水分对渗透率测定的影响。试样和上下压头之间放置多孔刚性垫片，以使测试过程中流体能够均匀地通过试样。煤样安置后，首先对煤样施加围压pc，待围压稳定后打开试样上下端进出流体阀门，向实验系统中充入所用气体，待上下游压力稳定后，记录压力及对应的流量，根据稳态法公式计算该围压下煤岩的渗透率：

表1 煤样工业分析与煤岩分析结果

(1)

式中：k——气体渗透率，10-3μm2；A——煤样截面积，cm2；L——煤样长度，cm；P0——大气压力，MPa；μ——气体黏度，mPa·s；Q0——大气压力下的流量，cm3/s；P1P2——两端口压力，MPa。

本实验的围压设置级别为2，3，4，5，6 MPa。实验过程中保持上游入口端压力为1.0 MPa，下游回压为0.5 MPa。测试流体为氦气及甲烷。先开展试样低围压实验，实验结束后逐步增大围压，接续开展高围压实验。

3 实验结果

图1和图2所示分别为不同围压条件下的煤岩面割理及端割理方向渗透率。由图中可看出，对同一煤样，氦气渗透率与甲烷渗透率均随围压增大而呈现出递减的趋势，采用指数关系(式2)可对渗透率递减趋势进行较好的拟合(R2>0.95)。表2所示为不同气体不同方向渗透率递减关系拟合参数，由表中可看出，对于同一试样，氦气渗透率拟合值a要高于甲烷渗透率拟合值，表明氦气渗透率要高于甲烷渗透率，其原因在于：氦气为惰性气体，在煤岩基质中无吸附效应，而甲烷在煤岩基质的表面吸附促使基质出现膨胀效应，煤岩裂隙趋于闭合，进而导致甲烷渗透率降低。

k=ae-b σ

(2)

式中：a，b——待拟合参数，σ——有效应力，MPa。

图1 围压对面割理方向渗透率的影响

测试气体拟合参数面割理端割理氦气abR210．550．530．962．470．600．95甲烷abR28．410．560．961．320．620．96

图3所示为面割理与端割理方向渗透率比值km/kd随围压的变化趋势，由图中可得：相同围压条件下，氦气所测得的渗透率比值(5.1～6.6)要低于甲烷所测比值(7.3～9.0)。随着围压的增大，不同气体所测得的各向异性效应趋于变强，其中：氦气测得的渗透率比值由5.1增大至6.7，增幅为32.0%；甲烷测得的渗透率比值由7.3增大至9.0，增幅为23.3%。

图2 围压对端割理方向渗透率的影响

图3 围压对渗透率比值km/kd影响

为进一步探究围压对渗透率各向异性效应的影响作用，利用Wang建立的考虑各向异性影响的渗透率动态演化模型[12]。对实验数据进行拟合，其模型表达式为：

(3)

式中：k0——初始渗透率，10-3μm2；φ0——初始孔隙度，无因次；Kb——体积模量，MPa；p0——初始孔隙压力，MPa；εL——吸附应变，无因次；Δσ——围压增量，MPa；F1、F10——Δσ及初始围对应的膨胀系数，无因次。

通过反复试算和实验发现，在孔隙压力一定的条件下，孔隙度与体积模量对渗透率的影响作用较为显著(图4)，而膨胀系数、吸附应变、孔隙压力对渗透率的影响较小。

由图5中可看出，采用Wang模型可对实验结果进行较好的拟合，拟合所得φ0Kb为7.7。采用不同气体测得的不同割理方向的渗透率比值随围压增量极为接近，表明渗透率比值的各向异性效应φ0Kb较弱。

图4 φ0Kb对渗透率比值k/k0随围压增量变化的影响

图5 渗透率比值k/k0与围压增量关系

4 结论

通过对不同围压条件下煤样面割理及端割理方向渗透率进行的测定，利用氮气及甲烷气体进行对比分析，主要获得了以下认识和成果：

(1)煤岩渗透率存在明显的各向异性，面割理与端割理方向渗透率之比可达5.1～9.0；

(2)随着围压增大，不同方向渗透率比值逐渐增大,各向异性效应增强；

(3)实验范围内氦气渗透率整体高于甲烷渗透率，但前者所测渗透率比值整体低于后者；

(4)围压增大导致的渗透率损失量受实验流体影响极小，且对各向异性效应的影响不明显。

[1] 吕祥锋, 潘一山, 刘建军, 等.煤层气-水两相流渗透率测定实验研究[J].水资源与水工程学报，2010,21(2):29-32.

[2] 杨宇，孙晗森，彭小东，等.煤层气储层孔隙结构分形特征定量研究[J].特种油气藏，2013，20(1)：31-33，38.

[3] 张志刚. 含瓦斯煤体渗透规律的实验研究[J].煤矿开采，2011,16(5):15-18.

[4] 孟召平,侯泉林.煤储层应力敏感性及影响因素的实验分析[J].煤炭学报，2012,37(3)：430-436.

[5] 胡国忠，王宏图，范晓刚，袁志刚.低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12):2527-2534.

[6] Pan Z, Connell L.D, Camilleri M. Laboratory characterisation of coal reservoir permeability for primary and enhanced coalbed methane recovery[J].International Journal of Coal Geology, 2010,82 (3), 252-261.

[7] 艾池，栗爽，李净然，等.煤岩储层渗透率动态变化模型[J].特种油气藏，2013，20(1)：71-73.

[8] Liu J, Chen Z, Elsworth D, et al. Linking gas-sorption induced changes in coal permeability to directional strains through a modulus reduction ratio[J]. International Journal of Coal Geology,2010,83(1)：21-30.

[9] Shi J Q, Durucan S. Drawdown induced changes in permeability of coalbeds: a new interpretation of the reservoir response to primary recovery[J].Transport in Porous Media, 2004, 56 (1)：1-16.

[10] Durucan Sevket, Ahsan Mustafa, Syed Amer, et al. Two phase relative permeability of gas and water in coal for enhanced coalbed methane recovery and CO2storage[J].Energy Procedia, 2013, 37(3)：6730- 6737.

[11] Johnson E F, Bossler D P, Naumann V O, Calculation of relative permeability from displacement experiments. Petroleum Transactions,1995,216(6)：370-372.

[12] Wang G X, Massarotto P, Rudolph V.An improved permeability model of coal for coalbed methane recovery and CO2geosequestration[J].International Journal of Coal Geology, 2009,77 (1)：127-136.

编辑：韩玉戟

1673-8217(2016)06-0092-03

2016-04-29

王亚，1989年生，2011年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现从事煤层气开发工作。

国家重大油气专项“煤层气排采工艺及数值模拟技术研究”(ZX2011-05038)。

TE312

A