煤层气储层毛管压力对煤层气开发效果的影响

贾慧敏，闫 玲，毛崇昊，张 庆，张光波，樊 彬

（中石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 长治046000）

煤层气储层具有渗透率低、孔隙度低和含气饱和度低的特征[1]，煤层气井具有单井产量低、井间产量差异大的特征。煤层气储层物性差，毛管压力大，毛管压力对煤层保存及开发具有重要的影响。目前关于毛管压力对常规气藏开发的影响的研究较多，冯乔等认为常规储层孔隙流体压力与毛细管力间为动态平衡，只有当孔隙流体压力大于或等于毛细管力时，才能成为油气运移的动力[2]。杨朝蓬等认为低渗致密气藏孔吼细小，束缚水饱和度普遍较高，存在阈压效应，对气体的产出具有重要的影响[3]。李功强等认为低渗储层渗透率低、毛管压力大，气体难以克服毛管压力而被封闭在孔隙中[4]。而关于毛管压力对煤层气赋存及产出的影响，则研究较少，张国华等认为孔隙内外之间的压力差小于毛细管压力时，气体不能产出[5]。张芬娜等基于毛细管模型和渗流能量方程，建立了产气通道门限渗流模型，分析了煤层气产出的临界条件[6]。宋金星等认为煤层气储层孔隙内两相界面会产生毛细管压力，致使其微孔内气相压力远高于静水柱压力，形成微孔超压环境[7]。目前研究主要集中在毛管压力对甲烷的封堵作用方面，并没有针对不同储层毛管压力差异分析其对煤层气产出的影响。因此提出了毛管压力对煤层气封堵的机理及类型，并提出了煤层气储层的3种类型及其生产曲线，以期为进一步认识毛管压力对煤层气保存及产出的影响提供借鉴。

1 煤层气储层润湿性及毛管压力

1.1 润湿性实验及实验结果

实验样品为沁水盆地南部樊庄、郑庄区块煤样，加工为5 mm 薄片，将表面打磨平整；实验用水为樊庄、郑庄区块煤层气井采出水；煤岩润湿性采用接触角评价法进行评价，实验参照行业标准SY/T 5153—1999《油藏岩石润湿性测定》进行。

对樊庄、郑庄区块19 块煤样进行煤岩-水接触角测定，数据表明，煤岩与采出水接触角为45.63°～59.57°，平均51.99°。因此毛管压力存在有利于煤层气保存，毛管压力越大，越利于煤层气保存；同时，在煤层气产出过程中，毛管压力是阻力，毛管压力越大，产出阻力越大。

1.2 毛管压力计算

毛管压力采用Laplace 公式计算[8]：

式中：pc为毛管压力，MPa；σ 为液体表面张力，mN/m，取蒸馏水的界面张力73.55 mN/m 计算；θ 为采出水与煤样间接触角，根据实验结果取平均值51.99°进行计算；r 为孔隙半径，nm。

利用式（1）计算，樊庄、郑庄区块孔隙半径对毛管压力的影响如图1。

图1 樊庄、郑庄区块孔隙半径对毛管压力的影响Fig.1 Effect of pore radius on capillary pressure in Fanzhuang and Zhengzhuagn blocks

毛管压力的本质是界面张力[9-10]，在煤层气生成前，煤层完全被水相饱和，不存在毛管压力。在储层压力作用下，甲烷气体生成后被吸附在煤岩孔隙表面，随着生成的甲烷气体增多，煤岩孔隙中的气体压力也逐渐增加，当吸附气量大于煤层的最大吸附气量时，开始出现游离气，孔隙中游离气的压力小于突破压力时，气体被封闭在孔隙中，而孔隙中游离气的压力大于突破压力时，气体开始逸散产出。

以沁水盆地南部为例，当煤层埋深为700 m 时，静水压力一般为5.6～6.3 MPa。图1 表明，研究区域储层煤岩孔隙半径及其毛管压力分布范围较广，因此，不同孔隙的气体突破压力差异较大。例如，当孔隙半径为10 nm 时，毛细管压力达9.1 MPa，10 nm孔隙的气体突破压力可达到14.7～15.4 MPa；当孔隙半径为30 nm 时，毛细管压力仅为3 MPa，则其气体突破压力仅为8.6～9.3 MPa。

由于不同半径孔隙气体突破压力不同，即使储层生烃量、所经历的构造运动等其他条件相同时，孔隙中气体含量也存在差异。利用裂缝指数评价煤储层天然裂缝发育情况，裂缝指数计算公式为：

式中：FI为裂缝指数，表征储层裂缝综合发育程度；Wz、Wc分别为主、次裂缝宽度，μm；Dz、Dx分别为主、次裂缝密度，条/cm。

沁水盆地南部Q1 井含气量与裂缝指数随埋深关系如图2。结果表明，裂缝指数越大，储层含气量较低，这是由于储层裂缝指数越高，裂缝越发育，储层平均孔隙半径较大，则毛管压力越低，气体突破压力越低，在煤层甲烷形成过程中气体逸散量大，因此含气量较低。这充分证明了毛管压力对煤层气封堵机理的正确性。

图2 Q1 井含气量与裂缝指数随煤层埋深关系Fig.2 The gas contents and fracture index versus buried depth on well Q1

2 毛管压力3 种封堵类型

假设其他条件相同，只有孔隙半径存在差异时，对于理想的单毛细管模型，存在3 种封堵类型，毛管压力对甲烷3 种封堵类型如图3。

图3 毛管压力对甲烷3 种封堵类型Fig.3 3 blocking types of coalbed methane by capillary pressure

对于不同孔隙半径的单一毛细管模型，假设孔隙中气体压力pp恒定，静水压力相同（气体突破压力与毛管压力差值恒定），则随着孔隙半径增加，毛管压力和相应的气体突破压力pt均持续降低。以pp=pc和pp=pt为界限，可将毛管压力对气体的封堵分为3 种类型。①第1 类：孔隙中气体压力小于毛管压力（即pp＜pc），该类孔隙半径较小，毛管力较大，孔隙中气体压力不能克服毛管压力，单纯通过降低静水压力气体不能产出；②第2 类：孔隙中气体压力大于毛管压力但小于气体突破压力（即pc＜pp＜pt），该类孔隙中气体可以压力可以克服毛管压力，但不能达到突破压力，需通过排水降低静水压力，进而将气体突破压力降至气体压力后，气体才能产出；③第3 类：孔隙中气体压力大于气体突破压力（即pp＞pt），该类孔隙中不需要排水降压即有气体产出。

3 毛管压力对煤层气开发的影响

许多研究表明，煤层气储层可用Matchstick 模型来表征，利用Matchstick 模型将上述基于理想的单毛细管模型划分的3 种封堵类型升级为相应的3种储层模型，3 种储层模型及典型生产曲线、实际生产曲线分别如图4、图5。

图4 3 种储层模型及典型生产曲线Fig.4 The schematic of 3 types of formation and the corresponding production curves

图4（a）为毛管力圈闭型储层，储层物性条件差、孔隙半径小、毛管压力大，大部分孔隙属于第1种封堵类型，该类储层孔隙中气体压力小于毛管压力，即使通过持续排水将储层静水压力降至0 MPa，储层孔隙中气体压力仍然不能克服毛管压力，气体仍然不能产出，其典型理论曲线如图4（b），煤层中水持续产出，储层静水压力持续下降，但不会有气体产出。该类储层压裂改造后，部分孔隙结构被破坏，毛管压力降低，部分甲烷气体会产出，但由于水力压裂不能有效的改变基质孔隙，一般不能形成持续气量，表现为“一股气”。该类储层开发效果最差，一般不能实现效益开发。其实际生产曲线如图5（a），井底流压间接表征储层静水压力，煤层气井投产后，井底流压由3.5 MPa 降至0.09 MPa 一直产水，并未产气。

图5 3 种储层模型实际生产曲线Fig.5 The real production curves of 3 types of formation

图4（c）为欠饱和型储层，该类储层物性条件较好、孔隙半径适中，毛管压力相对较小，大部分孔隙属于第2 种封堵类型，孔隙中气体压力大于毛管压力，孔隙中气体主要依靠地层静水压力封闭吸附在孔隙中，因此，可通过持续排水降低静水压力，使甲烷气体从孔隙中产出。其典型理论曲线如图4（d），通过持续排水降低静水压力，当孔隙中气体压力等于气体突破压力时，气体开始产出，随着储层静水压力持续下降，产量逐渐增加，该类储层开发效果较好，为最为常见的煤层气储层，可以实现效益开发。其实际生产曲线如图5（b），井底流压由4.3 MPa降至2.7 MPa，气体开始解吸产出，随着井底流压降低，日产气量持续增加并达到2 000 m3，开发效果相对较好。

图4（e）为饱和型储层，该类储层物性条件好、孔隙半径较大，毛管压力很小，大部分孔隙属于第3种封堵类型，孔隙中气体压力大于气体突破压力，不需要排水降压，甲烷气体即可以产出。其典型理论曲线如图4（f），煤层气井投产后，气体即开始产出，该类储层开发效果最好，利于高产稳产。煤层气井投产后即开始产气，随着井底流压降低，产量持续增加并达到2 500 m3，开发效果最好。

4 结 论

1）研究区煤岩为水湿，煤层气产出过程中毛管压力为阻力，因此毛管的压力越大，越不利于煤层气产出。

2）甲烷生成后在毛管压力及储层静水压力作用下吸附在煤岩孔隙表面，当孔隙中气体压力小于突破压力时，气体被封闭在孔隙中，不同半径孔隙的气体突破压力差异较大，导致孔隙中气体含量也存在差异，现场数据证实煤层裂缝指数越大，储层含气量较低，这充分证明了毛管压力对煤层气封堵机理的正确性。

3）以pp=pc和pp=pt为界限，可将毛管压力对气体的封堵类型分为3 种，据此可将储层划分为毛管力圈闭型储层、欠饱和型储层和饱和型储层3 种。毛管力圈闭型储层，孔隙半径小、毛管压力大于孔隙中气体压力，持续排水降压不能克服毛管压力，气体不能产出，开发效果最差；欠饱和型储层，孔隙半径适中、孔隙中气体压力大于毛管压力，可通过持续排水降低静水压力，进而使孔隙中气体压力小于气体突破压力时，气体持续产出，开发效果相对较好；饱和型储层，孔隙半径较大，毛管压力较小，孔隙中气体压力大于气体突破压力，不需要排水降压，甲烷气体即可以产出，能够实现高产稳产。