煤储层启动压力梯度的实验测定及意义

摘 要

摘要：煤层气的运移产出流态是煤层气井产能预测的理论基础，目前煤层气井产能预测大多采用达西渗流模型，预测结果与实际相差较大，因此判定煤层气在储层内部的运移流态至关重要。在
摘要：煤层气的运移产出流态是煤层气井产能预测的理论基础，目前煤层气井产能预测大多采用达西渗流模型，预测结果与实际相差较大，因此判定煤层气在储层内部的运移流态至关重要。在RMT-150B岩石力学伺服试验机的基础上，设计出一套测试启动压力梯度的装置，通过实验得到流经煤样的气体流速与压力平方差，而两者并非通过原点的线性关系，证明启动压力梯度的存在。通过测试不同煤样的启动压力梯度与渗透率，其回归曲线表明：两者呈负指数关系，相关度达0.933，且随着渗透率降低，其启动压力梯度逐步增大，在低渗透阶段增加趋势就更加明显。煤的启动压力梯度存在证明煤层气运移流态为非线性渗流，该结论对改进煤层气井产能预测模型有指导意义。
关键词：煤层气；流体流动；启动压力梯度；渗透率；非达西流；生产能力；预测；实验室；试验
0 引言
    最早提出启动压力梯度概念的是1951年前苏联的B.A.费劳林，他认为只有当实际压力梯度大于某一临界值时，流动才能发生，此临界值称为启动压力梯度[1～2]。开发低渗透油气藏的过程中发现其中的流体渗流不再遵循达西定律，而是带有启动压力梯度的非线性渗流[3～4]。到目前为止，确定低渗透油气藏非达西流启动压力梯度的方法主要有室内测试法、数值实验法、理论计算法、生产分析法、稳定试井和不稳定试井，注水见效时间预测法等[5]，其中室内测试又可分为“气泡法”、“毛细管平衡法”、“稳压法”和“压差流量法”等，测试对象基本是砂岩储层，而对煤储层启动压力梯度的测试还未见报道。
    目前煤层气井产能预测的主要依据是达西渗流理论，造成产能预测不准确，例如张冬丽等在模拟煤层气羽状水平井产能时发现：考虑启动压力梯度梯度将使降压效果变差，产量大幅度减小[6～7]。因此要正确预测产能，就必须正确认识其储层特征和渗流规律，前提条件是准确测试煤储层的启动压力梯度，这对煤层气开发具有重要指导意义。
1 启动压力梯度测定原理
采用吴凡等计算砂岩启动压力梯度的方法[8～9]，当不考虑启动压力梯度时的气体渗流方程为：
 
式中：v为气体流速，m/s；K为渗透率，m2；p1为入口压力，Pa；p2为出口压力，Pa；p0为大气压力，101325Pa；μ为气体黏度，Pa·s；L为气体流经长度，m。
    可以看出，v与p12-p22为通过原点的线性关系。当存在启动压力梯度时应该为：
    v=a(p12-p22)-b    (2)
式(2)中a、b为常数，令v=0，则p1与p2关系为：
 
所以启动压力梯度为：
 
因此，只要通过回归v与p12-p22之间关系，求出常数a和b，代入式(4)就可计算启动压力梯度。
2 实验与结果
2.1 样品制备与实验系统
样品采自阳泉煤电集团寺家庄煤矿的15#煤层，加工成Φ50×50mm的煤心，实验系统包括密封橡胶套、试验机加载及控制系统、高压气源、气体流量及压力测试等几部分(见图1)。
 

   由于改造的样品室仅能容下Φ50×50mm的煤样，因此在不影响测试启动压力梯度的前提下，没有采用岩石力学测试常规的样品尺寸Φ50×100mm(高为直径的2倍)。干燥基煤样的工业分析结果为：灰分6.43%、挥发分7.46%、水分l.23%。
2.2 实验结果与分析
2.2.1启动压力梯度计算
RMT-150B伺服试验机加载的轴向力4kN，围压2MPa，为了保证测试过程封闭良好，所加气压不超过围压2MPa。实验采用“倒退法”：即先将气压调到较高值燃后关闭稳压阀门，测试一系列压力梯度对应的流量。以煤样11为例，由于出口端直通大气，因此式(4)中的p2=p0=101325Pa，部分测试数据见表1，计算的渗透率为0.2mD，流速与压力平方差的关系见图2。
 

2.2.2渗透率与启动压力梯度的关系
   依上述的测试手段和启动压力梯度计算方法，对同一煤样钻取的其余10个煤心进行测试和计算，样品信息和结果见表2。
 
    从表2可以看出，同一煤样在同一个方向和相同的测试条件下其渗透率及启动压力梯度相差较大，这种离散的结果主要是制样过程对煤样的扰动造成的。依据渗透率和启动压力梯度的对应关系作图3，启动压力梯度与渗透率呈负指数关系：λ=0.11108K-0.33034，相关系数达0.933，随着渗透率的降低启动压力梯度逐步增大，这种现象在低渗透阶段更加显著。

3 煤储层启动压力梯度测定的意义
    气体流态是煤层气开发的理论依据，而启动压力梯度是线性渗流、非线性渗流与扩散3种流态的判断标准[10]，即
 
    存在启动压力梯度是煤储层的特点，但以往瓦斯参数测试是基于煤层气产出服从线性渗流定律，忽略了低速非线性渗流和扩散；煤层气井产能模拟显示启动压力梯度是产能下降和有效开采时间缩短的主要原因之一。通过研究表明：煤储层的启动压力梯度的确存在，并且可以通过室内测试来查明，这对指导煤层气开发有重要的现实意义和理论价值。
4 结论
    1) 在RMT-150B岩石力学伺服试验机基础上，设计了一套用于测量煤样启动压力梯度的实验流程，可在不同的围压和轴向压力下测试煤样的启动压力梯度。试验结果和数据计算结果拟合表明此方法是可行的。
    2) 实验数据表明气体通过低渗透煤样时存在低速非达西现象和启动压力梯度，并回归了启动压力梯度与渗透率关系曲线，随着渗透率的降低启动压力梯度逐步增加，在低渗透阶段更加显著。
参考文献
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(本文作者：郭红玉1，2 苏现波1，2 1.河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室；2.河南理工大学能源科学与工程学院)