沁水盆地柿莊南區塊煤層氣藏自改造動態分析

王　彬，周　彪，王新宇，閆兆金，薛洪剛，汪　洋，湯　勇

（1．西南石油大學油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室，四川成都　610500；2．中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒　841000；3．中國石油大學（北京）石油工程學院，北京　102249）

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沁水盆地柿莊南區塊煤層氣藏自改造動態分析

王彬1，周彪2，王新宇3，閆兆金1，薛洪剛1，汪洋1，湯勇1

（1．西南石油大學油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室，四川成都610500；2．中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；3．中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

摘要：不同于常規氣藏，煤層氣藏開采過程中存在自改造效應，即隨著地層壓力的降低，儲層滲透率會發生復雜變化。大量研究表明：有效應力、煤基質收縮、Klinkenberg效應是自改造效應的三大控制因素，改進的SD模型更能準確描述欠飽和煤層氣藏滲透率動態變化規律，結合實際數據，計算分析表明，楊氏模量對自改造效應影響最大，泊松比對自改造效應影響最小。

關鍵詞：產出特征；影響因素；優選模型；動態分析

沁水盆地柿莊南區塊是我國煤層氣開發最成功的區塊之一，區塊內主要發育二疊系下統山西組的3#煤層和石炭系上統太原組15#煤層，3#和15#煤層具有厚度大、滲透率低、儲層壓力低、欠飽和的特征。對該區壓裂井觀測發現，開采過程中，其儲層滲透率變化較大，自改造效應明顯。

本文通過對自改造效應影響因素的分析[1-4]，結合煤層氣的產出特征和沁水盆地柿莊南區塊的實際情況，優選了改進的SD模型對沁水盆地南端3#和15#煤層自改造效應過程進行了模擬計算，結果分析具有一定的精度。

1　煤層氣的產出特征

1.1煤層氣的賦存狀態

煤儲層對煤層氣的容納能力遠遠大于基質孔隙和裂隙體積[5，6]，其賦存狀態有別于常規氣藏天然氣的賦存狀態。目前，普遍認為煤層氣以吸附態、自由態、溶解態三種狀態賦存于煤層中，以吸附態為主，基質的微小孔隙中以吸附態為主，裂隙中以自由態和溶解態氣體為主。

1.2煤層氣產出機制

煤儲層的生產分為三個階段，單相流階段：煤層氣尚未開始解吸，井筒附近只有單相流動；非飽和單相流階段：氣體開始解吸并向煤中裂隙系統擴散，但氣體并不能流動，該階段出現了氣、水兩相，但只有水相可以流動；氣、水兩相流階段：隨著井筒壓力進一步降低，氣體進一步解吸、擴散，水中含氣已達飽和，氣泡相互連接，形成連續流動，水的相對滲透率減小，氣的相對滲透率增大，在裂隙系統中形成氣、水兩相達西流動。

2　自改造效應影響因素

2.1有效應力

有效應力作用于煤層氣開采的整個階段，據Harpalani實驗室研究表明，在高壓情況下有效應力的影響起主導作用。地層壓力的降低，且有效應力作用的情況下，煤儲層裂隙閉合，儲層滲透率降低。

2.2煤基質收縮

煤基質在吸附和解吸氣體過程中會引起自身的膨脹和收縮。煤層氣開采過程中，儲層壓力降至臨界解吸壓力以下時，煤層氣開始解吸，煤層氣的解吸導致煤基質體積變小，儲層滲透率升高。

2.3 Klinkenberg效應

Klinkenberg效應即滑脫效應，是低滲透氣藏開發過程中常見的現象，國外煤層氣自改造分析中一般會忽略該效應的影響，但與國外煤層相比，我國煤儲層具有壓力低，低滲和特低滲的特征，因此，對于自改造效應的動態分析，不能忽略Klinkenberg效應的影響。

3　優選模型

基于欠飽和煤層氣藏開發特征，考慮到儲層壓力處于臨界解吸壓力以上時，煤儲層僅受有效應力影響，儲層壓力低于臨界解吸壓力時，煤基質受收縮效應和klinkenberg效應的影響。改進的SD模型更適合分析欠飽和煤層氣藏開發過程中的滲透率變化趨勢，其綜合模型表達式為：

其中，k－壓力p下的滲透率，mD；k0－原始儲層壓力下的滲透率，mD；cf－割理壓縮系數，無量綱；υ－泊松比，無量綱；pc－臨界解吸壓力，MPa；b－壓力p下的滑脫系數，MPa；bc－臨界解吸壓力點的滑脫系數，MPa；E－楊氏模量，MPa；ε－蘭氏應變常數，無量綱；pL－蘭氏壓力，MPa。

4　自改造效應動態分析

4.1參數選取

由于沁水盆地柿莊南區塊各井地層壓力、蘭氏體積、蘭氏壓力、臨界解吸壓力、含氣飽和度等參數均有差異，且無法根據實際數據擬合出該區塊煤的等溫吸附曲線與臨界解吸壓力圖，因此，初始參數取值（見表1）。

表1　參數的選取

4.2動態分析

4.2.1楊氏模量楊氏模量的增大，對前期有效應力單獨作用段的儲層滲透率傷害影響不大，對后期自改造效應階段自改造效率影響很大，楊氏模量是表征煤體不可壓縮性的物理量，楊氏模量越大，有效應力導致的煤體形變越小，解吸過程中，實際滲流通寬度越大，自改造效率越高（見圖1）。

圖1　楊氏模量敏感性分析

4.2.2割理壓縮系數割理壓縮系數越大，儲層滲透率傷害越大，自改造效率越高。割理壓縮系數是表征割理可壓縮性的物理量，割理可壓縮性越強，有效應力對儲層滲透率傷害越大，同時，基質收縮過程所引起的割理局部側向應變也越大，自改造效率越高（見圖2）。

圖2　割理壓縮系數敏感性分析

4.2.3蘭氏應變常數蘭氏應變常數越大，自改造效率越高，儲層滲透率傷害程度幾乎不受其影響。蘭氏應變常數是表征基質吸附和解吸后基質形變大小的物理量，顯然，其值越大，基質收縮越明顯，自改造效率越高（見圖3）。

4.2.4蘭氏壓力蘭氏壓力越小，自改造效率越高，儲層滲透率傷害程度不受其影響。蘭氏壓力是指吸附量達到蘭氏體積一半時對應的壓力。由定義，含氣量相同情況下，蘭氏壓力越小，吸附氣量越多，自改造效率越高（見圖4）。

圖3　蘭氏應變常數敏感性分析

圖4　蘭氏壓力敏感性分析

4.2.5滑脫系數滑脫效應越大，自改造效率越高，同時儲層壓力大于1 MPa時，不同滑脫系數下的儲層滲透率基本相等，滑脫效應不明顯，而儲層壓力小于1 MPa時，不同滑脫系數下的儲層滲透率差異顯現（見圖5）。

圖5　滑脫系數敏感性分析

4.2.6泊松比泊松比對自改造效率并沒有太大的影響，因為泊松比表征煤體橫向變形能力，由于煤層側向受圍壓限制，因此煤體橫向變形并不會很大（見圖6）。

5　結論

煤層氣開采過程中，解吸所引起的滲透率增大，遠遠大于有效應力導致的滲透率降低；對自改造效應的影響，有楊氏模量＞割理壓縮系數＞蘭氏應變常數＞蘭氏壓力＞滑脫系數＞泊松比的關系；對應力越不敏感，解吸變形越大，地層壓力越低的煤層自改造效應越明顯。

圖6　泊松比敏感性分析

參考文獻：

［1］藍強.煤儲層應力敏感性及產能預測研究［D］.北京：中國礦業大學，2014.

［2］付玉.煤層氣儲層數值模擬研究［D］.四川：西南石油大學，2004.

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［5］張健，汪志明.煤層應力對裂隙滲透率的影響［J］.中國石油大學學報，2008，32（8）：92-95.

［6］李祥春，聶百勝.煤層滲透性變化影響因素分析［J］.中國礦業，2011，20（6）：112-115.

Coal gas reservoirs self-transformation dynamic analysis in Shizhuang south block of Qinshui basin

WANG Bin1，ZHOU Biao2，WANG Xinyu3，YAN Zhaojin1，XUE Honggang1，WANG Yang1，TANG Yong1
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China；2.Tarim Oilfield Company，PetroChina，Korla Xinjiang 841000，China；3.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract:Unlike conventional gas reservoirs, coalbed methane reservoirs have the effect of self-transform, namely with decreasing reservoir pressure, reservoir permeability complex changes occur.Numerous studies show that, effective stress and coal matrix shrinkage, Klinkenberg effect is self-transformation effect of the three controlling factors, improved SD model more accurately describes undersaturated coalbed methane reservoir permeability dynamic variation, combined with the actual data, calculation and analysis show that Young's modulus of the greatest impact on self-transformation effect, Poisson's ratio of self-transformation effect with minimal impact.

Keywords：output characteristics；factors；preferred model；dynamic analysis

作者簡介：王彬，男（1990-），碩士研究生，研究方向為氣田開發理論。

基金項目：國家自然科學基金項目“高溫高壓CO2-原油-地層水三相相平衡溶解度規律”，項目編號：51404037。

*收稿日期：2016－01-05修回日期：2016－01-15

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.02.005

中圖分類號：TE132.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）02-0020-04