煤层气渗透率模型

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第

26卷第

3期

2007年

8月Vol.26No.3

Aug.200712　JournalofShandongUniversityofScienceandTechnology

NaturalScienc

e

应力场、地温场、压力场对煤层气储层渗透率影响研究

———以山西沁水盆地为例

孙立东1,2

,赵永军2

,蔡东梅3

(

1.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院

,黑龙江大庆

163453;2.中国石油大学(华东)地球资源与信息学

院

,山东东营

257061;3.中国石油大学(北京)资源与信息学院

,北京

102249)

摘　要

:为了确定煤层气储层渗透率的变化规律

,从岩石力学性质分析入手

,以山西沁水盆地上古生界煤层气储层

的实际地质情况为例

,探讨了构造应力场、地温场、压力场对煤储层渗透率分布的控制机理。研究表明

,构造应力

场的应力2应变控制着储层裂隙的发育规律

,地温场通过控制煤岩的力学性质而改变应力场的作用效果

,而随着压

力场作用增强

,渗透率降低。

关键词

:应力场

;地温场

;压力场

;煤储层

;渗透率

中图分类号

:P618.11 文献标识码

:A 文章编号

:16722

3767(

2007)

032

00122

03

ResearchonEffectofPressure,Geo2

temperatureandStressFieldsonPermeability

ofCoalbed2

gas2

bearingSeamsinQinshuiBasin

SUNLi2

dong1,2

,ZHAOYong2

jun2

,CAIDong2

mei3

(

1.TheExplorationandDevelopmentResearchInstitution,DaqingQilfieldLimitedliabilitycompany,Daqing,Heilongjiang

引　言　低渗非达西煤层气井渗流数学模型　

建立与应用　

陈建华，王新海，刘　洋，成双华，吴剑　

（中国石油大学（北京），北京１０２２４９）　■＇９●簟３—　２０１２ｄ￣－６胄　

摘要：低渗透煤层气藏中的气体渗流存在非达西效应，使用常规方法对其进行产量预测与计算　时易出现误差。为有效解决该问题，在考虑启动压力梯度影响的条件下，建立了低渗煤层气藏　气、水两相渗流数学模型。利用有限差分法进行了数值求解，编制煤层气直井开采数值模拟计　算程序进行了产能预测，并分析了煤层参数对产量变化的影响。研究表明：①煤层气井生产　时，存在气产量迅速升高、水产量迅速降低的阶段；②吸附时间越短，气产量越早到达高峰期，　

一定时间内产量也越高；启动压力梯度越大，高峰期后产量下降越快，最终产量也越小；③吸附　气超饱和煤层气产量＞饱和煤层气产量＞欠饱和煤层气产量。　关键词：煤层气藏；启动压力梯度；数学模型；产能预测；渗流数学模型　中图分类号：ＴＥ３１２；ＴＥｌ３２．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—６５３５（２０１２）０３～００９７—　

０４　

国内外学者对于煤层气流动规律已进行了大　

量研究。早在１９４７年，前苏联学者ＫｐＨＨ＇ＩｅＢＣＫＨｆＩ　

Ｐ．Ｍ．０开创性地应用达西定律来描述煤层气流动　

并建立了相应的流动方程。１９８７年孙培德在幂定　

律推广形式的基础上，建立了均质和非均质煤储层　中气体非线性流动模型　１１。２００６年邓英尔等采用　

实验、理论与计算相结合的方法，建立了低渗透煤　

层中气体非线性渗流的运动方程　Ｊ。煤层属于低　

渗透储层，在中国更是存在低压、低渗、低吸附气饱　和度的特性　Ｊ。因此，在煤层中的渗流过程应该　

考虑启动压力梯度的影响。　

ｌ数学模型的建立　

在建立气、水两相渗流数学模型时，存在以下　

基本假设：①煤层视为基质微孔一裂缝双重介质；　

②原始状态裂缝中由水充满或含少量的游离气，大　

量气体以吸附形式存在于基质中；③气体为真实气　

２００７年３月　第２２卷第２期　西安石油大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ　ａｎ　Ｓｈｉｙｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｍａｒ．２００７　Ｖ０１．２２　Ｎｏ．２　文章编号：１６７３—０６４Ｘ（２００７）０２—０１１３—０３　基于分形理论的煤层瓦斯渗透率参数估计方法　Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｇａｓ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｒａｃｔａｌ　ｔｈｅｏｒｙ　李守巨，刘迎曦　（大连理工大学工业准备结构分析国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４）　摘要：基于分形理论和达西定律，研究了孔隙的弯曲分形维数和表面积分形维数与瓦斯渗透率参数　之间的关系；数值模拟了煤层孔隙的弯曲分形维数和表面积分形维数对瓦斯渗透率参数的影响．研　究表明，瓦斯渗透率随着孔隙弯曲分形维的增加而降低，随着孔隙表面分形维和最大毛细管直径的　增加而增加；应用分形理论可以获得煤层孔隙发育程度和分布特征比较精确的定量信息．　关键词：瓦斯；渗透率；分形维；弯曲分形维　中图分类号：ＴＵ４５２，ＴＩ］ｒ７２１　文献标识码：Ａ　煤层是一种典型的多孔介质，瓦斯在煤层中的　传输过程和特征主要取决于煤层孔隙的空间分布状　态．由于煤层本身的孔隙性和裂隙性特点，如果没有　对煤层的几何性质、地质结构和瓦斯系统充分正确　的认识，就不可能建立准确的力学模型，更谈不上数　值模拟瓦斯扩散和渗流问题．　对于煤层和瓦斯系统而言，煤颗粒的分布、孔隙　通道的形状、裂隙的粗糙度与网络结构以及煤颗粒　的表面积都具有分形特征．引入分形模型，在煤炭开　采以及煤层气开采过程中，瓦斯的吸附、解吸和传输　过程是在分数维分布的孔隙和裂隙中进行的，这样，　此过程中新的现象与规律将被揭示出来，这是以前　连续介质模型所不具备的，无疑也将促进瓦斯的吸　附、解吸和传输过程复杂性问题的进一步深入研究．　１　瓦斯渗透率参数的分形估计方法　由于煤层中孔隙和裂隙结构分布的复杂性和随　机性，使得传统的基于连续介质力学的描述方法具　有某些局限性和片面性，很难从整体上把握煤层瓦　斯渗流特性．分形几何模型通过分数维来描述自然　界中广泛存在的随机、无规则而具有近似相似性或　者统计意义上自相似性的系统，并在深层次上揭示　自然界所遵循的自相似性规律，即“尺度变换不变　性”，为煤中孔隙和裂隙结构的研究提供了一种全新　的方法，它将不规则的几何体集合视为分形体，按分　形几何的方法定量求解分形体空间分布特征参数　——分形维，能够有效地刻画出含裂隙煤层的几何　体形态Ｃ１－８１．　如图１所示，对于具有不同直径和长度的多个　图１具有分形特征的弯曲毛细管　毛细管组成的毛细管束，毛细管的弯曲长度可以采　用弯曲分形维的幂指数律加以描述，即　ＬＴ（　）＝￣Ｉ－ＤＴＬｏＴ，　（１）　收稿日期：２００６—１１—１５　基金项目：国家自然科学基金（项目编号：１０４７２０２５）　作者简介：李守￣（１９６０一），男，博士，副教授，主要从事岩土力学及其参数估计研究．

- 1 - 气煤孔隙率

气煤是一种有许多应用价值的天然燃料，它对人类的工业生产和日常生活都有重要的作用。气煤的孔隙性能也是影响气煤的性能和应用价值的关键性能。因此，对气煤孔隙率的了解和研究可以更好地了解气煤的能力，从而有效地利用气煤。

气煤的孔隙率是指其中孔隙的含量，是衡量气煤中孔隙的量化参数之一。气煤的孔隙率主要由其岩石结构、裂缝、孔洞等孔隙存在形式等不同因素决定。

根据气煤孔隙度的不同程度，可以将其大体分为三类，即高孔隙煤、中孔隙煤和低孔隙煤。高孔隙煤的孔隙率高于20%，中孔隙煤的孔隙率可以达到8%-20%，低孔隙煤的孔隙率低于8%。其中，高孔隙煤具有空间和结构特性优良，易于气体贮存，因此有较高的热量值和发热量，是高效烧烤和气化燃料的理想材料。同时，由于具有良好的孔隙率，它也具有良好的煤粉化性能，可以用于烟尘排放量更小的低烟无烟烟囱燃烧。中孔隙煤则主要用于锅炉燃烧，是常见的室外热力发电火力发电的主要燃料；而低孔隙煤的热值较低，但易碎，块度大，主要用于无烟锅炉中。

气煤孔隙率的测定一般采用国家标准《气煤煤质检测方法》，即根据湿法和乾法进行测定。湿法测定把一克气煤，放入一定体积的容器中，并且加入一定量的水，用压力释放仪振荡一段时间后，测得其体积增加的百分率即为其孔隙率。而乾法测定则采用气煤的吸气滤器法，即把一定体积的气煤粉末放入封盖的容器中，置于无压的环境中， - 2 - 用特定的滤器吸入气体，测量滤器内的气体压力，计算其孔隙率。

孔隙率除了可以评价气煤的燃烧性能，还可以用来评价气煤的气化性能，从而使用气煤转化成气化燃料，为我们提供更多的能源。由于气煤的孔隙性及其特点，在气化过程中，孔隙率的变化不仅会影响气化燃料的热效率，而且还会影响气化燃料的气相成分，因此对气煤孔隙率的了解和研究是利用气煤的重要前提。

气煤孔隙率的测定及其影响因素研究，有助于提高气煤的品质，增加气煤的应用价值，是目前研究的重要课题和重要研究方向。首先，我们需要深入了解气煤孔隙率的决定因素，如岩石类型、孔洞结构等，从而发现提高气煤孔隙率的关键技术点；其次，我们需要研究气煤孔隙率的测定方法，探索更加精准的测定方法；最后，我们需要深入研究各种影响气煤孔隙率的因素，改善气煤的孔隙性能，以达到提高气煤的应用价值的目的。