煤层气渗流规律与压力特征分析
煤层气渗流规律及其实验方法研究
煤层气渗流规律及其实验方法研究一、引言渗流力学是研究多孔介质内流体流动规律及其应用的科学。
自1856年Darcy 提出线性渗流定律以来，渗流力学就一直在不断地发展，并逐渐与其他学科交叉，在能源、资源的开发与利用以及工程建设中得到了非常广泛的应用。
渗流力学最先应用在水利工程和地下水资源开发等领域；随后又成为石油和天然气工业的一项基础理论。
随着煤层气这一新型清洁能源的重视与开发，渗流理论又应用在煤层气的开发与利用中。
煤层气渗流力学是研究煤层内瓦斯压力分布及其流动变化规律的理论，是由渗流力学、煤地质学、固体力学及采矿学等学科互相交叉渗透发展形成的。
自煤层气渗流力学创立至今深受有关研究人员的关注，尤其自20世纪80年代以来发展更为迅速，表现在：应用范围更广；基本理论不断深化；研究手段及方法不断现代化。
二、煤层气渗流规律研究内容及现状煤层气的渗流理论可分为线性渗流理论，非线性渗流理论，地球物理场效应的渗流理论和多煤层瓦斯越流理论，下面依次对其研究内容及现状做一简要介绍。
（一）线性渗流理论1、线性渗透理论为了适应采矿采煤业的大力发展，控制瓦斯技术已成为当时研究的关键技术之一，早在20世纪40年代末，前苏联学者就已经建立起考虑吸附煤层瓦斯作用的瓦斯控制方程[式(1) ]。
在我国，周世宁院士等[1]首先进行了将达西定律应用于煤层瓦斯流动理论的开拓性研究，认为煤层瓦斯的流动基本符合线性渗流规律，其观点对煤层瓦斯渗流的应用和瓦斯动力学研究具有相当重要的指导意义。
v k p nμ∂=-∂ （1） 式中：v 为流速；k 为煤层的渗透率；μ为瓦斯黏度系数；p 为瓦斯压力；p n ∂∂为瓦斯压力在流动方向上的偏导数。
此外还导出了瓦斯流量方程[式(2) ]：p q nλ∂=-∂ （2） 式中，q 为瓦斯流量；λ为煤层透气系数。
20世纪80年代，多位研究者在修正和完善数学模型、流动方程方而开展了相应的工作。
由于大多数井下瓦斯流动都可简化为一维的平行流动和径向流动的有限流场、无限流场或其组合，为此，郭勇义等[2]针对一维流动，结合相似理论提出了修正的流动方程。
煤层气藏水平井渗流规律与压力动态分析
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第 ３卷 第 １ ５ 期
２Ｏ Ｏ７年 ２月
煤 田地质 与勘探
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第六章煤储层的渗透性特征
第六章煤储层的渗透性特征第六章煤储层的渗透性特征煤储层渗透率是进行煤层气渗流分析的主要参数，在煤层气资源已查明的前提条件下，煤储层渗透率又是制约煤层气资源开发成败的关键因素之一。
国外理论和实践表明，煤储层在排水降压过程中，随着水和甲烷的解吸、扩散和排出，有效应力效应、煤基质收缩效应，气体滑脱效应使煤储层渗透率呈现动态变化。
第一节渗透性的基本概念渗透性即多孔介质允许流体通过的能力。
表征渗透性的量为渗透率。
与渗透率有关的概念有绝对渗透率、有效（相）渗透率和相对渗透率等。
一、绝对渗透率若孔隙中只存在一相流体，且流体与介质不发生任何物理化学作用，则多孔介质允许流体通过的能力称为绝对渗透率。
多孔介质的绝对渗透率与所通过的流体无关，只与介质的孔隙结构有关。
煤对甲烷、水等流体存在较强的吸附性。
因此，甲烷、水等流体通过煤储层时，测得的渗透率不能称之为绝对渗透率，只有不与煤发生任何物理化学作用的流体才能测得绝对渗透率，如氦气等惰性气体。
但气体通过煤储层时，会引起Klinkenberg 效应（气体滑脱效应）即在多孔介质中，由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上，气体分子就与与流动路径上的壁面相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿通道壁表面滑移。
这种由气体分子和固体间相互作用产生的滑移现象，增加了气体的流速。
因此，气体分子测得的渗透率需要经过滑脱效应校正才可得到绝对渗透率（克氏渗透率），即：+=m g p b K K 10 （6-1）式中，K 0—克氏渗透率；p m —平均压力（实验煤样进口压力与出口压力的平均值）；K g —每一个测点的气测渗透率；b —与气体性质、孔隙结构有关的常数。
对于气体在一根毛管内的流动来说，b 可由下式得出：rpc b λ4=（6-2）md ρπλ221=（6-3）式中，λ—对应于平均压力p m 时的气体分子平均自由程；r —毛管半径（相当于煤孔隙半径）；c —近似于1的比例常数；d —分子直径；m ρ—分子密度，与平均压力p m 有关。
煤层气储层特征研究分解
欠饱和的
饱和煤层（A）含有最大的气含量， 这在理论上是可能的，如由实验室确定 的等温吸附曲线所定义的。在开始脱水 和压力下降时，气生产立即开始。
欠饱和煤层（B）含有比煤层可能吸 附量要少的甲烷，由于先前发生过脱气事 件。为了使气产气甚至需要几年的时间进 行脱水和降压，而最终的储力
超压——煤层气井喷
三、储层的空隙压力与原地应力
2、煤层气瓦斯压力
煤层气（瓦斯） 压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤 层孔隙中的气体压力。煤储层试井测得储层压力是水压，二者的测试 条件和测试方法明显不同。煤储层压力是水压和气压的总和，在封闭 体系中，储层压力中水压等于气压；在开发体系中，储层压力等于水 压与气压之和。
同一煤样吸附不同气体：CO2>CH4>N2
CH4 CO2 N2
8
10
CH4 CO2 N2
8
10
四、煤储层的吸附性
2、煤层气吸附／解吸过程的差异与解吸作用类型划分
地质条件下的煤层气吸附过程与开采条件下的煤层气解吸过程的差异对比
煤层气物理吸附
煤层气物理解吸
作用过程
吸附偶于煤的热演化生烃、排烃 人为的排水-降压-解吸过程（是一 过程之中（是一种“自发过程”） 种“被动过程”）
一、煤层气的概念
1、煤层气
煤层气是以甲烷为主要成分的矿产，是在煤化作用过程中形成、储集 在煤层及其临近岩层中的非常规天然气。
2、煤层气储层
煤层作为煤层气的源岩和储层，具有2方面的特征：一是在压力作用 下具有容纳气体的能力； 二是具有允许气体流动的能力。
二、煤储层的渗透性
1、概念
储集层的渗透性是指在一定压力差下，允许流体通过其连通孔隙的 性质，也就是说，渗透性是指岩石传导流体的能力，渗透性优劣用渗透 率表示。
煤层气储层渗透性影响因素分析
煤层天然裂隙系统在某种程度上是渗透率的重 要影响因素， 一旦天然裂隙发育好， 煤层渗透率就 好， 其它因素如煤岩类型、 煤质、 煤级等均为次要作 ［4 ］ 。 用 总体来讲， 裂隙延伸方向、 裂隙宽度、 密度、 裂隙 的发育程度是影响煤储层高渗区分布的关键特征 。 裂隙延伸方向上渗透率较高， 裂隙宽度越大、 密度越 大、 连通性越好， 渗透率越高， 越利于流体的渗流， 这 对煤层气可采性评价有极其重要的指导意义 。
3
煤变质程度
煤变质作用指由褐煤转变为烟煤 、 无烟煤、 超无 烟煤的物理化学作用。煤变质的范围是从褐煤到石 压力和时间长期作用 墨的演变。煤的变质是温度、 的结果， 其中温度是煤变质的主导因素， 在煤的埋藏 过程中， 温度加速化学煤化作用， 而压力可以促进物 ， 理结构煤化作用 时间无疑是煤变质的因素之一。 煤变质作用是促使煤中显微裂隙和内生裂隙发育的 重要外部因素， 煤变质作用可使煤中孔隙产生次生 变化， 也可经过煤层中孔隙、 裂隙的发育改变煤的机 进而对其渗透性产生影响。 一般低变 械力学性质， 质和高变质程度的煤割理欠发育 ， 渗透性差； 中变质 程度的煤割理发育， 渗透性好。 Ammosov 等在研究割理密度与煤级之间的关系 割理密度从褐煤向烟煤 （ 肥煤、 焦煤 ） 方向 时发现， 增大， 而从烟煤向无烟煤方向减小， 呈正态分布， 即 低变质和高变质程度的煤割理欠发育， 中变质程度 ［8 ］ 的煤割理发育 。 但 Law 在对阿伯拉契亚盆地群 和落矶山盆地群的研究中发现， 从褐煤到无烟煤阶
gray认为由于煤层气解吸时煤基质会收缩使得裂隙扩张从而导致煤层渗透率的增大力减小时煤层气解吸煤基质体积减小且煤基质体应变与解吸的气体量呈线性关系和chen通过室内试验研究了与解吸有Байду номын сангаас的煤岩体基质体积变化后得出解吸引起的煤基质收缩变化远大于基质的压缩率juan盆地的现场实测数据验证了基质收缩理论的正确性煤层气开发过程中随着气水介质的排出煤基质发生收缩由于煤基质在侧向上受围压限制因此煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变只能沿裂隙发生局部侧向应变造成裂缝宽度增加渗透率增高
水_煤层气两相流体在煤层中的渗流规律
第12卷 第4期地质灾害与环境保护V o l.12, N o .42001年12月Journal of Geo logical H azards and Environm ent P reservati onD ecem ber 2001文章编号: 1006-4362(2001)04-0063-04 收稿日期: 2001203219基金项目: 国家自然科学基金资助项目(59574004)水—煤层气两相流体在煤层中的渗流规律张永利 邰英楼 王来贵(辽宁工程技术大学工程力学研究所,阜新 123000)摘要: 采用煤体承受有效应力、水—气混合流动及固—流相互作用的基本原理,建立了煤层气开采过程中水—煤层气两相渗流的基本方程;通过自行设计的实验装置,测定了煤层中水—煤层气共同流动时的两相流体的流量、渗透率及随水的饱和度变化关系,并据此模拟出了反映水—煤层气渗透基本规律,从而为煤层气开采提供了理论基础。
关键词: 煤层气;渗流;饱和度;渗透率中图分类号: TD 31513 文献标识码: A1 前言从20世纪70年代开始,美国首先在地面打钻孔抽取煤层气,以后引进常规油气钻孔开采方法和技术,已经成功地将煤层气作为一种矿藏资源进行开采。
到1992年底,全美共有7000多口煤层气井,年产量达3000×108m 3。
前苏联、西欧、澳大利亚都相继采用钻孔方法进行煤层气开采试验。
我国煤层气储量为(30～40)×108m 3。
20世纪90年代以来,开始引进美国技术分别在我国晋城、铁法等矿区试进行开采,目前已打井超过30口,但均未能形成稳定气流。
根据前人的实验研究,煤层气主要吸附在煤颗粒表面,空隙中主要是水。
随着水的抽出压力降低,煤层气解吸成为游离状态,成为水—煤层气两相流;而煤层气流动规律主要与水、煤层气在煤层中流动渗透率有关。
因而对煤层气中水—煤层气两相流体的渗透规律进行研究是非常必要的。
2 基本方程的建立2.1 假设条件在煤层气的开采过程中,假设:煤层温度不变,同时流体与煤体同温;煤体处处均质连续,流体和固体相互作用;煤层气处于吸附或游离状态,且不溶于水;煤层气吸附规律符合L angm u ir 理论;煤层气从孔隙、裂隙渗流到钻孔,故不考虑煤层气的扩散效应。
煤层气储层异常压力的成因机理及受控因素(1)
The formation m echanis m s of abnormal pressure and factor in control of the coalbed gas in Q inshui basin
WU Y ong-pin g , L I Zhong-dong , WANG Yun -cheng
图 1 镜煤面割理密度与 R o, max的 关系 F ig 1 The re la tion between v itra in surface parting density and reflectiv ity re la tions R o, m ax
第 4期
吴永平等 : 煤层气储层异常压力的成因机理及受控因 素
波认为在我国泌水盆地大城柳林等地区存在水动力封闭型煤层气藏但高压现象少见其原因在于我国煤层渗透率低一般在011100100110渗透率最大的抚顺煤田也仅为01541031810渗透率较好的水城丰程鹤岗开滦柳林等矿区只有0111011810说明我国煤层裂缝不太发育充填严重水力联系较差不具备大面积承压水发育条件地质历史中煤层气散失量大而缺乏水力能量补充而表现为低压特征1沁水盆地现今储层压力统计tablestatisticscoalbedreservoirpressure地区储层压力mpa最小最大最小最大2135515531633188186133106517231835127136132171612531905127136112沁水盆地异常压力成因机理实例211沁水盆地异常压力特点沁水盆地是我国煤层气勘探开发的主要地区本区含煤面积大煤层气资源量丰富
477
响顶、底板的封闭性造成异常压力体系. 当煤层持续抬升、储层温、压递减时 , 吸附气储集潜力低 , 煤层 气在水中溶解气的潜力也会降低, 储层中吸附气、溶解气向游离气转变, 储层中的游离气可能因卸压造成 的孔隙膨胀含气饱和度增加而有所增加 ( 超压状态 ) , 也可能因渗流逸散失而减少 , 部分或全部被转化的 游离气发生逸散 (欠压状态 ) . 断裂的发育, 通常对原始超压体系来说可能由于泄露作用导致低压异 常 , 而对非常压体系 , 通过它可以起到传递的作用 , 形成超压异常. 构造作用活动较强烈盆地其保存条件 遭到破坏是形成异常低压的主要因素之一 . 美国的圣胡安盆地和黑勇士盆地的地质条件 , 构造运动相对稳 定 , 煤层埋藏后没有大的抬升剥蚀, 保存条件好. 而我国的大部分煤区, 在煤变质结束后, 煤系又经过了 印支、燕山构造运动期的褶皱、抬升、剥蚀, 保存条件破坏 , 煤层气大量散失 , 新生代 , 地壳下降 , 接受 了再次沉积 , 虽然埋深增加, 但没有气体生成 , 含气饱和度低, 因而造成储层压力低. 1 3 水动力条件 水动力条件对煤储层压力也有较大的影响 . 地下水携带的矿物质在某些范围内的煤层割理沉淀 , 割理 [ 12] 被充填 , 该区的煤储层渗透率降低 , 阻止煤层气与外部环境交换 , 易于形成水压圈闭, 使压力得以保 持 . 在一定的封闭条件下 , 通常以压力水头高度来表示储层压力的大小. 水动力封闭型主要以美国圣胡安 盆地 F ru itland组煤层为代表, 美国的圣胡安盆地煤层气为超压的主要原因就是其承压水分布较广. 苏现 波认为 , 在我国泌水盆地、大城、柳林等地区存在水动力封闭型煤层气藏 , 但高压现象少见 . 其原因 - 3 - 3 - 3 在于我国煤层渗透率低, 一般在 0 1 10 ~ 0 001 10 m, 渗透率最大的抚顺煤田也仅为 0 54 10 ~ 3 8 10
煤层气扩散与渗流特性
第四章煤层是多孔介质，煤层气穿过煤层孔隙介质的流动机制可以描述为三个过程，即：由于压力降低使气体从煤基质孔隙的内表面上发生解吸；穿过基质和微孔扩散到裂隙中，扩散作用是由于在基质与裂隙间存在的浓度差引起的；在压力差作用下以达西流的方式在裂隙中渗流。
这三种作用是一个互为前提并且连续进行的统一过程，不能割裂开来单独进行。
第一节主要内容：一、煤层气扩散特征：气体穿过煤基质和微孔的扩散流动时由于体积扩散（分子与分子间的相互作用）、克努森扩散（分子与孔壁间的相互作用）和表面扩散（吸附的类液体状甲烷薄膜沿微孔隙壁的转移）共同作用的结果。
当孔隙直径大于气体分子的平均自由运动路程时，以体积扩散为主；当孔隙相对于气体分子的平均自由运动路程较小时，以克努森扩散为主。
各种类型的扩散流动都是气体随机运动的结果。
二、煤层扩散性影响因素从气体的流动特征来考察煤层扩散性的影响因素。
煤是一种双孔隙介质，气体在裂隙（割理）系统中为达西流，在煤基质块中为扩散流。
扩散系数是物质的一种传递性质，其值受温度、压力、混合物中组分浓度的影响，同一组分在不同的混合物中其扩散系数也不一样。
扩散系数的值越大，扩散性越好。
扩散系数和形状因子的测定是相当困难的，从实用的角度，一般可用吸附时间来近似的表示扩散作用进行的快慢。
吸附时间是一个特征时间。
其确切的物理意义为：总吸附气量（包括残留气）的63.2%被解吸出来所需的时间。
吸附时间是表征气体从煤基质中解吸出来快慢的定量指标，可作为表征气体从储层中扩散出来快慢的近似指标。
第二节主要内容：一、煤层气渗流特征：一般认为，在中孔（直径大于100nm）以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗流，并且可能存在两种方式，即层流和紊流。
二、煤层渗透性影响因素煤层是一种典型的双重孔隙介质，包括基质孔隙和割理两个系统。
由于基质孔隙平均直径通常很小，渗透率很低，为10-9~10-12m2，可视为零；而割理的渗透率一般在0.1×10-3~50×10-3m2之间。
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关键词 ：煤层 气 渗流规律
压 力特征
流动模型
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（ ．中石化集 团国际石油勘探开发公 司，北京 １
２ ．中国科学 院渗流流体力学研究所 ，河北廊坊 ３ ．中石化 石油 勘探 开发研究 院 ，北京
１０８ ； ００３
０５０ ； ６０７
１０８ ） ００ ３
摘
要 ：本 文采 用非 平衡 态吸 附模 型 ，研 究单相煤 层 气在煤 体和割 理 中的 流动规 律 。在拟稳 态流
和 不稳 态流 的数 学模 型假 设 下 ，用气体 拟压 力代替 Ｌ ｎ ｎ ｉ吸 附公 式 中的 压 力 ，得到 气层 中拟 压 ａ￣ ｕｒ
力所满足的方程 ，并对渗透率变异系数和双重介质参数 变化 时压力的变化规律进行 了分析。这 些
结果 为煤 层 气藏 开发 提供 了理论依 据和 新 的试 井模 型。
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第 ３卷 第 ２ 期
２Ｏ 年 ４月 Ｏ６
中国煤层气
ＣＨ Ａ Ｃ０ＡＩ ＢＥＤ ３１ ＭＥ ４ＡＮＥ
Ｖｏ ３ Ｎｏ． １． ２ Ａｐ ． ２ Ｏ ｔ Ｏ ６
煤层 气渗 流规 律 与 压 力特征 分 析
李 涛 何 应付２ 曹丽 丽