煤岩储层渗透率动态变化模型研究

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1、煤岩储层渗透率动态变化模型研究摘要：煤层气开采过程中煤岩储层渗透率随压力降低不断变化。考虑有效应力、基质收缩以及滑脱效应对渗透率的影响，建立煤储层渗透率动态变化模型。研究表明：开采初期，储层压力降低，有效应力增大，渗透率降低；煤层气解吸，煤岩基质收缩，渗开透率回弹；开采后期，有效应力与基质收缩的影响逐渐减弱，滑脱效应占主导地位，渗透率明显增加。关键词：煤储层；渗透率；有效应力；基质收缩；滑脱效应StudyondynamicpermeabilitymodelofcoalseamAbstract:Thecoalseampermeabilityconstant

2、lychangeswiththedecreasingofpressure.Consideringtheimpactsofeffectivestress,matrixshrinkageandslippageeffectonthepermeability,thedynamicpermeabilitymodelofcoalseamisestablished.Atthebeginningoftheproduction,thecoalseampressuredecreases,theeffectivestressincreases,whichleadstheper

3、meabilitytodecrease;thereleaseofthecoalseamgasleadstothecoalmatrixshrinking,thepermeabilityrebounded.Inthelaterstageoftheproduction,theeffectsoftheeffectivestressandmatrixshrinkagetapersoff,theslippageeffectoccupiestheleadingposition,thepermeabilityofcoalseamhavebeenimprovedobvio

4、usly.Keywords:coalseam;permeability;effectivestress;matrixshrinkage;slippageeffect引言煤岩渗透率决定煤层气在煤层中的流动能力，煤储层渗透性的变化规律不同于常规砂岩油气藏呈不对称“U”型变化。排采过程中有效应力、基质收缩和滑脱效应共同调节着煤层渗透率的变化。目前国内外学者在煤岩渗透性影响因素方面做了大量研究。赵阳升等实验发现煤的渗透率与有效应力呈负指数相关，随着有效应力的增加，渗透率降低[1]；GrayI、HarpalaniS等研究得到煤层气解吸时，煤基质收缩，渗透率回弹[2

5、-4]；肖晓春等实验验证了低渗透煤样中气体滑脱效应存在的普遍性[5]。以往研究多局限于单一因素对渗透率的影响，不能反映整个排采过程中渗透率的变化。本文以有效应力、基质收缩以及滑脱效应对渗透率影响为基础，建立描述排采过程中煤储层渗透率动态变化的数学模型。1.煤层有效应力对渗透率的影响煤储层所承受的总应力包括孔隙流体压力以及有效应力两部分。有效应力决定煤岩变形及其强度特性。根据有效应力原理，煤层有效应力是指作用于煤层的上覆岩层压力与其孔隙裂隙中流体压力之差。（1）式中：为有效应力，MPa；为总应力，MPa；为Biot系数；为孔隙流体压力，MPa。煤层气井排采

6、过程中，上覆岩层压力近似不变，随着孔隙流体不断采出，煤体骨架承受的有效应力增加。当煤储层压力由下降到时，有效应力的增大量为：（2）式中：为煤层初始压力，MPa；为任意时刻的煤层压力，MPa。有效应力增大引起单位体积煤岩孔隙体积的压缩量为：（3）式中：为孔隙体积压缩系数，MPa-1。如果仅考虑有效应力对煤层渗透率的影响，压力降低到时的孔隙度为：（4）式中：为煤层原始孔隙度，无因次。根据孔隙度和渗透率之间的关系[6]，此时煤层渗透率为：（5）式中：为煤岩初始渗透率，；为煤岩在压力下的渗透率；。由式（5）可以看出储层压力下降，有效应力增加，渗透率降低。2.煤岩

7、基质收缩对渗透率的影响煤层压力降到临界解吸压力以下时，煤层气解吸导致基质收缩效应增强，裂隙变宽渗透率回弹。已有研究表明，吸附—解吸引起的应变数据能被精确的模拟成类似于朗格缪尔等温吸附模型[7]。（6）式中：为基质收缩应变；为理论最大应变量；为煤储层压力，MPa；为煤样达到最大应变量一半时的压力，MPa。煤层气排采过程中，储层压力由降至时，煤基质收缩量为：（7）煤储层垂向受上覆岩层的约束，水平方向的体积收缩才能使孔隙体积增大。假设煤岩为各向同性储层的情况下，水平方向的体积应变可以表示为：（8）式中：、分别为x、y方向上的体积应变。根据线弹性理论，单位体积煤

8、岩孔隙度的变化可表示为：（9）式中：为泊松比；为基质收缩引起的孔隙体积变化量。（