常见的煤储层渗透率测试方法及原理-煤岩渗透率稳态法测试实验

渗透率变化分析

1.围压稳定,改变驱替流速

根据实验监测数据可知(图5-23,图5-24,图5-25),在等围压、变流速实验条件下,随着驱替流速增大,煤岩渗透率有增大趋势,且流速越大,不同煤岩组分的3号煤、5号煤、11号煤渗透率变化趋势越接近;相同驱替流速条件下,3号煤、5号煤、11号煤的渗透率变化特征各异。低驱替流速条件下,11号煤的渗透率明显小于3号煤及5号煤,而随着驱替流速的提高,三种实验样品的渗透率均相应地增大,但11号煤的渗透率增大幅度大于3号煤及5号煤,至高驱替流速条件时,11号煤、3号煤及5号煤的渗透率几乎一致。11号煤的渗透率变化相对简单,首先为快速提升阶段,随后为平稳持续阶段,3号煤、5号煤的渗透率变化则相对复杂,实验过程中出现较大幅度的波动,驱替流速变大后,波动的起伏相对较弱。

初步分析认为:煤岩中黏土矿物可显著影响渗透率的变化。11号煤的黏土矿物含量最高,其黏滞吸附力最强,黏滞吸附作用会使分散的煤粉颗粒迅速聚合。同时黏土矿物在驱替液的冲蚀作用下容易从骨架颗粒上脱落,随驱替液易于迁移而产出,渗透率则迅速提升。3号煤、5号煤的黏土矿物含量较少,在围压稳定时,煤粉颗粒相对更分散,颗粒间结合力更小,驱替流速越小,煤粉的运移排出过程就越复杂,渗透率变化则会越无序(李小明等,2015)。

图5-23 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-5mL/min条件下渗透率曲线

图5-24 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-15mL/min条件下渗透率曲线

图5-25 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-25mL/min条件下渗透率曲线

2.驱替流速稳定,改变围压

根据实验监测数据可知(图5-26,图5-27,图5-28),在等流速、变围压实验条件下,随着围压增大,煤岩渗透率均有所降低,不同煤岩组分的3号煤、5号煤、11号煤渗透率变化差异明显。11号煤的渗透率变化最小,其次是5号煤,渗透率变化最大的是3号煤。初步分析认为:煤岩中镜质组的易脆性影响渗透率的变化。围压的提高会造成性脆易碎的镜质组破裂,趋于碎屑、粉末状。这导致3号、5号煤形成了更多的煤粉颗粒。同时较少的黏土矿物含量无法有效地使煤粉颗粒聚合,导致煤粉整体运移缓慢,而后期煤粉排出增多未能疏通逐渐堵塞的有效导流裂缝,表现为渗透率持续降低。

图5-26 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-3MPa条件下渗透率曲线

图5-27 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-5MPa条件下渗透率曲线

图5-28 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-7MPa条件下渗透率曲线

综上所述,渗透率受煤岩中镜质组及黏土矿物含量的影响较大。其中11号煤的渗透率受驱替流速的影响最大,3号煤次之,5号煤最小;3号煤的渗透率受围压的影响最大,5号煤次之,11号煤最小。镜质组含量越多,产出煤粉受围压变化的影响越大;黏土矿物含量越多,产出煤粉受驱替流速变化的影响越大。因此,针对具有不同组分特征的煤储层,开采煤层气、控制煤粉产出需要采取合理的生产调控方案,尽量减轻、缓和煤储层压力波动,降低对煤储层的伤害(李小明等,2015)。

岩石渗透率的实验室测定

岩石渗透率的实验室测定方法都是基于达西定律，所以尽管采用各种不同的仪器设备，原理都是一致的。只要测出岩心样品两端的压力差和通过样品的流量，便可以依据所用流体的黏度，利用相应的达西公式计算出渗透率。

测试的样品有常规小岩心和全直径岩心两种。对于非均质储层，采用全直径岩心进行测定，结果更具代表性。测定时，如采用Hassler型岩心夹持器（图1－11），可分别测出同一岩样的水平方向和垂直方向的渗透率。

图1－11 Hassler型岩心夹持器的结构示意图

物理模拟实验原理与目的

根据煤粉产出特征及影响因素等方面的研究可知:煤岩自身性质是煤粉产出的基础,工程扰动是煤粉产出的诱因,而构造煤的发育是煤粉产出的关键。煤岩自身性质包括煤岩成分、煤体结构等,工程扰动包括钻井工程、储层改造、排采过程中流体、压力等储层特征的变化。因此,通过开展煤粉产出物理模拟实验,模拟煤层气的排采过程,分析不同因素对煤粉产出和运移的影响,揭示煤粉产出规律(姚征,2013)。

煤粉产出物理模拟实验是一种研究煤层气开发中煤粉从何产出、如何运移及煤粉特征、储层伤害等的室内分析方法。通过模拟煤储层静态地质特征及煤层气动态生产过程,还原再现煤粉在煤储层中的动态产出规律与流态运移方式,以此分析煤粉产出的影响因素、煤粉特征及储层伤害强度。煤粉产出物理模拟实验通过模拟煤储层物性特征及煤层气排采过程,讨论煤粉产出影响因素与动态变化规律。分析煤粉产出的静态地质因素从实验样品,即煤岩组分和煤体结构的差异性入手;分析煤粉产出的动态生产因素从实验条件,即不同流体驱替流速和不同围压条件入手。实验中讨论的变量包括煤岩组分、煤体结构、驱替流速、围压强度,应用控制变量法,逐一分析上述变量对产出煤粉的质量、粒度、组分、形态、表面特征及岩心渗透率变化的差异影响,进而揭示煤粉产出规律(曹代勇等,2013)。因此,煤粉产出物理模拟实验的原理及目的包括以下五点:

(1)通过模拟煤层气井排采生产中不同条件下的煤储层有效应力、地层围压、排水强度等状态,分析驱替流速及围压等因素对煤粉产出的动态影响,为初步查明韩城区块煤层气井煤粉产出规律提供实验依据;

(2)通过选择具有不同煤岩组分特征的煤岩样品进行物理模拟实验,对比分析煤储层的物质成分差异性对煤粉产出的影响;

(3)通过选择具有不同煤体结构类型的煤岩样品进行物理模拟实验,对比分析煤储层的煤体结构差异性对煤粉产出的影响;

(4)通过对比分析不同实验条件下煤粉的产出质量、组分构成、粒度分布、形态特征及煤岩样品渗透率的动态变化,揭示实验条件下煤粉产出规律,讨论煤粉在煤储层及排采系统中的赋存及运移状况,为查明煤粉对煤储层的渗透性伤害及排采设备的连续性危害提供理论证明。