6煤的渗透性及地质控制

第六章煤储层的渗透性特征第一节渗透性的基本概念第二节煤层气的扩散与渗流第三节扩散系数与渗透率测试与实验第四节渗透率的动态变化*第五节渗透性的地质控制第六节渗透性研究方法第一节渗透性的基本概念一、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。二、单相渗透率单相渗透率系指单相流体通过煤岩体孔、裂隙时的渗透率。通过测量煤岩样在一定压差下的流体流量，然后由达西定律计算出单相渗透率。202120102ppALqpKggg01210ppALqKKg—气测渗透率，；p0—大气压，MPa；qg—大气压下气流量，cm3／s；—在测定温度下CH4的粘度，mPa·s；L—煤样长度，cm；A—煤样横断面面积，cm3；p1—进口压力，MPa；Kw—水单相渗透率，；qw—大气压下水流量，cm3／s；—在测定温度下水的粘度，mPa·s。2310m2310mgw三、有效（相）渗透率若孔隙中存在多相流体，则多孔介质允许每一相流体通过的能力称为每相流体的相渗透率，也称为有效渗透率。四、相对渗透率有效（相）渗透率与绝对渗透率的比值称为相对渗透率。0KKKwerw0KKKgergrwK、rgK分别为水、气相对渗透率；weK、geK分别为水、气有效渗透率；0K为气相克氏渗透率0K为气相克氏渗透率。mgpbKK10五、三级渗流宏观裂隙裂隙渗透率紊流或层流显微裂隙裂隙渗透率达西渗流孔隙基质渗透率菲克扩散六、三种流态稳态:储层内任一部位的流体压力不随时间和流体产量变化而变化；准稳态:储层内任一部位的流体压力随时间和流体产量呈线性变化；非稳态:流体压力不随时间和流体产量呈非线性变化。七、三种渗透率效应1、有效应力效应ceeKK30Ｋe—一定应力条件下的绝对渗透率；Ｋ0—无应力条件下的绝对渗透率；c—煤的孔、裂隙压缩系数；Δσ—从初始到某一应力状态下的有效应力变化值。2、煤基质收缩效应3、气体滑脱效应pm—平均压力b—与气体性质、孔隙结构有关的常数。mpbKK0滑脱效应第二节煤层气的扩散与渗流一、扩散1、（准）稳态扩散——Fick第一定律煤基质显微孔隙内甲烷气体的扩散系在浓度差的驱动下进行的，若单位时间内通过单位面积的扩散速度与浓度梯度呈正比。2、非稳态扩散——Fick第二定律煤层甲烷的扩散通量既随时间变化，又随距离变化。二、渗流1、线性达西定律PKV2、渗流阶段3、渗流的非均质性（1）面裂隙；（2）端裂隙；（3）显微裂隙（4）煤基质块；（5）渗流椭圆第三节扩散系数与渗透率测试一、扩散系数实验1、实验原理根据气体在浓度梯度下通过岩样自由扩散的原理，在岩样两端的扩散室中，一端冲入甲烷气体，另一端冲入氮气，在恒温、恒压条件下，各组分气体的浓度随时间而变化，通过测试在不同时间两扩散室各组分气体的浓度，可求得烃类气体在岩样中的扩散系数。1,3－取样阀；2－岩心夹持器；4－恒温箱；5,7,8,9,12,13－截止阀；6－差压传感器；10,11－压力表；14,15－三通阀二、渗透率测试与实验（一）试井渗透率高渗透率煤储层，渗透率大于1010-3μm2中渗透率煤储层，渗透率大于1~10×10-3μm2低渗透率煤储层，渗透率小于110-3μm2高渗：Kt1×10-3μm2；中渗：0.1×10-3μm2Kt1×10-3μm2；低渗：Kt0.1×10-3μm21md=0.98710-3µm2渗透率分类国外国内（二）实验渗透率煤岩样品渗透率实验通常包括气（He、CH4）、水单相渗透率和CH4气、水双相渗透率实验。1、样品制备实验煤样常沿层理方所钻取，直径有25mm、38mm、50mm、75mm四种规格，高度通常为直径的2倍。实验前将煤样置于干燥器中干燥12h~24h待用。φ100mm300mm×300mm×300mm压力增量指示器压力控制加湿器X射线探测器岩芯卡上流压力调节器氦瓶下流液体压力计手动加载回转压力调节器湿度测量计总流量计加回压阀门温度探头氦瓶计算机声波分离器X射线源图2　非稳态气水相对渗透率测定装置示意图5号煤样0510152025303540202530354045505560含气饱和度／％相对渗透率／％KrgKrw1号煤样05101520253035400510152025303540含气饱和度／%相对渗透率／%KrgKrwSgoSwoSSgoSwoRo,max=1.65%Ro,max=2.87%镜质组反射率／％CH4克氏渗透率/10-3μm2He绝对渗透率/10-3μm2水单相渗透率/10-3μm22.873.8019.7430.2052.170.3480.4410.0792.100.0290.0290.0071.890.0340.0370.0151.650.2130.2480.0820.890.1250.1310.011煤岩体单相渗透率测试成果第四节渗透率的动态变化采气过程中煤储层的自调节效应压力基块裂隙渗透率解吸基块裂隙渗透率负效应正效应-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811.21.522.533.5镜质组最大反射率(%)渗透率综合变化率(%)5.3MPa4.2MPa2.2MPa3.2MPa煤储层渗透率动态变化模拟结果0.00.51.01.52.02.53.00510152025时间/年模拟渗透率/mdRo,max2.7%K=1719.7d-1.0874r=0.99Ro,max=1.65%山西沁源煤样y=0.3814e-0.1218xr=0.960.2000.2250.2500.2750.3002.02.53.03.54.04.55.0有效应力/MPa渗透率/10-3μm2第五节渗透性的地质控制一、地应力构造应力场：裂隙特征局部构造：裂隙发育程度强烈变形煤：阻塞裂隙埋藏深度：静压力y=0.0492e0.681xr=0.9600.10.20.30.40.50.60.70.81.21.62.02.42.83.23.64.0Ro,max/％c0.000.200.400.600.801.001.206007509001050120013501500H/mKs/10-3μm2Ro,max=2.87%012345600.050.10.150.20.250.3构造曲率(10-4/m)渗透率(10-3um2)0123450306090120150现代构造应力场主应力差(MPa)试井渗透率(10-3um2)背压调节阀柱塞泵柱塞泵控制仪孔隙压力系统液体体积计量器真空泵气瓶出口压力传感器差压传感器入口传感器二、埋藏深度y=30.412X-2.5902r=0.5850.010.11102468101214最小水平应力／MPa渗透率×10-3μm2•双重裂隙介质面裂隙，端裂隙渗透率各向异性三、裂隙系统大裂隙：切穿整个煤层，甚至顶板中裂隙：切穿几个煤的自然分层或光泽岩石类型分层，包括夹矸小裂隙：切穿几个煤岩石类型分层微裂隙：局限在一个煤岩类型分层内第六节渗透率研究方法一、裂隙分析在井下进行宏观裂隙描述、统计，在室内进行显微裂隙观测。裂隙分析的内容包括裂隙走向、倾角、长度、连通性、高度、宽度、密度、裂隙表面形态、裂隙粗糙度、裂隙充填状态和裂隙指数等，进行裂隙分级、力学性质分类、组合形态描述及煤自然粒级块度分形、宏观裂隙、显微裂隙系统分形研究，建立煤储层渗透率与裂隙面密度、或裂隙分形维数之间的拟合关系；开展煤岩体裂隙宽度与围限压力的实验模拟，再利用裂隙宽度，结合裂隙产状和裂隙密度进行深部煤储层渗透率预测。二、煤体结构分析淮南主采煤层y=7.6428e-0.0968xr=0.790.0010.010.11100102030405060708090100Ⅱ、Ⅲ类构造煤厚度百分比/％渗透率×10-3μm2利用电测井、声波测井、放射性测井、井间成像技术、地震资料评价煤体结构和煤储层裂隙发育情况，间接获得煤储层渗透性好坏的相对资料，利用煤层气试井资料，建立煤储层渗透率与煤体结构的耦合关系，进一步拟合出煤储层渗透率与地球物理响应之间的经验公式。在渗透率与围限压力实验模拟的基础上，建立煤储层渗透率与储层埋深的关系，进行深部煤储层渗透率预测；在分析试井资料的基础上，建立渗透率与实测地应力的耦合关系，利用引进的FLAC-3D和其它一些力学商业软件，结合煤岩体的力学实验，模拟煤储层的三维地应力状态，通过深部地应力数值模拟后，再进行深部渗透率数值模拟。三、应力渗透率物理模拟与数值模拟