煤層氣儲層毛管壓力對煤層氣開發(fā)效果的影響

賈慧敏，閆 玲，毛崇昊，張 慶，張光波，樊 彬

（中石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 長治046000）

煤層氣儲層具有滲透率低、孔隙度低和含氣飽和度低的特征[1]，煤層氣井具有單井產量低、井間產量差異大的特征。煤層氣儲層物性差，毛管壓力大，毛管壓力對煤層保存及開發(fā)具有重要的影響。目前關于毛管壓力對常規(guī)氣藏開發(fā)的影響的研究較多，馮喬等認為常規(guī)儲層孔隙流體壓力與毛細管力間為動態(tài)平衡，只有當孔隙流體壓力大于或等于毛細管力時，才能成為油氣運移的動力[2]。楊朝蓬等認為低滲致密氣藏孔吼細小，束縛水飽和度普遍較高，存在閾壓效應，對氣體的產出具有重要的影響[3]。李功強等認為低滲儲層滲透率低、毛管壓力大，氣體難以克服毛管壓力而被封閉在孔隙中[4]。而關于毛管壓力對煤層氣賦存及產出的影響，則研究較少，張國華等認為孔隙內外之間的壓力差小于毛細管壓力時，氣體不能產出[5]。張芬娜等基于毛細管模型和滲流能量方程，建立了產氣通道門限滲流模型，分析了煤層氣產出的臨界條件[6]。宋金星等認為煤層氣儲層孔隙內兩相界面會產生毛細管壓力，致使其微孔內氣相壓力遠高于靜水柱壓力，形成微孔超壓環(huán)境[7]。目前研究主要集中在毛管壓力對甲烷的封堵作用方面，并沒有針對不同儲層毛管壓力差異分析其對煤層氣產出的影響。因此提出了毛管壓力對煤層氣封堵的機理及類型，并提出了煤層氣儲層的3種類型及其生產曲線，以期為進一步認識毛管壓力對煤層氣保存及產出的影響提供借鑒。

1 煤層氣儲層潤濕性及毛管壓力

1.1 潤濕性實驗及實驗結果

實驗樣品為沁水盆地南部樊莊、鄭莊區(qū)塊煤樣，加工為5 mm 薄片，將表面打磨平整；實驗用水為樊莊、鄭莊區(qū)塊煤層氣井采出水；煤巖潤濕性采用接觸角評價法進行評價，實驗參照行業(yè)標準SY/T 5153—1999《油藏巖石潤濕性測定》進行。

對樊莊、鄭莊區(qū)塊19 塊煤樣進行煤巖-水接觸角測定，數(shù)據(jù)表明，煤巖與采出水接觸角為45.63°～59.57°，平均51.99°。因此毛管壓力存在有利于煤層氣保存，毛管壓力越大，越利于煤層氣保存；同時，在煤層氣產出過程中，毛管壓力是阻力，毛管壓力越大，產出阻力越大。

1.2 毛管壓力計算

毛管壓力采用Laplace 公式計算[8]：

式中：pc為毛管壓力，MPa；σ 為液體表面張力，mN/m，取蒸餾水的界面張力73.55 mN/m 計算；θ 為采出水與煤樣間接觸角，根據(jù)實驗結果取平均值51.99°進行計算；r 為孔隙半徑，nm。

利用式（1）計算，樊莊、鄭莊區(qū)塊孔隙半徑對毛管壓力的影響如圖1。

圖1 樊莊、鄭莊區(qū)塊孔隙半徑對毛管壓力的影響Fig.1 Effect of pore radius on capillary pressure in Fanzhuang and Zhengzhuagn blocks

毛管壓力的本質是界面張力[9-10]，在煤層氣生成前，煤層完全被水相飽和，不存在毛管壓力。在儲層壓力作用下，甲烷氣體生成后被吸附在煤巖孔隙表面，隨著生成的甲烷氣體增多，煤巖孔隙中的氣體壓力也逐漸增加，當吸附氣量大于煤層的最大吸附氣量時，開始出現(xiàn)游離氣，孔隙中游離氣的壓力小于突破壓力時，氣體被封閉在孔隙中，而孔隙中游離氣的壓力大于突破壓力時，氣體開始逸散產出。

以沁水盆地南部為例，當煤層埋深為700 m 時，靜水壓力一般為5.6～6.3 MPa。圖1 表明，研究區(qū)域儲層煤巖孔隙半徑及其毛管壓力分布范圍較廣，因此，不同孔隙的氣體突破壓力差異較大。例如，當孔隙半徑為10 nm 時，毛細管壓力達9.1 MPa，10 nm孔隙的氣體突破壓力可達到14.7～15.4 MPa；當孔隙半徑為30 nm 時，毛細管壓力僅為3 MPa，則其氣體突破壓力僅為8.6～9.3 MPa。

由于不同半徑孔隙氣體突破壓力不同，即使儲層生烴量、所經(jīng)歷的構造運動等其他條件相同時，孔隙中氣體含量也存在差異。利用裂縫指數(shù)評價煤儲層天然裂縫發(fā)育情況，裂縫指數(shù)計算公式為：

式中：FI為裂縫指數(shù)，表征儲層裂縫綜合發(fā)育程度；Wz、Wc分別為主、次裂縫寬度，μm；Dz、Dx分別為主、次裂縫密度，條/cm。

沁水盆地南部Q1 井含氣量與裂縫指數(shù)隨埋深關系如圖2。結果表明，裂縫指數(shù)越大，儲層含氣量較低，這是由于儲層裂縫指數(shù)越高，裂縫越發(fā)育，儲層平均孔隙半徑較大，則毛管壓力越低，氣體突破壓力越低，在煤層甲烷形成過程中氣體逸散量大，因此含氣量較低。這充分證明了毛管壓力對煤層氣封堵機理的正確性。

圖2 Q1 井含氣量與裂縫指數(shù)隨煤層埋深關系Fig.2 The gas contents and fracture index versus buried depth on well Q1

2 毛管壓力3 種封堵類型

假設其他條件相同，只有孔隙半徑存在差異時，對于理想的單毛細管模型，存在3 種封堵類型，毛管壓力對甲烷3 種封堵類型如圖3。

圖3 毛管壓力對甲烷3 種封堵類型Fig.3 3 blocking types of coalbed methane by capillary pressure

對于不同孔隙半徑的單一毛細管模型，假設孔隙中氣體壓力pp恒定，靜水壓力相同（氣體突破壓力與毛管壓力差值恒定），則隨著孔隙半徑增加，毛管壓力和相應的氣體突破壓力pt均持續(xù)降低。以pp=pc和pp=pt為界限，可將毛管壓力對氣體的封堵分為3 種類型。①第1 類：孔隙中氣體壓力小于毛管壓力（即pp＜pc），該類孔隙半徑較小，毛管力較大，孔隙中氣體壓力不能克服毛管壓力，單純通過降低靜水壓力氣體不能產出；②第2 類：孔隙中氣體壓力大于毛管壓力但小于氣體突破壓力（即pc＜pp＜pt），該類孔隙中氣體可以壓力可以克服毛管壓力，但不能達到突破壓力，需通過排水降低靜水壓力，進而將氣體突破壓力降至氣體壓力后，氣體才能產出；③第3 類：孔隙中氣體壓力大于氣體突破壓力（即pp＞pt），該類孔隙中不需要排水降壓即有氣體產出。

3 毛管壓力對煤層氣開發(fā)的影響

許多研究表明，煤層氣儲層可用Matchstick 模型來表征，利用Matchstick 模型將上述基于理想的單毛細管模型劃分的3 種封堵類型升級為相應的3種儲層模型，3 種儲層模型及典型生產曲線、實際生產曲線分別如圖4、圖5。

圖4 3 種儲層模型及典型生產曲線Fig.4 The schematic of 3 types of formation and the corresponding production curves

圖4（a）為毛管力圈閉型儲層，儲層物性條件差、孔隙半徑小、毛管壓力大，大部分孔隙屬于第1種封堵類型，該類儲層孔隙中氣體壓力小于毛管壓力，即使通過持續(xù)排水將儲層靜水壓力降至0 MPa，儲層孔隙中氣體壓力仍然不能克服毛管壓力，氣體仍然不能產出，其典型理論曲線如圖4（b），煤層中水持續(xù)產出，儲層靜水壓力持續(xù)下降，但不會有氣體產出。該類儲層壓裂改造后，部分孔隙結構被破壞，毛管壓力降低，部分甲烷氣體會產出，但由于水力壓裂不能有效的改變基質孔隙，一般不能形成持續(xù)氣量，表現(xiàn)為“一股氣”。該類儲層開發(fā)效果最差，一般不能實現(xiàn)效益開發(fā)。其實際生產曲線如圖5（a），井底流壓間接表征儲層靜水壓力，煤層氣井投產后，井底流壓由3.5 MPa 降至0.09 MPa 一直產水，并未產氣。

圖5 3 種儲層模型實際生產曲線Fig.5 The real production curves of 3 types of formation

圖4（c）為欠飽和型儲層，該類儲層物性條件較好、孔隙半徑適中，毛管壓力相對較小，大部分孔隙屬于第2 種封堵類型，孔隙中氣體壓力大于毛管壓力，孔隙中氣體主要依靠地層靜水壓力封閉吸附在孔隙中，因此，可通過持續(xù)排水降低靜水壓力，使甲烷氣體從孔隙中產出。其典型理論曲線如圖4（d），通過持續(xù)排水降低靜水壓力，當孔隙中氣體壓力等于氣體突破壓力時，氣體開始產出，隨著儲層靜水壓力持續(xù)下降，產量逐漸增加，該類儲層開發(fā)效果較好，為最為常見的煤層氣儲層，可以實現(xiàn)效益開發(fā)。其實際生產曲線如圖5（b），井底流壓由4.3 MPa降至2.7 MPa，氣體開始解吸產出，隨著井底流壓降低，日產氣量持續(xù)增加并達到2 000 m3，開發(fā)效果相對較好。

圖4（e）為飽和型儲層，該類儲層物性條件好、孔隙半徑較大，毛管壓力很小，大部分孔隙屬于第3種封堵類型，孔隙中氣體壓力大于氣體突破壓力，不需要排水降壓，甲烷氣體即可以產出。其典型理論曲線如圖4（f），煤層氣井投產后，氣體即開始產出，該類儲層開發(fā)效果最好，利于高產穩(wěn)產。煤層氣井投產后即開始產氣，隨著井底流壓降低，產量持續(xù)增加并達到2 500 m3，開發(fā)效果最好。

4 結 論

1）研究區(qū)煤巖為水濕，煤層氣產出過程中毛管壓力為阻力，因此毛管的壓力越大，越不利于煤層氣產出。

2）甲烷生成后在毛管壓力及儲層靜水壓力作用下吸附在煤巖孔隙表面，當孔隙中氣體壓力小于突破壓力時，氣體被封閉在孔隙中，不同半徑孔隙的氣體突破壓力差異較大，導致孔隙中氣體含量也存在差異，現(xiàn)場數(shù)據(jù)證實煤層裂縫指數(shù)越大，儲層含氣量較低，這充分證明了毛管壓力對煤層氣封堵機理的正確性。

3）以pp=pc和pp=pt為界限，可將毛管壓力對氣體的封堵類型分為3 種，據(jù)此可將儲層劃分為毛管力圈閉型儲層、欠飽和型儲層和飽和型儲層3 種。毛管力圈閉型儲層，孔隙半徑小、毛管壓力大于孔隙中氣體壓力，持續(xù)排水降壓不能克服毛管壓力，氣體不能產出，開發(fā)效果最差；欠飽和型儲層，孔隙半徑適中、孔隙中氣體壓力大于毛管壓力，可通過持續(xù)排水降低靜水壓力，進而使孔隙中氣體壓力小于氣體突破壓力時，氣體持續(xù)產出，開發(fā)效果相對較好；飽和型儲層，孔隙半徑較大，毛管壓力較小，孔隙中氣體壓力大于氣體突破壓力，不需要排水降壓，甲烷氣體即可以產出，能夠實現(xiàn)高產穩(wěn)產。