煤的渗透性及地质控制

1、第六章第六章 煤储层的渗透性特征煤储层的渗透性特征 第一节第一节 渗透性的基本概念渗透性的基本概念 第二节第二节 煤层气的扩散与渗流煤层气的扩散与渗流 第三节第三节 扩散系数与渗透率测试与实验扩散系数与渗透率测试与实验 第四节第四节 渗透率的动态变化渗透率的动态变化* * 第五节第五节 渗透性的地质控制渗透性的地质控制 第六节第六节 渗透性研究方法渗透性研究方法第一节第一节 渗透性的基本概念渗透性的基本概念一、绝对渗透率一、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生任何物理化学作用，则多孔介质允许流

2、体通过的能力称为绝对渗透率。能力称为绝对渗透率。 二、单相渗透率二、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。量，然后由达西定律计算出单相渗透率。 202120102ppALqpKggg01210ppALqKwwwKg气测渗透率，气测渗透率， ；p0大气压，大气压，MPa；qg大气压下气流量，大气压下气流量，cm3s； 在测定温度下在测定温度下CH4的粘度，的粘度，mPas；L煤样长度，煤样长度，cm； A煤样横断面面

3、积，煤样横断面面积，cm3； p1进口压力，进口压力，MPa；Kw水单相渗透率，水单相渗透率， ； qw大气压下水流量，大气压下水流量，cm3s； 在测定温度下水的粘度，在测定温度下水的粘度，mPas。2310m2310mgw三、有效（相）渗透率三、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。为有效渗透率。四、相对渗透率四、相对渗透率 有效（相）渗透率与绝对渗透率的比值称为相有效（相）渗透率与绝对渗透率的比值称为相对渗透率。对渗透率。 0K

4、KKwerw0KKKgergrwK、rgK分别为水、气相对渗透率； weK、geK分别为水、气有效渗透率； 2-2#KHe = 0.441(1+0.19/Pm)r= 0.96KCH4 = 0.348(1+0.039/Pm)r = 0.990.300.350.400.450.500.550.600.650.700.00.51.01.52.02.53.0 平均压力倒数 /MPa-1渗透率 /10-3m20K为气相克氏渗透率。 mgpbKK10五、三级渗流五、三级渗流 宏观裂隙宏观裂隙 裂隙渗透率裂隙渗透率 紊流或层流紊流或层流 显微裂隙显微裂隙 裂隙渗透率裂隙渗透率 达西渗流达西渗流 孔隙孔隙 基

5、质渗透率基质渗透率 菲克扩散菲克扩散六、三种流态六、三种流态 稳态稳态: :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；而变化； 准稳态准稳态: :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；性变化； 非稳态非稳态: :流体压力随时间和流体产量呈非线性变化。流体压力随时间和流体产量呈非线性变化。 七、三种渗透率效应七、三种渗透率效应 ceeKK30e一定应力条件下的绝对渗透率；一定应力条件下的绝对渗透率；0无应力条件下的绝对渗透率；无应力条件下的绝对渗透率； c煤的孔、裂隙压缩系数；

6、煤的孔、裂隙压缩系数；从初始到某一应力状态下的有效应力变化值。从初始到某一应力状态下的有效应力变化值。1、有效应力效应、有效应力效应Ro,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 /10-3m2 pm平均压力平均压力 b与气体性质、孔隙结构有关的常数。与气体性质、孔隙结构有关的常数。 mpbKK0滑脱效应3、气体滑脱效应、气体滑脱效应 2、煤基质收缩效应、煤基质收缩效应KCH4 = 0.7257e-0.1842p r = 0.94KSL

7、= 0.3505e-0.8244pr= 0.95KSH= -0.0895Ln(p ) + 0.02r = 0.99-0.4-0.3-0.2-0.601234p /MPaK /10-3m2甲烷渗透率滑脱效应收缩效应 有效应力为有效应力为2MPa，高平望云矿煤样，高平望云矿煤样滑脱效应收缩效应KKKKg0第二节第二节 煤层气的扩散与渗流煤层气的扩散与渗流一、扩散一、扩散 1 1、（准）稳态扩散、（准）稳态扩散Fick第一定律第一定律 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，单位时间内通过单位面积的扩

8、散速度与动下进行的，单位时间内通过单位面积的扩散速度与 浓度梯度呈正比。浓度梯度呈正比。 2 2、非稳态扩散、非稳态扩散Fick第二定律第二定律 煤层甲烷的扩散通量既随时间变化，又随距离变化。煤层甲烷的扩散通量既随时间变化，又随距离变化。 二、渗流二、渗流 1 1、线性达西定律、线性达西定律 PKV2、渗流阶段、渗流阶段3、渗流的非均质性、渗流的非均质性（1）面裂隙；（）面裂隙；（2）端裂隙；（）端裂隙；（3）显微裂隙）显微裂隙（4）煤基质块；（）煤基质块；（5）渗流椭圆）渗流椭圆第三节第三节 扩散系数与渗透率测试扩散系数与渗透率测试 一、一、 扩散系数实验扩散系数实验1、 实验原理实验原理

9、根据气体在浓度梯度下根据气体在浓度梯度下通过岩样自由扩散的原理，通过岩样自由扩散的原理，在岩样两端的扩散室中，一在岩样两端的扩散室中，一端冲入甲烷气体，另一端冲端冲入甲烷气体，另一端冲入氮气，在恒温、恒压条件入氮气，在恒温、恒压条件下，各组分气体的浓度随时下，各组分气体的浓度随时间而变化，通过测试在不同间而变化，通过测试在不同时间两扩散室各组分气体的时间两扩散室各组分气体的浓度，可求得烃类气体在岩浓度，可求得烃类气体在岩样中的扩散系数。样中的扩散系数。 1,3取样阀；取样阀； 2岩心夹持器；岩心夹持器；4恒温箱；恒温箱； 5,7,8,9,12,13截止阀；截止阀； 6差压传感器；差压传感器；

10、10,11压力表；压力表；14,15三通阀三通阀烃类气体扩散系数测定装置示意图（烃类气体扩散系数测定装置示意图（YKS-4型）型） 二、二、 渗透率测试与实验渗透率测试与实验（一）试井渗透率（一）试井渗透率 高渗透率煤储层，渗透率大于高渗透率煤储层，渗透率大于10 10-3m2 中渗透率煤储层，渗透率大于中渗透率煤储层，渗透率大于110 10-3m2 低渗透率煤储层，渗透率小于低渗透率煤储层，渗透率小于1 10-3m2 高渗：高渗：K110-3m2； 中渗：中渗：0.110-3m2K110-3m2； 低渗：低渗：K2.7%K = 1719.7d-1.0874 r = 0.99第五节第五节 渗透

11、性的地质控制渗透性的地质控制一、地应力一、地应力 构造应力场：构造应力场：裂隙特征裂隙特征局部构造：局部构造：裂隙发育程度裂隙发育程度强烈变形煤：强烈变形煤：阻塞裂隙阻塞裂隙埋藏深度：埋藏深度：静压力静压力 y = 30.412X-2.5902r=0.5850.010.11102468101214最小水平应力MPa渗透率10-3m2012345600.00.250.3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)现代构造应力场主应力差(MPa)试井渗透率(10试井渗透率(10-3-3umum2 2)

12、)y = 0.0492e0.681xr= 0.9600.70.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0Ro,max/c二、埋藏深度二、埋藏深度 0.000.200.400.600.801.001.206007509001050 1200 1350 1500H/mKs /10-3m2Ro,max=2.87% 双重裂隙介质双重裂隙介质 面裂隙，端裂隙面裂隙，端裂隙 渗透率各向异性渗透率各向异性三、三、 裂隙系统裂隙系统大裂隙：切穿整个煤层，甚至顶板大裂隙：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，包括夹矸中裂

13、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微裂隙：局限在一个煤岩类型分层内第六节第六节 渗透率研究方法渗透率研究方法 一、裂隙分析一、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、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

14、类、组合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。煤储层渗透率预测。 二、煤体结构分析二、煤体结构分析 淮南主采煤层y = 7.6428e-0.0

15、968xr= 0.790.0010.010.11100102030405060708090 100、类构造煤厚度百分比/渗透率10-3m2 利用电测井、声波测井、放射性测井、井间成像技术、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储层渗透性好坏的相 对资料，利用煤层气对资料，利用煤层气 试井资料，建立煤储试井资料，建立煤储 层渗透率与煤体结构层渗透率与煤体结构 的耦合关系，进一步的耦合关系，进一步 拟合出煤储层渗透率拟合出煤储层渗透率 与地球物理响应之间与地球物理响应之间 的经验公式。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；在分析试率与储层埋深的关系，