CN110487703B - 低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法 - Google Patents

低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，所述方法是根据煤层气井的试井分析资料获取煤层的初始孔隙平均压力、初始孔隙率；对煤层钻孔取样，进行单轴抗压试验，测定煤样的弹性模量、泊松比；利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置进行煤样渗透率试验，测得其瓦斯表观渗透率；利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置进行煤样瓦斯吸附应变试验，测得其最大体积应变、吸附瓦斯常数；计算得到随孔隙平均压力变化的煤样孔隙率及孔隙半径；计算得到随孔隙平均压力变化的煤样瓦斯滑脱系数。本发明方便可靠，易操作，精度高，安全性强，实现了煤层气产出过程中瓦斯动态滑脱系数的精确测量，为实现煤层气开采过程中产能的精准预测提供了重要的理论依据。

Description

低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法
技术领域
本发明涉及一种气体滑脱系数测量方法，尤其是针对低渗透煤层一种煤层气开采过程中随孔隙平均压力变化的瓦斯滑脱系数的测量方法。
背景技术
我国煤储层多属于致密多孔介质储层，其微米、纳米孔隙结构发育，具有低渗透性、低孔隙度的特点。当气体在低渗储层中渗流时会出现“滑脱效应”，Klinkenberg利用Warburg的滑脱理论解释了滑脱效应产生的原因，指出当气体分子的平均自由程接近毛细管管径的尺寸时，管壁上的各个分子都处于运动状态，气体分子在管壁上的运动速度不再为零，在渗流试验中表现为气体流速中增加了一个滑脱流量。由于气体滑脱效应的存在，在煤层气开发过程中储层能量的衰竭速度将减慢，对于低渗透储层，这种影响会更加显著。滑脱效应能够解释气测渗透率大于液体渗透率的原因，而滑脱系数的大小最能反映滑脱效应的强弱。因此，滑脱系数的精准测量对低渗储层开采的影响尤为重要。
目前，滑脱系数主要通过气体渗透仪进行测量。方法为：保持围压恒定，测得不同孔隙平均压力下的气体渗透率，然后对测量数据进行线性拟合。其中自变量为孔隙平均压力的倒数，因变量为气测渗透率。根据线性拟合得到的截距和斜率来获得计算气体滑脱系数。这种滑脱系数测量技术及相关装备在我国多处煤层气井进行现场试验，取得了一定的效果，但现有技术存在以下缺陷：
现有技术测得的滑脱系数为常数，而实际滑脱系数是随煤层气开采过程动态变化的。在煤层气抽采过程中，有效应力的改变和煤基质收缩效应会导致煤体孔隙结构时刻发生变化，从而导致其滑脱系数也时刻变化。此时滑脱系数并不是一个固定常数，而是随孔隙平均压力变化而动态变化。如果认为滑脱系数为定值，则与实际相比会出现较大误差，导致无法对低渗煤层瓦斯运移规律进行准确预测。
发明内容
本发明提供一种低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，以克服现有滑脱系数测量方法中所测滑脱系数误差大、不能对低渗煤层瓦斯运移规律进行准确预测的问题。
基于上述问题和目的，本发明提供一种低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，其特征在于：所述方法是按下列步骤进行的：
（1）根据煤层气井的试井分析资料获取煤层的初始孔隙平均压力、初始孔隙率；
（2）对煤层钻孔取样，对煤样进行单轴抗压试验，测定煤样的弹性模量、泊松比；
（3）利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置对煤样进行渗透率试验，设置一定的轴压、围压，通过控制煤样孔隙平均压力模拟煤层气的产出过程，测得随煤样孔隙平均压力变化的煤样瓦斯表观渗透率；
（4）利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置，对煤样进行瓦斯吸附应变试验，测得其最大体积应变、瓦斯吸附常数（即煤样达到最大体积应变一半时的孔隙平均压力的倒数）；
（5）根据初始孔隙平均压力、初始孔隙率、弹性模量、泊松比、体积应变系数、瓦斯吸附常数计算得到随煤样孔隙平均压力变化的煤样孔隙率；
（6）根据煤样孔隙平均压力、煤样瓦斯表观渗透率、煤样孔隙率、煤样瓦斯滑脱系数的关系式，计算得到随煤样孔隙平均压力变化的精确的煤样瓦斯滑脱系数；
上述技术方案还有如下进一步的技术特征。
一种低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，其特征在于：所述随孔隙平均压力变化的煤样孔隙率计算公式为：
Figure 41688DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 931146DEST_PATH_IMAGE002
：随煤样孔隙平均压力变化的煤样孔隙率，无量纲；
Figure 403716DEST_PATH_IMAGE003
：煤层初始孔隙率，无量纲；
Figure 986007DEST_PATH_IMAGE004
：煤层初始孔隙平均压力，MPa；E：煤样弹性模量，MPa；
Figure 380079DEST_PATH_IMAGE005
：煤样泊松比，无量纲；
Figure 73229DEST_PATH_IMAGE006
：煤样孔隙平均压力，MPa；
Figure 603567DEST_PATH_IMAGE007
：最大体积应变，无量纲；
Figure 356760DEST_PATH_IMAGE008
：瓦斯吸附常数（即煤样达到最大体积应变一半时的孔隙平均压力的倒数），MPa-1。
一种低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，其特征在于：煤样孔隙平均压力、煤样瓦斯表观渗透率、煤样孔隙率、煤样瓦斯滑脱系数的关系式为：
Figure 238128DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 734968DEST_PATH_IMAGE010
：煤样瓦斯表观渗透率，μm2；
Figure 385393DEST_PATH_IMAGE011
：随煤样孔隙平均压力变化的煤样瓦斯滑脱系数，MPa;
Figure 40977DEST_PATH_IMAGE012
：常数，一般取0.9；
Figure 409642DEST_PATH_IMAGE013
：气体动力粘度系数，Pa·s；
Figure 444594DEST_PATH_IMAGE014
：普适气体常数，J/(mol·K)；
Figure 746262DEST_PATH_IMAGE015
：绝对温度，K；M：分子量，Kg·mol-1。
所述低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法采用的装置由煤样渗透率试验部分和煤样瓦斯吸附应变试验部分构成，煤样渗透率试验部分由轴压系统、围压系统、进气系统、出气系统、真空抽气系统、渗透系统构成；煤样瓦斯吸附应变试验部分由围压系统、真空抽气系统、吸附系统、数据采集系统构成；其特征在于：
所述轴压系统由外接单轴压力机对导压活塞施加压力实现，压力为0~30MPa；所述围压系统由高压CH4气瓶Ⅰ、截止阀Ⅰ、压力表Ⅰ、安全泄压阀Ⅰ构成； 所述进气系统由高压CH4气瓶Ⅱ、截止阀Ⅱ、压力表Ⅱ、安全泄压阀Ⅱ构成；所述出气系统由截止阀Ⅲ、压力表Ⅲ、电磁气体流量计构成；所述真空抽气系统由真空气泵和截止阀Ⅳ构成；所述渗透系统由外缸、导压活塞、密封圈、吸附室/围压室、金属底座、法兰盘、连接螺栓、密封套筒、紧缩环、金属导气垫片Ⅰ、金属导气垫片Ⅱ构成；所述吸附系统由外缸、导压活塞、密封圈、吸附室/围压室、金属底座、法兰盘、连接螺栓构成；所述数据采集系统由电阻式应变片、应变导线、应变采集仪、计算机构成；
上述技术方案还有如下进一步的技术特征。
所述低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置，其特征在于：所述高压CH4气瓶Ⅰ、高压CH4气瓶Ⅱ提供的稳定气压范围0~20Mpa；所述真空气泵是2×Z型旋片真空气泵，抽气速率0.5L/s，极限压力5Pa，功率3kw；所述截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ、截止阀Ⅲ、截止阀Ⅳ最大耐压24MPa；
本发明上述所提供的一种低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著性进步如下。
A、本方法改善了以往瓦斯滑脱系数只能采用线性拟合来求解的缺点，采用简单可靠的测量装置，通过可靠的理论计算方法，实现了低渗煤层瓦斯滑脱系数的精确测量。
B、本发明采用了全新的瓦斯滑脱系数测量方法，即通过试井分析资料获取煤层的初始孔隙平均压力、初始孔隙率，通过单轴抗压试验获得煤样的弹性模量、泊松比，利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置测得煤样最大体积应变、瓦斯吸附常数以及随煤样孔隙平均压力变化的煤样瓦斯表观渗透率，计算得出随煤样孔隙平均压力变化的煤样孔隙率，最终得到随煤样孔隙平均压力变化的煤样瓦斯滑脱系数。
C、本发明对实现煤层气开采过程中瓦斯运移规律的精确研究和产能的精准预测有重要的参考价值。
附图说明
图1是低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法的流程图。
图2是低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置结构示意图。
图3是初始孔隙平均压力9.5MPa、初始孔隙率0.3％时煤样瓦斯滑脱系数随煤样孔隙平均压力变化规律图
图中：1：高压CH4气瓶Ⅰ；2：高压CH4气瓶Ⅱ；3：压力表Ⅰ；4：压力表Ⅱ；5：压力表Ⅲ；6：安全泄压阀Ⅰ；7：安全泄压阀Ⅱ；8：截止阀Ⅰ；9：截止阀Ⅱ；10：截止阀Ⅲ；11：截止阀Ⅳ；12：电磁气体流量计；13：真空气泵；14：出气口；15：应变导线出口；16：导压活塞；17：密封圈；18：紧缩环；19：外缸；20:密封套筒；21：吸附室/围压室；22：煤样；23：金属导气垫片Ⅰ；24：金属导气垫片Ⅱ；25：围压进气口；26：进气口；27：金属底座；28：法兰盘；29：电阻式应变片；30：应变导线；31：应变采集仪；32：计算机；33：连接螺栓。
具体实施方式
下面是本发明在某煤层气井进行的瓦斯滑脱系数精确测量试验，结合附图1、附图2、附图3，通过具体实施例具体说明本方法的具体实施方式。
实施方式1
（1）根据某煤层气井的试井分析资料，获得煤层初始孔隙平均压力9.5MPa、初始孔隙率0.3％；
（2）对该煤层钻孔取样，煤样尺寸为φ50×100mm，共计10个，编号为1#~11#。取1#~10 #进行单轴抗压试验，测定其弹性模量、泊松比，取平均值，得到弹性模量为2050MPa、泊松比0.4；
（3）利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置对11#煤样进行瓦斯表观渗透率试验。
①安装煤样，煤样22装入密封套筒20，煤样22下端通过金属导气垫片Ⅰ23与金属底座27连接，上端通过金属导气垫片Ⅱ24与导压活塞16连接，煤样22通过紧缩环18来确保密闭；
②抽真空，关闭截止阀Ⅰ8、截止阀Ⅱ9、截止阀Ⅲ10，打开截止阀Ⅳ11，利用真空气泵13抽真空30min后，关闭截止阀Ⅳ11；
③设定轴压、围压均为10MPa，其中轴压通过外接压力机加载到导压活塞16，围压通过下述方法实现：打开高压CH4气瓶Ⅰ1、截止阀Ⅰ8，使压力表Ⅰ3读数稳定在10MPa；
④打开高压CH4气瓶Ⅱ2、截止阀Ⅱ9，通过压力表Ⅱ4读出进气压力p1，打开截止阀Ⅲ10，出气压力p2为一个大气压，观察电磁体流量计12读数，当读数稳定后，记录其流量
Figure 575678DEST_PATH_IMAGE016
，通过下述公式可得出气测渗透率
Figure 431639DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 270282DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 160877DEST_PATH_IMAGE018
：气体流量，L/min；L：煤样的长度，m；A：煤样的横截面积，m2；
Figure 426773DEST_PATH_IMAGE019
：进气压力，MPa；
Figure 504451DEST_PATH_IMAGE020
：出气压力，MPa；
Figure 146785DEST_PATH_IMAGE006
：煤样孔隙平均压力，
Figure 157466DEST_PATH_IMAGE006
=(
Figure 594264DEST_PATH_IMAGE021
/2，MPa。
（4）利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置对11#煤样进行瓦斯吸附膨胀试验。
①安装煤样，去除紧缩环18、密封套筒20、金属导气垫片Ⅰ23、金属导气垫片Ⅱ24，粘贴电阻式应变片29，连接应变导线30、应变采集仪31、计算机32，将导压活塞16抬起，由外接单轴压力机对导压活塞进行限位；
②抽真空，关闭截止阀Ⅰ8、截止阀Ⅱ9、截止阀Ⅲ10，打开截止阀Ⅳ11，利用真空气泵13抽真空30min后，关闭截止阀Ⅳ11；
③打开高压CH4气瓶Ⅰ1、截止阀Ⅰ8，使CH4进入吸附室/围压室21，观察压力表Ⅰ3，当读数不变时，记录此时压力和计算机32显示的煤样体积应变，改变不同压力进行测量，通过下述公式得到煤样最大体积应变、瓦斯吸附常数（即煤样达到最大体积应变一半时的孔隙平均压力的倒数）：
Figure 159237DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 339683DEST_PATH_IMAGE023
：孔隙平均压力
Figure 204871DEST_PATH_IMAGE006
时的煤样体积应变，无量纲；
Figure 812569DEST_PATH_IMAGE024
：煤样吸附CH4的最大体积应变，无量纲；
Figure 864839DEST_PATH_IMAGE008
：瓦斯吸附常数，MPa-1；
（5）根据初始孔隙平均压力、初始孔隙率、弹性模量、泊松比、体积应变系数、瓦斯吸附常数，按照公式（1）计算得到随煤样孔隙平均压力变化的煤样孔隙率；
（6）根据煤样孔隙平均压力、煤样瓦斯表观渗透率、煤样孔隙率、煤样瓦斯滑脱系数的关系，按照公式（2）计算得到随煤样孔隙平均压力变化的精确的煤样瓦斯滑脱系数。
（7）整理实验数据，附图3为初始孔隙平均压力9.5MPa、初始孔隙率0.3％时煤样瓦斯滑脱系数随煤样孔隙平均压力变化规律图，可以看出，随孔隙平均压力的降低煤样瓦斯滑脱系数呈现先升高后降低的趋势，在孔隙平均压力8MPa附近，滑脱系数出现最大值，为0.4MPa。

Claims (5)

1.一种低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，其特征在于：其所述方法是按下列步骤进行的：
（1）根据煤层气井的试井分析资料获取煤层的初始孔隙平均压力、初始孔隙率；
（2）对煤层钻孔取样，对煤样进行单轴抗压试验，测定煤样的弹性模量、泊松比；
（3）利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置对煤样进行渗透率试验，设置一定的轴压、围压，通过控制煤样孔隙平均压力模拟煤层气的产出过程，测得随煤样孔隙平均压力变化的煤样瓦斯表观渗透率；
（4）利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置，对煤样进行瓦斯吸附应变试验，测得其最大体积应变、瓦斯吸附常数；
（5）根据煤层初始孔隙平均压力、初始孔隙率、弹性模量、泊松比、煤样孔隙平均压力、 最大体积应变、瓦斯吸附常数计算得到随煤样孔隙平均压力变化的煤样孔隙率
Figure DEST_PATH_IMAGE001
所述随煤样孔隙平均压力变化的煤样孔隙率
Figure 806848DEST_PATH_IMAGE002
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 43794DEST_PATH_IMAGE004
随煤样孔隙平均压力变化的煤样孔隙率，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
初始孔隙率，无量纲；
Figure 582223DEST_PATH_IMAGE006
煤层初始孔隙平均压力，MPa；E：煤样弹性模量，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
煤样泊松比，无量纲；
Figure 403155DEST_PATH_IMAGE008
煤样 孔隙平均压力，MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
煤样吸附CH4的最大体积应变，无量纲；
Figure 200078DEST_PATH_IMAGE010
瓦斯吸附常数，即煤样 达到最大体积应变一半时的孔隙平均压力的倒数，MPa-1；
（6）根据煤样孔隙平均压力、煤样瓦斯表观渗透率、煤样孔隙率、煤样瓦斯滑脱系数的关系式，计算得到随煤样孔隙平均压力变化的精确的煤样瓦斯滑脱系数；
其中，煤样孔隙平均压力、煤样瓦斯表观渗透率、煤样孔隙率、煤样瓦斯滑脱系数的关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 792996DEST_PATH_IMAGE012
煤样瓦斯表观渗透率，μm2；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
随煤样孔隙平均压力变化的煤样瓦斯滑脱系 数，MPa；
Figure 33484DEST_PATH_IMAGE014
常数，一般取0.9；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
气体动力粘度系数，Pa·s；
Figure 577598DEST_PATH_IMAGE016
普适气体常数，J/(mol·K)；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
绝对温度，K；
Figure 428747DEST_PATH_IMAGE018
分子量，Kg·mol-1。
2.根据权利要求1所述的低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，所述低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置，由煤样渗透率试验部分和瓦斯吸附应变试验部分构成；渗透率试验部分由轴压系统、围压系统、进气系统、出气系统、真空抽气系统、渗透系统构成；煤样瓦斯吸附应变试验部分由围压系统、真空抽气系统、吸附系统、数据采集系统构成；其特征在于：
所述轴压系统由外接单轴压力机对导压活塞（16）施加压力实现，压力为0~30MPa；所述围压系统由高压CH4气瓶Ⅰ（1）、截止阀Ⅰ（8）、压力表Ⅰ（3）、安全泄压阀Ⅰ（6）构成；所述进气系统由高压CH4气瓶Ⅱ（2）、截止阀Ⅱ（9）、压力表Ⅱ（4）、安全泄压阀Ⅱ（7）构成；所述出气系统由截止阀Ⅲ（10）、压力表Ⅲ（5）、电磁气体流量计（12）构成；所述真空抽气系统由真空气泵（13）和截止阀Ⅳ（11）构成；所述渗透系统由外缸（19）、导压活塞（16）、密封圈（17）、吸附室/围压室（21）、金属底座（27）、法兰盘（28）、连接螺栓（33）、密封套筒（20）、紧缩环（18）、金属导气垫片Ⅰ（23）、金属导气垫片Ⅱ（24）构成；所述吸附系统由外缸（19）、导压活塞（16）、密封圈（17）、吸附室/围压室（21）、金属底座（27）、法兰盘（28）、连接螺栓（33）构成；所述数据采集系统由电阻式应变片（29）、应变导线（30）、应变采集仪（31）、计算机（32）构成。
3.根据权利要求2所述的低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，其特征在于，利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置进行瓦斯表观渗透率试验的步骤如下：
①安装煤样，煤样装入密封套筒，煤样下端通过金属导气垫片Ⅰ与金属底座连接，上端通过金属导气垫片Ⅱ与导压活塞连接，煤样通过紧缩环来确保密闭；
②抽真空，关闭截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ、截止阀Ⅲ，打开截止阀Ⅳ，利用真空气泵抽真空30min后，关闭截止阀Ⅳ；
③设定轴压、围压均为10MPa，其中轴压通过外接压力机加载到导压活塞，围压通过下述方法实现：打开高压CH气瓶Ⅰ、截止阀Ⅰ，使压力表Ⅰ读数稳定在10MPa；
④打开高压CH4气瓶Ⅱ、截止阀Ⅱ，通过压力表Ⅱ读出进气压力p1，打开截止阀Ⅲ，出气 压力p2为一个大气压，观察电磁体流量计读数，当读数稳定后，记录其流量
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，通过下述公 式可得出气测渗透率
Figure 250072DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 51675DEST_PATH_IMAGE022
：气体流量，L/min；L：煤样的长度，m；A：煤样的横截面积，m2；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
：进气压力， MPa；
Figure 584550DEST_PATH_IMAGE024
：出气压力，MPa。
4.根据权利要求2所述的低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，其特征在于，利用低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量装置进行瓦斯吸附膨胀试验，包括如下步骤：
①安装煤样，去除紧缩环、密封套筒、金属导气垫片Ⅰ、金属导气垫片Ⅱ，粘贴电阻式应变片，连接应变导线、应变采集仪、计算机，将导压活塞抬起，由外接单轴压力机对导压活塞进行限位；
②抽真空，关闭截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ、截止阀Ⅲ，打开截止阀Ⅳ，利用真空气泵抽真空30min后，关闭截止阀Ⅳ；
③打开高压CH4气瓶Ⅰ、截止阀Ⅰ，使CH4进入吸附室/围压室，观察压力表Ⅰ，当读数不变时，记录此时压力和计算机显示的煤样体积应变，改变不同压力进行测量，通过下述公式得到煤样最大体积应变、瓦斯吸附常数：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 723276DEST_PATH_IMAGE026
孔隙平均压力p时的煤样体积应变，无量纲；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
：煤样吸附CH4的最大体积应 变，无量纲；
Figure 553435DEST_PATH_IMAGE028
：瓦斯吸附常数，MPa-1。
5.根据权利要求2所述的低渗煤层瓦斯滑脱系数精确测量方法，其特征在于：所述CH4气瓶Ⅰ（1）、高压CH4气瓶Ⅱ（2）提供的稳定气压范围0~20MPa；所述真空气泵（13）是2XZ型旋片真空气泵，抽气速率0.5L/s，极限压力5Pa，功率3kw；所述截止阀Ⅰ（8）、截止阀Ⅱ（9）、截止阀Ⅲ（10）、截止阀Ⅳ（11）最大耐压24MPa。
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