煤层气开采工艺：煤储层渗透率指标

煤储层渗透率是进行煤层气渗流分析的主要参数，在煤层气资源已查明的前提条件下，煤储层渗透率又是制约煤层气资源开发的关键因素之一。国外理论和实践表明，煤储层在排水降压过程中，随着水和甲烷的解吸、扩散和排出，有效应力效应、煤基质收缩效应、气体滑脱效应使煤储层渗透率呈现动态变化。

（1）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。多孔介质的绝对渗透率与所通过的流体无关，只与介质的孔隙结构有关。

一般认为，在中孔（直径大于100nm）以上的孔隙和裂隙中，气体的流动为渗透，可能的方式为层流和紊流两种（霍多特等，1966）。实验表明单相流通过多孔介质，沿孔隙通道呈层流状态时，符合达西线性渗流定律，即流体的流速与其压力梯度成正比：

式中：V——流体的流速，m／s；

　　　K——多孔介质的渗透率，m2；

　　　μ——流体的绝对黏度，Pa·s；

　　　——流体的压力梯度，Pa／m。

用流量来表达：

式中：QV——流体通过多孔介质的体积流量，m3／s；

　　　A——流体通过介质的横截面积，m3；

　　　p——流体压力，Pa；

　　　L——多孔介质长度，m。

煤储层内的渗流通常被认为属于层流渗流。

单相流体充满所有孔隙、流体不与煤发生任何物理反应时，测出的渗透率称为绝对渗透率。煤对甲烷、水等流体存在较强的吸附性，因此，甲烷、水等流体通过煤储层时测得的渗透率不能称之为绝对渗透率，只有不与煤发生任何物理化学作用的流体才能测得绝对渗透率，如氦气等惰性气体。

但气体通过煤储层时，会引起L.J.Klinkenberg效应（气体滑脱效应），即在多孔介质中，由于气体分子平均自由程与流体通道在一个数量级上，气体分子就与流动路径上的壁面相互碰撞，从而造成气体分子沿通道壁表面滑移。这种由气体分子和固体间相互作用产生的滑移现象，增加了气体的流速。因此，用气体分子测得的渗透率需要经过滑脱效应校正可得到克氏渗透率：

式中：Kg——每个测点的气测渗透率；

　　　K0——绝对渗透率；

　　　pm——平均压力，即介质进口压力与出口压力的平均值；

　　　b——与气体性质、介质孔隙结构有关的常数，对于气体在一根毛管内的流动来说，b可由下式确定：

式中：c——近似于1的比例常数；

　　　r——毛管半径，相当于煤孔隙半径；(www.xing528.com)

　　　λ——对应于平均压力pm时的气体分子平均自由程，由下式确定：

式中：d——分子直径；

　　　ρm——分子密度，与平均压力pm有关。

显然，随气体分子平均自由程的增加而增大，随分子直径的增大而减少，克氏渗透率等于平均压力趋于无穷大时的惰性气体的气相渗透率，且与流体的性质无关，常被当作绝对渗透率。

（2）单相渗透率

单相渗透率是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，然后由达西定律可计算出单相渗透率。气和水的单相渗透率计算公式如下：

式中：Kg，Kw——气测渗透率和水单相渗透率，10－3μm2；

　　　qg，qw——大气压下气流量和水流量，cm3／s；

　　　μg，μw——测定温度下气体和水的黏度，mPa·s；

　　　p1，p2——进口压力和出口压力，MPa；

　　　L——多孔介质长度，cm；

　　　A——介质的横截面积，cm2。

（3）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。

当气、水两相同时在煤储层中流动时，可将某相流动视为它在固相及其他相组合而成的介质中流动，故仍可采用达西公式，只是单相渗透率以该相有效渗透率代替，于是便把多相流动中所产生的阻力都归结到该相流体的有效渗透率数值变化上。此时，气、水两相有效渗透率之和小于绝对渗透率。这是因为多相流体在煤储层中共同流动时的相互干扰，两相流动时，不仅要克服黏滞阻力，而且还要克服毛细管力、附着力和由于液阻现象增加的附加阻力等。因此，相渗透率不仅反映了煤储层本身的属性，而且反映了流体性质及气、水在煤储层中的分布以及它们三者之间的相互作用情况。

（4）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。煤储层相对渗透率通常采用单相有效渗透率同气相（甲烷或氦气）的克氏或绝对渗透率的比值。即：

式中：Krg，Krw——气、水的相对渗透率；

　　　Kge，Kwe——气、水的有效渗透率；

　　　K0——甲烷或氦气的克氏渗透率或绝对渗透率。

相对渗透率与多孔介质的结构有关，即与介质的有效孔隙体积、有效孔隙度、绝对渗透率等有关，同时还与该流体的饱和度及与该流体相伴随的另一相流体的特性有关，也与试样的饱和过程有关。与相渗透率一样，煤储层中气、水相对渗透率之和也低于100%。