煤层气开采工艺：3种渗透率效应

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，其渗透率存在有效应力效应、煤基质收缩效应和气体分子滑脱效应。

（1）有效应力效应

有效应力为垂直于裂隙方向的总应力减去裂隙内流体压力的差值，是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加会使裂隙闭合，使煤的绝对渗透率下降。渗透率越低，相对变化越大，有的减少2～3个数量级。

C.R.Mckee等（1988）给出了煤储层渗透率与有效应力的关系：

式中：Ke——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；(www.xing528.com)

　　　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

煤体在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀与收缩。煤层气开发过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气便开始解吸。随着储层水、气的排出，煤基质中煤层气解吸量增加，煤基质就开始收缩，由于煤体在侧向上是受围限的，因此煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变，只能沿裂隙发生局部侧向应变。基质沿裂隙的收缩造成水平应力下降，有效应力相应减小，裂隙宽度增加，渗透率增高。

（3）气体分子滑脱效应

在多孔介质中，由于气体分子平均自由程与流体通道尺寸在一个数量级上，气体分子通过时与通道壁相互作用（碰撞），从而造成气体分子沿孔隙表面滑移，增加了分子流速，使煤的渗透率增大，这一由气体分子和固体间的相互作用产生的效应称为气体分子滑脱效应（Klinkenberg，1941）。由式（2－3）可知，气体分子滑脱效应引起的渗透率增量为：

以上3种效应同时存在，各因素对煤储层渗透率的影响程度，因煤自身的性质不同而不同。对低收缩率或不收缩的煤层，主要受有效应力影响，随有效应力增加渗透率下降；而高收缩率煤储层，基质收缩占主导地位。随解吸收缩加强，渗透率有一定增量。所以，3种效应的相对关系决定了煤层气排采过程中煤层渗透率的动态变化。通常，在排采初期，有效应力作用较强；中期，煤基质收缩效应较明显；后期，气体分子滑脱效应影响较大。