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庞 锋，张 劲,周劲辉，宋紫玥，曲靖宇，任洪达，王 涛
(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)
摘 要：为了探讨煤层气注氮过程中的闷压压力和时间对七元高阶煤层渗透率的影响规律，采用试验模拟注氮改造煤层过程的闷压阶段的研究方法，设计并组装了相关室内试验装置和设备，再现了氮气闷压过程中闷压压力和闷压时间的变化对七元高阶煤样的影响，获得了不同闷压压力和闷压时间条件下七元高阶煤样渗透率的变化。试验结果表明：在注氮改造煤层过程的闷压阶段，闷压压力越大，煤样渗透率增幅越大；闷压时间存在一个最佳值：闷压初期煤样渗透率增幅随着闷压时间增长而增大，在闷压48～72 h后，煤样渗透率增幅会存在一个急剧下降的过程。因此，提高注氮闷压压力对提高高阶煤层渗透率有着积极的影响，闷压时间对提高高阶煤层渗透率的影响则存在一个最佳值。
关键词：煤层气；渗透率；氮气闷压；闷压压力；闷压时间
中图分类号：P618
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)02-0101-06
PANG Feng,ZHANG Jin,ZHOU Jinhui,SONG Ziyue,QU Jingyu,REN Hongda,WANG Tao
(College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China)
Abstract:In order to study the influence of soaking pressure and soaking time on the permeability of Qiyuan high-rank coal seam during nitrogen injection,the experimental method that simulating the soaking stage of nitrogen injection was adopted,and the related laboratory experimental equipment were designed and assembled,which reproduced the soaking pressure and soaking time on the permeability of Qiyuan high-rank coal seam during nitrogen injection. The variation on the permeability of Qiyuan high-rank coal samples was obtained under different soaking pressure and soaking time. The experimental results show that the permeability of coal sample increases with the increasing of the soaking pressure in the soaking stage of the nitrogen injection process,and there is an optimum value of soaking time:the increase of permeability of coal sample increased with the increase of soaking time in the initial soaking stage,and there would be a sharp decline in the increase of permeability of coal sample after a certain time (48～72 hours).Therefore,increasing the pressure of nitrogen injection has a positive impact on improving the permeability of high-rank coal seams,and there is an optimum soaking time.
Key words:coalbed methane；permeability；nitrogen soaking；soaking pressure；soaking time
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庞 锋，张 劲,周劲辉，等.氮气闷压对高阶煤渗透率影响的试验研究[J].煤炭科学技术,2019,47(2)：101-106.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.017
PANG Feng,ZHANG Jin,ZHOU Jinhui,et al.Experimental study on the influence of nitrogen soaking on the permeability of high rank coal[J].Coal Science and Technology，2019，47(2)：101-106.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.017
收稿日期：2018-09-21；
责任编辑：王晓珍
基金项目：国家科技重大专项资助项目(2016ZX05066)
作者简介：庞 锋(1992—)，男，江苏江都人，硕士研究生。
通讯作者：张 劲(1963—)，男，安徽合肥人，副教授。Tel：010-89734959，E-mail:zhj718@126.com
随着我国能源结构调整的稳步推进，我国对于清洁能源——天然气的需求越来越旺盛，对煤层气、页岩气以及天然气水合物等非常规天然气的开发日趋急迫[1-2]。但是，我国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动，煤层内生裂隙系统遭到破坏，塑性大幅增强，因而成为低渗透率的高延性结构[3]。我国超过70%的煤层渗透率小于1.0×10-3 μm2[4]，故而抽采煤层气非常困难。随着我国浅层煤炭资源的减少和枯竭，我国煤矿开采深度正在以8～12 m/a(最快近50 m/a)的速度增加[4]。据可靠预测，到2020年，我国煤矿的开采深度将进入1 200 m，到那时煤层CH4压力和含量将更大，煤体渗透性将更低。因此，我国煤层气开发亟需解决煤体渗透性低的问题，从而有效提高煤层气产能。
2004年，阿尔伯塔芬恩大峡谷试验表明：N2注射能使煤体渗透率从1.2×10-3 μm2升高至13.8×10-3 μm2[5]。2008年，YUBARI[6]的CO2封存试验中，N2被引入去提高CO2注入率，结果表明，煤体渗透率从0.1×10-3 μm2升高至40×10-3 μm2。2011年，文献[7]试验研究了高压空气冲击对煤体渗透率的影响，发现气爆后煤体渗透率总体增大，平均增加81%以上；文献[8]发现：N2注入煤体过程中，渗透率先减小，然后再突然增大。2013年，文献[9]采用理论和试验的方法研究了三轴应力、非零横向应变条件下煤体渗透率的演化，发现N2渗透率随着注射压力的增大而增大；文献[10]试验和模拟研究了纯N2注入对煤体渗透率的影响，发现在N2注入过程中，煤体渗透率逐渐增大。上述关于煤层注氮增透的研究表明，将氮气注入煤体以提高煤体渗透率的方法是确实有效的，但这些方法主要倾向于注氮动态过程中注氮压力和时间对煤层渗透率的影响，对注氮气后闷压阶段并未涉及。2014年，文献[11]研究氮气增透机理，发现闷压确实可以提高煤层渗透率，但是取样太少，取点太散，未能揭示具体连续性规律。2015年，文献[12]通过试验证明温度和注氮压力对煤层渗透率具有较大影响，主要强调注氮动态过程对煤层渗透率的影响，但对闷压阶段规律未作任何叙述。因此，笔者对注氮气后闷压增透阶段进行了试验研究，较为详细地揭示了闷压压力和闷压时间对七元高阶煤体渗透率的影响。
CH4在孔隙或裂隙内的运移，可能有2种形式：层流与紊流，层流又分为线性渗透层流与非线性渗透层流，各服从不同的规律。流动的雷诺数Re<10时，为线性层流，符合达西定律。流动的雷诺数Re>10时，为非线性层流，不能用达西定律来描述。而在煤层连通的裂隙中，N2和CH4都表现为线性渗流，且以层流为主[13-14]。
本文模拟煤层注氮气试验一般情况下可看作一维稳定流动，因而试验中氮气在煤岩中的流动可视为层流，符合达西渗流规律[15-16]。故而笔者可采用以下公式进行气测渗透率计算：
(1)
式中：k为煤体渗透率，m2；Q为出气端标准状态下的气体体积流量，m3/s；Pat为大气压力，MPa；μ为氮气气体动力黏度，取1.108×10-11MPa·s[12]；L为煤样长度，m；Pin和Pout分别为进气端和出气端的气体压力，MPa；A为煤样横截面积，m2。
在实际测量中，由于煤岩属于致密岩体，渗透率绝对值相对较小，因此引入新的物理参量——渗透率比α作为评价指标：
(2)
式中：ko为闷压前煤岩渗透率。
试验装置是自行设计组装而成，该装置由试验腔体、氮气加压系统、注气系统、压力采集系统、流量计等组成，如图1所示。
图1 模拟氮气闷压试验装置
Fig.1 Experimental device for simulating nitrogen soaking
试验腔体主要依托HALS-1型高温高压动态滤失仪改装而成，使用岩心夹持器固定煤样，使用液体泵为岩心夹持器施加围压，加载过程通过高温高压动态滤失仪的控制面板实现。岩心夹持器左端为进气口，连接压力表，右端为出气口，连接流量计。进气口氮气压力使用量程合适的压力表进行测量。注气主要采用钢瓶氮气作为气源，装上减压阀用于控制氮气进入以及测量时的注氮压力。在注气系统和压力表之间添加的氮气加压系统，由手摇泵和中间容器的组合而成，用于提高氮气闷压压力，并且通过手摇泵和压力表组合控制注氮气后的闷压压力。夹持器出口氮气流量采用D08-8CM型高压质量流量计计量。
试验的总体方案是：通过测量闷压前后煤样渗透率的变化，模拟并探究闷压过程对煤层渗透率的影响。具体流程如图2所示。
图2 氮气闷压试验流程
Fig.2 Process of nitrogen soaking experiment
本次模拟氮气动力激动对煤层渗透率影响模拟试验中各流程的试验条件为：①煤样为七元矿区所取的天然岩心，直径为2.50 cm左右。②经过调研文献，文献[11]在高压N2闷压增透试验中将闷压时间定为24、48、72 h，本文延续这一设定。③经过调研文献，文献[12]根据三轴应力试验结果在外加氮气对煤体渗透率的影响试验中选取的闷压压力为4、6、8 MPa。笔者为获得更加密集数据，将闷压压力定为4、5、6、7、8 MPa。④本次试验对试验仪器密封性要求较高，闷压过程中闷压压力下降不能超过0.2 MPa，否则试验将宣告失败。⑤本次注氮气试验默认出口压力与大气压力相等，并且默认大气压力为0.1 MPa。⑥本次试验采用相对较为致密的原煤试样作为试验煤样，为了规避误差和统一表达，渗透率统一采用克氏渗透率。⑦由于所有试验均在室内完成，本次试验默认环境温度为室温。⑧为了消除启动压力和气体滑脱效应的影响，测渗透率时试验入口压力应稳定在0.2 MPa以上[17]。
本次试验共计5组，煤样分别为QY-5、QY-7、QY-8、QY-11、QY-13，具体物理性质见表1。试验过程中对上述5组煤样施加的闷压压力分别为4、5、6、7、8 MPa，闷压时间均为24 h。
表1 改变闷压压力试验煤样物理性质
Table 1 Physical properties of coal samples in the experiment of changing soaking pressure
通过测量5组煤样闷压前后的渗透率，并计算出5组煤样闷压前后的克氏渗透率，以及克氏渗透率比，具体数据见表2。
表2 改变闷压压力后闷压模拟试验的结果
Table 2 Results of soaking simulation experiments by changing the soaking pressure
本次试验共测量2组，第1组为平舒地区煤样，分别为PS-4、PS-9、PS-15，第2组为七元地区煤样，分别为QY-5、QY-10、QY-16、QY-18，具体物理性质见表3。试验过程中对上述2组7枚煤样施加的闷压压力均为4 MPa，第1组闷压时间分别为24、48、72 h，第2组闷压时间分别为24、48、72、96 h。
表3 改变闷压时间的试验煤样物理性质
Table 3 Physical properties of coal samples in the experiment with changing soaking time
通过测量2组7枚煤样闷压前后的渗透率，并计算出5组煤样闷压前后的克氏渗透率，以及克氏渗透率比，具体数据见表4。
表4 改变闷压时间后的闷压模拟试验结果
Table 4 Results of soaking simulation experiments by changing the soaking time
大量研究表明，煤层气生产中注入高压氮气对煤层渗透率会产生2个方面的影响：一方面气体吸附致使煤基质膨胀，造成有效孔隙度和气体运移空间减少，使得储层渗透率降低；另一方面注入流体使孔隙压力升高，导致煤层的有效应力降低，使得储层渗透率提升[18-20]。
图3是根据表2中的数据绘制出了注氮气试验过程中克氏渗透率比随着闷压压力变化的曲线。
图3 闷压压力对渗透率比的影响
Fig.3 Influence of soaking pressure on permeability ratio
从图3中可以看出，煤体的克氏渗透率比为1.47～1.67，表明在闷压试验过程中，煤样渗透率都得到了较大提高。
还有，试验过程中增大闷压压力，会进一步增大煤体的孔隙压力，导致煤样内部的有效应力进一步下降，煤样渗透率进一步增大[21]。所以，闷压压力越大，渗透率增幅越大。由于试验装置的限制，氮气闷压压力很难超过8 MPa，为了进一步验证选取较高的闷压压力有利于提高煤层渗透率这一结论，对近井地带进行了数值模拟计算，研究了8、12、14、16、18 MPa的氮气闷压压力对近井地带煤层渗透率的影响。图4中，结合图例可以看出，随着闷压压力增大，近井地带渗透率明显增大。由于初始渗透率相同，所以渗透率比也是逐渐增大的。此结论与试验所获得结果吻合。
图4 不同注入压力下的井周渗透率分布
Fig.4 Permeability distribution of well under different injection pressure
因此，在煤层气改造过程中完成注氮步骤后进行一定压力的闷压是非常必要的，并且闷压压力越高，对提高储层渗透率越有利。
图5是根据表4中的数据绘制出了注氮气试验过程中克氏渗透率比随闷压时间变化的曲线。
图5 闷压时间对渗透率比的影响
Fig.5 Influence of soaking time on permeability ratio
从图5可以看出，煤体的克氏渗透率比为1.07～1.57。由此可以表明，改变闷压时间的试验中，煤层渗透率得到了明显提升。但是，第1组在48 h后，以及第2组在72 h后，曲线出现拐点，克氏渗透率比出现断崖式下跌。
由于煤岩属于致密岩，煤层中的裂隙尺度非常小，所以需要一定的时间氮气才能进入微细的裂隙中去，促使煤层中的微小裂隙进一步扩展，连通形成渗透通道[22-23]。在闷压试验初期阶段，高压氮气使孔隙压力升高，对渗透率的正效应依旧远大于煤体膨胀的负效应，因此克氏渗透率比逐渐上升。但是，经过长时间闷压，高压氮气对孔隙压力的改变必将逐渐减弱，趋于静止。根据相关研究可知，任何物体的变形总是往弱的方向进行的，当煤体在围压保持一定，无法沿径向产生变形时，则微孔隙或微裂隙在吸附气体后所产生的变形必然向内，从而影响中孔和大孔及裂隙的容积，使渗透容积减小[24]。因此，在经过一定时间的闷压之后，克氏渗透率比必然降低[25]，即闷压时间存在一个最佳值。
1)在注入高压氮气对高阶煤层进行改造的过程中，进行一段时间的闷压有利于提高储层渗透率。
2)闷压压力越大，高阶煤层的克氏渗透率比越大，即闷压压力越大，七元高阶煤层增透效果越好。
3)闷压时间存在一个最佳值。对七元高阶煤来说，一定时间范围(48～72 h)内，闷压时间越长，增透效果越好；超过一定时间范围(48～72 h)，煤样的克氏渗透率比会出现断崖式下跌，增透效果下降。
4)闷压时间的最佳值影响因素较多，通过本次试验获得完善的计算方法比较困难，需要通过试验模拟结合现场经验进行估测。但是，闷压时间最佳值的计算方法可以成为下一步研究的方向。
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