摘要：煤層氣的運(yùn)移產(chǎn)出流態(tài)是煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)，目前煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)大多采用達(dá)西滲流模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相差較大，因此判定煤層氣在儲(chǔ)層內(nèi)部的運(yùn)移流態(tài)至關(guān)重要。在RMT-150B巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套測(cè)試啟動(dòng)壓力梯度的裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到流經(jīng)煤樣的氣體流速與壓力平方差，而兩者并非通過(guò)原點(diǎn)的線性關(guān)系，證明啟動(dòng)壓力梯度的存在。通過(guò)測(cè)試不同煤樣的啟動(dòng)壓力梯度與滲透率，其回歸曲線表明：兩者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，相關(guān)度達(dá)0.933，且隨著滲透率降低，其啟動(dòng)壓力梯度逐步增大，在低滲透階段增加趨勢(shì)就更加明顯。煤的啟動(dòng)壓力梯度存在證明煤層氣運(yùn)移流態(tài)為非線性滲流，該結(jié)論對(duì)改進(jìn)煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：煤層氣；流體流動(dòng)；啟動(dòng)壓力梯度；滲透率；非達(dá)西流；生產(chǎn)能力；預(yù)測(cè)；實(shí)驗(yàn)室；試驗(yàn)

    最早提出啟動(dòng)壓力梯度概念的是1951年前蘇聯(lián)的B.A.費(fèi)勞林，他認(rèn)為只有當(dāng)實(shí)際壓力梯度大于某一臨界值時(shí)，流動(dòng)才能發(fā)生，此臨界值稱為啟動(dòng)壓力梯度^[1～2]。開(kāi)發(fā)低滲透油氣藏的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中的流體滲流不再遵循達(dá)西定律，而是帶有啟動(dòng)壓力梯度的非線性滲流^[3～4]。到目前為止，確定低滲透油氣藏非達(dá)西流啟動(dòng)壓力梯度的方法主要有室內(nèi)測(cè)試法、數(shù)值實(shí)驗(yàn)法、理論計(jì)算法、生產(chǎn)分析法、穩(wěn)定試井和不穩(wěn)定試井，注水見(jiàn)效時(shí)間預(yù)測(cè)法等^[5]，其中室內(nèi)測(cè)試又可分為“氣泡法”、“毛細(xì)管平衡法”、“穩(wěn)壓法”和“壓差流量法”等，測(cè)試對(duì)象基本是砂巖儲(chǔ)層，而對(duì)煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度的測(cè)試還未見(jiàn)報(bào)道。

    目前煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的主要依據(jù)是達(dá)西滲流理論，造成產(chǎn)能預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，例如張冬麗等在模擬煤層氣羽狀水平井產(chǎn)能時(shí)發(fā)現(xiàn)：考慮啟動(dòng)壓力梯度梯度將使降壓效果變差，產(chǎn)量大幅度減小^[6～7]。因此要正確預(yù)測(cè)產(chǎn)能，就必須正確認(rèn)識(shí)其儲(chǔ)層特征和滲流規(guī)律，前提條件是準(zhǔn)確測(cè)試煤儲(chǔ)層的啟動(dòng)壓力梯度，這對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

采用吳凡等計(jì)算砂巖啟動(dòng)壓力梯度的方法^[8～9]，當(dāng)不考慮啟動(dòng)壓力梯度時(shí)的氣體滲流方程為：

 

式中：v為氣體流速，m/s；K為滲透率，m²；p₁為入口壓力，Pa；p₂為出口壓力，Pa；p₀為大氣壓力，101325Pa；μ為氣體黏度，Pa·s；L為氣體流經(jīng)長(zhǎng)度，m。

    可以看出，v與p₁²-p₂²為通過(guò)原點(diǎn)的線性關(guān)系。當(dāng)存在啟動(dòng)壓力梯度時(shí)應(yīng)該為：

式(2)中a、b為常數(shù)，令v=0，則p₁與p₂關(guān)系為：

 

所以啟動(dòng)壓力梯度為：

 

因此，只要通過(guò)回歸v與p₁²-p₂²之間關(guān)系，求出常數(shù)a和b，代入式(4)就可計(jì)算啟動(dòng)壓力梯度。

 

 

 

 

    存在啟動(dòng)壓力梯度是煤儲(chǔ)層的特點(diǎn)，但以往瓦斯參數(shù)測(cè)試是基于煤層氣產(chǎn)出服從線性滲流定律，忽略了低速非線性滲流和擴(kuò)散；煤層氣井產(chǎn)能模擬顯示啟動(dòng)壓力梯度是產(chǎn)能下降和有效開(kāi)采時(shí)間縮短的主要原因之一。通過(guò)研究表明：煤儲(chǔ)層的啟動(dòng)壓力梯度的確存在，并且可以通過(guò)室內(nèi)測(cè)試來(lái)查明，這對(duì)指導(dǎo)煤層氣開(kāi)發(fā)有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

    1) 在RMT-150B巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)量煤樣啟動(dòng)壓力梯度的實(shí)驗(yàn)流程，可在不同的圍壓和軸向壓力下測(cè)試煤樣的啟動(dòng)壓力梯度。試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果擬合表明此方法是可行的。

    2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明氣體通過(guò)低滲透煤樣時(shí)存在低速非達(dá)西現(xiàn)象和啟動(dòng)壓力梯度，并回歸了啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系曲線，隨著滲透率的降低啟動(dòng)壓力梯度逐步增加，在低滲透階段更加顯著。

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(本文作者：郭紅玉^1，2 蘇現(xiàn)波^1，2 1.河南省生物遺跡與成礦過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院)