煤層氣儲層滲透性影響因素分析

彭春洋 陳 健 原曉珠 湛祥惠

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 434023)

目前,中國多數(shù)煤層氣單井產(chǎn)量不高,衰減快,除了滲透率低這個客觀因素外,一個很重要的原因就是對煤儲層滲透率變化特征認(rèn)識不全面,國內(nèi)有關(guān)此類報道較少,因此加強(qiáng)煤層氣儲層的滲透性及其開發(fā)過程中動態(tài)變化特征的研究勢在必行。筆者在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)全面分析了煤層氣儲層的滲透性的相關(guān)影響因素及其變化規(guī)律。

1 裂隙系統(tǒng)發(fā)育

對于煤層氣而言,煤是一種雙重孔隙的儲層。B.E.Law認(rèn)為煤中割理系統(tǒng)由天然裂隙構(gòu)成,形成了由近于正交的面割理和端割理組成的裂隙系統(tǒng),它既含有煤基質(zhì)微孔隙系統(tǒng),又含有裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。微孔隙系統(tǒng)是煤層氣的儲集空間,裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則被水飽和。當(dāng)儲層壓力降低時,煤儲層中的氣體從煤基質(zhì)微孔隙表面解吸、擴(kuò)散出來,并以滲透流動的方式通過裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)流入井眼,從而形成具有工業(yè)開采潛勢的煤層氣氣流?？梢?煤層氣的主要運(yùn)移通道是煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),煤層的滲透性主要取決于裂隙系統(tǒng)的發(fā)育程度。

前人的研究結(jié)果表明,煤層滲透率主要與裂隙的延伸方向、裂隙的寬度、密度、裂隙的連通性有關(guān)。Levine J R在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)煤層的水平滲透率與割理壁距三次方和割理間距的倒數(shù)成正比。

式中 K——有效滲透率,×10-3μm2;

W ——割理壁距,μm;

S——割理間距,mm;

C——割理粗糙系數(shù)。

傅雪海等在對沁水盆地各煤樣的研究中發(fā)現(xiàn)煤樣滲透率隨裂隙面密度的增加呈指數(shù)形式增大。

式中 K——裂隙面密度模擬滲透率,×10-3μm2;

Sf——裂隙面密度,條/m2;

C1、C2——擬合系數(shù)。

煤層天然裂隙系統(tǒng)在某種程度上是滲透率的重要影響因素,一旦天然裂隙發(fā)育好,煤層滲透率就好,其它因素如煤巖類型、煤質(zhì)、煤級等均為次要作用。

總體來講,裂隙延伸方向、裂隙寬度、密度、裂隙的發(fā)育程度是影響煤儲層高滲區(qū)分布的關(guān)鍵特征。裂隙延伸方向上滲透率較高,裂隙寬度越大、密度越大、連通性越好,滲透率越高,越利于流體的滲流,這對煤層氣可采性評價有極其重要的指導(dǎo)意義。

2 煤巖組分類型

煤是一種不均一的固體有機(jī)巖石,含有微觀可識別的各種有機(jī)顯微成分。在顯微鏡下,煤巖的顯微組分主要包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組三類。

J.C.Close認(rèn)為割理常產(chǎn)生于鏡質(zhì)組分層中,終結(jié)于鏡質(zhì)組分層及煤與非煤巖石的交界處。鏡質(zhì)組 (尤其是均質(zhì)鏡質(zhì)體)致密、均勻、塊體大,有利于割理順利延伸和發(fā)展;惰質(zhì)組是多孔狀的、纖維狀的,有釋放應(yīng)力、減弱割理和阻擋割理的作用,對割理發(fā)育不利;殼質(zhì)組的機(jī)械強(qiáng)度大于鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組,其形變過程類似于鏡質(zhì)組,多數(shù)煤層含殼質(zhì)組很少,故殼質(zhì)組對煤層割理發(fā)育影響不大。

宏觀煤巖成分主要是指用肉眼可以分辨出來的煤的基本組成部分,包括鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭4種。根據(jù)鏡煤和亮煤在煤層中的含量而反映出來的總體相對光澤強(qiáng)度,煤巖可由強(qiáng)到弱劃分為光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤4種類型。一般在富含鏡煤和亮煤的光亮煤中鏡質(zhì)組含量較高,在暗煤和絲炭含量高的暗淡煤中惰質(zhì)組含量高。

Macrea等于通過對英國約克郡地區(qū)煤層中割理間距的研究指出：暗淡型條帶狀煤中的割理間距寬于光亮型條帶狀煤。張勝利等研究表明,光亮煤中割理比較發(fā)育,暗淡煤中也可見割理,但其割理密度遠(yuǎn)小于光亮煤。畢建軍等也發(fā)現(xiàn),割理一般發(fā)育在光亮煤分層中,極少延伸到暗淡煤分層中。因此,從顯微組分的組成上講,鏡質(zhì)組含量越高,割理越發(fā)育,滲透性越好。從煤巖類型看,光亮煤的滲透性為最好,其次為半亮煤、半暗煤、暗淡煤。

3 煤變質(zhì)程度

煤變質(zhì)作用指由褐煤轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋?、無煙煤、超無煙煤的物理化學(xué)作用。煤變質(zhì)的范圍是從褐煤到石墨的演變。煤的變質(zhì)是溫度、壓力和時間長期作用的結(jié)果,其中溫度是煤變質(zhì)的主導(dǎo)因素,在煤的埋藏過程中,溫度加速化學(xué)煤化作用,而壓力可以促進(jìn)物理結(jié)構(gòu)煤化作用,時間無疑是煤變質(zhì)的因素之一。煤變質(zhì)作用是促使煤中顯微裂隙和內(nèi)生裂隙發(fā)育的重要外部因素,煤變質(zhì)作用可使煤中孔隙產(chǎn)生次生變化,也可經(jīng)過煤層中孔隙、裂隙的發(fā)育改變煤的機(jī)械力學(xué)性質(zhì),進(jìn)而對其滲透性產(chǎn)生影響。一般低變質(zhì)和高變質(zhì)程度的煤割理欠發(fā)育,滲透性差;中變質(zhì)程度的煤割理發(fā)育,滲透性好。

Ammosov等在研究割理密度與煤級之間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),割理密度從褐煤向煙煤 (肥煤、焦煤)方向增大,而從煙煤向無煙煤方向減小,呈正態(tài)分布,即低變質(zhì)和高變質(zhì)程度的煤割理欠發(fā)育,中變質(zhì)程度的煤割理發(fā)育。但Law在對阿伯拉契亞盆地群和落磯山盆地群的研究中發(fā)現(xiàn),從褐煤到無煙煤階段割理間距與鏡質(zhì)體反射率的倒數(shù)呈指數(shù)關(guān)系,即從褐煤到煙煤階段,割理密度迅速增大,從煙煤至無煙煤階段基本不變。這與Ammosov提出的呈正態(tài)分布的理論有所不同。Law認(rèn)為是構(gòu)造形變背景的差異所致。

另外,硬度和脆度同屬抵抗外來機(jī)械作用存在的性質(zhì)。對于同一煤層來講,隨著地層的埋深、溫度的升高,煤儲層從低變質(zhì)煤向中變質(zhì)煤演化,脆度逐漸增強(qiáng),容易生成裂縫;隨著煤層進(jìn)一步被埋深,中變質(zhì)煤逐漸向高變質(zhì)煤演化,硬度逐漸增大,脆度逐漸降低,不容易形成裂縫。隨著上覆地層的壓實(shí)作用、充填與膠合作用,割理會發(fā)生閉合。

雖然不同變質(zhì)程度煤的割理對滲透率有不同程度的貢獻(xiàn),但煤的滲透性更受到其它多種因素的控制,只有當(dāng)煤變質(zhì)程度占主導(dǎo)地位時,煤的滲透性變化及煤層滲透率測試才會明顯反映出煤變質(zhì)程度的影響。

4 有效應(yīng)力

描述多孔介質(zhì)應(yīng)力關(guān)系的方程是Terzaghi有效應(yīng)力,原理可表述為：

式中 p——多孔介質(zhì)孔隙流體壓力 (內(nèi)應(yīng)力);

σ——總應(yīng)力 (或外應(yīng)力);

σT——有效應(yīng)力。

煤巖本身不同于常規(guī)儲集巖,其塑性強(qiáng),應(yīng)力敏感性較大,有效應(yīng)力對其滲透率影響較大。Somerton的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)的有效應(yīng)力 (σ)與滲透率 (kf)存在如下關(guān)系：

Enever等通過對澳大利亞煤層滲透率與有效應(yīng)力的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),煤層滲透率變化值與地應(yīng)力的變化呈指數(shù)關(guān)系,如下式

式中 K/K0——給定應(yīng)力條件下的滲透率與初始滲透率的比值;

C——煤的孔隙壓縮系數(shù);

Δ σ——從初始到某一應(yīng)力狀態(tài)下的有效應(yīng)力變化量。

上式表明,有效應(yīng)力越高,滲透率越低。這主要是由于地應(yīng)力增大,煤被壓縮,其中孔隙變得更小,裂隙更為緊閉的結(jié)果。隨著流體壓力降低,有效應(yīng)力增大,煤巖在外壓的作用下,割理有閉合的趨勢,從而導(dǎo)致孔隙度降低,滲透率也隨之降低。

Mckee等通過對美國皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤層滲透率與埋藏深度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn),隨著煤層埋藏深度和有效應(yīng)力增加,煤層割理縫的寬度減小,滲透率呈指數(shù)降低。

Harpalani和Mc Pherson研究了應(yīng)力對美國中西部煤的氣體滲透率的影響,測定在靜壓力和三軸應(yīng)力方式下煤樣棒對氮的滲透率。對給定煤樣進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)表明,當(dāng)靜應(yīng)力變化7MPa時,滲透率變化了3個數(shù)量級,滲透率隨應(yīng)力呈指數(shù)下降。

一般而言,煤層的滲透率隨著深度增加而顯著降低。這是因?yàn)殡S著深度加大,上覆巖層壓力增大,有效應(yīng)力亦隨之加大,引起滲透率降低。據(jù)Harpalani的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果證明,在高壓階段,有效應(yīng)力的影響起主導(dǎo)作用,隨著壓力的下降,在有效應(yīng)力的作用下,煤儲層裂隙閉合,使煤層氣儲層的滲透率下降。

鑒于此,筆者建議,在室內(nèi)做煤樣實(shí)驗(yàn)時,要注意有效應(yīng)力的控制,使加在煤樣上的有效應(yīng)力保持不變,以消除有效應(yīng)力對裂隙壓縮的影響。有效應(yīng)力：

式中 σe——有效應(yīng)力,MPa;

PC——圍壓 ,Mpa;

α——有效應(yīng)力系數(shù)或boit系數(shù);

Pav——平均壓力,即進(jìn)口壓力與出口壓力的平均值。

隨著壓力的變化,時刻調(diào)整圍壓使有效應(yīng)力保持恒定。

5 煤基質(zhì)收縮

基質(zhì)收縮效應(yīng)是指當(dāng)儲層壓力低于臨界解吸壓力后,吸附的煤層氣發(fā)生解吸導(dǎo)致煤基質(zhì)收縮,儲層物性改善的效應(yīng)。Gray認(rèn)為,由于煤層氣解吸時,煤基質(zhì)會收縮使得裂隙擴(kuò)張,從而導(dǎo)致煤層滲透率的增大;Harpalani等通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氣體壓力減小時,煤層氣解吸,煤基質(zhì)體積減小,且煤基質(zhì)體應(yīng)變與解吸的氣體量呈線性關(guān)系。Harpalani和Chen通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了與解吸有關(guān)的煤巖體基質(zhì)體積變化后得出,解吸引起的煤基質(zhì)收縮變化遠(yuǎn)大于基質(zhì)的壓縮率;Mavor等利用美國San Juan盆地的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了“基質(zhì)收縮理論”的正確性。

煤層氣開發(fā)過程中,隨著氣、水介質(zhì)的排出,煤基質(zhì)發(fā)生收縮,由于煤基質(zhì)在側(cè)向上受圍壓限制,因此煤基質(zhì)的收縮不可能引起煤層整體的水平應(yīng)變,只能沿裂隙發(fā)生局部側(cè)向應(yīng)變,造成裂縫寬度增加,滲透率增高。煤儲層滲透率增加的倍數(shù)與煤儲層絕對滲透率關(guān)系密切。絕對滲透率愈大,煤基質(zhì)收縮效應(yīng)愈明顯,收縮效應(yīng)引起的滲透率增量隨流體壓力的減少而增大。

Schwerer等人得到如下煤儲層孔隙度和滲透率關(guān)系式：

式中 Cf——孔隙壓縮系數(shù),單位MPa-;

P0——初始壓力 ,Mpa;

Kf、Kf0——裂隙系統(tǒng)的絕對滲透率和初始時刻裂隙系統(tǒng)的絕對滲透率,10-3μm2。

由于煤體自身的性質(zhì)不同,其基質(zhì)收縮率也不盡相同,有些幾乎沒有收縮,而有的收縮率卻相當(dāng)高。關(guān)于煤體因解吸或吸附引起基質(zhì)收縮應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極少,這是由于實(shí)驗(yàn)的難度和涉足的研究較少所致。

6 克林伯格效應(yīng)

我國煤層普遍屬于低滲透儲層,一般在1.0×10-3μm2左右,氣體滑脫效應(yīng)十分顯著。K linkenberg早在1941年通過實(shí)驗(yàn)觀察提出了氣體分子滑脫現(xiàn)象;隨后Rushing等通過實(shí)驗(yàn)研究了致密砂巖氣藏氣水兩相流動時滑脫效應(yīng)對有效滲透率和相對滲透率的影響;為了研究儲層條件下氣體滑脫效應(yīng)的影響,Ertekin等建立了致密氣藏混合動力學(xué)模型;隨后,Spencer等在上述研究基礎(chǔ)上,通過研制的煤儲層三維、非平衡吸附非穩(wěn)態(tài)條件下氣—水兩相流動數(shù)值模擬器,分析了滑脫效應(yīng)在應(yīng)力敏感性煤層中的影響;Hu Guozhong等進(jìn)一步給出了多物理場條件下考慮克林伯格效應(yīng)的煤層氣單相滲流模型的解析解;Yushu Wu建立了受滑脫效應(yīng)影響的天然氣運(yùn)移理論模型;周世寧建立了煤層瓦斯賦存和流動理論。上述研究為滑脫效應(yīng)影響的低滲儲層煤層氣運(yùn)移采出規(guī)律研究奠定了基礎(chǔ)。

K linkenberg給出的滑脫效應(yīng)情況下滲透率表達(dá)式為：

式中 kg——平均壓力 Pm下氣體滲透率;

kg∞——?dú)怏w克氏滲透率;

c——比例因子;

λ——?dú)怏w分子平均自由程;

r——孔隙的平均半徑。

根據(jù)K lin Kenberg試驗(yàn),氣體分子平均自由度與平均壓力 Pm成反比,則上式可變?yōu)椋?/p>

式中：Pm= (Pi+P0),Pi和P0分別為進(jìn)口和出口壓力;b為滑脫因子,其定義為：

當(dāng) b=0時,就是達(dá)西流。

由K lin Kenberg效應(yīng)所引起的滲透率增量為：

在煤層氣排采過程中,隨著吸附氣不斷解吸,煤基質(zhì)收縮,裂隙寬度變大,從而導(dǎo)致裂隙滲透率增加。王勇杰進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),滲透率越小,滑脫因子越大,滑脫現(xiàn)象愈顯著,滲透率增量愈大。

7 主要認(rèn)識

(1)以上六種因素對煤儲層滲透率的影響程度,因煤自身的性質(zhì)不同而不同。對低收縮率或不收縮的煤層,主要受有效應(yīng)力影響,隨有效應(yīng)力增加滲透率下降;而高收縮率煤儲層,基質(zhì)收縮占主導(dǎo)地位,隨著氣體解吸量的增加收縮量也相應(yīng)的增加,裂隙的孔隙度和滲透率也就增加。

(2)在煤層氣開發(fā)過程中,煤儲層物性受多方面因素的影響,是動態(tài)變化的。在煤層氣開發(fā)初期單相流階段,隨著煤層水的排出,有效應(yīng)力效應(yīng)導(dǎo)致煤儲層裂隙寬度變窄,滲透率降低;當(dāng)儲層壓力降到臨界解析壓力之下,煤層氣開始解吸,煤基質(zhì)收縮效應(yīng)逐漸加強(qiáng),使得裂隙變寬,滲透率出現(xiàn)反彈;在開發(fā)后期,儲層壓力已降至較低水平,低壓條件下氣體克林肯伯格效應(yīng)更加明顯,有利于改善煤儲層滲透率。

(3)煤層氣開發(fā)過程中,煤層氣儲層壓力降低,煤層氣解吸,煤基質(zhì)收縮,進(jìn)而導(dǎo)致煤層滲透率增加,這是對煤層氣生產(chǎn)有利的因素;同時,煤儲層壓力下降,有效應(yīng)力將增大,煤層滲透率將隨之減小,這是對煤層氣生產(chǎn)不利的因素。煤層滲透性在煤層氣排放抽采過程中不斷發(fā)生的變化,是煤基質(zhì)收縮和有效應(yīng)力兩種因素綜合作用的結(jié)果。

(4)煤層氣儲層自身的特點(diǎn)和煤層氣開采過程中外界條件的改變都會影響其滲透性,并且各因素間存在相互影響,在進(jìn)行滲透性的預(yù)測時應(yīng)綜合考慮;應(yīng)根據(jù)我國含煤盆地的實(shí)際的地質(zhì)背景,對影響煤層滲透率的主要因素及變化規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響等基礎(chǔ)理論進(jìn)行更深入地研究、探索。

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