沁水盆地高階煤應(yīng)力敏感性滲透率變化特征研究

高彩霞 蘇雪峰 劉俊英 余 麗 張雅蘭 賴海文

(河北省任丘市華北油田勘探開發(fā)研究院，河北 062552)

沁水盆地高階煤應(yīng)力敏感性滲透率變化特征研究

高彩霞 蘇雪峰 劉俊英 余 麗 張雅蘭 賴海文

(河北省任丘市華北油田勘探開發(fā)研究院，河北 062552)

對(duì)應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)卸載后的寺河煤礦高階煤進(jìn)行105℃加熱12h消除內(nèi)應(yīng)力之后，重復(fù)進(jìn)行應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：原始滲透率小于1mD的煤樣，內(nèi)應(yīng)力消除后，滲透率得以恢復(fù)，應(yīng)力敏感性曲線與初次測(cè)試基本重合；原始滲透率大于1mD的煤樣，反復(fù)壓實(shí)至滲透率接近1mD時(shí)，滲透率恢復(fù)度同樣達(dá)到90%。表明該區(qū)煤樣在很大應(yīng)力范圍內(nèi)(8MPa)發(fā)生的應(yīng)力形變?yōu)閺椥孕巫?，而非以往認(rèn)為的彈塑性形變。

應(yīng)力敏感性 滲透率 加熱 恢復(fù) 內(nèi)應(yīng)力

煤體滲透率是反映煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)難易程度的重要物性參數(shù)，也是瓦斯?jié)B流力學(xué)基本理論的重要參數(shù)，始終是滲流力學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。應(yīng)力是影響瓦斯?jié)B透率的重要因素之一。國外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。國內(nèi)谷達(dá)圣以型煤為研究對(duì)象，研究了有效應(yīng)力和不同氣體對(duì)煤的滲透性影響。魏建平通過反復(fù)加-卸載圍壓，研究了不同含水量煤巖滲流特征變化。陳振宏對(duì)高階煤巖的應(yīng)力敏感性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果基本一致：煤巖表現(xiàn)出強(qiáng)應(yīng)力敏感性的特征，且具有較強(qiáng)的塑性特征，使得應(yīng)力卸載后煤巖滲透率恢復(fù)程度很低，甚至不到50%。本文采取沁水盆地寺河煤礦樣品，重新進(jìn)行應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，并對(duì)卸載后樣品進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力消除，得到與前人不同的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)過程

取寺河煤礦煤巖進(jìn)行鉆柱(樣品信息如表1所示)。對(duì)同一煤柱首先按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》SY/T 5358—2010(流體為氦氣，溫度為30℃)進(jìn)行應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后卸載樣品進(jìn)行105℃加熱12小時(shí)內(nèi)應(yīng)力消除，之后以相同方法進(jìn)行應(yīng)力敏感性重復(fù)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)測(cè)試若干次。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品信息

常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的應(yīng)力敏感性結(jié)果(表2和圖1)反應(yīng)出：圍壓增大，所有樣品滲透率呈冪指數(shù)下降，應(yīng)力敏感性特征為極強(qiáng)。在圍壓9MPa，應(yīng)力8.4MPa(圍壓-流壓)時(shí)，滲透率損失率皆在90%以上，最高達(dá)99.45%。應(yīng)力卸載曲線嚴(yán)重滯后于應(yīng)力加載曲線，圍壓卸載后，滲透率極難恢復(fù)至初始值，恢復(fù)率最低12.15%，最高60.80%。直觀的看，煤巖發(fā)生了彈塑性形變，塑性部分不可恢復(fù)。本實(shí)驗(yàn)中，滲透率回復(fù)程度與初始滲透率密切相關(guān)，呈冪指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。

圖1 原樣應(yīng)力敏感性曲線

圖2 原樣滲透率恢復(fù)程度與初始滲透率的關(guān)系

表2 應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 內(nèi)應(yīng)力消除后應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

消除內(nèi)應(yīng)力的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。從測(cè)試結(jié)果看，分為兩種類型，滲透率小于1mD和滲透率大于1mD。對(duì)于滲透率小于1mD的樣品，內(nèi)應(yīng)力消除后，滲透率基本上恢復(fù)到初值，恢復(fù)程度在90%以上，最高達(dá)100%(表3)。內(nèi)應(yīng)力消除后的應(yīng)力敏感性曲線與其初始應(yīng)力敏感性曲線基本上重合(圖3)，說明煤巖在加熱消除內(nèi)應(yīng)力過程中，被壓縮的裂隙逐漸彈性的擴(kuò)張回原狀，煤巖對(duì)應(yīng)力加、卸載的形變?yōu)閺椥?。以往?yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力卸載后滲透率恢復(fù)程度低，是煤巖在應(yīng)力加載過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力所致。滲透率小于1mD的煤樣，煤基質(zhì)裂隙主要由煤巖內(nèi)生裂隙割理和微裂隙構(gòu)成，支撐力強(qiáng)，彈性能力強(qiáng)。

圖3 卸載加熱后樣品應(yīng)力敏感性曲線對(duì)比(原始滲透率小于1mD)

對(duì)于滲透率大于1mD的樣品 (圖4， 表3)， 隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，滲透率下降趨于平緩，當(dāng)滲透率接近1mD時(shí)，內(nèi)應(yīng)力消除后，滲透率得以恢復(fù)。大于1mD的煤，煤裂隙不僅包含內(nèi)生裂隙割理和微裂隙，還包含由構(gòu)造或者其它因素引起的外生大裂隙。這部分裂隙支撐力差，在應(yīng)力加載中，發(fā)生不可逆的損傷，導(dǎo)致滲透率不可逆下降，當(dāng)這些裂隙壓實(shí)變?yōu)槲⒘严逗螅?支撐力增強(qiáng)， 應(yīng)力形變轉(zhuǎn)為彈性形變。 實(shí)際中， 煤巖外生裂隙遠(yuǎn)少于內(nèi)生裂隙。

圖4 原始滲透率大于1mD的樣品卸載加熱后的應(yīng)力敏感性曲線對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)樣品承載凈應(yīng)力約為8MPa，目前沁水盆地煤巖開采深度多為600～800m，凈應(yīng)力為 6～8MPa。煤巖從井下取到地面，伴隨應(yīng)力釋放而發(fā)生形變，該應(yīng)力形變是否為彈性關(guān)系到實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)是否具有現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。就本實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，就目前沁水盆地開采深度，煤層氣關(guān)鍵運(yùn)移通道內(nèi)生裂隙的應(yīng)力形變?yōu)閺椥孕巫?，取心樣品及礦場(chǎng)樣品在很大程度上能夠代替地層樣品進(jìn)行相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)，相關(guān)認(rèn)識(shí)能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

表3 應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)中樣品卸載加熱后滲透率恢復(fù)程度

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(責(zé)任編輯 王一然)

Study on Characteristics of Stress Sensitivity and Permeability Variations of High-rank Coal in Qinshui Basin

GAO Caixia，SU Xuefeng，LIU Junying，YU Li，ZHANG Yalan，LAI Haiwen

(Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company，Hebei 062552)

After sensitivity experiment，the sample from Sihe Coal Mine of Qinshui Basin is heated in 105℃ for 12 hours for releasing the internal stress and the sensitivity experiment is tested again. After releasing the internal stress，the permeability of the sample whose initial permeability is smaller than 1mD recovers to the initial value，and the stress sensitivity curves are accord with initial test. When the coal sample with the initial permeability of over 1mD is compressed for several times and its permeability is approximate to 1mD，after the heating test，its permeability could be recovered to 90% of the initial value. The result indicates that the stress deformation of the coal in Qinshui Basin under a large range of stress(8MPa)is not elastic-plastic deformation，but belongs to elastic deformation.

Stress sensitivity; permeability; heat; recovery; internal stress

高彩霞，工程師，從事煤層氣開發(fā)實(shí)驗(yàn)研究工作。