煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性及其對(duì)氣井開(kāi)發(fā)的影響

周來(lái)誠(chéng)

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西晉城 048000）

在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著孔隙壓力不斷下降，儲(chǔ)層有效應(yīng)力不斷增加，導(dǎo)致地應(yīng)力分布不均、巖石被壓縮，引起孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層物性參數(shù)降低，即發(fā)生應(yīng)力敏感效應(yīng)[1，2]。煤巖儲(chǔ)層屬于低孔低滲儲(chǔ)層，比常規(guī)儲(chǔ)層更容易產(chǎn)生應(yīng)力敏感損害。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性進(jìn)行了大量的研究。Clarkson（2007）等指出煤巖儲(chǔ)層比其他儲(chǔ)層更易受到滲透率敏感性損害[3]。Harpalani等（1984）進(jìn)行了煤的常規(guī)滲透率實(shí)驗(yàn)[4]。Somerton等（1975）研究了有效應(yīng)力對(duì)煤巖滲透率的影響[5]。Yu等（2012）研究了應(yīng)力敏感性對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響[6]。Ostensen（1983）研究表明低滲氣藏的應(yīng)力敏感性可致使氣井的實(shí)際產(chǎn)能減少多達(dá)30%，同時(shí)指出，應(yīng)用不考慮應(yīng)力敏感的常規(guī)產(chǎn)能模型來(lái)分析應(yīng)力敏感性氣藏的穩(wěn)定試井資料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大偏差[7]。國(guó)內(nèi)關(guān)于應(yīng)力敏感的研究也比較多，李相臣等（2009）研究了應(yīng)力敏感對(duì)煤樣裂縫寬度及滲透率的影響[8]。陳振宏等（2008）則通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了干煤樣和濕煤樣的應(yīng)力敏感性[9]。鄧江明等（2007）研究了低滲氣藏應(yīng)力敏感性對(duì)合理產(chǎn)能的影響[10]。郭肖等（2007）研究了應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)低滲透氣藏水平井產(chǎn)能的影響[11]。鄭維師等研究結(jié)果表明井底壓力下降10 MPa，產(chǎn)量下降可達(dá)30%左右[12]。

目前，國(guó)內(nèi)外多以低有效應(yīng)力為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化并不能真實(shí)反映原地應(yīng)力條件。實(shí)際上，巖心被取到地面后，應(yīng)力得到了釋放，只有在接近原地應(yīng)力條件下測(cè)試時(shí)才能更真實(shí)地反映應(yīng)力改變對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響。為此，以原地有效應(yīng)力為基準(zhǔn)點(diǎn)，找出了有效應(yīng)力與無(wú)因次滲透率之間的關(guān)系，并理論計(jì)算了基于原地有效應(yīng)力的滲透率應(yīng)力敏感性對(duì)煤層氣井開(kāi)發(fā)的影響。

1 應(yīng)力敏感性特征研究

實(shí)驗(yàn)選取3塊天然柱狀煤樣進(jìn)行應(yīng)力敏感性測(cè)試，取樣深度1 000 m左右，樣品孔隙度和滲透率值（見(jiàn)表1），測(cè)試時(shí)有效應(yīng)力上限取25MPa，下限取3MPa。

表1 煤樣孔滲參數(shù)

根據(jù)滲透率敏感性評(píng)價(jià)方法[13]，將不同有效應(yīng)力下的滲透率無(wú)因次化，以3 MPa有效應(yīng)力為起始點(diǎn)的無(wú)因次滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖1），K為不同有效應(yīng)力下的滲透率，K3為有效應(yīng)力為3 MPa時(shí)的滲透率。

圖1 無(wú)因次滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)（起始點(diǎn)為3 MPa）

結(jié)果顯示，有效應(yīng)力低于16 MPa時(shí)，煤樣滲透率隨有效應(yīng)力的增加大幅降低，儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性較強(qiáng)；有效應(yīng)力超過(guò)16 MPa后，滲透率遞減趨緩。有效應(yīng)力達(dá)到25 MPa時(shí)，滲透率最小可降低到初始滲透率的3%，滲透率損害嚴(yán)重。主要原因是：相比于原地煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力條件，實(shí)驗(yàn)用煤樣處于完全的應(yīng)力釋放狀態(tài)，上覆巖層壓力和孔隙壓力的缺失致使煤樣釋放骨架應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)和大小的變化致使煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而造成部分小喉道和微裂隙增大或開(kāi)啟。以較低有效應(yīng)力為起點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)時(shí)，隨著有效應(yīng)力的增加，煤樣逐漸恢復(fù)到原地煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力條件，應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程中滲透率的變化并不能真實(shí)體現(xiàn)煤巖儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感程度。

為了真實(shí)反映煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性，以原地有效應(yīng)力為起點(diǎn)評(píng)價(jià)煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感程度。煤樣儲(chǔ)層埋深約1 000 m，儲(chǔ)層壓力梯度約0.95 MPa/100m，原地有效應(yīng)力16 MPa左右，以16 MPa的原地有效應(yīng)力為起始點(diǎn)的無(wú)因次滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2）。在煤巖儲(chǔ)層原始有效應(yīng)力條件下，隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率逐漸減小，達(dá)到最大有效應(yīng)力時(shí)，煤樣1滲透率損失為54.3%，煤樣2滲透率損失為62%，煤樣3滲透率損失為63.8%。

圖2 無(wú)因次滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)（起始點(diǎn)為16 MPa）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有效應(yīng)力與無(wú)因次滲透率之間符合二次多項(xiàng)式關(guān)系，即

式中：K-不同有效應(yīng)力下的滲透率，mD；Keffo-原地有效應(yīng)力下的滲透率，mD；Peff=Pover-P-有效應(yīng)力，MPa；Pover-上覆巖層壓力，MPa；P-孔隙壓力，MPa；c0、c1、c2-二項(xiàng)式擬合系數(shù)。

根據(jù)二項(xiàng)式關(guān)系擬合的曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)（見(jiàn)表2），R2都接近于1，說(shuō)明曲線(xiàn)可以較好地反映滲透率應(yīng)力敏感性規(guī)律。

2 應(yīng)力敏感性機(jī)理分析

煤巖儲(chǔ)層發(fā)生滲透率應(yīng)力敏感的主要原因是應(yīng)力狀態(tài)的改變導(dǎo)致承載巖石骨架顆粒與孔喉結(jié)構(gòu)間的原始關(guān)系發(fā)生了變化，進(jìn)而導(dǎo)致滲流通道發(fā)生變化。巖石的孔隙結(jié)構(gòu)由孔隙和喉道兩部分組成，由孔喉變形理論可知，致密巖石受壓時(shí)，首先被壓縮的是喉道，而非孔隙[14]，巖石的滲透率主要受喉道制約。

由于煤巖儲(chǔ)層屬于孔隙-裂隙雙重孔隙介質(zhì)[15，16]，因此，除了孔隙結(jié)構(gòu)的變化外，裂隙系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)的改變同樣會(huì)造成煤巖儲(chǔ)層滲透率應(yīng)力敏感。

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析 為了直觀反映孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤巖應(yīng)力敏感性的影響，對(duì)煤樣進(jìn)行了SEM微觀分析（見(jiàn)圖3）。結(jié)果顯示，煤巖儲(chǔ)層孔隙以粒間孔為主，填隙物含量較少，孔壁較平滑，孔隙呈不規(guī)則多邊形，抗壓能力較強(qiáng)，受應(yīng)力作用影響較小。喉道多呈片狀、反拱狀結(jié)構(gòu)，且喉道表面多有膠結(jié)物分布。有效應(yīng)力增加時(shí)，其結(jié)構(gòu)及表面膠結(jié)物很容易被壓縮，造成滲透率大幅降低。

表2 二項(xiàng)式擬合系數(shù)

圖3 煤樣孔喉結(jié)構(gòu)

圖4 滲透率與孔喉半徑的關(guān)系曲線(xiàn)

2.1.2 恒速壓汞喉道分析 恒速壓汞測(cè)試煤巖滲透率與孔喉均值半徑之間的關(guān)系（見(jiàn)圖4），從中可以看出，煤樣孔喉均值半徑與滲透率之間具有一定的正相關(guān)關(guān)系，隨滲透率增加，孔喉均值半徑相應(yīng)增大。儲(chǔ)層壓力降低時(shí)，滲透率變化較敏感的是相對(duì)較小的喉道，小喉道所占的比例越大，喉道減小或閉合的數(shù)量就越多，滲透率下降的幅度也越大。隨著儲(chǔ)層壓力的進(jìn)一步降低，煤巖骨架顆粒不斷被壓實(shí)，未閉合的喉道越來(lái)越少，且多數(shù)為不易閉合的喉道，因此滲透率降低的趨勢(shì)會(huì)逐漸減小。

2.2 微裂隙開(kāi)度分析

煤巖儲(chǔ)層微裂隙發(fā)育，是溝通儲(chǔ)層內(nèi)部的直接通道（見(jiàn)圖5）。在煤層氣開(kāi)采中，裂隙系統(tǒng)內(nèi)流體壓力下降，儲(chǔ)層巖石有效應(yīng)力增加，微裂隙被壓縮造成開(kāi)度下降，甚至閉合，而且這些微裂隙閉合后即使卸壓也很難再?gòu)堥_(kāi)，尤其是水平層間微裂隙的閉合影響更為嚴(yán)重[17]。因此，微裂隙的閉合會(huì)造成儲(chǔ)層滲透率大幅度降低，表現(xiàn)為煤巖儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。

圖5 煤樣微裂隙

3 應(yīng)力敏感對(duì)煤層氣井開(kāi)發(fā)的影響

在煤層氣開(kāi)采的過(guò)程中，隨著排水進(jìn)行，儲(chǔ)層壓力逐漸下降，煤巖發(fā)生彈塑性變形[18-20]，引起應(yīng)力敏感，進(jìn)而造成滲透率降低，影響煤層氣的開(kāi)發(fā)效果。為了提高煤層氣產(chǎn)能，需要盡可能降低井底流壓，但井底流壓的降低會(huì)使井底附近壓降漏斗逐漸擴(kuò)大，產(chǎn)生應(yīng)力敏感效應(yīng)，反而會(huì)降低煤層氣產(chǎn)能。

3.1 應(yīng)力敏感對(duì)滲透率的影響

由圓形定壓邊界平面徑向流壓力分布和公式（1），可得考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)的滲透率分布近似為：

式中：Pe-原始煤層壓力，MPa；Peffo-原始煤層有效應(yīng)力，MPa；re-邊界距離，m；rw-氣井半徑，m；r-任意位置到氣井的距離，m。

圖6 應(yīng)力敏感對(duì)滲透率的影響

不同滲透率煤樣受應(yīng)力敏感效應(yīng)影響滲透率變化規(guī)律（見(jiàn)圖6）。從中可以看出，受應(yīng)力敏感效應(yīng)的影響，儲(chǔ)層滲透率呈漏斗形分布：距離井筒越近的儲(chǔ)層，滲透率變化越大；在遠(yuǎn)離井筒的區(qū)域，滲透率變化較小。對(duì)于同一煤樣，井底流壓越小，滲透率變化越大；對(duì)于不同煤樣，初始滲透率越大，同一井底流壓下，滲透率變化越小。

3.2 應(yīng)力敏感對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

由平面徑向流氣井理論產(chǎn)量和公式（1），可得到考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)時(shí)氣井產(chǎn)能與理論產(chǎn)能之間的比例關(guān)系：

式中：Q-考慮應(yīng)力敏感效應(yīng)時(shí)氣井產(chǎn)量，m3/d；Qeffo-平面徑向流理論產(chǎn)量，m3/d。

井底流壓發(fā)生變化時(shí)應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)氣井產(chǎn)能的影響（見(jiàn)圖7）?？梢钥闯觯涸诰琢鲏合陆颠^(guò)程中，3條曲線(xiàn)產(chǎn)量損失不斷增大，且差距不斷增大，當(dāng)井底流壓達(dá)到5 MPa時(shí)，煤樣1產(chǎn)量降低了約33.2%，煤樣2產(chǎn)量降低了約42.2%，煤樣3產(chǎn)量降低了約45.6%。計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力敏感性嚴(yán)重影響煤層氣井產(chǎn)能，且初始滲透率越小，產(chǎn)能降低越嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定煤層氣井合理的井底流壓。

圖7 應(yīng)力敏感對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

4 結(jié)論

（1）以原始煤巖儲(chǔ)層有效應(yīng)力為有效應(yīng)力基準(zhǔn)點(diǎn)的應(yīng)力敏感效應(yīng)評(píng)價(jià)方法計(jì)算的應(yīng)力與實(shí)際儲(chǔ)層的應(yīng)力狀態(tài)比較接近，能更真實(shí)地反映由儲(chǔ)層流體壓力下降而產(chǎn)生的應(yīng)力敏感。

（2）以原地有效應(yīng)力為基準(zhǔn)的無(wú)因次滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn)滿(mǎn)足二次多項(xiàng)式關(guān)系，擬合程度較好。

（3）掃描電鏡和恒速壓汞分析表明，煤巖儲(chǔ)層孔隙大小對(duì)應(yīng)力敏感性影響較小，喉道大小和形狀以及微裂隙的張開(kāi)程度是影響煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的主要原因。

（4）理論計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力敏感效應(yīng)對(duì)煤層氣井開(kāi)發(fā)有一定的影響。應(yīng)力敏感效應(yīng)使氣井井底附近儲(chǔ)層形成滲透率漏斗，井壁附近滲透率損失嚴(yán)重。井底流壓下降到5 MPa時(shí)，產(chǎn)量最大損失可達(dá)45.6%，且初始滲透率越小，產(chǎn)能降低越嚴(yán)重。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，確定合理井底流壓，實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)煤層氣目的。

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