煤層氣儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性定量表征及影響因素研究

王鏡惠，梅明華，梁正中，王華軍

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 第二采氣廠，陜西 榆林 719000)

煤層氣開(kāi)發(fā)是通過(guò)持續(xù)排水降壓，使甲烷解吸、擴(kuò)散、滲流產(chǎn)出地面，而煤層割理、裂縫系統(tǒng)復(fù)雜[1-2]，應(yīng)力敏感性強(qiáng)，容易導(dǎo)致滲透率傷害，影響煤層氣井排水降壓效率和產(chǎn)氣效率[3-4]，因此，有必要開(kāi)展對(duì)煤巖應(yīng)力敏感性的研究。部分學(xué)者對(duì)不同區(qū)塊煤巖應(yīng)力敏感性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：田永東等[5]研究了高煤階煤巖應(yīng)力敏感性，認(rèn)為具有強(qiáng)應(yīng)力敏感性，但并未分析其原因；楊延輝等[6]研究了高階煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性，認(rèn)為有效應(yīng)力小于9.5 MPa時(shí)應(yīng)力敏感性強(qiáng)，但并未解釋其影響因素；陳剛等[7]研究了各階煤巖應(yīng)力敏感性情況，認(rèn)為中、高煤階煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性弱于低煤階，但其研究的樣品Ro最高僅為2.02%，并不能代表全部高階煤；鮑清英等[8]研究了低階煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性，認(rèn)為低煤階煤巖應(yīng)力敏感性強(qiáng)于高煤階煤巖，研究樣品同樣沒(méi)有廣泛的代表性；陳術(shù)源等[9]研究了溫度對(duì)高階煤的煤層氣儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性的影響，認(rèn)為溫度影響較弱；薛培等[10]主要研究了有效應(yīng)力及孔隙壓力對(duì)煤巖應(yīng)力敏感性的影響。目前對(duì)煤層氣儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性影響因素研究較少且不夠系統(tǒng)，本文首先確定了煤層應(yīng)力敏感性系數(shù)和滲透率損害率2個(gè)參數(shù)來(lái)表征煤巖應(yīng)力敏感性強(qiáng)弱，然后著重研究了煤階、煤層初始滲透率和儲(chǔ)層氣體壓力3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)煤層應(yīng)力敏感性的影響，以期揭示煤巖應(yīng)力敏感性影響因素及影響機(jī)理，并為預(yù)防煤巖應(yīng)力敏感性提供合理借鑒。

1 應(yīng)力敏感性定量表征

1.1 應(yīng)力敏感性系數(shù)

許多學(xué)者[11-13]對(duì)煤巖應(yīng)力敏感性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)為煤巖滲透率隨有效應(yīng)力的增加呈指數(shù)形式降低，其表達(dá)式為：

k=k0e-C(σ-σ0)

(1)

式中：k為應(yīng)力增加后煤層滲透率，k0為初始滲透率，C為煤層應(yīng)力敏感系數(shù)，σ為增加后的應(yīng)力，σ0為初始應(yīng)力。煤層應(yīng)力敏感性系數(shù)表征應(yīng)力敏感性大小，系數(shù)越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

1.2 滲透率損害率

(2)

式中：α為煤層滲透率傷害系數(shù)。

煤層滲透率損害率表征由于應(yīng)力增加導(dǎo)致煤層滲透率降低的程度，滲透率損害率越大，在增加相同應(yīng)力時(shí)，滲透率降低程度越大。由式(2)可知，煤層滲透率損害率大小與有效應(yīng)力大小和應(yīng)力敏感性系數(shù)大小有關(guān)。根據(jù)式(2)模擬得到應(yīng)力敏感性系數(shù)不同時(shí)有效應(yīng)力與滲透率損害率關(guān)系(圖1)，表明滲透率損害率隨有效應(yīng)力的增加而增加，且應(yīng)力敏感性系數(shù)越大，滲透率損害率的增加程度越快。

圖1 應(yīng)力敏感性系數(shù)不同時(shí)有效應(yīng)力與滲透率損害率關(guān)系Fig.1 Relationship between effective stress and permeability of coal samples with different stress sensitivity coefficients

2 應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用煤巖樣品取自鄂爾多斯盆地、沁水盆地的保德、鄉(xiāng)寧和晉城等區(qū)塊，加工成長(zhǎng)度5 cm、直徑2.5 cm的天然煤巖巖柱。煤樣鏡質(zhì)體反射率在0.7%～3.1%之間，初始滲透率分布在(0.1～0.83)×10-3μm2之間，煤巖組分如表1所示。

為研究煤階對(duì)應(yīng)力敏感性的影響，分別在保德、鄉(xiāng)寧、延川、長(zhǎng)治和晉城5個(gè)區(qū)塊各選2塊煤巖樣品，各區(qū)的2塊煤巖樣品滲透率分別為0.1×10-3μm2和0.8×10-3μm2左右且其鏡質(zhì)體反射率應(yīng)相近；選取晉城區(qū)塊煤階相近而初始滲透率分別為0.05×10-3，0.2×10-3，0.29×10-3，0.53×10-3μm2的4塊煤巖樣品，研究煤巖初始滲透率對(duì)應(yīng)力敏感性的影響；選取晉城區(qū)塊初始滲透率為0.8×10-3μm2的煤巖樣品，分別在氣體壓力為2，3，4，5 MPa時(shí)測(cè)定煤巖滲透率，研究?jī)?chǔ)層氣體壓力對(duì)應(yīng)力敏感性的影響。

表1 沁南—鄂東緣不同煤階煤巖樣品基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal samples of different ranks from the southern Qinshui Basin and the eastern margin of Ordos Basin

實(shí)驗(yàn)儀器包括氣體滲透率測(cè)試儀、巖心夾持器、高壓甲烷氣瓶、調(diào)壓閥、恒速恒壓泵、皂沫流量計(jì)和恒溫箱等。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)在室溫條件下(20 ℃)進(jìn)行，嚴(yán)格按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法：SY/T5358—2002》 進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。分別在有效應(yīng)力為1，3，5，7，9，12 MPa條件下測(cè)定煤巖滲透率，得到不同煤階煤巖樣品在不同有效應(yīng)力條件下的滲透率，根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算出應(yīng)力敏感性系數(shù)和滲透率損害率，結(jié)果如表1、圖2所示。

3 結(jié)果討論

3.1 煤階對(duì)應(yīng)力敏感性的影響

選取不同區(qū)塊、不同煤階煤巖樣品進(jìn)行應(yīng)力敏感性試驗(yàn)(表1，圖2)。由表1和圖2可知，在滲透率相近情況下，隨著煤階增加，煤巖應(yīng)力敏感性系數(shù)先增加后降低，而煤巖滲透率損害率先降低后增加。在實(shí)驗(yàn)所用的10塊煤巖樣品中，滲透率相近時(shí)，保德區(qū)塊(Ro=0.8%)和晉城區(qū)塊(Ro=3.0%)應(yīng)力敏感性系數(shù)最高，滲透率損害率最大；鄉(xiāng)寧區(qū)塊(Ro=1.7%)應(yīng)力敏感性系數(shù)最低，滲透率損害率最小。表明鏡質(zhì)組反射率Ro<1.7%時(shí)，煤階越低，應(yīng)力敏感性程度越大，滲透率損害率越高；而鏡質(zhì)組反射率Ro>1.7%時(shí)，煤階越高，應(yīng)力敏感性程度越大，滲透率損害率越高。這主要是由于鏡質(zhì)組反射率Ro>1.7%時(shí)，熱演化程度越高，煤巖彈性模量越高、泊松比越低，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的裂隙密度降低且裂縫寬度減小[14]。因此，隨著應(yīng)力增加，裂縫閉合作用導(dǎo)致滲透率下降程度增加，應(yīng)力敏感性增強(qiáng)；而當(dāng)鏡質(zhì)組反射率Ro<1.7%時(shí)，煤階越低，煤巖孔隙度越大，隨有效應(yīng)力的增加，孔隙壓縮程度越高，滲透率下降程度越高，則應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

圖2 沁南—鄂東緣不同煤階煤樣有效應(yīng)力與滲透率關(guān)系Fig.2 Relationship between effective stress and permeability of coal samples with different coal ranks in the southern Qinshui Basin and the eastern margin of Ordos Basin

3.2 煤巖初始滲透率對(duì)應(yīng)力敏感性的影響

圖3反映了4塊不同初始滲透率的煤樣在不同有效應(yīng)力條件下滲透率的變化趨勢(shì)，圖3表明4塊煤樣滲透率均隨有效應(yīng)力的增加而降低。依據(jù)式(1)對(duì)圖3中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各煤樣應(yīng)力敏感性系數(shù)(表2)，表明煤巖初始滲透率越高，其應(yīng)力敏感性系數(shù)越低，即應(yīng)力敏感性越弱。對(duì)每個(gè)區(qū)塊煤階相近而滲透率不同的煤巖樣品，分別測(cè)試不同滲透率條件下應(yīng)力敏感性系數(shù)(表1)，結(jié)果同樣表明煤階相同時(shí)，初始滲透率越高，煤巖應(yīng)力敏感性系數(shù)越低。利用本文數(shù)據(jù)和前人數(shù)據(jù)[15-17]作不同煤樣初始滲透率與其應(yīng)力敏感性系數(shù)之間的關(guān)系圖(圖4)，表明煤巖應(yīng)力敏感性系數(shù)隨煤樣初始滲透率的增加而降低。二者關(guān)系可用下式表征：

圖3 沁南—鄂東緣不同初始滲透率煤樣滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability and effective stress of samples with different initial permeabilities in the southern Qinshui Basin and the eastern margin of Ordos Basin

表2 沁南—鄂東緣實(shí)驗(yàn)煤樣初始滲透率與應(yīng)力敏感性系數(shù)Table 2 Initial permeability and stress sensitivity coefficient of the 4 coal samples from the southern Qinshui Basin and the eastern margin of Ordos Basin

圖4 沁南—鄂東緣初始滲透率與應(yīng)力敏感性系數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between initial permeability and stress sensitivity coefficient of coal in the southern Qinshui Basin and the eastern margin of Ordos Basin

C=-0.111lnk0+0.05

(3)

將式(3)代入式(1)并整理可得煤巖滲透率隨有效應(yīng)力變化的計(jì)算公式：

(4)

利用式(4)對(duì)4塊煤樣滲透率隨有效應(yīng)力變化情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果(圖3)表明，式(4)能很好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 儲(chǔ)層氣體壓力對(duì)應(yīng)力敏感性的影響

圖5a為同一煤樣在不同儲(chǔ)層氣體壓力時(shí)滲透率隨有效應(yīng)力的變化，表明在相同有效應(yīng)力條件下，儲(chǔ)層氣體壓力越低，滲透率越高，且應(yīng)力敏感性越高。如氣體壓力為2MPa時(shí)，煤巖初始滲透率為0.8×10-3μm2，擬合后得到的應(yīng)力敏感性系數(shù)為

0.366 MPa-1。而氣體壓力為5 MPa時(shí)，煤巖儲(chǔ)層滲透率只有0.32×10-3μm2，比2 MPa時(shí)降低了60%；此時(shí)擬合后得到的應(yīng)力敏感性系數(shù)為0.309 MPa-1，比2 MPa時(shí)降低了2%。這主要是由于：第一，儲(chǔ)層中氣體壓力越低，氣體滑脫效應(yīng)越大，則氣體滲透率越高；第二，儲(chǔ)層氣體壓力越低，煤巖吸附的氣體量越小，所造成的基質(zhì)膨脹效應(yīng)越低，煤巖有效滲流通道較大，因此滲透率較高。同時(shí)，由于上覆巖層應(yīng)力一定，即圍壓固定，此時(shí)儲(chǔ)層氣體壓力越低，煤巖承受的有效應(yīng)力越大，裂縫閉合程度越高，因此，應(yīng)力敏感性系數(shù)越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

圖5b為同一煤樣在不同儲(chǔ)層氣體壓力時(shí)滲透率損害率隨有效應(yīng)力的變化，表明總體上氣體壓力較低時(shí)，滲透率損害率也略高，氣體壓力為2 MPa和3 MPa時(shí)的滲透率損害率略高于氣體壓力為4 MPa和5 MPa時(shí)的滲透率損害率。這是由于氣體壓力越低，有效應(yīng)力增加造成壓縮作用越大，從而應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，滲透率損害率增加。圖5整體分析表明，儲(chǔ)層氣體壓力越低，滲透率越高，越有利于煤層氣開(kāi)發(fā)，但需要預(yù)防應(yīng)力敏感性造成的滲透率傷害。

4 結(jié)論

(1)煤層應(yīng)力敏感性系數(shù)越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。煤層滲透率損害率隨有效應(yīng)力的增加而增加，且應(yīng)力敏感性系數(shù)越大，滲透率損害率的增加程度越大。

(2)鏡質(zhì)組反射率Ro<1.7%時(shí)，煤階越低，應(yīng)力敏感性程度越大，滲透率損害率越高，因?yàn)槊弘A越低，煤巖孔隙度越大，隨著有效應(yīng)力增加孔隙壓縮程度越高；而鏡質(zhì)組反射率Ro>1.7%時(shí)，煤階越高，應(yīng)力敏感性程度越大，滲透率損害率越高，因?yàn)闊嵫莼潭仍礁?，煤巖成巖過(guò)程中基質(zhì)收縮作用越強(qiáng)，割理—裂隙越發(fā)育，應(yīng)力增加導(dǎo)致的裂縫閉合作用越強(qiáng)。

圖5 沁南—鄂東緣不同儲(chǔ)層壓力對(duì)煤樣應(yīng)力敏感性和滲透率傷害程度的影響Fig.5 Effects of gas pressure on stress sensitivity and permeability damage content of coal samples in the southern Qinshui Basin and the eastern margin of Ordos Basin

(3)煤巖初始滲透率越高，其應(yīng)力敏感性系數(shù)越低，應(yīng)力敏感性越弱。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的初始滲透率與其應(yīng)力敏感性系數(shù)之間經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合性較好，因此，在煤階相近時(shí)，可以根據(jù)煤巖初始滲透率估算其應(yīng)力敏感性，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

(4)儲(chǔ)層氣體壓力越低，滲透率越高，而煤巖應(yīng)力敏感性系數(shù)和滲透率損害率也略高，這主要是由于儲(chǔ)層中氣體壓力越低，氣體滑脫效應(yīng)越大，則滲透率越高；同時(shí)，由于氣體壓力越低，裂縫閉合程度越高，因此煤巖應(yīng)力敏感性系數(shù)和滲透率損害率較大。因此，煤層氣藏氣體壓力越低，越有利于煤層氣開(kāi)發(fā)，但需要預(yù)防應(yīng)力敏感性造成的滲透率傷害。