煤巖滲透特性實驗研究

盧海兵，吳建軍，姜 偉，曲喜墨，王 杰

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028； 3.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

中低階煤層氣資源豐富，預(yù)測煤層氣資源量達9.5萬億m3，占全國煤層氣預(yù)測資源量的26%。全國含氣量大于1萬億m3的9個含氣盆地，新疆占了4個，包括準噶爾盆地、吐哈盆地、天山系列盆地群和塔里木盆地。其中，準噶爾盆地沿天山一帶的東部和南緣，煤層氣資源量預(yù)計超過了1萬億m3，已超過常規(guī)天然氣資量。

煤層中含有諸多微裂隙，在儲層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化時，儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，儲層的物性參數(shù)隨之改變，煤層表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力敏感性。應(yīng)力敏感性對于研究煤層的一些性狀極為關(guān)鍵，嚴重影響研究結(jié)果，不能忽略[1-2]。應(yīng)力敏感性的本質(zhì)原因是巖石應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化時，巖石內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)和骨架顆粒承載的應(yīng)力分布發(fā)生改變，導(dǎo)致巖石內(nèi)部孔喉和裂隙等均產(chǎn)生變化，巖石內(nèi)部滲流面積和通道嚴重受到影響。因此，表現(xiàn)出應(yīng)力敏感性[3-4]。

1 煤巖裂隙系統(tǒng)表征方法研究

煤層氣儲層屬于孔隙—裂隙系統(tǒng)組成的雙重介質(zhì)儲層[5]。裂隙將煤體劃分為若干基質(zhì)巖塊，每個基質(zhì)巖塊包括有基質(zhì)孔隙，基質(zhì)孔隙是煤層中氣體儲存的空間，裂隙主要提供流體滲流的通道?？紫丁严缎碗p重介質(zhì)結(jié)構(gòu)是煤層氣藏特有的屬性，這種屬性也決定了煤層氣的吸附、解吸、擴散、滲流等獨特機制[6-7]。

根據(jù)掃描電鏡觀察結(jié)果，煤層氣儲層基質(zhì)孔隙按照成因類型可劃分為3大類9小類，煤層氣儲層基質(zhì)孔隙類型及成因見表1。

表1 煤層氣儲層基質(zhì)孔隙類型及成因Tab.1 Pore types and genesis of coalbed methane reservoir matrix

煤層裂隙是指煤受到自然界各種應(yīng)力作用而造成的裂開現(xiàn)象，它是自然形成的。煤層裂隙可分為原生裂隙、構(gòu)造裂隙、次生裂隙3類。描述天然裂縫的參數(shù)主要有：①裂縫寬度。裂縫寬度又稱為縫寬，為定量參數(shù)。它是指裂縫面之間的距離，該參數(shù)是裂縫孔隙度、滲透率的主要構(gòu)成要素。其數(shù)值小到微米級，大到毫米級，通常在幾十到幾百微米。②裂縫長度。裂縫長度是指裂縫的延伸長度，為定量參數(shù)。裂縫長度分布在幾米到十幾千米之間，甚至有幾十千米。儲層裂縫在平面上的延伸長度這一重要參數(shù)目前還沒有有效方法進行直接測量。③裂縫逼近角。裂縫逼近角是指裂縫與水平最大地應(yīng)力的夾角，其范圍在0～90°。④裂縫間距。裂縫間距是指2條裂縫之間的距離，其變化較大，幾毫米到幾十米不等。巖芯上對于同一組系的裂縫應(yīng)對其間距進行測量，同一組系是指具有成因聯(lián)系的、產(chǎn)狀相近的多條裂縫的組合。⑤裂縫方位。裂縫方位指裂縫或裂縫系發(fā)育的方位，可直接由定向取芯和裂縫與地層的關(guān)系來獲得，也可以通過測井資料獲取。由于只有大裂隙與水力裂縫相遇時會開啟并導(dǎo)致壓裂液濾失充填，因此在研究天然裂縫開啟問題時，只研究大裂隙的行為。分形理論同樣適用于大裂隙的分布與發(fā)育狀態(tài)研究，可以用分形維數(shù)描述大裂隙的發(fā)育程度。

方形煤樣表面裂隙分布如圖1所示。

圖1 方形煤樣表面裂隙分布Fig.1 Crack distribution on the surface of square coal sample

2 煤巖滲透特性實驗

2.1 實驗設(shè)備及操作步驟

(1)實驗儀器。實驗選用伺服控制巖石力學(xué)三軸實驗系統(tǒng)進行煤巖應(yīng)力敏感性的研究。實驗系統(tǒng)主要由軸向(壓力、位移)系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)5部分組成。

(2)巖樣制備。實驗選用TZ-2型取芯機，鉆速分3個檔，速度分別為365、1 050、1 800 r/min；功率為0.55 kW；鉆機可鉆直徑為25、38 mm的巖芯，最大鉆取長度為80 mm；實驗選用內(nèi)徑為25 mm的鉆頭，鉆深為50 mm，獲取室內(nèi)實驗巖芯6塊。實驗鉆取的巖芯兩端不平且?guī)r芯過長，需要將巖芯先用切片機切割，控制長度不超過50 mm，然后用雙面磨光機磨平巖芯的兩端，控制兩端的平行度在±0.005 cm范圍內(nèi)。對鉆取的6塊巖芯編號1—6，如圖2所示，并測量巖芯的基本尺寸，見表2。

圖2 巖芯圖片F(xiàn)ig.2 Core picture

表2 巖芯基本尺寸數(shù)據(jù)Tab.2 Basic size data of core

(3)實驗原理。實驗的基本原理是油氣水滲流的基本規(guī)律——達西定律，即單位時間內(nèi)流體通過巖芯的滲流量與巖芯的截面積A和巖芯兩端的壓差ΔP呈正比，與流體黏度μ和巖芯長度L呈反比。

(1)

式中，A為巖芯截面積；L為巖芯長度；μ為流體黏度；Q為滲流量；ΔP為巖芯兩端壓差；K為滲透率。

在巖芯和流體已定的情況下，可以確定參數(shù)A、L，在實際測量煤巖滲透率時，只需測量流量Q和壓差ΔP即可。

但采用式(1)計算巖芯的滲透率時，有一定的局限性，必須滿足一定的條件才能得到真實有效的測試結(jié)果。主要包括流體的選擇和注入方法：①必須選擇與煤巖巖芯不發(fā)生反應(yīng)的流體進行實驗；②在注入流體時，應(yīng)該保持一定的速度，確保流體注入的水流處在層流狀態(tài)；③注入流體的流量不能過大，應(yīng)保證滲透率和單位時間內(nèi)的滲流量呈直線關(guān)系。

2.2 煤儲層應(yīng)力敏感性實驗研究

實驗選取了6塊巖芯，在驅(qū)動壓力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa條件下，通過改變孔隙壓力，分別測定有效應(yīng)力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa時煤巖巖芯的滲透率，實驗孔隙流體為清水，實驗結(jié)果見表3。利用Origin對表3中的數(shù)據(jù)進行擬合。

(1)有效應(yīng)力對滲透率的影響。研究相同驅(qū)動壓力下滲透率受有效應(yīng)力影響的變化規(guī)律，處理結(jié)果如圖3所示。由擬合結(jié)果可知，隨著有效應(yīng)力的增加(驅(qū)動壓力不變，圍壓逐漸增大)，巖芯的滲透率降低，遞減幅度由大到小。這主要是由于煤巖儲層存在大量的天然裂隙，隨著有效應(yīng)力的增大，煤層試樣受到壓縮，孔隙變小，微裂縫閉合，從而導(dǎo)致滲透率降低。另外，煤巖的應(yīng)力敏感性較強，滲透率受有效應(yīng)力的影響很大，當有效應(yīng)力由0.5 MPa增大到2.0 MPa時，滲透率降低60%以上。

表3 巖芯滲透率實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of core permeability

(2)驅(qū)動壓力對滲透率的影響。研究相同有效應(yīng)力條件下驅(qū)動壓力對滲透率的影響，結(jié)果如圖4所示。擬合曲線表明，在有效應(yīng)力為定值(圍壓隨驅(qū)動壓力的增加而增大)的條件下，隨著驅(qū)動壓力的升高，煤巖巖芯的滲透率呈指數(shù)形式降低，遞減幅度由大到小。造成這種現(xiàn)象的原因是，實驗過程中，加載在巖芯長度方向上的圍壓是均勻的，而驅(qū)動壓力只加載在巖芯上端面，巖芯下端面接大氣，沿巖芯長度方向上的有效應(yīng)力是逐漸增加的，此處的有效應(yīng)力值只是巖芯上端面的有效應(yīng)力數(shù)值。隨著圍壓和驅(qū)動壓力的增加，巖芯上端面的有效應(yīng)力值是不變的，但巖芯整體的有效應(yīng)力值是增加的。因此，煤巖試樣受到壓縮，微裂隙閉合，有效滲流通道減小，滲透率降低。

(3)模擬實際壓裂過程中驅(qū)動壓裂對滲透率的影響。煤層氣儲層是基質(zhì)孔隙—微裂縫孔隙型雙孔隙介質(zhì)，儲層在地質(zhì)條件下受到上覆巖層的壓力，該壓力與巖層的厚度和密度相關(guān)，不會隨著時間或井下活動(如開采、壓裂等)而改變。在以往的滲透率研究中，設(shè)置的實驗條件一般是驅(qū)動壓力為定值，通過一定的方式調(diào)整圍壓值，探索有效應(yīng)力對滲透率的影響，這與實際壓裂情況有一定的不同。實際煤層氣壓裂過程中，上覆巖層壓力即圍壓為定值，隨著壓裂的進行，井底壓力逐漸增加，有效應(yīng)力逐漸減小，滲透率隨之發(fā)生變化。本研究通過實驗?zāi)M這種壓裂過程，保持圍壓數(shù)值恒定，通過改變驅(qū)動壓力研究有效應(yīng)力的變化對煤巖巖芯滲透率的影響。在應(yīng)力敏感性實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取圍壓為2.5 MPa，驅(qū)動壓力分別取0.5、1.0、1.5、2.0 MPa時的數(shù)據(jù)(表4)，研究有效應(yīng)力對滲透率的影響。

圖3 有效應(yīng)力—滲透率數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.3 Data fitting curve of effective stress-permeability

圖4 驅(qū)動壓力—滲透率數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.4 Data fitting curve of driving pressure-permeability

表4 模擬實際壓裂滲透率變化Tab.4 Simulation of actual fracturing permeability change

通過分析和對比發(fā)現(xiàn)，隨著有效應(yīng)力不斷增大，滲透率逐漸減小，但是滲透率減小的幅度有所不同。在驅(qū)動壓力不變的情況下，隨著圍壓的增大，滲透率下降較快，當有效應(yīng)力增大到2 MPa時，滲透率殘余值百分數(shù)大多集中在10%～20%內(nèi)；在圍壓不變的情況下，隨著有效應(yīng)力的增大，滲透率下降速率較慢，當有效應(yīng)力增大到2 MPa時，滲透率殘余值百分數(shù)大多集中在40%～50%內(nèi)，明顯高于殘余滲透率數(shù)值。這充分說明了不同的增壓方式，對實驗結(jié)果與實際施工的吻合度影響很大。

模擬實際壓裂有效應(yīng)力—滲透率擬合曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在圍壓不變的條件下，隨著有效應(yīng)力的增大，滲透率逐漸減小，實際壓裂施工過程是此規(guī)律的逆過程。即實際壓裂施工過程中，上覆巖層壓力不變，隨注入壓力的增大，有效應(yīng)力逐漸減小，滲透率逐漸增大。

圖5 模擬實際壓裂有效應(yīng)力—滲透率擬合曲線Fig.5 Fitting curve of effective stress-permeability for simulating actual fracturing

3 結(jié)論

(1)通過煤儲層應(yīng)力敏感試驗，探究不同驅(qū)動壓力、不同有效應(yīng)力下巖石滲透率變化；通過控制圍壓數(shù)值恒定，模擬實際壓裂過程，得出驅(qū)動壓力對滲透率的影響。

(2)驅(qū)動壓力不變的條件下，隨著有效應(yīng)力的增加，煤巖巖芯的滲透率降低，當有效應(yīng)力由0.5 MPa增大到2.0 MPa時，滲透率降低60%以上。有效應(yīng)力不變的條件下，隨著驅(qū)動壓力的增加，煤巖巖芯的滲透率呈指數(shù)形式降低。

(3)在圍壓不變的情況下，隨著有效應(yīng)力的增大，滲透率下降速率較慢，當有效應(yīng)力增大到2.0 MPa時，滲透率殘余值百分數(shù)大多集中在40%～50%內(nèi)。即實際壓裂施工過程中，上覆巖層壓力不變，隨著注入壓力的增大，有效應(yīng)力逐漸減小，滲透率逐漸增大。