煤樣滲透率有效應力與基質收縮雙重耦合效應及其與煤階關系

曹明亮，鄧澤，康永尚，李忠城，張兵，秦紹鋒，鄧志宇，郭明強

1)中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京，100016；2)中國石油天然氣集團有限公司非常規(guī)油氣重點實驗室，河北廊坊，065000；3)中國石油大學(北京)地球科學學院，北京，102249

內容提要：為研究煤層氣在排采過程中不同煤階煤儲層滲透率動態(tài)變化規(guī)律，利用煤巖三軸應力應變(基質收縮膨脹)測試系統(tǒng)，對褐煤、氣煤和無煙煤樣開展了有效應力與基質收縮雙重效應物理模擬實驗。固定軸壓和圍壓不變，改變氣體平衡壓力，模擬開發(fā)過程中儲層壓力變化特征，測試其動態(tài)滲透率。利用實驗結果，分析了不同煤階煤巖在排采過程中動態(tài)滲透率反彈特征，并對比分析煤巖動態(tài)滲透率改善效果的差異性。研究表明：氣體平衡壓力從5 MPa降至1 MPa過程中，在有效應力和基質收縮雙重效應作用下，褐煤樣的歸一化滲透率依次為1.00、0.60、0.57、0.57、0.52，氣煤樣依次為1.00、0.64、0.50、0.54和0.55，無煙煤樣依次為1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。隨氣體平衡壓力下降，中階及高階煤樣動態(tài)滲透率先下降后上升，整體呈不對稱“V”型變化規(guī)律，但拐點略有不同；低階煤樣動態(tài)滲透率呈先下降后基本穩(wěn)定的趨勢，整體呈斜“L”型變化規(guī)律。在有效應力和基質收縮雙重效應影響下，中階及高階煤樣動態(tài)滲透率改善效果優(yōu)于低階煤樣。

在煤層氣井排采中后期，煤儲層滲透率一方面受有效應力負效應的影響，隨著排采進行而降低(全方凱等，2012；劉皓，2017；于文龍，2018；侯世輝，2018)；另一方面受基質收縮正效應的影響，隨著排采進行而升高(張松航等，2012；裴柏林等，2017)。二者耦合作用使得煤儲層滲透率在排采過程中呈現(xiàn)動態(tài)變化特征(陳亞西，2016)。因此，認識不同煤階煤巖在開發(fā)過程中滲透率動態(tài)變化規(guī)律，對比分析不同煤階煤巖動態(tài)滲透率改善效果的差異性，可為煤層氣排采工作制度優(yōu)化提供理論依據。國內外學者對排采過程中煤巖滲透率動態(tài)演化進行過一些研究(Seidle，1992；Enever et al.，1997；Gray，1987；Levine, 1996；鄧澤等，2009；孟艷軍等，2015；袁梅等，2018；孟雅，2018)。例如，傅雪海(2001)采用現(xiàn)代測試方法與理論，厘定了多相介質煤巖體的吸附/解吸、擴散與滲流特征，并構建相關數學模型，首次對滲透率與主控因素之間關系進行了系統(tǒng)地耦合分析。秦勇等(2005)提出煤儲層彈性自調節(jié)作用的概念及其成藏效應，建立起煤儲層在有效應力—吸附—解吸條件下產生彈性體積變形的模式。汪吉林等(2012)計算并分析了有效應力、煤基質收縮、氣體滑脫效應等因素對滲透率的影響及其疊加作用的表現(xiàn)。綜上所訴，前人對煤巖動態(tài)滲透率及變形特征的認識取得了豐碩的成果，但在三軸應力狀態(tài)下，不同煤階煤樣在雙重效應作用下動態(tài)滲透率響應特征尚需進一步研究。為進一步深化認識，筆者選取3個地區(qū)不同煤階煤樣開展物理模擬實驗，揭示不同煤階煤巖在有效應力與基質收縮雙重效應影響下滲透率變化特征，并對比分析不同煤階煤巖滲透率改善效果的差異性。

1 樣品及實驗方法

1.1 煤樣及其制備

煤樣采自二連盆地白音華礦區(qū)下白堊統(tǒng)以及鄂爾多斯盆地東部興縣礦區(qū)石炭系煤層、沁水盆地南部陽城礦區(qū)石炭二疊系煤層，分別為褐煤、氣煤和無煙煤，代表低階、中階、高階煤樣品(表1)。

表1 實驗煤樣基本信息

根據國際巖石力學學會(ISRM)建議的三軸壓縮實驗方法制備實驗煤柱樣。利用巖石切割機垂直層理面鉆取長度為50 mm、直徑為25 mm(公差小于0.5 mm)的標準圓柱體。每個大樣各鉆取若干柱體樣，對煤柱樣兩端進行拋光處理，以保證兩端平滑、彼此平行且垂直于圓柱的軸線(公差小于0.02 mm)(圖1)。

圖1 不同煤階實驗煤樣:(a)白音華礦區(qū)煤樣；(b)興縣礦區(qū)煤樣；(c)陽城礦區(qū)煤樣

白音華煤樣宏觀煤巖成分以暗煤、絲炭為主，宏觀煤巖類型為半暗型，煤體結構為碎裂結構，煤體構造為層狀構造，外生裂隙基本不發(fā)育，無裂隙充填物；興縣煤樣宏觀煤巖成分以暗煤、亮煤為主，夾有鏡煤條帶，宏觀煤巖類型為半光亮型，煤體結構為原生結構，煤體構造為層狀構造，外生裂隙基本不發(fā)育，無裂隙充填物；陽城煤樣宏觀煤巖成分以暗煤、絲炭為主，宏觀煤巖類型為半暗型，煤體結構為碎裂結構，煤體構造為層狀構造，外生裂隙極其發(fā)育，密度20～30條/5 cm。

1.2 模擬實驗方案與流程

模擬實驗方案見表2。軸壓(垂向應力)和圍壓(側應力)固定不變，軸壓設計為9 MPa，圍壓設計為8 MPa，以模擬煤巖所處的三軸應力狀態(tài)。氣體平衡壓力(煤樣吸附時的穩(wěn)定氣壓)分別設計為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa和5 MPa，實驗氣體為甲烷，以模擬煤層氣解吸過程中的基質收縮效應。根據有效應力計算公式(式1)(曹明亮等，2021)，得到有效應力分別為7.33 MPa、6.33 MPa、5.33 MPa、4.33 MPa和3.33 MPa，考慮有效應力效應。

表2 有效應力與基質收縮雙重效應物理模擬實驗方案

(1)

式中：σe為有效應力，MPa；σ1為軸壓，MPa；σ3為圍壓，MPa；P為孔隙壓力，MPa。

通過以上實驗設計，可實現(xiàn)有效應力負效應及基質收縮正效應對煤樣滲透率動態(tài)變化的耦合作用。共完成3×5個實驗樣點，對每個實驗樣點測試其對應的滲透率。由于煤巖吸附與解吸具有可逆性(彭守建等，2012)，從氣體平衡壓力自5 MPa降至1 MPa這一角度研究，可模擬淺部煤層氣排采過程，分析煤儲層滲透率隨儲層壓力降低的動態(tài)變化特征。

物理模擬實驗流程如下：

(1)實驗前對實驗煤樣進行拍照及宏觀煤巖描述，包括宏觀煤巖成分、宏觀煤巖類型、煤體結構及構造、裂隙發(fā)育情況。

(2)使用塑膠管將試樣進行塑封并固定在巖心夾持器上，安裝軸向位移傳感器和徑向位移傳感器，然后將樣品放入壓力室，并用密封圈緊固，最后對傳感器校準調零并完成上樣。

(3)軸壓加載速率保持在0.02 MPa/s，圍壓加載速率同樣保持在0.02 MPa/s，采用交替加壓方式加載至實驗設計方案的初始壓力點，加載過程中始終保持軸壓大于圍壓。

(4)按照實驗設計向氣體入口及出口同時通甲烷氣體，使煤樣充分吸附12 h以上，在吸附膨脹應變量基本不再增加后，采用“脈沖法”測試實驗煤樣的滲透率。

(5)依次加載到下一壓力點，并重復步驟4，直至完成某一恒定有效應力下的所有5個測試點。

1.3 實驗裝置及滲透率測試

采用中國石油勘探開發(fā)研究院LFLab-Ι煤巖三軸應力應變(基質收縮膨脹)測試系統(tǒng)(圖2)。該裝置主要由氣源、應力加載系統(tǒng)、應變測量系統(tǒng)、氣壓監(jiān)測系統(tǒng)及數據采集系統(tǒng)等單元組成；最大限制軸壓為400 MPa，精度1×10-3MPa；最大限制圍壓為30 MPa，精度1×10-3MPa；最大限制氣體壓力7 MPa，精度1×10-6MPa；最大限制試樣長度為50 mm，尺寸精度為0.1 mm；時間精度為1×10-6h。

圖2 LFLab-I煤巖三軸應力應變測試系統(tǒng)：(a)實驗裝置示意圖；(b)實驗設備

氣源①是管路氣源，通過兩個閥門實現(xiàn)甲烷氣體及氦氣的分別供應。氣體增壓泵②的作用是通過縮小氣體儲存空間增大氣體壓力，滿足實驗要求。入口氣壓傳感器③和出口氣壓傳感器④可實時記錄入口氣壓及出口氣壓值，根據出入口氣壓隨時間變化值，利用“脈沖法”計算煤樣滲透率。熱縮管起到封閉煤樣防止?jié)B油及固定煤樣的作用。

脈沖滲透率計算參考SY/T 5336-2006《巖心分析方法》第6.8節(jié)的D.6.8.4，計算公式如下：

(2)

其中：

(3)

(4)

f1=EXP(A0)

(5)

以興縣煤樣氣體平衡壓力為1 MPa時數據為例，展示脈沖滲透率原始測試數據及數據處理過程(即A0和A1求取過程)。圖3a為興縣煤樣在氣體平衡壓力1 MPa時脈沖滲透率原始測試數據，即滲透率測試時入口氣壓和出口氣壓隨時間變化曲線。圖3b為入口壓力與出口壓力差隨時間變化曲線，壓力差接近于零時表明出入口氣體壓力達到平衡。然后經過數據處理得到圖3c，求得式3所需的A0(-0.0119)和A1(-0.4714)，最后利用式(2)—式(5)計算出動態(tài)滲透率。

圖3 脈沖滲透率原始測試數據及數據解釋

2 實驗結果及分析

模擬實驗滲透率測試結果見表3。白音華煤樣外生裂隙發(fā)育不明顯，煤體結構為原生—碎裂結構，興縣煤樣外生裂隙不發(fā)育，煤體結構為原生結構，陽城煤樣外生裂隙發(fā)育明顯，密度為20～30條/5 cm，煤體結構為碎裂結構。故在氣體平衡壓力1 MPa時，陽城煤樣測試滲透率相對較高，而興縣煤樣測試滲透率較低。為方便描述滲透率改善特征，在表3中列出了經簡單處理后的歸一化滲透率，歸一化滲透率是指某一加載壓力下的滲透率與最后壓力點滲透率的比值。

表3 煤樣有效應力及基質收縮雙重效應物理模擬實驗結果

氣體平衡壓力從5 MPa降至1 MPa過程中，白音華煤樣歸一化滲透率依次為1.00、0.60、0.57、0.57、0.52，興縣煤樣歸一化滲透率依次為1.00、0.64、0.50、0.54和0.55，陽城煤樣歸一化滲透率依次為1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。

就白音華煤樣來看，氣體平衡壓力下降至4～3 MPa時，滲透率快速降低，之后隨氣體平衡壓力繼續(xù)降低，滲透率不再繼續(xù)下降，基本穩(wěn)定在一定水平，整體呈斜“L”型變化規(guī)律(圖4)。

圖4 白音華煤樣動態(tài)滲透率曲線:(a)測試滲透率；(b)歸一化滲透率

對于興縣煤樣，隨氣體平衡壓力降低，煤樣滲透率經歷了先降低后略微增加的過程，整體呈不對稱“V”型變化趨勢，滲透率從降低轉為增加的拐點為3 MPa。與白音華低階煤樣實驗結果不同，興縣中階煤樣滲透率在較低氣體平衡壓力階段出現(xiàn)明顯的反彈趨勢(圖5)。

圖5 興縣煤樣動態(tài)滲透率曲線:(a)測試滲透率；(b)歸一化滲透率

陽城煤樣與興縣煤樣相似，隨氣體平衡壓力下降，滲透率出現(xiàn)先降低后增加的趨勢，整體呈不對稱“V”型變化規(guī)律，但滲透率從降低轉為增加的拐點為2 MPa(圖6)。

圖6 陽城煤樣動態(tài)滲透率曲線:(a)測試滲透率；(b)歸一化滲透率

實驗證明，在高氣體平衡壓力階段，煤巖應力敏感性較強，隨氣體平衡壓力下降，煤巖應力敏感性逐漸減弱(孟召平等，2013)，同時，在基質收縮效應單因素影響下，隨氣體平衡壓力降低，低、中及高煤階煤樣滲透率均呈指數函數式增加(曹明亮等，2021)。所以，煤樣滲透率動態(tài)曲線出現(xiàn)上述“拐點”，主要在于氣體平衡壓力降低至“拐點”之前，有效應力對滲透率影響的負效應占據主導作用，煤樣滲透率出現(xiàn)大幅度下降。之后，基質收縮正效應基本上相當于甚至大于有效應力負效應，滲透率逐漸穩(wěn)定或反彈增長。這一變化趨勢與前人利用P & M模型預測動態(tài)滲透率結果有很高的一致性(鄧澤等，2009)。

3 不同煤階煤樣滲透率改善效果對比分析

由圖7可見，隨氣體平衡壓力下降(即模擬排采過程)，中階和高階煤樣動態(tài)滲透率呈先下降后上升趨勢，整體呈不對稱“V”型變化規(guī)律，動態(tài)滲透率顯示出明顯的反彈現(xiàn)象。與此不同，低階煤樣動態(tài)滲透率隨氣體平衡壓力下降，呈先下降后基本穩(wěn)定的趨勢，整體呈斜“L”型規(guī)律變化。

圖7 不同煤階煤樣動態(tài)滲透率對比:(a)測試滲透率；(b)歸一化滲透率

僅就實驗煤樣而言，中階及高階煤樣在氣體平衡壓力變化過程中動態(tài)滲透率改善效果好于低階煤樣。

一方面，低、中、高階煤樣彈性模量分別為1.1284 GPa、3.8024 GPa、4.3201 GPa，隨煤階升高，彈性模量增大，這與前人認識一致。煤巖彈性模量越大，其抵抗有效應力負效應的能力越強，滲透率損害越小，故中階及高階煤樣在后期疊加基質收縮正效應的作用下，滲透率出現(xiàn)明顯反彈現(xiàn)象。而低階煤樣抵抗有效應力負效應的能力較弱，故后期基質收縮正效應基本上相當于有效應力負效應，滲透率基本穩(wěn)定在一定程度。另一方面，由于不同煤階煤巖吸附性能存在差異，中階及高階煤吸附能力強于低階煤(孟雅，2018)。同時，根據實驗結果，整個實驗過程中低階煤累計體積應變量為0.0985%，中階煤累計體積應變量為0.3139%，高階煤累計體積應變量為0.5868%。中階及高階煤基質收縮引起的體積應變量較大，割理及裂隙拉張程度更高，導致中、高階煤滲透率改善程度較好。

另外，中階及高階煤樣滲透率從降低轉為增加的“拐點”略有不同，高階煤樣“拐點”出現(xiàn)較晚。這是由于陽城高階煤樣外生裂隙發(fā)育明顯，密度為20～30條/5 cm，煤體結構碎裂，更易受有效應力負效應的影響，有效應力負效應主導時間較長。

4 結論

(1)氣體平衡壓力從5 MPa降至1 MPa過程中，在有效應力和基質收縮雙重耦合效應作用下，褐煤樣的歸一化滲透率依次為1.00、0.60、0.57、0.57、0.52；氣煤樣的歸一化滲透率依次為1.00、0.64、0.50、0.54和0.55；無煙煤樣的歸一化滲透率依次為1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。

(2)隨氣體平衡壓力下降，中階及高階煤樣動態(tài)滲透率先下降后上升，整體呈不對稱“V”型變化規(guī)律，但拐點略有不同；低階煤樣動態(tài)滲透率呈先下降后基本穩(wěn)定的趨勢，整體呈斜“L”型變化規(guī)律。

(3)在有效應力和基質收縮雙重效應作用下，中階及高階煤樣動態(tài)滲透率改善效果優(yōu)于低階煤樣，基質收縮效應引起的正效應相對較強。