煤層氣儲層滲透性影響因素分析

彭春洋 陳 健 原曉珠 湛祥惠

(長江大學石油工程學院,湖北 434023)

目前,中國多數煤層氣單井產量不高,衰減快,除了滲透率低這個客觀因素外,一個很重要的原因就是對煤儲層滲透率變化特征認識不全面,國內有關此類報道較少,因此加強煤層氣儲層的滲透性及其開發過程中動態變化特征的研究勢在必行。筆者在總結前人研究的基礎上,系統全面分析了煤層氣儲層的滲透性的相關影響因素及其變化規律。

1 裂隙系統發育

對于煤層氣而言,煤是一種雙重孔隙的儲層。B.E.Law認為煤中割理系統由天然裂隙構成,形成了由近于正交的面割理和端割理組成的裂隙系統,它既含有煤基質微孔隙系統,又含有裂隙網絡系統。微孔隙系統是煤層氣的儲集空間,裂隙網絡系統則被水飽和。當儲層壓力降低時,煤儲層中的氣體從煤基質微孔隙表面解吸、擴散出來,并以滲透流動的方式通過裂隙網絡系統流入井眼,從而形成具有工業開采潛勢的煤層氣氣流。可見,煤層氣的主要運移通道是煤層裂隙網絡系統,煤層的滲透性主要取決于裂隙系統的發育程度。

前人的研究結果表明,煤層滲透率主要與裂隙的延伸方向、裂隙的寬度、密度、裂隙的連通性有關。Levine J R在實驗研究中發現煤層的水平滲透率與割理壁距三次方和割理間距的倒數成正比。

式中 K——有效滲透率,×10-3μm2;

W ——割理壁距,μm;

S——割理間距,mm;

C——割理粗糙系數。

傅雪海等在對沁水盆地各煤樣的研究中發現煤樣滲透率隨裂隙面密度的增加呈指數形式增大。

式中 K——裂隙面密度模擬滲透率,×10-3μm2;

Sf——裂隙面密度,條/m2;

C1、C2——擬合系數。

煤層天然裂隙系統在某種程度上是滲透率的重要影響因素,一旦天然裂隙發育好,煤層滲透率就好,其它因素如煤巖類型、煤質、煤級等均為次要作用。

總體來講,裂隙延伸方向、裂隙寬度、密度、裂隙的發育程度是影響煤儲層高滲區分布的關鍵特征。裂隙延伸方向上滲透率較高,裂隙寬度越大、密度越大、連通性越好,滲透率越高,越利于流體的滲流,這對煤層氣可采性評價有極其重要的指導意義。

2 煤巖組分類型

煤是一種不均一的固體有機巖石,含有微觀可識別的各種有機顯微成分。在顯微鏡下,煤巖的顯微組分主要包括鏡質組、惰質組和殼質組三類。

J.C.Close認為割理常產生于鏡質組分層中,終結于鏡質組分層及煤與非煤巖石的交界處。鏡質組 (尤其是均質鏡質體)致密、均勻、塊體大,有利于割理順利延伸和發展;惰質組是多孔狀的、纖維狀的,有釋放應力、減弱割理和阻擋割理的作用,對割理發育不利;殼質組的機械強度大于鏡質組和惰質組,其形變過程類似于鏡質組,多數煤層含殼質組很少,故殼質組對煤層割理發育影響不大。

宏觀煤巖成分主要是指用肉眼可以分辨出來的煤的基本組成部分,包括鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭4種。根據鏡煤和亮煤在煤層中的含量而反映出來的總體相對光澤強度,煤巖可由強到弱劃分為光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤4種類型。一般在富含鏡煤和亮煤的光亮煤中鏡質組含量較高,在暗煤和絲炭含量高的暗淡煤中惰質組含量高。

Macrea等于通過對英國約克郡地區煤層中割理間距的研究指出：暗淡型條帶狀煤中的割理間距寬于光亮型條帶狀煤。張勝利等研究表明,光亮煤中割理比較發育,暗淡煤中也可見割理,但其割理密度遠小于光亮煤。畢建軍等也發現,割理一般發育在光亮煤分層中,極少延伸到暗淡煤分層中。因此,從顯微組分的組成上講,鏡質組含量越高,割理越發育,滲透性越好。從煤巖類型看,光亮煤的滲透性為最好,其次為半亮煤、半暗煤、暗淡煤。

3 煤變質程度

煤變質作用指由褐煤轉變為煙煤、無煙煤、超無煙煤的物理化學作用。煤變質的范圍是從褐煤到石墨的演變。煤的變質是溫度、壓力和時間長期作用的結果,其中溫度是煤變質的主導因素,在煤的埋藏過程中,溫度加速化學煤化作用,而壓力可以促進物理結構煤化作用,時間無疑是煤變質的因素之一。煤變質作用是促使煤中顯微裂隙和內生裂隙發育的重要外部因素,煤變質作用可使煤中孔隙產生次生變化,也可經過煤層中孔隙、裂隙的發育改變煤的機械力學性質,進而對其滲透性產生影響。一般低變質和高變質程度的煤割理欠發育,滲透性差;中變質程度的煤割理發育,滲透性好。

Ammosov等在研究割理密度與煤級之間的關系時發現,割理密度從褐煤向煙煤 (肥煤、焦煤)方向增大,而從煙煤向無煙煤方向減小,呈正態分布,即低變質和高變質程度的煤割理欠發育,中變質程度的煤割理發育。但Law在對阿伯拉契亞盆地群和落磯山盆地群的研究中發現,從褐煤到無煙煤階段割理間距與鏡質體反射率的倒數呈指數關系,即從褐煤到煙煤階段,割理密度迅速增大,從煙煤至無煙煤階段基本不變。這與Ammosov提出的呈正態分布的理論有所不同。Law認為是構造形變背景的差異所致。

另外,硬度和脆度同屬抵抗外來機械作用存在的性質。對于同一煤層來講,隨著地層的埋深、溫度的升高,煤儲層從低變質煤向中變質煤演化,脆度逐漸增強,容易生成裂縫;隨著煤層進一步被埋深,中變質煤逐漸向高變質煤演化,硬度逐漸增大,脆度逐漸降低,不容易形成裂縫。隨著上覆地層的壓實作用、充填與膠合作用,割理會發生閉合。

雖然不同變質程度煤的割理對滲透率有不同程度的貢獻,但煤的滲透性更受到其它多種因素的控制,只有當煤變質程度占主導地位時,煤的滲透性變化及煤層滲透率測試才會明顯反映出煤變質程度的影響。

4 有效應力

描述多孔介質應力關系的方程是Terzaghi有效應力,原理可表述為：

式中 p——多孔介質孔隙流體壓力 (內應力);

σ——總應力 (或外應力);

σT——有效應力。

煤巖本身不同于常規儲集巖,其塑性強,應力敏感性較大,有效應力對其滲透率影響較大。Somerton的實驗研究發現的有效應力 (σ)與滲透率 (kf)存在如下關系：

Enever等通過對澳大利亞煤層滲透率與有效應力的相關研究發現,煤層滲透率變化值與地應力的變化呈指數關系,如下式

式中 K/K0——給定應力條件下的滲透率與初始滲透率的比值;

C——煤的孔隙壓縮系數;

Δ σ——從初始到某一應力狀態下的有效應力變化量。

上式表明,有效應力越高,滲透率越低。這主要是由于地應力增大,煤被壓縮,其中孔隙變得更小,裂隙更為緊閉的結果。隨著流體壓力降低,有效應力增大,煤巖在外壓的作用下,割理有閉合的趨勢,從而導致孔隙度降低,滲透率也隨之降低。

Mckee等通過對美國皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤層滲透率與埋藏深度關系的研究發現,隨著煤層埋藏深度和有效應力增加,煤層割理縫的寬度減小,滲透率呈指數降低。

Harpalani和Mc Pherson研究了應力對美國中西部煤的氣體滲透率的影響,測定在靜壓力和三軸應力方式下煤樣棒對氮的滲透率。對給定煤樣進行重復試驗表明,當靜應力變化7MPa時,滲透率變化了3個數量級,滲透率隨應力呈指數下降。

一般而言,煤層的滲透率隨著深度增加而顯著降低。這是因為隨著深度加大,上覆巖層壓力增大,有效應力亦隨之加大,引起滲透率降低。據Harpalani的實驗室研究結果證明,在高壓階段,有效應力的影響起主導作用,隨著壓力的下降,在有效應力的作用下,煤儲層裂隙閉合,使煤層氣儲層的滲透率下降。

鑒于此,筆者建議,在室內做煤樣實驗時,要注意有效應力的控制,使加在煤樣上的有效應力保持不變,以消除有效應力對裂隙壓縮的影響。有效應力：

式中 σe——有效應力,MPa;

PC——圍壓 ,Mpa;

α——有效應力系數或boit系數;

Pav——平均壓力,即進口壓力與出口壓力的平均值。

隨著壓力的變化,時刻調整圍壓使有效應力保持恒定。

5 煤基質收縮

基質收縮效應是指當儲層壓力低于臨界解吸壓力后,吸附的煤層氣發生解吸導致煤基質收縮,儲層物性改善的效應。Gray認為,由于煤層氣解吸時,煤基質會收縮使得裂隙擴張,從而導致煤層滲透率的增大;Harpalani等通過室內試驗發現,氣體壓力減小時,煤層氣解吸,煤基質體積減小,且煤基質體應變與解吸的氣體量呈線性關系。Harpalani和Chen通過室內試驗研究了與解吸有關的煤巖體基質體積變化后得出,解吸引起的煤基質收縮變化遠大于基質的壓縮率;Mavor等利用美國San Juan盆地的現場實測數據驗證了“基質收縮理論”的正確性。

煤層氣開發過程中,隨著氣、水介質的排出,煤基質發生收縮,由于煤基質在側向上受圍壓限制,因此煤基質的收縮不可能引起煤層整體的水平應變,只能沿裂隙發生局部側向應變,造成裂縫寬度增加,滲透率增高。煤儲層滲透率增加的倍數與煤儲層絕對滲透率關系密切。絕對滲透率愈大,煤基質收縮效應愈明顯,收縮效應引起的滲透率增量隨流體壓力的減少而增大。

Schwerer等人得到如下煤儲層孔隙度和滲透率關系式：

式中 Cf——孔隙壓縮系數,單位MPa-;

P0——初始壓力 ,Mpa;

Kf、Kf0——裂隙系統的絕對滲透率和初始時刻裂隙系統的絕對滲透率,10-3μm2。

由于煤體自身的性質不同,其基質收縮率也不盡相同,有些幾乎沒有收縮,而有的收縮率卻相當高。關于煤體因解吸或吸附引起基質收縮應變的實驗數據極少,這是由于實驗的難度和涉足的研究較少所致。

6 克林伯格效應

我國煤層普遍屬于低滲透儲層,一般在1.0×10-3μm2左右,氣體滑脫效應十分顯著。K linkenberg早在1941年通過實驗觀察提出了氣體分子滑脫現象;隨后Rushing等通過實驗研究了致密砂巖氣藏氣水兩相流動時滑脫效應對有效滲透率和相對滲透率的影響;為了研究儲層條件下氣體滑脫效應的影響,Ertekin等建立了致密氣藏混合動力學模型;隨后,Spencer等在上述研究基礎上,通過研制的煤儲層三維、非平衡吸附非穩態條件下氣—水兩相流動數值模擬器,分析了滑脫效應在應力敏感性煤層中的影響;Hu Guozhong等進一步給出了多物理場條件下考慮克林伯格效應的煤層氣單相滲流模型的解析解;Yushu Wu建立了受滑脫效應影響的天然氣運移理論模型;周世寧建立了煤層瓦斯賦存和流動理論。上述研究為滑脫效應影響的低滲儲層煤層氣運移采出規律研究奠定了基礎。

K linkenberg給出的滑脫效應情況下滲透率表達式為：

式中 kg——平均壓力 Pm下氣體滲透率;

kg∞——氣體克氏滲透率;

c——比例因子;

λ——氣體分子平均自由程;

r——孔隙的平均半徑。

根據K lin Kenberg試驗,氣體分子平均自由度與平均壓力 Pm成反比,則上式可變為：

式中：Pm= (Pi+P0),Pi和P0分別為進口和出口壓力;b為滑脫因子,其定義為：

當 b=0時,就是達西流。

由K lin Kenberg效應所引起的滲透率增量為：

在煤層氣排采過程中,隨著吸附氣不斷解吸,煤基質收縮,裂隙寬度變大,從而導致裂隙滲透率增加。王勇杰進一步研究發現,滲透率越小,滑脫因子越大,滑脫現象愈顯著,滲透率增量愈大。

7 主要認識

(1)以上六種因素對煤儲層滲透率的影響程度,因煤自身的性質不同而不同。對低收縮率或不收縮的煤層,主要受有效應力影響,隨有效應力增加滲透率下降;而高收縮率煤儲層,基質收縮占主導地位,隨著氣體解吸量的增加收縮量也相應的增加,裂隙的孔隙度和滲透率也就增加。

(2)在煤層氣開發過程中,煤儲層物性受多方面因素的影響,是動態變化的。在煤層氣開發初期單相流階段,隨著煤層水的排出,有效應力效應導致煤儲層裂隙寬度變窄,滲透率降低;當儲層壓力降到臨界解析壓力之下,煤層氣開始解吸,煤基質收縮效應逐漸加強,使得裂隙變寬,滲透率出現反彈;在開發后期,儲層壓力已降至較低水平,低壓條件下氣體克林肯伯格效應更加明顯,有利于改善煤儲層滲透率。

(3)煤層氣開發過程中,煤層氣儲層壓力降低,煤層氣解吸,煤基質收縮,進而導致煤層滲透率增加,這是對煤層氣生產有利的因素;同時,煤儲層壓力下降,有效應力將增大,煤層滲透率將隨之減小,這是對煤層氣生產不利的因素。煤層滲透性在煤層氣排放抽采過程中不斷發生的變化,是煤基質收縮和有效應力兩種因素綜合作用的結果。

(4)煤層氣儲層自身的特點和煤層氣開采過程中外界條件的改變都會影響其滲透性,并且各因素間存在相互影響,在進行滲透性的預測時應綜合考慮;應根據我國含煤盆地的實際的地質背景,對影響煤層滲透率的主要因素及變化規律、地質構造運動的影響等基礎理論進行更深入地研究、探索。

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