不同煤階煤儲層應力敏感性差異及其對煤層氣產出的影響

陳 剛,秦 勇,楊 青,李五忠

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇徐州 221116;2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

不同煤階煤儲層應力敏感性差異及其對煤層氣產出的影響

陳 剛1,2,秦 勇1,楊 青2,李五忠2

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇徐州 221116;2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

通過開展鄂爾多斯盆地東緣高中低煤階不同含水飽和度煤儲層應力敏感性實驗,研究了煤儲層滲透率動態變化規律及其對煤層氣產出的影響。實驗結果證實:不同煤階煤儲層滲透率隨有效應力的增加均呈現負指數函數降低的規律。在有效應力小于5 MPa時,煤儲層滲透率隨有效應力增加快速下降73%～95%,平均87%,煤儲層應力敏感性最強;有效應力在5～10 MPa時,滲透率隨有效應力增加而較快下降5%～18%,平均10.4%,煤儲層應力敏感性較強;而當有效應力大于10 MPa后,滲透率隨有效應力的增加下降速度減緩,應力敏感性減弱。實驗結果表明中高煤階煤儲層應力敏感性隨有效應力增加要弱于低煤階。隨著煤樣含水飽和度的增加,煤儲層應力敏感性也逐漸增強。根據煤儲層滲透率動態變化規律提出了煤層氣井排采過程中應遵循緩慢—保壓—持續的排采工作制度,才能獲得煤層氣最大產出量。

煤層氣;不同煤階;煤儲層;應力敏感性;滲透率

煤層氣井在排水降壓過程中,由于甲烷的解吸和煤層有效應力的改變導致煤儲層滲透率發生動態變化,由于不同煤階煤巖力學特性的不同,在此過程中煤儲層滲透率變化差異較大。前人針對砂巖儲層及高煤階樣開展了大量的應力敏感性實驗研究[1－12]。早在1943年國外就有常規砂巖儲層應力敏感性實驗[1－2],國內從20世紀90年代開始從事相關研究[3－4]。傅雪海[5]、陳振宏[6,8]、孟召平[9－12]等對我國高煤階樣開展了大量應力敏感性實驗,分析了高煤階煤儲層應力敏感性對煤層氣開采的影響及控制因素。現有公開文獻對我國低煤階煤儲層應力敏感性試驗甚少研究。

隨著我國煤層氣勘探逐漸轉向低煤階領域,鄂爾多斯盆地東緣北部低煤階煤層氣井儲層滲透率低進而導致單井產量低的問題日益突出。筆者選用了鄂爾多斯盆地東緣不同煤階煤樣開展了煤儲層應力敏感性對比試驗,并對不同煤階煤樣不同含水飽和度條件下煤儲層滲透率應力敏感性進行了定量分析,以期在煤層氣井排采過程中隨著煤層水的排出分析煤儲層滲透率動態變化規律[13－14],建立合理的排采工作制度,指導煤層氣開發。

1 實驗樣品與方法

實驗樣品取自鄂爾多斯盆地東緣河曲、保德、鄉寧、延川等地區二疊系山西組煤層,煤巖熱演化程度平面上自北向南逐漸增高,樣品具體信息見表1。

表1 試驗樣品基礎參數Table 1 Basic data of the coal samples

選取在同一塊大煤樣上鉆取外觀無裂縫、斷面平滑、長度適中的直徑為25～38 mm的柱樣。每個地區各選1塊自然樣開展不同煤階煤巖滲透率應力敏感性試驗用樣。選取河曲和鄉寧兩個地區的樣品開展不同含水飽和度煤巖滲透率應力敏感性試驗用樣。實驗前選取河曲和鄉寧兩個地區在同一塊大煤樣中鉆取的3塊柱樣在80℃真空環境下不間斷干燥72 h,隨后迅速稱重,然后用含1%KCl鹽水浸泡,放入真空容器中用真空泵每間隔4 h抽真空2 h,72 h后取出煤樣再次稱重,兩次稱重相減作為煤樣全飽和水質量。2個地區各選1塊樣作為100%飽和水樣品,其他各2塊樣品放入真空干燥箱烘干脫水,使其含水飽和度分別為70%和40%。

實驗裝置如圖1所示。實驗氣體采用純度為99.99%的氦氣,并在氣路上安裝了過水裝置,減少在實驗過程中由于氣體將煤樣中的水分帶出而導致含水飽和度降低的誤差,通過實驗前后兩次煤樣稱重,誤差控制在5%以內。在實驗過程中,首先利用液壓平流泵緩慢增加圍壓值,然后打開儲氣罐閥門,逐漸增加進口氣體壓力,使氣體剛好能通過煤樣。筆者將凈圍壓定義為有效應力,由于研究區煤層埋藏深度大(500～2 000 m),試驗最高壓力設計為20 MPa。每個圍壓值(2.0,3.5,5.0,7.0,10.0,12.0,15.0, 20.0 MPa)至少保持平衡30 min以上,此外為了減小氣體的滑脫效應,在圍壓5.0 MPa以下保持平衡60 min以上,并測得每個圍壓下煤樣的滲透率。隨后再逐漸減小圍壓值,同樣在每個圍壓值下保持平衡60 min以上,測得相同圍壓值下的煤樣滲透率。

圖1 煤巖儲層應力敏感性實驗裝置示意Fig.1 Schematic of coalbed reservoir stress sensitivity experiment device

2 煤儲層應力敏感性評價與結果討論

為了直觀描述煤儲層應力敏感性對氣體滲透率的影響,定義無因次滲透率Ki/K0為氣體滲透率Ki與煤巖初始滲透率K0的比值。

煤儲層應力敏感性評價通常有有4個參數,即滲透率損害系數、滲透率損害率、不可逆滲透率損害率和應力敏感系數[9]。實際實驗中,測量煤巖滲透率K隨有效應力P變化的情況,分析煤儲層應力敏感的程度。

2.1 不同煤階煤儲層應力敏感性差異分析

所測試的4個地區不同煤階煤自然樣實驗結果如圖2(a)所示,由圖2(a)可知,隨著有效應力增加,煤巖滲透率均按負指數函數規律降低,具有以下特征:

(1)當有效應力小于5 MPa時,不同煤階煤儲層滲透率隨有效應力增加快速下降73%～95%,平均87%,應力敏感性最強;有效應力在5～10 MPa時,不同煤階煤儲層滲透率隨有效應力增加而較快下降5%～18%,平均10.4%,應力敏感性較強;而當有效應力大于10 MPa后,滲透率隨有效應力的增加下降速度減緩,應力敏感性減弱。

(2)隨著有效應力的增加,低煤階煤儲層應力敏感性強于中高煤階,低煤階煤巖滲透率損害率高于中高煤階(圖2(b)),而不可逆滲透率損害率較中高煤階小,這是因為低煤階煤巖強度低于中高煤階,更易發生韌性變形。

(3)低煤階樣先升壓至20 MPa后降壓至2 MPa時,滲透率降低了67.97%～93.70%,平均81%;中高煤階樣在降壓后滲透率則降低了21.4%～45.1%,平均37%(圖2(a))。

(4)通過不同煤階煤巖滲透率損害率與有效應力關系來看,低煤階樣在有效應力逐漸增加至5 MPa左右時,滲透率損害率快速降低了95%,當有效應力大于5 MPa時滲透率損害率保持不變,此時低煤階有效滲透率幾乎降為0,近似認為低煤階有效滲透率對應的深度應淺于500 m;而中高煤階樣有效應力逐漸增加到9 MPa時,煤巖滲透率損害率降低了80%,隨著有效應力的繼續增加,煤巖滲透率損害率趨緩,中高煤階有效滲透率對應的深度應淺于900 m。

圖2 不同煤階無因次滲透率、滲透率損害率與有效應力關系Fig.2 Relationship between different coal rank dimensionless permeability,permeability damage rate and effective stress

2.2 不同含水飽和度煤儲層應力敏感性差異分析

含水煤樣的滲透率隨有效應力的增加下降更快,應力敏感性更明顯,即應力造成的滲透率傷害程度更大。通過實驗測試自然樣含水飽和度一般在45%～60%,不同含水飽和度對煤儲層應力敏感性也產生影響,隨著含水飽和度的增大,煤儲層應力敏感性也逐漸增強[15],飽和水煤樣的應力敏感系數和滲透率損害率要高于非飽和水煤樣(表2)。

(1)在10 MPa圍壓下的滲透率損害率為93.30%～99.73%,平均96.92%;不可逆滲透率損害率為1.04%～83.88%,平均45.59%。河曲低煤階樣滲透率損害率平均為98.04%(圖3(b)),高于鄉寧中煤階樣的95.80%(圖4(b));河曲和鄉寧兩

表2 不同地區煤儲層應力敏感性評價參數Table 2 Coal stress sensitivity evaluation parameter of different areas

圖3 河曲不同含水飽和度煤巖無因次滲透率,滲透率損害率與有效應力關系Fig.3 Relationship between different water saturation permeability,permeability damage rate of Hequ coal sample and effective stress

圖4 鄉寧不同含水飽和度煤巖無因次滲透率,滲透率損害率與有效應力關系Fig.4 Relationship between different water saturation permeability,permeability damage rate of Xiangning coal sample and effective stress

(2)20 MPa圍壓下煤巖滲透率損害率為98.66%～99.74%,平均99.36%;不可逆滲透率損害率為41.77%～87.37%,平均58.26%。河曲地區煤巖滲透率損害率和不可逆滲透率損害率平均值分別為99.71%,76.60%,鄉寧地區煤巖滲透率損害率和不可逆滲透率損害率平均值分別為99.10%, 44.50%。

(3)滲透率損害系數平均值為0.22～0.51 MPa－1,平均為0.28 MPa－1;應力敏感系數平均值為0.09～0.22 MPa－1,平均為0.11 MPa－1。反映了研究區煤儲層應力敏感性極強,10 MPa圍壓下的滲透率損害率大于90%。

(4)中低煤階煤巖隨著含水飽和度的增加,煤巖滲透率隨有效應力增加均快速降低(圖3(a),4(a)),滲透率損害率都表現為增大的趨勢。表明水對煤巖變形與強度的影響較大。由于水的潤濕作用,一方面使煤的彈性屈服極限降低,低煤階樣相對中煤階樣更易于發生塑性變形,另一方面降低了煤巖的抗剪強度,低煤階樣煤巖強度低于中煤階樣,因此低煤階全飽和水樣煤儲層應力敏感性最明顯。

3 煤儲層滲透率動態變化對煤層氣產出的影響

煤儲層無因次滲透率隨有效應力的增加先快速降低然后緩慢降低的過程[16],在煤層氣井實際生產過程中煤儲層滲透率也有類似變化特征。對于含水煤層而言,隨著煤層水的排出,煤層含水飽和度逐漸降低,煤層開始解吸,導致煤層含氣飽和度逐漸升高,煤儲層應力敏感性也逐漸降低(圖5)。具體過程如下:

圖5 煤層氣井排采過程中煤儲層滲透率動態變化趨勢Fig.5 Dynamic change trend of coal reservoir permeability while the CBM well mining process

圖6 鄂爾多斯盆地東部××井排采曲線Fig.6 The production curves of××well in eastern Ordos Basin

(1)排采初期,煤層可視為飽和水煤樣,煤儲層隨排水降壓有效應力的增加,滲透率快速下降,該階段需要持續緩慢排采。

(2)當壓力降至臨界解吸壓力(Pc)以下,煤層解吸后,煤儲層含水飽和度降低,含氣飽和度升高,煤層應力敏感性降低,該階段需要保壓排采。

(3)排采中后期,煤儲層持續解吸導致基質收縮,當液面降至煤層之下時,煤層氣持續解吸,煤巖基質收縮使得滲透率持續改善,煤層產氣量增加。

基于上述滲透率動態變化規律分析,結合現場生產實踐(圖6),如鄂爾多斯盆地東部南緣高煤階××井從2005－05－15開始排采,至2007－12－01兩年6個月時間內,隨著煤層水排出,煤層所受有效應力逐漸增大,煤儲層應力敏感性也逐漸增強,煤儲層滲透率降低導致煤層氣產出量降低,排采初期應保持排水緩慢持續;2007－12－01—2009－12－01,由于地層壓力降至臨界解吸壓力下,煤層氣開始大量解吸,日產氣量保持平穩,排采中期應保持套壓穩定;2009－12－01后隨著煤層有效應力進一步增強,煤層裂隙滲透率降低,而基質滲透率得到改善,煤層日產氣量進一步增加,排采中后期要保持合理生產壓差,平穩控制日產氣量。該井排采6年6個月,累計產氣量達429× 104m3;后期日產氣量2 410 m3,穩產36個月。通過該井生產管理經驗,為了獲得最大產氣量,需合理有效控制煤層滲透率。

4 結 論

(1)不同煤階煤巖滲透率隨有效應力增加應力敏感性先快速增強然后趨緩,低煤階儲層應力敏感性和滲透率損害率要強于中高煤階。低煤階樣在升壓至20 MPa后降壓至2 MPa時滲透率降低了67.97%～93.70%,平均81%,中高煤階樣在降壓后滲透率則降低了21.4%～45.1%,平均37%。

(2)同一煤巖隨著含水飽和度的增加煤儲層應力敏感性逐漸增強。降壓后煤巖滲透率得不到有效恢復。當有效應力增加到5 MPa時,低煤階滲透率損害率為95%,有效滲透率對應的深度應淺于500 m,即低煤階煤層埋深淺于500 m時能獲得較理想的單井產量;而中高煤階煤樣有效應力逐漸增加到9 MPa時,煤巖滲透率損害率降低了80%,有效滲透率對應的深度應淺于900 m。

(3)煤層氣井實際生產過程中煤儲層滲透率隨煤層水的產出呈現快速降低—緩慢降低—緩慢增加的趨勢。因此煤層氣井排水降壓采氣過程中應合理控制生產壓差,保持緩慢—持續—穩定的排采工作制度,防止煤儲層應力敏感性對煤層氣產出的影響。

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Different stress sensitivity of different coal rank reservoir permeability and its effect on the coalbed methane output

CHEN Gang1,2,QIN Yong1,YANG Qing2,LI Wu-zhong2

(1.School of Resources and Earth Sciences,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Langfang Branch,Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Langfang 065007,China)

According to the east Ordos Basin coal rank of different water saturation of coal reservoir stress sensitivity lab experiments,the influence of coal reservoir permeability dynamic change rules on the coalbed methane production was studied.Experimental results confirm that medium&high rank coal reservoir permeability decreases in the rule of negative exponent function along with the increasing effective stress.Once the effective stress less than 5 MPa,the coal reservoir permeability with the increasing effective stress quickly fells by 73%～95%,average 87%,indicating strongest stress sensitivity;the effective stress ranges from 5 to 10 MPa,permeability rapidly decreases by 5%～18%along with increasing effective stress,average 10.4%,showing strong stress sensitivity;When the effective stress is higher than 10 MPa,the decline in permeability with the increase of effective stress representing weak stress sensitivity.The stress sensitivity in effective stress of high rank coal is lower than that of low rank coal.With increasing of water saturation of coal samples,coal reservoir permeability in stress sensitivity enhances gradually,the production rules of CBMWells was proposed in processing of slowly depressurizing-continuous producing work flow,based on the reservoir permeability dynamic change law,in order to attain coalbed methane the maxumum output.

coalbed methane;different coal rank;coal reservoir;stress sensitivity;permeability

P618.11

A

0253－9993(2014)03－0504－06

陳 剛,秦 勇,楊 青,等.不同煤階煤儲層應力敏感性差異及其對煤層氣產出的影響[J].煤炭學報,2014,39(3):504－509.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1292

Chen Gang,Qin Yong,Yang Qing,et al.Different stress sensitivity of different coal rank reservoir permeability and its effect on the coalbed methane output[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):504－509.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1292

2013－09－09 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項大型油氣田及煤層氣開發資助項目(2011ZX05033－003)

陳 剛(1980—),男,湖北鐘祥人,工程師,博士。Tel:010－69213035,E－mail:chengang69@petrochina.com.cn