煤礦區煤層氣抽采地應力條件及其對煤層氣井產能影響

郭帥鋒

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

煤礦區煤層氣抽采地應力條件及其對煤層氣井產能影響

郭帥鋒

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

近年來，煤礦區煤層氣如何抽采，特別是受煤層開挖擾動作用下，煤層氣開和煤炭開采卸壓都會引起地應力重分布，地應力的變化控制著裂隙的擴展方向和范圍，從而影響與煤層氣井的導流能力，對煤層氣井產能產生影響，是目前煤礦區煤層氣開發急需解決的關鍵科學問題。因此從煤巖石力學特征出發，開展煤礦區煤層氣抽采的地應力條件研究，以揭示煤儲層滲透性的動態變化規律，對于煤礦區煤層氣開發具有理論和實際意義。

抽采地應力；煤層氣井；產能影響

1 煤巖基本力學特征

煤、巖石的力學性質主要指的是煤、巖石在受到各種作用時發生的變形與強度特性，主要由力學參數來體現。通常情況下，煤、巖石力學參數則主要通過實驗室試驗或現場儀器設備測得。其中，實驗室研究煤巖石變形和破壞過程主要是利用剛性試驗機或伺服試驗機對煤巖石試樣進行單軸或三軸壓縮試驗，來獲取煤巖石的各種力學參數及變形破壞特征。

2 區煤儲層地應力條件

地殼深部巖體中存在天然的地應力場，地應力成分復雜，以自重應力和構造應力為主，地應力的大小取決于深度、孔隙壓力以及各種不同時間和空間尺度上地質構造運動的作用。地質構造，尤其是斷層是影響深部地應力場分布的重要地質因素，地應力的大小通常受到斷層摩擦強度的控制。煤層氣開發、地下巖體工程和煤炭開采中應力擾動都可能會誘發斷層滑動，造成煤層氣生產井套管損壞、頂板冒落、工作面突水等礦井動力地質災害發生，已成為影響煤與煤層氣安全生產的重大關鍵問題之一。

2.1 煤儲層現今地應力條件

地應力對水力裂縫的擴展和煤儲層滲透性有重要的影響，也是影響煤層氣產能的主要因素。目前獲得地應力資料的主要途徑是現場實測，而水力壓裂法是現場測量地應力最常用的方法之一。

利用水壓致裂法，通過地面垂直鉆孔對地應力進行測量：最小水平主應力σh的表達式為

最大水平主應力σH的表達式為：

式中：T為巖層抗拉強度，MPa；Pc為閉合壓力，MPa；P0為巖石孔隙壓力，MPa；Pf為巖石破裂壓裂，MPa。

垂直主應力可通過上覆巖層的重量進行估算：

式中：γ為上覆巖層的容重，kN/m3；h為上覆巖層的厚度(或埋深)，m。

2.2 最小水平主應力、垂直主應力和儲層壓力之間的關系

最小水平主應力的大小由水力壓裂中的閉合壓力測得，其大小控制著破裂梯度，并限制水力裂縫的擴展延伸。因此，在煤層氣開發鉆井設計時，最小水平主應力是必須考慮的主要參數。

3 現今地應力對煤層氣井產能影響

3.1 煤層氣氣井產能模型

煤層氣抽采過程中，隨著煤層中水、氣的排出，受抽采的影響煤儲層壓力逐漸下降，煤儲層有效應力增加，內部孔裂隙逐漸壓密閉合，使得滲透率明顯降低，表現出較為顯著的應力敏感特性，該特性對煤層氣井開發效果影響很大。

煤層氣抽采過程中的煤儲層無因次滲透率與有效應力之間呈負指數函數關系，即隨有效應力的增加，煤儲層滲透率呈負指數函數規律下降，表達式為：

式中：K為煤儲層某一應力狀態下的滲透率，10-3μm2；K0為煤儲層初始滲透率，10-3μm2；△σe為從初始到某一應力狀態時有效應力的變化值，MPa；a為應力敏感回歸系數，MPa-1；σe為有效應力，MPa；σ為初始地應力，MPa；α為有效應力系數，取α=1；p為儲層壓力，MPa；b0為比例系數，取值為1。

從上式可以得出以下結論：1)隨著煤儲層壓力的降低，煤儲層中受到的有效應力呈增大趨勢，而滲透率隨有效應力的增大而降低，排采初期儲層壓力梯度變化劇烈，隨后趨于平緩；2)有效應力降低時，滲透率有所恢復，但因有效應力增大導致的煤層孔隙-裂隙被壓密閉合，對滲透率造成嚴重損害，因此滲透率即便有所恢復但不能恢復到原始水平，因此，在整個煤層氣排采過程中煤儲層表現出明顯的應力敏感性。

實際上，煤儲層處于大地構造當中，由于煤儲層不同區域受到大地原巖應力的作用不同，所處的地應力和煤儲層壓力差異很大，有效應力變化范圍為σ-p1-σ-p2，且隨著煤儲層埋藏深度的增大，有效應力變化越大。在較低地應力條件下，煤儲層隨有效應力的增加，發生壓密、閉合的塑性形變，使得滲透率明顯降低；在較高地應力條件下，應力敏感性將會減弱。

滲透率的變化主要受有效應力的控制，即滲透率K與有效應力σe之間關系，同時反映了滲透率K與生產壓差△p之間的相關關系。

3.2 煤層氣井產能影響因素

(1)應力敏感性的影響。煤儲層應力敏感性對煤層氣井產能的影響顯著，在其他條件相同的情況下，考慮煤儲層應力敏感性的氣井產量明顯小于不考慮其作用時的氣井產量；同時，兩者之間的氣井產量差距隨著生產壓差的增大逐漸增加。

(2)井底流壓的影響。井底流壓是指煤層氣井生產時的井底壓力，也是在生產過程中控制著氣井產產能的關鍵因素。通常情況下，生產壓差隨著井底流壓的增加而減小，從而對氣井產能產生不利影響。煤層氣排采過程中，井底流壓反映了氣井內的動液面高度，因此，一般通過人為調整井底壓力的方法來控制動液面高度和套壓的大小。井底流壓對氣井產氣量有重要的影響，所以制定合理的井底流壓有利于氣井產能。不論井底流壓過高還是過低，都不利于煤層氣的高效產出。當井底流壓過高時，降低了生產壓差，對于煤層氣的產出相當不利；當井底壓力過低，生產壓差過大，引起煤儲層產生明顯的應力敏感性，同樣會影響煤層氣井的產能。

結語

煤儲層滲透性及其煤層氣井開發效果與地應力具有非常密切的關系。地應力較小的地區，滲透率較高，煤儲層產氣量也高；在地應力高的地區，煤儲層滲透率較低，導致煤儲層產氣困難。煤儲層地應力是控制煤層氣井產能的重要地質因素，因此研究煤儲層的地應力條件對于確定煤儲層高滲區帶和采用合理的開發方式具有重要的理論和實際意義。

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