沁水盆地高階煤應力敏感性滲透率變化特征研究

高彩霞 蘇雪峰 劉俊英 余 麗 張雅蘭 賴海文

(河北省任丘市華北油田勘探開發研究院，河北 062552)

沁水盆地高階煤應力敏感性滲透率變化特征研究

高彩霞 蘇雪峰 劉俊英 余 麗 張雅蘭 賴海文

(河北省任丘市華北油田勘探開發研究院，河北 062552)

對應力敏感性實驗卸載后的寺河煤礦高階煤進行105℃加熱12h消除內應力之后，重復進行應力敏感性實驗。結果發現：原始滲透率小于1mD的煤樣，內應力消除后，滲透率得以恢復，應力敏感性曲線與初次測試基本重合；原始滲透率大于1mD的煤樣，反復壓實至滲透率接近1mD時，滲透率恢復度同樣達到90%。表明該區煤樣在很大應力范圍內(8MPa)發生的應力形變為彈性形變，而非以往認為的彈塑性形變。

應力敏感性 滲透率 加熱 恢復 內應力

煤體滲透率是反映煤層內瓦斯流動難易程度的重要物性參數，也是瓦斯滲流力學基本理論的重要參數，始終是滲流力學界關注的熱點之一。應力是影響瓦斯滲透率的重要因素之一。國外學者對此進行了大量的研究。國內谷達圣以型煤為研究對象，研究了有效應力和不同氣體對煤的滲透性影響。魏建平通過反復加-卸載圍壓，研究了不同含水量煤巖滲流特征變化。陳振宏對高階煤巖的應力敏感性進行了研究。研究結果基本一致：煤巖表現出強應力敏感性的特征，且具有較強的塑性特征，使得應力卸載后煤巖滲透率恢復程度很低，甚至不到50%。本文采取沁水盆地寺河煤礦樣品，重新進行應力敏感性實驗，并對卸載后樣品進行內應力消除，得到與前人不同的認識。

1 實驗過程

取寺河煤礦煤巖進行鉆柱(樣品信息如表1所示)。對同一煤柱首先按照石油行業標準《儲層敏感性流動實驗評價方法》SY/T 5358—2010(流體為氦氣，溫度為30℃)進行應力敏感性實驗，實驗結束后卸載樣品進行105℃加熱12小時內應力消除，之后以相同方法進行應力敏感性重復實驗，重復測試若干次。

表1 實驗樣品信息

常規標準測試的應力敏感性結果(表2和圖1)反應出：圍壓增大，所有樣品滲透率呈冪指數下降，應力敏感性特征為極強。在圍壓9MPa，應力8.4MPa(圍壓-流壓)時，滲透率損失率皆在90%以上，最高達99.45%。應力卸載曲線嚴重滯后于應力加載曲線，圍壓卸載后，滲透率極難恢復至初始值，恢復率最低12.15%，最高60.80%。直觀的看，煤巖發生了彈塑性形變，塑性部分不可恢復。本實驗中，滲透率回復程度與初始滲透率密切相關，呈冪指數負相關關系(圖2)。

圖1 原樣應力敏感性曲線

圖2 原樣滲透率恢復程度與初始滲透率的關系

表2 應力敏感性實驗結果

3 內應力消除后應力敏感性實驗結果

消除內應力的應力敏感性實驗結果如表3。從測試結果看，分為兩種類型，滲透率小于1mD和滲透率大于1mD。對于滲透率小于1mD的樣品，內應力消除后，滲透率基本上恢復到初值，恢復程度在90%以上，最高達100%(表3)。內應力消除后的應力敏感性曲線與其初始應力敏感性曲線基本上重合(圖3)，說明煤巖在加熱消除內應力過程中，被壓縮的裂隙逐漸彈性的擴張回原狀，煤巖對應力加、卸載的形變為彈性。以往應力敏感性實驗，應力卸載后滲透率恢復程度低，是煤巖在應力加載過程中產生內應力所致。滲透率小于1mD的煤樣，煤基質裂隙主要由煤巖內生裂隙割理和微裂隙構成，支撐力強，彈性能力強。

圖3 卸載加熱后樣品應力敏感性曲線對比(原始滲透率小于1mD)

對于滲透率大于1mD的樣品 (圖4， 表3)， 隨著試驗次數增加，滲透率下降趨于平緩，當滲透率接近1mD時，內應力消除后，滲透率得以恢復。大于1mD的煤，煤裂隙不僅包含內生裂隙割理和微裂隙，還包含由構造或者其它因素引起的外生大裂隙。這部分裂隙支撐力差，在應力加載中，發生不可逆的損傷，導致滲透率不可逆下降，當這些裂隙壓實變為微裂隙后， 支撐力增強， 應力形變轉為彈性形變。 實際中， 煤巖外生裂隙遠少于內生裂隙。

圖4 原始滲透率大于1mD的樣品卸載加熱后的應力敏感性曲線對比

本實驗樣品承載凈應力約為8MPa，目前沁水盆地煤巖開采深度多為600～800m，凈應力為 6～8MPa。煤巖從井下取到地面，伴隨應力釋放而發生形變，該應力形變是否為彈性關系到實驗室模擬實驗是否具有現場指導意義。就本實驗結果而言，就目前沁水盆地開采深度，煤層氣關鍵運移通道內生裂隙的應力形變為彈性形變，取心樣品及礦場樣品在很大程度上能夠代替地層樣品進行相關模擬實驗，相關認識能夠有效指導現場實踐。

表3 應力敏感性實驗中樣品卸載加熱后滲透率恢復程度

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(責任編輯 王一然)

Study on Characteristics of Stress Sensitivity and Permeability Variations of High-rank Coal in Qinshui Basin

GAO Caixia，SU Xuefeng，LIU Junying，YU Li，ZHANG Yalan，LAI Haiwen

(Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company，Hebei 062552)

After sensitivity experiment，the sample from Sihe Coal Mine of Qinshui Basin is heated in 105℃ for 12 hours for releasing the internal stress and the sensitivity experiment is tested again. After releasing the internal stress，the permeability of the sample whose initial permeability is smaller than 1mD recovers to the initial value，and the stress sensitivity curves are accord with initial test. When the coal sample with the initial permeability of over 1mD is compressed for several times and its permeability is approximate to 1mD，after the heating test，its permeability could be recovered to 90% of the initial value. The result indicates that the stress deformation of the coal in Qinshui Basin under a large range of stress(8MPa)is not elastic-plastic deformation，but belongs to elastic deformation.

Stress sensitivity; permeability; heat; recovery; internal stress

高彩霞，工程師，從事煤層氣開發實驗研究工作。