煤儲層可改造性主控因素研究

馮宏飛

摘 要：儲層改造是煤層氣井提高產能的重要措施，綜合評價儲層可改造性是實施儲層改造前的一項重要工作。通過閱讀大量有關儲層改造方面的文獻，認識了影響煤儲層可改造性的眾多因素，其中儲層物性、巖石力學參數與工程因素等是決定煤儲層可改造性的關鍵因素。評價煤儲層的可改造性可以提高工程的成功率進而提高煤層氣的產能。

關鍵詞：煤儲層 可改造性 主控因素

中圖分類號：P618.11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（a）-00-02

近年來，世界各國都大力開采煤層氣，但受煤儲層低壓、低滲、低含氣飽和度等因素影響，煤層氣井需要經過儲層改造才能獲得理想的產能，針對儲層改造，要考慮儲層的地質特點等因素，在環境破壞和經濟投資最小的基礎上做出適宜的儲層改造方案，因此改造儲層之前，有必要對煤儲層可改造性進行評價。眾多學者對煤儲層可改造性影響因素進行了研究，取得了不少研究成果，主要包括：顏志豐等研究證實天然隙的存在對儲層改造具有一定的影響[1]；馮晴等研究得到儲層改造除受地應力影響外，還受局部構造應力及先存裂隙的控制[2]；鄭長東、王青川等從煤體結構及其圍巖特征研究了煤儲層可改造性，認識到原生結構煤和碎裂煤比較適合改造，構造煤不適合改造[3]。

該文在前期研究工作的基礎上，擬從煤儲層物性、巖石力學參數與工程因素方面對影響煤儲層可改造性的主控因素進行綜述。以期為煤儲層可改造性評價提供參考。

1 影響煤儲層可改造性的主控因素

可改造性是煤儲層地質特征的綜合反映，影響因素復雜，有儲層物性、巖石力學參數與工程因素等方面。

1.1 儲層物性

1.1.1 煤體結構

原生結構煤和碎裂結構煤特點是硬度高。原生結構煤，割理裂隙不發育，滲透性差；碎裂煤割理裂隙發育，滲透性高。由于強度高，形成裂縫后，加入支撐劑能形成有效的人工裂縫，滲透率偏低利于造成長裂縫。因此，原生結構煤和碎裂煤適合壓裂改造[1，2]。

碎粒煤和糜棱煤受破壞嚴重，強度低，堅固性差，這些特點決定了在壓裂施工時破裂壓力較低，容易形成多裂縫，形成的人工裂縫的導流能力低。這些特點決定了壓裂時不能造出長的人工裂縫。因此，構造煤不適合壓裂改造[1，2]。

1.1.2 煤巖堅固性系數

煤的堅固性系數，是反映煤體破碎難易程度的指標。煤儲層改造時壓力的設定要保證足夠的起裂壓力使煤體破壞，在對煤儲層進行改造之前要了解該區煤儲層的堅固性系數。秦義[3]等認為煤巖堅固性系數反映出煤巖抵抗外界破壞的能力，能夠量化表征煤體結構發育特征。

1.1.3 儲層脆性

脆性由儲層礦物組分中石英、長石、方解石含量決定。石英含量增加將提高儲層的脆性，富含石英或者碳酸鹽等脆性物質的儲層有利于產生縫網，而黏土礦物含量高的塑性地層則不易形成縫網。儲層脆性越高，人工壓裂時越容易產生裂縫，可改造性越好。

1.1.4 儲層裂隙發育特征

根據前人研究結果[4-6]，天然裂隙對儲層改造的影響表現在兩個方面：（1）天然裂隙是破裂面，壓裂改造過程中它能控制壓裂裂隙的傳播；（2）由壓裂所帶來的高壓會導致天然裂隙滑移，形成的裂隙會沿著天然裂隙網絡延伸，增加了天然裂隙網與井筒之間的連通。因此天然裂隙的存在更容易使儲層改造獲得成功，誘導形成縫網[6]。

1.1.5 儲層滲透率

對儲層滲透性測試并根據測試結果采取有效的壓裂方式來提高儲層滲透性是一項非常必要的工作。李全貴等針對低滲煤層瓦斯抽采率低，用水力壓裂技術對儲層進行改造，結果表明，通過水力壓裂煤層滲透率得到了提高，瓦斯抽采效果顯著[7]。

1.2 巖石力學參數

煤層的巖石力學參數反應儲層破裂的難易程度。

1.2.1 抗壓強度

煤巖樣在單向受壓條件下整體破壞時的壓力為單軸抗壓強度，它是巖石力學試驗中最基本的指標之一，所得結果可以間接反映地層破裂強度，煤巖儲層的抗壓強度越大，巖石密度越大，破裂難度也越大[8]。

1.2.2 抗張強度

是指巖石在單向拉應力作用下達到破壞的極限強度。在數值上等于破壞時的最大拉應力，反應煤巖的破裂難易程度，抗張斷裂時，基本上是沿層理面斷開的[9]。

1.2.3 楊氏模量

指其所受應力與應變的比，是描述巖石抵抗形變能力的物理量，煤巖具有高的楊氏模量意味著脆性大，鉆井或壓裂過程中越容易產生裂隙有利于煤層氣開采[4]。

1.2.4 泊松比

是在上覆巖石垂直重力作用下，煤巖水平側向應力大小的依據，因而是決定裂縫產狀的參數之一，也是決定垂直縫破裂壓力計算參數之一。煤儲層的泊松比較高，脆性大，較砂巖更易受力壓縮[10]。

1.3 工程因素

1.3.1 速敏試驗

流體流動速度變化引起儲層巖石中微粒運移堵塞吼道，導致儲層滲透率發生變化的現象。評價速敏性用兩個參數：一個是臨界流速；另一個是發生微粒運移后滲透率降低程度。實驗表明，速敏造成的微粒運移能使滲透率降低11.76%～17.94%[4，9]。

1.3.2 水敏試驗

水敏是指低礦化度的注入水進入儲層后引起黏土膨脹、分散、運移，導致儲層滲透率發生變化的現象。即使富含低膨脹或非膨脹性黏土礦物的地層，在水介質環境變化時，由于這類黏土礦物水化分解產生的微粒運移也會造成地層損害[4，9]；儲層改造前期，必然要進行敏感性評價工作。

1.3.3 水平應力差異系數

水平應力差異系數是指兩相水平主應力差值與最小水平主應力的比值。水平主應力差越小，越有利于形成網狀裂縫，儲層越容易被壓裂，即可改造性越好[4]。

2 結語

通過閱讀大量文獻得到了一些有意義的結論，可改造性評價需要綜合分析地質條件、巖石力學特征和工程因素。

（1）構造煤堅固性系數小，易壓裂，但不易形成主裂縫，原生結構煤和碎裂煤壓裂后能形成有效的人工裂縫，適合壓裂改造；低滲儲層、天然裂隙存在的儲層、脆性高的儲層，更容易使儲層改造獲得成功。

（2）煤巖儲層的抗壓、抗張強度越大，壓裂改造難度也越大；楊氏模量越大壓裂改造過程中越容易產生裂隙，煤儲層的泊松比越高，越易受壓變形，可改造性越強。

（3）速敏、水敏會使儲層滲透率降低，儲層改造前，有必要對儲層敏感性進行評價；水平主應力差越小，越有利于形成網狀裂縫，可改造性越好。

參考文獻

[1] 顏志豐.沁水盆地南部煤層氣儲層壓裂過程數值模擬研究[J].地球物理學報，2013，56（5）：1734-1744.

[2] 馮晴.沁水盆地煤巖力學特征及其壓裂裂縫的控制[J].煤炭科學技術，2011，39（3）：100-103.

[3] 鄭長東.黔北煤田長崗向斜煤儲層特征與壓裂可改造性研究[J].煤炭科學技術，2018，46（9）：208-216.

[5] 琚宜文.頁巖氣儲層主要特征及其對儲層改造的影響[J].地球科學進展，2014，29（4）：492-506.

[6] 顏青.比德-三塘盆地煤與巖石力學性質及煤層壓裂可改造性[D].中國礦業大學，2014.

[7] 秦義.沁水盆地南部高煤階煤層氣井排采工藝研究與實踐[J].天然氣工業，2011，31（11）：22-25.

[8] 羅天雨.天然裂縫對水力壓裂的影響研究[J].石油天然氣學報，2007，29（5）：141-149.

[9] 陳勉.大尺寸真三軸水力壓裂模擬與分析[J].巖石力學與工程學報，2000，19（6）：868-872.

[10] 李全貴.低透氣性煤層水力壓裂增透技術應用[J].煤炭工程，2012（1）：31-36.