有效應力對煤層氣儲層各向異性的影響

馮興武，王樹森，余小燕，常李博，張 坤

（中國石化河南油田分公司 石油工程技術研究院，河南 南陽 473132）

煤層氣開發是通過持續排水降壓，使甲烷解吸、擴散、滲流產出地面，而煤層氣儲層孔裂隙發育，孔隙結構復雜，非均質性強[1]，具有明顯的各向異性特征，對其排水產氣具有重要的影響。賈建稱等認為割理是煤層氣產出的主要通道，割理滲透率對煤層氣儲層滲透率具有決定性影響[2]；康向濤等研究了低滲透煤層平行和垂直煤巖層理方向的變形特征[3]；王登科等認為煤體瓦斯流動具有非常明顯的各向異性特征，并提出了含瓦斯煤各向異性滲透率計算方法[4]；馬天然等在考慮基質和割理共同作用基礎上提出基于組合裂隙三向平板簡化的各向異性滲透率模型[5]。煤層氣開發排水降壓機理導致煤巖基質承受的有效應力持續增加，然而目前對有效應力變化對煤巖各向異性影響的研究較少，畢世科等研究了單軸壓縮條件下，煤巖電阻率的各向異性，研究認為加載導致煤巖電阻率增大[6]，但未對覆壓條件下煤巖滲透率特性進行研究；Kai Wang 研究了覆壓條件下滲透率變化的各向異性特征[7]，但主要通過理論推理進行研究，需要針對研究區塊進行實驗驗證。因此采用不同方向的煤巖樣品，對沁水盆地南部煤層氣儲層各向異性進行了評價，并重點研究了有效應力增加對滲透率和應力敏感性各向異性的影響，以期為煤層氣高效開發提供借鑒。

1 研究區概況

沁水盆地為南北走向的大型復式向斜, 其四周被隆起環繞[8]。沁水盆地南部主力煤層為二疊系山西組3#煤層和石炭系太原組15#煤層，其中煤層氣主要目的層為3#煤層。3#煤層最大鏡質組反射率在2.5%～4.1%之間，為高煤階煤層氣儲層[9]。3#煤層埋深分布在300～1 200 m 之間，平均埋深700 m 左右，埋深差異較大。3#煤層厚5～7 m 之間，平均6 m 左右，煤層相對較厚。3#煤層含氣量分布在5～35 m3/t，平均20 m3/t，含氣量在斷層、陷落柱附近較低。區域滲透率一般低于0.8×10-15m2，屬于低滲、特低滲儲層。3#煤層彈性模量一般為 0.6～2.5 GPa，平均 1.2 GPa，最大水平主應力為北東向，平均為26 MPa[10]。

2 煤層氣儲層應力敏感性定量表征

1）應力敏感性系數c。煤層應力敏感性系數越大，應力敏感性越強。煤巖滲透率隨有效應力的增加呈指數形式降低，其表達式為[11]：

式中：k 為應力增加后煤層滲透率；k0為初始滲透率；σ 為增加后的應力；σ0為初始應力。

2）滲透率損害率Rd。滲透率損害率表征由于應力增加導致煤層滲透率較初始狀態的下降程度，計算如下：

3）滲透率恢復率Rr。滲透率恢復率表征有效應力加載至最大值后減載至同一有效應力時，滲透率的恢復程度。

式 中 ：kX，pi為有效應力卸載至pi時的滲透率；kj，pi為有效應力加載至pi時的滲透率。

3 實驗研究

3.1 實驗準備

煤巖樣品取自沁水盆地南部余吾煤礦和寺河煤礦，分別沿垂直煤巖層理方向、平行于面割理方向、平行端割理方向鉆取柱狀煤巖樣品，煤巖及柱狀煤巖樣品示意圖如圖1。垂向上光亮煤、暗煤交互發育，端割理、面割理相互垂直且基本垂直于煤巖層理面。利用樣品分別沿上述3 個方向共鉆取6 塊柱狀煤樣，用于實驗測試，煤儲層不同方向煤巖樣品基本物性參數見表1。

圖1 煤巖及柱狀煤巖樣品示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal rock and columnar coal samples

表1 煤儲層不同方向煤巖樣品基本物性參數Table 1 Basic physical parameters of coal samples from different directions of coal reservoirs

3.2 實驗設備及流程

1）實驗設備。實驗需要設備包括：QKY-2 型氣體孔隙度測定儀（海安縣石油科研儀器有限公司）；3H-2000PAGP 全自動高壓滲透率分析儀（貝士德儀器科技有限公司）；Meso MR23-060H-I 型低場核磁共振儀（上海紐邁電子科技有限公司）；自制煤巖應力敏感性測試裝置（包括巖心夾持器、皂膜流量劑、高壓He 氣氣瓶、調壓閥、回壓閥、恒速恒壓泵等）。

2）實驗流程。在室溫（22 ℃）、大氣壓（0.1 MPa）條件下測定各煤樣孔隙度、滲透率及核磁共振T2圖譜；分別測定有效應力為 1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、8、10 MPa 時，不同方向 3 塊煤巖樣品的滲透率；分別測定3 塊煤巖樣品有效應力加載至10 MPa 時的核磁共振T2圖譜。

4 實驗結果

4.1 應力對孔隙結構各向異性影響

表1 表明，面割理方向初始孔隙度最大為8.5%，而端割理方向其次，為5.3%，垂直層理方向最小，僅為3.7%。煤層氣儲層不同方向煤樣原始狀態與加載至10 MPa 后核磁共振T2譜對比如圖2。圖2 表明，在初始狀態下，面割理方向核磁共振曲線為雙峰型，2個峰值主要分布在 13.8 ms 和 171.9 ms 處，表明該方向以大孔、割理為主，小孔較為發育；端割理方向核磁共振曲線為寬底單峰型，峰值分布在37.12 ms 處，峰底部分布在 0.1～3 303.6 ms 之間，分布范圍較寬，表明孔隙結構以中孔為主，但小孔、大孔、割理也相對發育；垂直層理方向核磁共振曲線為單峰型，峰值分布在 35.02 ms 處，而峰底部分布在 0.1～511 ms 之間，表明中、小孔發育，但大孔和割理發育較少。這表明，煤層氣儲層孔隙結構存在明顯的各向異性。

4.2 應力對滲透率各向異性影響

圖2 不同方向煤樣原始狀態與加載10 MPa 核磁共振T2 譜對比Fig.2 Comparison of the NMR T2 spectrum between the original state and the loading of 10 MPa of coal samples in different directions

表1 數據表明，煤層氣儲層面割理方向滲透率最高，初始滲透率達到1.5×10-15m2；其次為端割理方向滲透率，初始滲透率為0.32×10-15m2，是面割理方向的1/5；垂直層理方向滲透率最小，初始滲透率僅為0.16×10-15m2，約為面割理方向的 1/9。表明煤層氣儲層滲透率存在明顯的各向異性。這是因為，面割理方向割理更為發育且連續性好；端割理方向割理發育程度次之；垂直層理方向暗煤內割理不發育，形成低滲層，滲透率最低。

有效應力對不同方向煤樣滲透率比值影響如圖3。數據表明，在有效應力增加過程中，面割理方向與垂直層理方向滲透率比值最大，分布在1.81～7.78之間，表明二者間非均質性最強，端割理方向與垂直層理方向滲透率的比值最小，在 0.62～1.64 之間，表明二者間非均質性最弱。說明有效應力增加并未改變煤層氣儲層各向異性基本特征。

由圖3 還可知，隨有效應力增加，各方向上滲透率比值均降低，表明有效應力越高，各向異性程度降低。其中，面割理方向滲透率與垂直層理面方向滲透率比值由 7.78 下降至 1.81 ，下降幅度最大，表明2 個方向滲透率間異質程度最大。這主要是由于煤儲層承受的有效應力增加后，面割理閉合程度最大，端割理閉合程度其次，垂直層理方向割理閉合程度最小，從而導致面割理方向滲透率大幅降低，端割理方向其次，垂直層理方向最小，降低了儲層滲透率各向異性程度。

圖3 有效應力對不同方向煤樣滲透率比值影響Fig.3 Influence of effective stress on permeability ratio of coal samples in different directions

4.3 應力敏感性各向異性評價

不同方向煤巖有效應力對滲透率影響如圖4。

圖4 不同方向煤巖有效應力對滲透率影響Fig.4 Influence of effective stress on permeability of coal samples in different directions

圖4 表明，無論哪個方向，滲透率均隨著有效應力增加而降低，并隨有效應力降低而恢復，但降低程度和恢復程度存在差異，即應力敏感性存在各向異性特征。

利用式（1）對圖4 中數據進行擬合，結果表明：應力加載過程中，面割理方向應力敏感性系數最大為 0.419 MPa-1；端割理方向其次，為 0.35 MPa-1；垂直煤層理方向最低，為0.263 MPa-1。應力卸載過程中的應力敏感性系數也具有相同的特征。這說明，煤儲層面割理方向應力敏感性最強，端割理方向應力敏感性其次，垂直煤層理方向最小。

根據式（2）對圖4（a）中數據進行處理，煤儲層不同方向滲透率損害率對比如圖5。

圖5 煤儲層不同方向滲透率損害率對比Fig.5 Comparison of permeability damage rates in different directions of coal reservoirs

圖5 表明，各方向滲透率損害率均隨有效應力增加而增加。當有效應力小于3 MPa 時，3 個方向的滲透率損害率基本相同；而有效應力大于3 MPa后，面割理方向的滲透率損害率最大，垂直煤層面方向的損害率最小。這可能由于有效應力小于3 MPa 時，未達到煤巖割理的閉合壓力，僅由于孔隙受壓縮導致滲透率降低，因此滲透率損害率基本相同；有效應力大于3 MPa 后，煤巖中割理開始閉合，其中面割理最為發育，因此該方向的滲透率損害率最高。總體上看，面割理方向滲透率損害率最高，表明面割理方向應力敏感性最強，端割理方向應力敏感性其次，垂直煤層面方向最弱。

根據式（3）對圖3 中數據進行處理，煤儲層不同方向滲透率恢復率對比如圖6。

圖6 表明，無論哪個方向，煤巖有效應力卸載后，滲透率都不能完全恢復，恢復程度在40%～50%之間，表明煤儲層各個方向應力敏感性均具有部分不可逆性，這主要是由于在有效應力作用下，煤巖發生彈塑性變形，彈性變形部分在應力卸載后可以恢復，而塑性變形部分則不能恢復。但有效應力卸載后，不同方向煤巖滲透率恢復率不同，面割理方向的滲透率恢復率最高，平均為55.3%；端割理方向的滲透率恢復率其次，平均為48.1%；垂直煤層面方向恢復率最低，平均為40.2%。這表明，煤巖面割理方向彈性變形程度要高于其他方向。

圖6 煤儲層不同方向滲透率恢復率對比Fig.6 Comparison of permeability recovery rates in different directions of coal reservoirs

5 結 論

1）煤層氣儲層孔隙度和孔隙結構具有明顯的各向異性特征。面割理方向孔隙度大，核磁共振曲線為雙峰型，以大孔、割理為主，小孔較為發育；端割理方向孔隙度其次，核磁共振曲線為寬底單峰型，以中孔為主；垂直層理方向孔隙度最小，核磁共振曲線為單峰型，中、小孔發育，大孔、割理發育較少。有效應力加載至10 MPa 后，3 個方向核磁共振信號強度均降低，表明煤樣部分孔隙被壓縮、割理閉合。

2）煤層氣儲層滲透率具有明顯的各向異性特征，滲透率由高到低依次為面割理方向、端割理方向和垂直層理方向，面割理方向滲透率達到垂直層理方向的9 倍以上。有效應力增加過程中，面割理方向與垂直層理方向滲透率異質程度最強，而端割理方向與垂直層理方向異質程度最弱，各方向上各向異性程度均降低，表明有效應力增加不能改變煤層氣儲層各向異性基本特征，但會降低其各向異性程度。

3）煤層氣儲層應力敏感性具有明顯的各向異性特征，面割理方向應力敏感性最強，應力敏感性系數和滲透率損害率均最大；垂直煤層理方向應力敏感性最弱，應力敏感性系數和滲透率損害率均最低。有效應力降低后，滲透率恢復程度僅為40%～50%之間，煤儲層各方向應力敏感性均具有不可逆性。但有效應力卸載后，不同方向煤巖滲透率恢復率不同，面割理方向最高，達到55.3%，垂直煤層面方向恢復率最低，為40.2%。