煤巖滲透特性實驗研究

盧海兵，吳建軍，姜 偉，曲喜墨，王 杰

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083； 2.中國石油煤層氣有限責任公司，北京 100028； 3.中國石油大學(北京)，北京 102249)

中低階煤層氣資源豐富，預測煤層氣資源量達9.5萬億m3，占全國煤層氣預測資源量的26%。全國含氣量大于1萬億m3的9個含氣盆地，新疆占了4個，包括準噶爾盆地、吐哈盆地、天山系列盆地群和塔里木盆地。其中，準噶爾盆地沿天山一帶的東部和南緣，煤層氣資源量預計超過了1萬億m3，已超過常規天然氣資量。

煤層中含有諸多微裂隙，在儲層的應力狀態發生變化時，儲層內部結構發生改變，儲層的物性參數隨之改變，煤層表現出明顯的應力敏感性。應力敏感性對于研究煤層的一些性狀極為關鍵，嚴重影響研究結果，不能忽略[1-2]。應力敏感性的本質原因是巖石應力狀態發生變化時，巖石內部孔喉結構和骨架顆粒承載的應力分布發生改變，導致巖石內部孔喉和裂隙等均產生變化，巖石內部滲流面積和通道嚴重受到影響。因此，表現出應力敏感性[3-4]。

1 煤巖裂隙系統表征方法研究

煤層氣儲層屬于孔隙—裂隙系統組成的雙重介質儲層[5]。裂隙將煤體劃分為若干基質巖塊，每個基質巖塊包括有基質孔隙，基質孔隙是煤層中氣體儲存的空間，裂隙主要提供流體滲流的通道。孔隙—裂隙型雙重介質結構是煤層氣藏特有的屬性，這種屬性也決定了煤層氣的吸附、解吸、擴散、滲流等獨特機制[6-7]。

根據掃描電鏡觀察結果，煤層氣儲層基質孔隙按照成因類型可劃分為3大類9小類，煤層氣儲層基質孔隙類型及成因見表1。

表1 煤層氣儲層基質孔隙類型及成因Tab.1 Pore types and genesis of coalbed methane reservoir matrix

煤層裂隙是指煤受到自然界各種應力作用而造成的裂開現象，它是自然形成的。煤層裂隙可分為原生裂隙、構造裂隙、次生裂隙3類。描述天然裂縫的參數主要有：①裂縫寬度。裂縫寬度又稱為縫寬，為定量參數。它是指裂縫面之間的距離，該參數是裂縫孔隙度、滲透率的主要構成要素。其數值小到微米級，大到毫米級，通常在幾十到幾百微米。②裂縫長度。裂縫長度是指裂縫的延伸長度，為定量參數。裂縫長度分布在幾米到十幾千米之間，甚至有幾十千米。儲層裂縫在平面上的延伸長度這一重要參數目前還沒有有效方法進行直接測量。③裂縫逼近角。裂縫逼近角是指裂縫與水平最大地應力的夾角，其范圍在0～90°。④裂縫間距。裂縫間距是指2條裂縫之間的距離，其變化較大，幾毫米到幾十米不等。巖芯上對于同一組系的裂縫應對其間距進行測量，同一組系是指具有成因聯系的、產狀相近的多條裂縫的組合。⑤裂縫方位。裂縫方位指裂縫或裂縫系發育的方位，可直接由定向取芯和裂縫與地層的關系來獲得，也可以通過測井資料獲取。由于只有大裂隙與水力裂縫相遇時會開啟并導致壓裂液濾失充填，因此在研究天然裂縫開啟問題時，只研究大裂隙的行為。分形理論同樣適用于大裂隙的分布與發育狀態研究，可以用分形維數描述大裂隙的發育程度。

方形煤樣表面裂隙分布如圖1所示。

圖1 方形煤樣表面裂隙分布Fig.1 Crack distribution on the surface of square coal sample

2 煤巖滲透特性實驗

2.1 實驗設備及操作步驟

(1)實驗儀器。實驗選用伺服控制巖石力學三軸實驗系統進行煤巖應力敏感性的研究。實驗系統主要由軸向(壓力、位移)系統、圍壓系統、水壓系統、控制系統和計算機系統5部分組成。

(2)巖樣制備。實驗選用TZ-2型取芯機，鉆速分3個檔，速度分別為365、1 050、1 800 r/min；功率為0.55 kW；鉆機可鉆直徑為25、38 mm的巖芯，最大鉆取長度為80 mm；實驗選用內徑為25 mm的鉆頭，鉆深為50 mm，獲取室內實驗巖芯6塊。實驗鉆取的巖芯兩端不平且巖芯過長，需要將巖芯先用切片機切割，控制長度不超過50 mm，然后用雙面磨光機磨平巖芯的兩端，控制兩端的平行度在±0.005 cm范圍內。對鉆取的6塊巖芯編號1—6，如圖2所示，并測量巖芯的基本尺寸，見表2。

圖2 巖芯圖片Fig.2 Core picture

表2 巖芯基本尺寸數據Tab.2 Basic size data of core

(3)實驗原理。實驗的基本原理是油氣水滲流的基本規律——達西定律，即單位時間內流體通過巖芯的滲流量與巖芯的截面積A和巖芯兩端的壓差ΔP呈正比，與流體黏度μ和巖芯長度L呈反比。

(1)

式中，A為巖芯截面積；L為巖芯長度；μ為流體黏度；Q為滲流量；ΔP為巖芯兩端壓差；K為滲透率。

在巖芯和流體已定的情況下，可以確定參數A、L，在實際測量煤巖滲透率時，只需測量流量Q和壓差ΔP即可。

但采用式(1)計算巖芯的滲透率時，有一定的局限性，必須滿足一定的條件才能得到真實有效的測試結果。主要包括流體的選擇和注入方法：①必須選擇與煤巖巖芯不發生反應的流體進行實驗；②在注入流體時，應該保持一定的速度，確保流體注入的水流處在層流狀態；③注入流體的流量不能過大，應保證滲透率和單位時間內的滲流量呈直線關系。

2.2 煤儲層應力敏感性實驗研究

實驗選取了6塊巖芯，在驅動壓力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa條件下，通過改變孔隙壓力，分別測定有效應力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa時煤巖巖芯的滲透率，實驗孔隙流體為清水，實驗結果見表3。利用Origin對表3中的數據進行擬合。

(1)有效應力對滲透率的影響。研究相同驅動壓力下滲透率受有效應力影響的變化規律，處理結果如圖3所示。由擬合結果可知，隨著有效應力的增加(驅動壓力不變，圍壓逐漸增大)，巖芯的滲透率降低，遞減幅度由大到小。這主要是由于煤巖儲層存在大量的天然裂隙，隨著有效應力的增大，煤層試樣受到壓縮，孔隙變小，微裂縫閉合，從而導致滲透率降低。另外，煤巖的應力敏感性較強，滲透率受有效應力的影響很大，當有效應力由0.5 MPa增大到2.0 MPa時，滲透率降低60%以上。

表3 巖芯滲透率實驗結果Tab.3 Experimental results of core permeability

(2)驅動壓力對滲透率的影響。研究相同有效應力條件下驅動壓力對滲透率的影響，結果如圖4所示。擬合曲線表明，在有效應力為定值(圍壓隨驅動壓力的增加而增大)的條件下，隨著驅動壓力的升高，煤巖巖芯的滲透率呈指數形式降低，遞減幅度由大到小。造成這種現象的原因是，實驗過程中，加載在巖芯長度方向上的圍壓是均勻的，而驅動壓力只加載在巖芯上端面，巖芯下端面接大氣，沿巖芯長度方向上的有效應力是逐漸增加的，此處的有效應力值只是巖芯上端面的有效應力數值。隨著圍壓和驅動壓力的增加，巖芯上端面的有效應力值是不變的，但巖芯整體的有效應力值是增加的。因此，煤巖試樣受到壓縮，微裂隙閉合，有效滲流通道減小，滲透率降低。

(3)模擬實際壓裂過程中驅動壓裂對滲透率的影響。煤層氣儲層是基質孔隙—微裂縫孔隙型雙孔隙介質，儲層在地質條件下受到上覆巖層的壓力，該壓力與巖層的厚度和密度相關，不會隨著時間或井下活動(如開采、壓裂等)而改變。在以往的滲透率研究中，設置的實驗條件一般是驅動壓力為定值，通過一定的方式調整圍壓值，探索有效應力對滲透率的影響，這與實際壓裂情況有一定的不同。實際煤層氣壓裂過程中，上覆巖層壓力即圍壓為定值，隨著壓裂的進行，井底壓力逐漸增加，有效應力逐漸減小，滲透率隨之發生變化。本研究通過實驗模擬這種壓裂過程，保持圍壓數值恒定，通過改變驅動壓力研究有效應力的變化對煤巖巖芯滲透率的影響。在應力敏感性實驗數據的基礎上，選取圍壓為2.5 MPa，驅動壓力分別取0.5、1.0、1.5、2.0 MPa時的數據(表4)，研究有效應力對滲透率的影響。

圖3 有效應力—滲透率數據擬合曲線Fig.3 Data fitting curve of effective stress-permeability

圖4 驅動壓力—滲透率數據擬合曲線Fig.4 Data fitting curve of driving pressure-permeability

表4 模擬實際壓裂滲透率變化Tab.4 Simulation of actual fracturing permeability change

通過分析和對比發現，隨著有效應力不斷增大，滲透率逐漸減小，但是滲透率減小的幅度有所不同。在驅動壓力不變的情況下，隨著圍壓的增大，滲透率下降較快，當有效應力增大到2 MPa時，滲透率殘余值百分數大多集中在10%～20%內；在圍壓不變的情況下，隨著有效應力的增大，滲透率下降速率較慢，當有效應力增大到2 MPa時，滲透率殘余值百分數大多集中在40%～50%內，明顯高于殘余滲透率數值。這充分說明了不同的增壓方式，對實驗結果與實際施工的吻合度影響很大。

模擬實際壓裂有效應力—滲透率擬合曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在圍壓不變的條件下，隨著有效應力的增大，滲透率逐漸減小，實際壓裂施工過程是此規律的逆過程。即實際壓裂施工過程中，上覆巖層壓力不變，隨注入壓力的增大，有效應力逐漸減小，滲透率逐漸增大。

圖5 模擬實際壓裂有效應力—滲透率擬合曲線Fig.5 Fitting curve of effective stress-permeability for simulating actual fracturing

3 結論

(1)通過煤儲層應力敏感試驗，探究不同驅動壓力、不同有效應力下巖石滲透率變化；通過控制圍壓數值恒定，模擬實際壓裂過程，得出驅動壓力對滲透率的影響。

(2)驅動壓力不變的條件下，隨著有效應力的增加，煤巖巖芯的滲透率降低，當有效應力由0.5 MPa增大到2.0 MPa時，滲透率降低60%以上。有效應力不變的條件下，隨著驅動壓力的增加，煤巖巖芯的滲透率呈指數形式降低。

(3)在圍壓不變的情況下，隨著有效應力的增大，滲透率下降速率較慢，當有效應力增大到2.0 MPa時，滲透率殘余值百分數大多集中在40%～50%內。即實際壓裂施工過程中，上覆巖層壓力不變，隨著注入壓力的增大，有效應力逐漸減小，滲透率逐漸增大。