劉文革, 王 勃, 趙 岳, 韓甲業(yè),侯 偉, 徐 強(qiáng), 閆 霞, 祝 捷

(1.應(yīng)急管理部信息研究院,北京 100029; 2.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院,北京 100039;3.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司,北京 100095; 4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑學(xué)院,北京 100083)

關(guān)健詞:滲透率; 有效應(yīng)力; 尺度效應(yīng); 應(yīng)力敏感性; 裂隙體積壓縮系數(shù)

應(yīng)力敏感性是影響煤層氣儲(chǔ)層滲透率的關(guān)鍵因素,進(jìn)而影響著煤層氣的開發(fā)。對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究始于砂巖儲(chǔ)層,并逐漸擴(kuò)大至非常規(guī)儲(chǔ)層[1-3]。生產(chǎn)實(shí)踐和室內(nèi)試驗(yàn)表明:當(dāng)有效應(yīng)力增加時(shí),煤樣的滲透率呈指數(shù)方式降低[4];高階煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙和顯微裂隙不發(fā)育是制約煤層氣開發(fā)的根本原因[5];含水巖心的滲透率隨有效壓力的增加下降更快,應(yīng)力敏感性更明顯[6];在有效應(yīng)力小于5 MPa時(shí),煤儲(chǔ)層滲透率隨有效應(yīng)力增加快速下降,應(yīng)力敏感性最強(qiáng)[7];對(duì)于不同煤體尺度,其煤樣滲透率與圍壓應(yīng)力敏感性關(guān)系具有差異性[8]。對(duì)于煤儲(chǔ)層滲透率測試采取的煤柱樣品大都采取均一尺寸,沒有考慮不同尺度樣品在應(yīng)力變化過程中的孔-裂隙脹縮性,中—低煤階儲(chǔ)層相較高煤階煤儲(chǔ)層具有孔隙度高、滲透性好、吸附平衡時(shí)間短而集中的特點(diǎn)[9],對(duì)其滲透率應(yīng)力敏感性變化規(guī)律的研究較少。筆者選取鄂爾多斯盆地東緣中低階和中高階煤樣,開展煤儲(chǔ)層滲透率測試與應(yīng)力敏感性試驗(yàn),以揭示煤巖介質(zhì)滲透性、應(yīng)力敏感性的尺度效應(yīng)。

1 煤樣滲透率測試

1.1 煤樣采集與制備

試驗(yàn)樣品采自于鄂爾多斯盆地東緣北部保德煤層氣開發(fā)區(qū)塊和東緣南部韓城煤層氣開發(fā)區(qū)塊。其中,煤樣BD-1～BD-6由保德區(qū)塊山西組4+5#煤層的X-1井煤心垂直于層理制取,該煤層單層厚度為5～14.6 m,平均為7.6 m,Ro，max(煤的鏡質(zhì)體反射率)為0.7%～0.98%,彈性模量為17.6 GPa,泊松比為0.25,煤層含氣量為4～10 m3/t,平均為6 m3/t,屬氣煤-肥煤[10-11];煤層氣氣體成分以甲烷為主,甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均超過90%。煤樣HC-1～HC-6由韓城區(qū)塊的山西組5#煤層的S5井煤心垂直于層理制取(圖1),該煤層單層厚度為3.5～4.6 m,平均為4 m,Ro,max為1.60%～1.68%,彈性模量為9.8 GPa,泊松比為0.24,煤層含氣量為2.9～10.46 m3/t,平均為6.7 m3/t,屬焦煤-瘦煤。

圖1 構(gòu)造綱要

為研究煤巖樣品應(yīng)力敏感的尺度效應(yīng),將來自保德地區(qū)和韓城地區(qū)的塊體煤樣分別切割成直徑為25和50 mm兩種尺度各6個(gè)樣品,分成4組進(jìn)行試驗(yàn),其基本物性參數(shù)見表1。試驗(yàn)前將煤樣置于105 ℃高溫條件下烘干稱重。

表1 試驗(yàn)煤樣的基本物性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

本文中滲透率測試試驗(yàn)主要裝置有Quizix 5200恒壓恒速泵、ISCO圍壓泵、巖心夾持器等,流程見圖2。圍壓由ISCO圍壓泵控制。流體進(jìn)出口連接Quizix 5200恒壓恒速泵,該泵可以同時(shí)采集壓力與流量。設(shè)置采集每分鐘采集10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖2 滲透率試驗(yàn)系統(tǒng)

為模擬鄂爾多斯盆地東緣兩個(gè)研究區(qū)的煤層水礦化度,滲流介質(zhì)采用類似地層水的NaHCO3溶液,其質(zhì)量濃度為4 500 mg/L。施加圍壓為8.5 MPa以模擬上覆巖層壓力,其始終大于進(jìn)、出口壓力的最大值。為實(shí)現(xiàn)有效壓力的逐級(jí)變化,保持進(jìn)口壓力不變,使出口壓力先降低后升高,有效應(yīng)力則先增加后降低。保持恒定進(jìn)口壓力為7.0 MPa,逐級(jí)改變出口壓力,由6.0 MPa逐級(jí)降為5.0、4.0、3.0、2.0、1.0、0.1 MPa;繼續(xù)保持進(jìn)口壓力7.0 MPa不變,出口壓力從0.1 MPa逐漸升壓到1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 MPa,每個(gè)測點(diǎn)的穩(wěn)定時(shí)間為90 min,記錄出口處穩(wěn)定滲流的流速,直到試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果

不同壓力條件下的煤樣滲透率為

(1)

式中,k為煤樣滲透率,10-3μm2;q0為通過煤樣出口的流量,cm3/s;p0為大氣壓力,取0.1 MPa;μ為流體動(dòng)力黏度,10-3Pa·s;L為巖樣長度,cm;A為煤樣橫截面面積,cm2;p1和p2分別為煤樣進(jìn)出口兩端的壓力,MPa。

煤樣的有效應(yīng)力σθ與煤樣受到的圍壓和進(jìn)出口壓力有關(guān),即

(2)

式中,σ為煤樣所受圍壓,MPa。

通過調(diào)節(jié)煤樣出口壓力可以改變煤樣的有效應(yīng)力。使出口壓力先降低后升高,有效應(yīng)力則先增加后降低,滲透率也隨之先降低后增加。煤樣的滲透率-有效應(yīng)力關(guān)系曲線見圖3。

由圖3可知,保持圍壓8.5 MPa不變,將出口壓力從7.0 MPa逐漸降低為0.1 MPa的過程中,即有效應(yīng)力δθ從1.5 MPa上升為5 MPa的過程中,所有煤樣的滲透率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這與實(shí)際工程地面排水降壓開發(fā)煤層氣的過程中,隨著水、氣介質(zhì)的排出,煤儲(chǔ)層內(nèi)流體壓力降低,有效應(yīng)力增大,滲透率降低的變化規(guī)律是一致的。

圖3 煤樣滲透率-有效應(yīng)力的關(guān)系

為排除煤樣滲透率個(gè)體差異的影響,并明確表示尺度效應(yīng),將滲透率比值k/k0(k為當(dāng)前滲透率,k0為初始滲透率)定義為滲透率恢復(fù)率,將1-k/k0定義為滲透率損失率。滲透率恢復(fù)率越高,則表明滲透率的變化受到外界因素的影響小,即尺度效應(yīng)影響小,反之影響大。

當(dāng)出口壓力調(diào)節(jié)至6.0 MPa時(shí),即有效應(yīng)力為2 MPa時(shí),4組煤樣的滲透率開始表現(xiàn)出個(gè)體差異:BD-1～BD-3的煤樣為(0.002 5～0.076 3)×10-3μm2，BD-4～BD-6的煤樣為(0.004 5～0.013 8)×10-3μm2，HC-1～HC-3的煤樣為(0.004 8～0.016 5)×10-3μm2，HC-4～HC-6的煤樣為(0.005 4～0.012 5)×10-3μm2?？傮w而言,韓城的中高階煤樣的初始滲透率略高于保德的中低階煤樣。

當(dāng)出口壓力降低到0.1MPa時(shí),即有效應(yīng)力上升至5 MPa時(shí),小煤樣BD-1～BD-3平均滲透率為0.000 1×10-3μm2,滲透率損失率為93%～96%;HC-1～HC-3煤樣的煤樣平均滲透率為0.003 7×10-3μm2,滲透率損失率56%～89%;大煤樣BD-4～BD-6平均滲透率為0.004 3×10-3μm2,滲透率損失率53%～56%;HC-4～HC-6煤樣的平均滲透率為0.004 4×10-3μm2,滲透率損失率42%～52%。結(jié)果顯示,隨著煤樣內(nèi)部流體壓力降低,有效應(yīng)力增大,煤樣滲透率降低,小煤樣滲透率降低幅度比大煤樣滲透率降低幅度要大,中低階煤樣的滲透率降幅也略高于高階煤樣。

出口壓力由0.1MPa回升至6.0 MPa的過程中,即有效應(yīng)力回升至2 MPa時(shí),所有煤樣的滲透率均有回升的趨勢(shì)。BD-1～BD-3煤樣滲透率為(0.001 0～0.020 4)×10-3μm2,平均滲透率為0.007 7×10-3μm2,平均滲透率恢復(fù)率為33.5%;BD-4～BD-5煤樣滲透率為(0.004 2～0.024 8)×10-3μm2,平均值為0.011 2×10-3μm2,平均滲透率恢復(fù)率為43.7%。表明隨著煤樣內(nèi)部流體壓力升高,有效應(yīng)力降低,煤樣滲透率增大,大煤樣的滲透率恢復(fù)幅度大于小煤樣。HC-1～HC-3煤樣平均滲透率恢復(fù)率為43.3%,HC-4～HC-6煤樣為45.8%。

綜上所述,隨著有效應(yīng)力的變化,不同尺度煤樣滲透率的變化趨勢(shì)是一致的,但變化幅度不同,直徑為50 mm的煤樣在有效應(yīng)力增大和回落過程中的滲透率恢復(fù)率大于直徑為25 mm的煤樣。圖4為滲透率比值k/k0隨有效應(yīng)力的變化特征?？梢钥闯?BD-1～BD-3煤樣的滲透率比值k/k0的曲線變化幅度大于BD-4～BD-6煤樣,對(duì)于中低階煤,小煤樣的滲透率受有效應(yīng)力的影響較大煤樣更為顯著;HC-1～HC-3煤樣的滲透率比值k/k0的曲線變化幅度略大于HC-4～HC-6煤樣,對(duì)于高階煤,小煤樣滲透率的應(yīng)力敏感性略大于大煤樣。因此中低煤階或高煤階條件下,小煤樣滲透率的應(yīng)力敏感性均比大煤樣顯著。

圖4 煤樣滲透率比值-有效應(yīng)力的關(guān)系

同一尺度下,中低煤階滲透率的應(yīng)力敏感性比高階略微顯著。但與尺度效應(yīng)相比,煤階對(duì)滲透率的影響很小。

3 分析與討論

有效應(yīng)力是影響煤樣滲透率變化的主要因素,滲透率隨有效應(yīng)力增加而降低。目前廣泛采用指數(shù)函數(shù)[12]:

k=k0exp(-3CfΔσθ).

(3)

式中,Cf為煤中裂隙體積壓縮系數(shù);Δσθ為有效應(yīng)力差,Δσθ=σθ-σθ0,σθ為當(dāng)前有效應(yīng)力,σθ0為初始有效應(yīng)力。

由式(3)得到

(4)

利用式(4)對(duì)4組煤樣在有效應(yīng)力變化過程中的滲透率比值k/k0進(jìn)行擬合,得到擬合曲線如圖5所示,擬合的相關(guān)系數(shù)和煤樣裂隙體積壓縮系數(shù)Cf如表2所示。

圖5 有效應(yīng)力變化對(duì)煤樣滲透率的影響

表2 煤樣Cf的擬合值

由于出口壓力降低(即有效應(yīng)力增大)時(shí),煤樣滲透率比值k/k0的擬合相關(guān)系數(shù)為0.73～0.98,出口壓力回升過程的滲透率比值k/k0的擬合相關(guān)系數(shù)為0.71～0.80,因此可見指數(shù)函數(shù)更加適于表征有效應(yīng)力增大過程的滲透率變化特征。

由圖5(a)及表2可知,顯示BD-1～BD-3煤樣和HC-1～HC-3煤樣的Cf值大于BD-4～BD-6煤樣和HC-4～HC-6煤樣Cf值。即在有效應(yīng)力變化量相同條件下,小煤樣的裂隙體積變形比大煤樣顯著,進(jìn)而導(dǎo)致了小煤樣滲透率大幅度變化。通常同樣基質(zhì)塊體條件下,不同尺度樣品的物性也不相同。假設(shè)煤的基元是一致的,樣品的尺度決定了不連續(xù)面的密度。小煤樣所具有的裂隙和割理密度較大煤樣更高,在受力過程中的形變會(huì)加強(qiáng)。從宏觀角度而言,碎裂結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層較煤體結(jié)構(gòu)完好的煤層其應(yīng)力敏感性更為強(qiáng)烈,滲透率變化也更為劇烈。

在煤樣尺度相同的情況下,中低煤階Cf值比高階煤樣略高,但差異并不顯著。與尺度效應(yīng)相比,不同煤階Cf值的差異微乎其微。

筆者結(jié)合保德和韓城的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,保德區(qū)塊主力煤層煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)(超大尺度)煤,開發(fā)過程中的應(yīng)力敏感性弱,導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率得到較好地改善,加之煤層構(gòu)造形態(tài)簡單、煤層發(fā)育厚、封閉性較好、煤巖演化程度低、且低煤階煤基質(zhì)收縮正效應(yīng)明顯[13-14],成藏條件好,開發(fā)條件較為優(yōu)越,單井平均產(chǎn)氣量大于2 600 m3/d。韓城區(qū)塊粉煤、碎粒煤(極小顆粒尺度)發(fā)育,盡管存在煤層含氣量較大、煤階較高、封閉性較好等有利條件,但煤體結(jié)構(gòu)因構(gòu)造作用遭受破壞,內(nèi)、外生裂隙不復(fù)存在,滲透性差且在開發(fā)過程中應(yīng)力敏感性強(qiáng),高煤階的煤巖體較低煤階煤巖體自調(diào)節(jié)能力差,基質(zhì)收縮量較小,對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性的改善能力較差[13],導(dǎo)致生產(chǎn)過程中產(chǎn)氣達(dá)到峰值時(shí)間短,一般為1～2個(gè)月,產(chǎn)氣峰值低,平均單井產(chǎn)氣量500 m3/d,之后衰減快,產(chǎn)氣量保持在很低的水平[15-16]。研究及生產(chǎn)實(shí)踐表明,盡管中低煤階煤巖的應(yīng)力敏感性較中高煤階弱,但無論哪種煤階煤層,尺度效應(yīng)則是影響煤層產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素之一。

4 結(jié) 論

(1)中低煤階或高煤階條件下,小煤樣滲透率的應(yīng)力敏感性均比大煤樣顯著。在有效應(yīng)力變化率相同時(shí),小尺度煤樣的裂隙體積變形大于大尺度煤樣,其壓縮系數(shù)也遠(yuǎn)高于后者。從宏觀角度而言,碎裂結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層較煤體結(jié)構(gòu)完好的煤層其應(yīng)力敏感性更為強(qiáng)烈,滲透率變化也更為劇烈。

(2)同一尺度下,中低煤階滲透率的應(yīng)力敏感性比高階略微顯著。但與尺度效應(yīng)相比,煤階對(duì)滲透率的影響很小。

(3)基于試驗(yàn)、理論及生產(chǎn)實(shí)踐分析,保德區(qū)塊原生結(jié)構(gòu)(超大尺度)煤發(fā)育,開發(fā)過程中煤層應(yīng)力敏感性較弱,煤層氣產(chǎn)氣效果好;韓城區(qū)塊糜棱(極小顆粒尺度)煤發(fā)育,開發(fā)過程中煤層滲透率敏感性增強(qiáng),煤層氣產(chǎn)氣效果低。