煤基质自调节效应实验

陈金刚 陈义 刘大全

郑州大学工程力学系

煤基质自调节效应实验

陈金刚 陈义 刘大全

郑州大学工程力学系

陈金刚等.煤基质自调节效应实验.天然气工业,2010,30(4):133-136.

煤储层渗透率是决定煤层气开采成败的关键参数之一。以煤基质为研究对象,根据应力来源的不同,提出了煤基质内外应力的概念。分析认为:煤储层渗透率随煤层气开采而动态变化正是煤基质内外应力综合作用的结果。随着煤层气的采动,有效应力(煤基质外力)增大,裂隙宽度减小,煤储层渗透率降低;而流体压力降低,煤层气解吸,煤基质发生收缩,产生煤基质内力,裂隙宽度增大,煤储层渗透率增高。为了探讨煤基质内外应力与煤基质变形特性的关系,开展了三轴力学实验和吸附膨胀实验,根据实验结果的分析和总结,提出了煤基质自调节效应的新观点,构建了煤基质内外应力耦合作用下的自调节模式。研究成果为煤层气的有效开采提供了理论基础。

煤基质 自调节效应 煤储层 渗透率 有效应力 三轴力学实验 吸附膨胀 煤层气

煤储层渗透率的改善来自于多种应力因素的综合作用,包括上覆岩层重力、构造应力、地下水动力、热力场等动力条件。这些应力的变化,引起煤基块的变形,诸多应力耦合导致煤储层裂隙的开合程度发生变化,进而影响到煤储层渗透率的不断变化。笔者以煤储层煤基质为研究对象,把来自于基质外部的应力称为基质外力,其中,有效应力为垂直于裂隙方向总应力与煤储层内孔隙、裂隙流体压力之差,是决定煤层中天然裂隙开合程度的应力因素。把基质因外部应力变化引起自身形变调整而产生的应力称为基质内力。

关于煤基质内外力对煤储层渗透率以及煤基块的吸附/解吸应变的影响,相关文献报道较少[1-3],尤其是对煤基质内外应力耦合作用与煤基质变形特性关系缺乏探索。为此,笔者开展了综合物理模拟实验,以求建立煤基质在内外应力耦合作用下的自调节效应和模式。

1 综合模拟实验简介

1.1 实验样品制备

实验煤样采自沁水盆地中—南部晋城、潞安矿区山西组3#煤层(表1)。宏观煤岩类型为裂隙发育中等的半亮煤—半暗煤,煤类为瘦煤—3号无烟煤。层面方向在大煤块上钻取直径为25mm、高为50mm的圆柱样,将煤样端面切平整,加工精度按国际岩石力学学会推荐的标准进行。

1.2 实验装置

综合物理模拟实验在中国石油勘探开发研究院廊坊分院压裂中心实验室进行,实验设备为美国 Terra Tek公司制造的岩石力学实验系统。

1.3 综合实验模拟方案

1.3.1 吸附膨胀实验

实验前,将样品置于5%的 KCl溶液中,抽真空,排除其中的气相介质,饱和水平衡24～48h。实验时保持有效应力不变,向饱和水煤样充入纯度为99.99%的CH4气体,分别测试CH4压力0.5、1.0、2.0、3.0、4.0MPa和4.5MPa以及相应围压,2.0、3.0、4.0、5.0MPa和5.5MPa条件下每一个测点煤样吸附甲烷的纵向、径向及体积膨胀量,每点稳定时间为12h。1.3.2 三轴力学实验

围压设计为8MPa,轴压从大气压开始逐渐加大,加载速率为0.035MPa/s,直至样品破坏为止。实验过程中,计算机每10s采集一组数据,采集的主要数数据有围压、轴压、流体压力、轴向应变、径向应变1(垂直面裂隙)、径向应变2(垂直端裂隙)、平均径向应变、体积应变、时间等。

表1 吸附膨胀实验结果表

1.4 综合实验数据处理及结果

1.4.1 吸附膨胀实验

研究表明,CH4吸附应变可以精确地模拟成朗格缪尔等温吸附模型[2]。

式中:εv为压力 p下吸附的体积应变;εmax与朗格缪尔方程中朗格缪尔体积数据表达的含义相当,代表理论最大应变量,即无限压力下的渐近值;p50与朗格缪尔压力数据表达的含义相当,代表煤样达到最大应变量的1/2时的压力。

进一步实验表明,吸附应变与压力并非呈线性关系,而呈一条曲线,低压时曲线较陡,高压时曲线变得平缓,与吸附等温线类似。将式(1)化成直线型,即:

由式(2)进行线性拟合,计算出截距εmax/p50以及斜率1/p50。然后,解出εmax和 p50,代入式(1),即可得到朗格缪尔型吸附膨胀方程。

笔者对晋城凤凰山矿、阳泉一矿、左权石港矿、阳城卧庄矿的煤样分别进行了自然煤样、饱和水煤样、气水饱和煤样3种类型进行了三轴压缩实验研究[4],高平望云矿、潞安常村矿、五阳矿、霍州李家村矿、晋城成庄矿煤样的实验结果为本课题组前期研究工作[5],文中实验数据相同。通过实验,测得煤在有效应力和温度不变的情况下,流体压力(p)与体积应变(εv)的对应关系,实验结果见表1。

1.4.2 三轴力学实验

煤层气开发均是在地下一定深度范围内进行,人们更为关心的是原地应力条件下煤的力学性质,即饱和水、气煤样在围限压力下的力学行为和应力—应变关系所表现出的变形特征。在煤储层所处地应力环境下,随着煤层气的开采,围压的变化很小,可以视为不变。因此,实验采用假三轴来进行样品参数的实验。

在假三轴力学实验中,模拟地层的围压是通过油压来加载的,所以有:

弹性模量:

泊松比:

式中:E为弹性模量;v为泊松比;σ1、σ2、σ3为三轴压力,其中σ1表示垂向压力,实验中指轴压,σ2、σ3表示水平压力,实验中指围压,在假三轴力学实验中,;σ2= σ3;ε1为垂向应变,实验指轴向应变;ε2横向应变,实验指平均径向应变。

将实验中得到的轴向应变、平均径向应变、轴压和围压代入上两式,求出每一点的弹性模量和泊松比v。煤样三轴模拟实验结果见表2。

设成庄矿煤储层埋深在800m左右,此深度下的实验渗透率为初始渗透率,体积压缩系数根据三轴压缩力学实验结果,利用拟合的公式来计算饱和水煤样的相应压力对应的数值,然后求其平均值,可以得到不同储层压力下体积压缩系数。

表2 三轴力学实验结果表

2 煤基质自调节效应耦合关系及模式

在煤层气采动过程中,随着地下水和煤层气的采出,煤储层的流体压力也同时降低,使得有效应力(煤基质外力)增大,裂隙宽度减小,导致煤储层渗透率降低。另一方面,流体压力降低,使煤层气解吸,煤基质受到干扰,发生收缩,产生煤基质内力,裂隙宽度增大,导致煤储层渗透率增高。煤储层渗透率的变化正是这两种效应综合作用的结果。这种综合现象称为煤基质自调节效应,其中,煤基质收缩导致煤储层渗透率增高的现象为煤基质自调节正效应,有效应力增大致使煤储层渗透率降低的现象为煤基质自调节负效应[4,6]。

2.1 煤基质自调节正、负效应耦合关系

图1 煤基质自调节正、负效应之间耦合关系图

煤基质收缩参数为吸附膨胀参数,泊松比为表2中对应煤样的泊松比值。设煤储层气、水饱和,流体压力从5.9MPa开始逐渐降低1.0MPa左右,煤基质内外力综合作用效果见图1。成庄无烟煤煤基质有效应力负效应大于煤基质收缩的正效应,望云、常村和左权煤样在储层压力降至3MPa之前,有效应力的负效应大于煤基质收缩的正效应,当储层压力降至3MPa之后,煤基质收缩的正效应大于有效应力的负效应,而五阳和阳泉煤样,煤基质收缩的正效应始终大于有效应力的负效应。根据插值或缩小流体压力步长的计算分析,可以得到煤基质自调节正、负效应总体趋势或规律性,即:流体压力不变时,煤基质内力渗透率增加率随应力渗透率降低率的增加而增加,渗透率降低率与增加率之间呈现出“指数量板”模式。

式中:ΔKn为煤基质内力渗透率增加率,%;ΔKy为煤基质外力渗透率降低率,%;a1、b1为拟合系数。

2.2 流体压力—综合调节效应耦合关系及模式

把煤基质正、负效应进行叠加,即可得到煤基质自调节综合渗透率变化率结果(表3)。

各个样品以及各个煤级的煤基质自调节渗透率综合变化率与流体压力耦合关系呈现出相似规律性。根据实验结果,在不同煤级之间进行插值,即可得到煤基质自调节渗透率综合变化率与流体压力之间的“负对数量板”模式:

表3 煤基质自调节渗透率综合变化率表 %

式中:ΔKz为煤基质自调节渗透率综合变化率,%;p为流体压力,MPa;a2、b2为拟合系数。

对于给定煤级的样品,随流体压力的逐渐降低,煤基质自调节渗透率综合变化率逐渐增大(图2),也就是有效应力渗透率降低率逐渐小于煤基质收缩渗透率增加率。这意味着煤层气开采过程中,随着储层压力逐渐降低,煤储层渗透率有逐渐增加的趋势。在较低压下,煤储层的渗透率有望得到改善。

图2 流体压力—综合效应耦合关系图

2.3 煤级—综合调节效应耦合关系及模式

图3 煤级—煤基质自调节效应模式图

图3显示,随着煤级的逐渐增加,煤基质自调节渗透率综合变化率呈现出降低的规律性。也就是说,随煤级的增加,有效应力渗透率降低率有大于煤基质收缩渗透率增加率的趋势。在Ro=2.87%时,煤基质自调节渗透率综合变化率在模拟的各个压力下始终为负值,也就是应力渗透率降低率始终大于煤基质收缩渗透率增加率,而随着煤级的逐渐减小,在模拟的压力范围内,煤基质自调节渗透率综合变化率由负值逐渐转化为正值,Ro=1.89%条件下,煤基质自调节渗透率综合变化率全部转化为正值,这同时可能反映了低中中煤级煤比高煤级煤具有较高的煤层气开发潜势 。根据煤基质自调节渗透率综合变化率与煤级之间的耦合规律,在不同煤级之间进行插值,即可以得到煤基质自调节渗透率综合变化率与煤级之间的“负对数量板”模式(图3):

式中:Ro为镜质组反射率,%;a3、b3为拟合系数。

3 结论

1)以煤基质为研究对象,根据应力来源的不同,提出了煤基质内、外应力的新概念。

2)随着煤层气采动,煤基质因外力变化而引起收缩内力的产生,对煤储层渗透率的贡献恰好相反,根据这一现象,提出了煤基质自调节正、负效应的新观点。

3)煤基质内力渗透率增加率随煤基质外力渗透率降低率的增加而增加,符合指数量板模式。

4)流体压力的增加,煤基质自调节综合效应呈负对数模式降低,煤基质自调节效应模式预示:随着煤层气开采,储层压力的降低,煤储层渗透率有不断改善的趋势。

5)随着煤级的逐渐增加,煤基质自调节渗透率综合变化率呈负对数模式降低,反映了低中煤级煤比高煤级煤具有较高的煤层气开发潜势。

[1]SOMERTON W,DUDL EY R C,S;YL EMEZOGLU I M. Effect of stress on permeability of coal[C]∥SPWLA16th Annual Logging Symposium[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics,1975,12(5-6):129-145.

[2]HARPALANI S,SCHRAUFNAGEL R A.Influence of matrix shrinkage and compressibility on gas production from coalbed methane reservoirs’[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition.New Orleans,Louisiana: SPE20729,1990.

[3]GEONGE J D ST,BARAKAT M A.The change in effective stress associated with shrinkage from gas desorption in coal[J].International Journal of Coal Geology,2001,45(2/3):105-113.

[4]陈金刚.高煤级煤储层渗透率的构造—采动控制效应与作用机理[D].徐州:中国矿业大学,2003.

[5]傅雪海.多相介质煤岩体物性的物理模拟与数值模拟[D].徐州:中国矿业大学,2001.

[6]秦勇,傅雪海,吴财芳,等.高煤级煤储层弹性自调节作用及其成藏效应[J].科学通报,2005,50(增刊1):82-86.

(修改回稿日期 2010-02-13 编辑 罗冬梅)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.033

Chen Jingang,associate professor,was born in1973.He holds a Ph.D degree,being mainly engaged in research of natural gas geology.

Add:No.100,Kexue Avenue,Zhenzhou,Henan450001,P.R.China

Tel:+86-371-67783117 E-mail:chenjg@zzu.edu.cn

An experimental study on the self-regulating effect of coal matrix

Chen Jingang,Chen Yi,Liu Daquan
(Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan450001,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE4,pp.133-136,4/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

Coal reservoir permeability is one of the key parameters to determine the success or failure of coalbed methane exploitation. Taking coal matrix as the research object,according to the difference of the stress sources,a new concept of internal and external stress of coal matrix is put forward.The dynamic variation of the permeability of coalbed layers during the coalbed gas recovery resulted from the internal and external stress of coal matrix.With gas recovery,the effective stress(external stress of coal matrix)increases,the fracture width reduces,thus the permeability of coalbed layers decreases,and the release of gas will lead to the coal-matrix shrinking,resulting in internal stress of coal matrix,which leads to the increase of both the fracture width and the permeability of coalbed layers.In order to study the relationship between the internal and external stress and coal matrix deformation characteristics,the triaxial mechanical experiments and adsorption-expansion experiments are carried out.According to the analysis of experimental results,a new viewpoint of the self-regulating effect of coal matrix is proposed,and the self-regulating model of coal matrix under the coupling effect of internal and external stress of coal matrix is constructed,which may provide theoretical basis for further study and effective gas exploitation.

coal matrix,self-regulating effect,coal reservoirs,permeability,effective stress,triaxial stress experiment,adsorption expansion,coalbed methane

book=133,ebook=443

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.04.033

国家自然科学基金项目(编号:50709030)、河南省教育厅自然科学基金项目(编号:2008A410002,2007570011)河南省高校青年骨干教师科研项目。

陈金刚,1973年生,博士,副教授;2003年毕业于中国矿业大学地球探测与信息技术专业;从事天然气地质学方面的研究工作。地址:(450001)河南省郑州市科学大道100号郑州大学工程力学系。电话:(0371)67783117。E-mail:chenjg@zzu.edu.cn