不同煤阶煤储层应力敏感性差异及其对煤层气产出的影响

陈 刚,秦 勇,杨 青,李五忠

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

不同煤阶煤储层应力敏感性差异及其对煤层气产出的影响

陈 刚1,2,秦 勇1,杨 青2,李五忠2

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

通过开展鄂尔多斯盆地东缘高中低煤阶不同含水饱和度煤储层应力敏感性实验,研究了煤储层渗透率动态变化规律及其对煤层气产出的影响。实验结果证实:不同煤阶煤储层渗透率随有效应力的增加均呈现负指数函数降低的规律。在有效应力小于5 MPa时,煤储层渗透率随有效应力增加快速下降73%～95%,平均87%,煤储层应力敏感性最强;有效应力在5～10 MPa时,渗透率随有效应力增加而较快下降5%～18%,平均10.4%,煤储层应力敏感性较强;而当有效应力大于10 MPa后,渗透率随有效应力的增加下降速度减缓,应力敏感性减弱。实验结果表明中高煤阶煤储层应力敏感性随有效应力增加要弱于低煤阶。随着煤样含水饱和度的增加,煤储层应力敏感性也逐渐增强。根据煤储层渗透率动态变化规律提出了煤层气井排采过程中应遵循缓慢—保压—持续的排采工作制度,才能获得煤层气最大产出量。

煤层气;不同煤阶;煤储层;应力敏感性;渗透率

煤层气井在排水降压过程中,由于甲烷的解吸和煤层有效应力的改变导致煤储层渗透率发生动态变化,由于不同煤阶煤岩力学特性的不同,在此过程中煤储层渗透率变化差异较大。前人针对砂岩储层及高煤阶样开展了大量的应力敏感性实验研究[1－12]。早在1943年国外就有常规砂岩储层应力敏感性实验[1－2],国内从20世纪90年代开始从事相关研究[3－4]。傅雪海[5]、陈振宏[6,8]、孟召平[9－12]等对我国高煤阶样开展了大量应力敏感性实验,分析了高煤阶煤储层应力敏感性对煤层气开采的影响及控制因素。现有公开文献对我国低煤阶煤储层应力敏感性试验甚少研究。

随着我国煤层气勘探逐渐转向低煤阶领域,鄂尔多斯盆地东缘北部低煤阶煤层气井储层渗透率低进而导致单井产量低的问题日益突出。笔者选用了鄂尔多斯盆地东缘不同煤阶煤样开展了煤储层应力敏感性对比试验,并对不同煤阶煤样不同含水饱和度条件下煤储层渗透率应力敏感性进行了定量分析,以期在煤层气井排采过程中随着煤层水的排出分析煤储层渗透率动态变化规律[13－14],建立合理的排采工作制度,指导煤层气开发。

1 实验样品与方法

实验样品取自鄂尔多斯盆地东缘河曲、保德、乡宁、延川等地区二叠系山西组煤层,煤岩热演化程度平面上自北向南逐渐增高,样品具体信息见表1。

表1 试验样品基础参数Table 1 Basic data of the coal samples

选取在同一块大煤样上钻取外观无裂缝、断面平滑、长度适中的直径为25～38 mm的柱样。每个地区各选1块自然样开展不同煤阶煤岩渗透率应力敏感性试验用样。选取河曲和乡宁两个地区的样品开展不同含水饱和度煤岩渗透率应力敏感性试验用样。实验前选取河曲和乡宁两个地区在同一块大煤样中钻取的3块柱样在80℃真空环境下不间断干燥72 h,随后迅速称重,然后用含1%KCl盐水浸泡,放入真空容器中用真空泵每间隔4 h抽真空2 h,72 h后取出煤样再次称重,两次称重相减作为煤样全饱和水质量。2个地区各选1块样作为100%饱和水样品,其他各2块样品放入真空干燥箱烘干脱水,使其含水饱和度分别为70%和40%。

实验装置如图1所示。实验气体采用纯度为99.99%的氦气,并在气路上安装了过水装置,减少在实验过程中由于气体将煤样中的水分带出而导致含水饱和度降低的误差,通过实验前后两次煤样称重,误差控制在5%以内。在实验过程中,首先利用液压平流泵缓慢增加围压值,然后打开储气罐阀门,逐渐增加进口气体压力,使气体刚好能通过煤样。笔者将净围压定义为有效应力,由于研究区煤层埋藏深度大(500～2 000 m),试验最高压力设计为20 MPa。每个围压值(2.0,3.5,5.0,7.0,10.0,12.0,15.0, 20.0 MPa)至少保持平衡30 min以上,此外为了减小气体的滑脱效应,在围压5.0 MPa以下保持平衡60 min以上,并测得每个围压下煤样的渗透率。随后再逐渐减小围压值,同样在每个围压值下保持平衡60 min以上,测得相同围压值下的煤样渗透率。

图1 煤岩储层应力敏感性实验装置示意Fig.1 Schematic of coalbed reservoir stress sensitivity experiment device

2 煤储层应力敏感性评价与结果讨论

为了直观描述煤储层应力敏感性对气体渗透率的影响,定义无因次渗透率Ki/K0为气体渗透率Ki与煤岩初始渗透率K0的比值。

煤储层应力敏感性评价通常有有4个参数,即渗透率损害系数、渗透率损害率、不可逆渗透率损害率和应力敏感系数[9]。实际实验中,测量煤岩渗透率K随有效应力P变化的情况,分析煤储层应力敏感的程度。

2.1 不同煤阶煤储层应力敏感性差异分析

所测试的4个地区不同煤阶煤自然样实验结果如图2(a)所示,由图2(a)可知,随着有效应力增加,煤岩渗透率均按负指数函数规律降低,具有以下特征:

(1)当有效应力小于5 MPa时,不同煤阶煤储层渗透率随有效应力增加快速下降73%～95%,平均87%,应力敏感性最强;有效应力在5～10 MPa时,不同煤阶煤储层渗透率随有效应力增加而较快下降5%～18%,平均10.4%,应力敏感性较强;而当有效应力大于10 MPa后,渗透率随有效应力的增加下降速度减缓,应力敏感性减弱。

(2)随着有效应力的增加,低煤阶煤储层应力敏感性强于中高煤阶,低煤阶煤岩渗透率损害率高于中高煤阶(图2(b)),而不可逆渗透率损害率较中高煤阶小,这是因为低煤阶煤岩强度低于中高煤阶,更易发生韧性变形。

(3)低煤阶样先升压至20 MPa后降压至2 MPa时,渗透率降低了67.97%～93.70%,平均81%;中高煤阶样在降压后渗透率则降低了21.4%～45.1%,平均37%(图2(a))。

(4)通过不同煤阶煤岩渗透率损害率与有效应力关系来看,低煤阶样在有效应力逐渐增加至5 MPa左右时,渗透率损害率快速降低了95%,当有效应力大于5 MPa时渗透率损害率保持不变,此时低煤阶有效渗透率几乎降为0,近似认为低煤阶有效渗透率对应的深度应浅于500 m;而中高煤阶样有效应力逐渐增加到9 MPa时,煤岩渗透率损害率降低了80%,随着有效应力的继续增加,煤岩渗透率损害率趋缓,中高煤阶有效渗透率对应的深度应浅于900 m。

图2 不同煤阶无因次渗透率、渗透率损害率与有效应力关系Fig.2 Relationship between different coal rank dimensionless permeability,permeability damage rate and effective stress

2.2 不同含水饱和度煤储层应力敏感性差异分析

含水煤样的渗透率随有效应力的增加下降更快,应力敏感性更明显,即应力造成的渗透率伤害程度更大。通过实验测试自然样含水饱和度一般在45%～60%,不同含水饱和度对煤储层应力敏感性也产生影响,随着含水饱和度的增大,煤储层应力敏感性也逐渐增强[15],饱和水煤样的应力敏感系数和渗透率损害率要高于非饱和水煤样(表2)。

(1)在10 MPa围压下的渗透率损害率为93.30%～99.73%,平均96.92%;不可逆渗透率损害率为1.04%～83.88%,平均45.59%。河曲低煤阶样渗透率损害率平均为98.04%(图3(b)),高于乡宁中煤阶样的95.80%(图4(b));河曲和乡宁两

表2 不同地区煤储层应力敏感性评价参数Table 2 Coal stress sensitivity evaluation parameter of different areas

图3 河曲不同含水饱和度煤岩无因次渗透率,渗透率损害率与有效应力关系Fig.3 Relationship between different water saturation permeability,permeability damage rate of Hequ coal sample and effective stress

图4 乡宁不同含水饱和度煤岩无因次渗透率,渗透率损害率与有效应力关系Fig.4 Relationship between different water saturation permeability,permeability damage rate of Xiangning coal sample and effective stress

(2)20 MPa围压下煤岩渗透率损害率为98.66%～99.74%,平均99.36%;不可逆渗透率损害率为41.77%～87.37%,平均58.26%。河曲地区煤岩渗透率损害率和不可逆渗透率损害率平均值分别为99.71%,76.60%,乡宁地区煤岩渗透率损害率和不可逆渗透率损害率平均值分别为99.10%, 44.50%。

(3)渗透率损害系数平均值为0.22～0.51 MPa－1,平均为0.28 MPa－1;应力敏感系数平均值为0.09～0.22 MPa－1,平均为0.11 MPa－1。反映了研究区煤储层应力敏感性极强,10 MPa围压下的渗透率损害率大于90%。

(4)中低煤阶煤岩随着含水饱和度的增加,煤岩渗透率随有效应力增加均快速降低(图3(a),4(a)),渗透率损害率都表现为增大的趋势。表明水对煤岩变形与强度的影响较大。由于水的润湿作用,一方面使煤的弹性屈服极限降低,低煤阶样相对中煤阶样更易于发生塑性变形,另一方面降低了煤岩的抗剪强度,低煤阶样煤岩强度低于中煤阶样,因此低煤阶全饱和水样煤储层应力敏感性最明显。

3 煤储层渗透率动态变化对煤层气产出的影响

煤储层无因次渗透率随有效应力的增加先快速降低然后缓慢降低的过程[16],在煤层气井实际生产过程中煤储层渗透率也有类似变化特征。对于含水煤层而言,随着煤层水的排出,煤层含水饱和度逐渐降低,煤层开始解吸,导致煤层含气饱和度逐渐升高,煤储层应力敏感性也逐渐降低(图5)。具体过程如下:

图5 煤层气井排采过程中煤储层渗透率动态变化趋势Fig.5 Dynamic change trend of coal reservoir permeability while the CBM well mining process

图6 鄂尔多斯盆地东部××井排采曲线Fig.6 The production curves of××well in eastern Ordos Basin

(1)排采初期,煤层可视为饱和水煤样,煤储层随排水降压有效应力的增加,渗透率快速下降,该阶段需要持续缓慢排采。

(2)当压力降至临界解吸压力(Pc)以下,煤层解吸后,煤储层含水饱和度降低,含气饱和度升高,煤层应力敏感性降低,该阶段需要保压排采。

(3)排采中后期,煤储层持续解吸导致基质收缩,当液面降至煤层之下时,煤层气持续解吸,煤岩基质收缩使得渗透率持续改善,煤层产气量增加。

基于上述渗透率动态变化规律分析,结合现场生产实践(图6),如鄂尔多斯盆地东部南缘高煤阶××井从2005－05－15开始排采,至2007－12－01两年6个月时间内,随着煤层水排出,煤层所受有效应力逐渐增大,煤储层应力敏感性也逐渐增强,煤储层渗透率降低导致煤层气产出量降低,排采初期应保持排水缓慢持续;2007－12－01—2009－12－01,由于地层压力降至临界解吸压力下,煤层气开始大量解吸,日产气量保持平稳,排采中期应保持套压稳定;2009－12－01后随着煤层有效应力进一步增强,煤层裂隙渗透率降低,而基质渗透率得到改善,煤层日产气量进一步增加,排采中后期要保持合理生产压差,平稳控制日产气量。该井排采6年6个月,累计产气量达429× 104m3;后期日产气量2 410 m3,稳产36个月。通过该井生产管理经验,为了获得最大产气量,需合理有效控制煤层渗透率。

4 结 论

(1)不同煤阶煤岩渗透率随有效应力增加应力敏感性先快速增强然后趋缓,低煤阶储层应力敏感性和渗透率损害率要强于中高煤阶。低煤阶样在升压至20 MPa后降压至2 MPa时渗透率降低了67.97%～93.70%,平均81%,中高煤阶样在降压后渗透率则降低了21.4%～45.1%,平均37%。

(2)同一煤岩随着含水饱和度的增加煤储层应力敏感性逐渐增强。降压后煤岩渗透率得不到有效恢复。当有效应力增加到5 MPa时,低煤阶渗透率损害率为95%,有效渗透率对应的深度应浅于500 m,即低煤阶煤层埋深浅于500 m时能获得较理想的单井产量;而中高煤阶煤样有效应力逐渐增加到9 MPa时,煤岩渗透率损害率降低了80%,有效渗透率对应的深度应浅于900 m。

(3)煤层气井实际生产过程中煤储层渗透率随煤层水的产出呈现快速降低—缓慢降低—缓慢增加的趋势。因此煤层气井排水降压采气过程中应合理控制生产压差,保持缓慢—持续—稳定的排采工作制度,防止煤储层应力敏感性对煤层气产出的影响。

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Different stress sensitivity of different coal rank reservoir permeability and its effect on the coalbed methane output

CHEN Gang1,2,QIN Yong1,YANG Qing2,LI Wu-zhong2

(1.School of Resources and Earth Sciences,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Langfang Branch,Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Langfang 065007,China)

According to the east Ordos Basin coal rank of different water saturation of coal reservoir stress sensitivity lab experiments,the influence of coal reservoir permeability dynamic change rules on the coalbed methane production was studied.Experimental results confirm that medium&high rank coal reservoir permeability decreases in the rule of negative exponent function along with the increasing effective stress.Once the effective stress less than 5 MPa,the coal reservoir permeability with the increasing effective stress quickly fells by 73%～95%,average 87%,indicating strongest stress sensitivity;the effective stress ranges from 5 to 10 MPa,permeability rapidly decreases by 5%～18%along with increasing effective stress,average 10.4%,showing strong stress sensitivity;When the effective stress is higher than 10 MPa,the decline in permeability with the increase of effective stress representing weak stress sensitivity.The stress sensitivity in effective stress of high rank coal is lower than that of low rank coal.With increasing of water saturation of coal samples,coal reservoir permeability in stress sensitivity enhances gradually,the production rules of CBMWells was proposed in processing of slowly depressurizing-continuous producing work flow,based on the reservoir permeability dynamic change law,in order to attain coalbed methane the maxumum output.

coalbed methane;different coal rank;coal reservoir;stress sensitivity;permeability

P618.11

A

0253－9993(2014)03－0504－06

陈 刚,秦 勇,杨 青,等.不同煤阶煤储层应力敏感性差异及其对煤层气产出的影响[J].煤炭学报,2014,39(3):504－509.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1292

Chen Gang,Qin Yong,Yang Qing,et al.Different stress sensitivity of different coal rank reservoir permeability and its effect on the coalbed methane output[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):504－509.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1292

2013－09－09 责任编辑:韩晋平

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发资助项目(2011ZX05033－003)

陈 刚(1980—),男,湖北钟祥人,工程师,博士。Tel:010－69213035,E－mail:chengang69@petrochina.com.cn