煤矿区煤层气抽采地应力条件及其对煤层气井产能影响

郭帅锋

中石油煤层气有限责任公司韩城分公司

煤矿区煤层气抽采地应力条件及其对煤层气井产能影响

郭帅锋

中石油煤层气有限责任公司韩城分公司

近年来，煤矿区煤层气如何抽采，特别是受煤层开挖扰动作用下，煤层气开和煤炭开采卸压都会引起地应力重分布，地应力的变化控制着裂隙的扩展方向和范围，从而影响与煤层气井的导流能力，对煤层气井产能产生影响，是目前煤矿区煤层气开发急需解决的关键科学问题。因此从煤岩石力学特征出发，开展煤矿区煤层气抽采的地应力条件研究，以揭示煤储层渗透性的动态变化规律，对于煤矿区煤层气开发具有理论和实际意义。

抽采地应力；煤层气井；产能影响

1 煤岩基本力学特征

煤、岩石的力学性质主要指的是煤、岩石在受到各种作用时发生的变形与强度特性，主要由力学参数来体现。通常情况下，煤、岩石力学参数则主要通过实验室试验或现场仪器设备测得。其中，实验室研究煤岩石变形和破坏过程主要是利用刚性试验机或伺服试验机对煤岩石试样进行单轴或三轴压缩试验，来获取煤岩石的各种力学参数及变形破坏特征。

2 区煤储层地应力条件

地壳深部岩体中存在天然的地应力场，地应力成分复杂，以自重应力和构造应力为主，地应力的大小取决于深度、孔隙压力以及各种不同时间和空间尺度上地质构造运动的作用。地质构造，尤其是断层是影响深部地应力场分布的重要地质因素，地应力的大小通常受到断层摩擦强度的控制。煤层气开发、地下岩体工程和煤炭开采中应力扰动都可能会诱发断层滑动，造成煤层气生产井套管损坏、顶板冒落、工作面突水等矿井动力地质灾害发生，已成为影响煤与煤层气安全生产的重大关键问题之一。

2.1 煤储层现今地应力条件

地应力对水力裂缝的扩展和煤储层渗透性有重要的影响，也是影响煤层气产能的主要因素。目前获得地应力资料的主要途径是现场实测，而水力压裂法是现场测量地应力最常用的方法之一。

利用水压致裂法，通过地面垂直钻孔对地应力进行测量：最小水平主应力σh的表达式为

最大水平主应力σH的表达式为：

式中：T为岩层抗拉强度，MPa；Pc为闭合压力，MPa；P0为岩石孔隙压力，MPa；Pf为岩石破裂压裂，MPa。

垂直主应力可通过上覆岩层的重量进行估算：

式中：γ为上覆岩层的容重，kN/m3；h为上覆岩层的厚度(或埋深)，m。

2.2 最小水平主应力、垂直主应力和储层压力之间的关系

最小水平主应力的大小由水力压裂中的闭合压力测得，其大小控制着破裂梯度，并限制水力裂缝的扩展延伸。因此，在煤层气开发钻井设计时，最小水平主应力是必须考虑的主要参数。

3 现今地应力对煤层气井产能影响

3.1 煤层气气井产能模型

煤层气抽采过程中，随着煤层中水、气的排出，受抽采的影响煤储层压力逐渐下降，煤储层有效应力增加，内部孔裂隙逐渐压密闭合，使得渗透率明显降低，表现出较为显著的应力敏感特性，该特性对煤层气井开发效果影响很大。

煤层气抽采过程中的煤储层无因次渗透率与有效应力之间呈负指数函数关系，即随有效应力的增加，煤储层渗透率呈负指数函数规律下降，表达式为：

式中：K为煤储层某一应力状态下的渗透率，10-3μm2；K0为煤储层初始渗透率，10-3μm2；△σe为从初始到某一应力状态时有效应力的变化值，MPa；a为应力敏感回归系数，MPa-1；σe为有效应力，MPa；σ为初始地应力，MPa；α为有效应力系数，取α=1；p为储层压力，MPa；b0为比例系数，取值为1。

从上式可以得出以下结论：1)随着煤储层压力的降低，煤储层中受到的有效应力呈增大趋势，而渗透率随有效应力的增大而降低，排采初期储层压力梯度变化剧烈，随后趋于平缓；2)有效应力降低时，渗透率有所恢复，但因有效应力增大导致的煤层孔隙-裂隙被压密闭合，对渗透率造成严重损害，因此渗透率即便有所恢复但不能恢复到原始水平，因此，在整个煤层气排采过程中煤储层表现出明显的应力敏感性。

实际上，煤储层处于大地构造当中，由于煤储层不同区域受到大地原岩应力的作用不同，所处的地应力和煤储层压力差异很大，有效应力变化范围为σ-p1-σ-p2，且随着煤储层埋藏深度的增大，有效应力变化越大。在较低地应力条件下，煤储层随有效应力的增加，发生压密、闭合的塑性形变，使得渗透率明显降低；在较高地应力条件下，应力敏感性将会减弱。

渗透率的变化主要受有效应力的控制，即渗透率K与有效应力σe之间关系，同时反映了渗透率K与生产压差△p之间的相关关系。

3.2 煤层气井产能影响因素

(1)应力敏感性的影响。煤储层应力敏感性对煤层气井产能的影响显著，在其他条件相同的情况下，考虑煤储层应力敏感性的气井产量明显小于不考虑其作用时的气井产量；同时，两者之间的气井产量差距随着生产压差的增大逐渐增加。

(2)井底流压的影响。井底流压是指煤层气井生产时的井底压力，也是在生产过程中控制着气井产产能的关键因素。通常情况下，生产压差随着井底流压的增加而减小，从而对气井产能产生不利影响。煤层气排采过程中，井底流压反映了气井内的动液面高度，因此，一般通过人为调整井底压力的方法来控制动液面高度和套压的大小。井底流压对气井产气量有重要的影响，所以制定合理的井底流压有利于气井产能。不论井底流压过高还是过低，都不利于煤层气的高效产出。当井底流压过高时，降低了生产压差，对于煤层气的产出相当不利；当井底压力过低，生产压差过大，引起煤储层产生明显的应力敏感性，同样会影响煤层气井的产能。

结语

煤储层渗透性及其煤层气井开发效果与地应力具有非常密切的关系。地应力较小的地区，渗透率较高，煤储层产气量也高；在地应力高的地区，煤储层渗透率较低，导致煤储层产气困难。煤储层地应力是控制煤层气井产能的重要地质因素，因此研究煤储层的地应力条件对于确定煤储层高渗区带和采用合理的开发方式具有重要的理论和实际意义。

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