有效应力对煤层气储层各向异性的影响

冯兴武，王树森，余小燕，常李博，张 坤

（中国石化河南油田分公司 石油工程技术研究院，河南 南阳 473132）

煤层气开发是通过持续排水降压，使甲烷解吸、扩散、渗流产出地面，而煤层气储层孔裂隙发育，孔隙结构复杂，非均质性强[1]，具有明显的各向异性特征，对其排水产气具有重要的影响。贾建称等认为割理是煤层气产出的主要通道，割理渗透率对煤层气储层渗透率具有决定性影响[2]；康向涛等研究了低渗透煤层平行和垂直煤岩层理方向的变形特征[3]；王登科等认为煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征，并提出了含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法[4]；马天然等在考虑基质和割理共同作用基础上提出基于组合裂隙三向平板简化的各向异性渗透率模型[5]。煤层气开发排水降压机理导致煤岩基质承受的有效应力持续增加，然而目前对有效应力变化对煤岩各向异性影响的研究较少，毕世科等研究了单轴压缩条件下，煤岩电阻率的各向异性，研究认为加载导致煤岩电阻率增大[6]，但未对覆压条件下煤岩渗透率特性进行研究；Kai Wang 研究了覆压条件下渗透率变化的各向异性特征[7]，但主要通过理论推理进行研究，需要针对研究区块进行实验验证。因此采用不同方向的煤岩样品，对沁水盆地南部煤层气储层各向异性进行了评价，并重点研究了有效应力增加对渗透率和应力敏感性各向异性的影响，以期为煤层气高效开发提供借鉴。

1 研究区概况

沁水盆地为南北走向的大型复式向斜, 其四周被隆起环绕[8]。沁水盆地南部主力煤层为二叠系山西组3#煤层和石炭系太原组15#煤层，其中煤层气主要目的层为3#煤层。3#煤层最大镜质组反射率在2.5%～4.1%之间，为高煤阶煤层气储层[9]。3#煤层埋深分布在300～1 200 m 之间，平均埋深700 m 左右，埋深差异较大。3#煤层厚5～7 m 之间，平均6 m 左右，煤层相对较厚。3#煤层含气量分布在5～35 m3/t，平均20 m3/t，含气量在断层、陷落柱附近较低。区域渗透率一般低于0.8×10-15m2，属于低渗、特低渗储层。3#煤层弹性模量一般为 0.6～2.5 GPa，平均 1.2 GPa，最大水平主应力为北东向，平均为26 MPa[10]。

2 煤层气储层应力敏感性定量表征

1）应力敏感性系数c。煤层应力敏感性系数越大，应力敏感性越强。煤岩渗透率随有效应力的增加呈指数形式降低，其表达式为[11]：

式中：k 为应力增加后煤层渗透率；k0为初始渗透率；σ 为增加后的应力；σ0为初始应力。

2）渗透率损害率Rd。渗透率损害率表征由于应力增加导致煤层渗透率较初始状态的下降程度，计算如下：

3）渗透率恢复率Rr。渗透率恢复率表征有效应力加载至最大值后减载至同一有效应力时，渗透率的恢复程度。

式 中 ：kX，pi为有效应力卸载至pi时的渗透率；kj，pi为有效应力加载至pi时的渗透率。

3 实验研究

3.1 实验准备

煤岩样品取自沁水盆地南部余吾煤矿和寺河煤矿，分别沿垂直煤岩层理方向、平行于面割理方向、平行端割理方向钻取柱状煤岩样品，煤岩及柱状煤岩样品示意图如图1。垂向上光亮煤、暗煤交互发育，端割理、面割理相互垂直且基本垂直于煤岩层理面。利用样品分别沿上述3 个方向共钻取6 块柱状煤样，用于实验测试，煤储层不同方向煤岩样品基本物性参数见表1。

图1 煤岩及柱状煤岩样品示意图Fig.1 Schematic diagram of coal rock and columnar coal samples

表1 煤储层不同方向煤岩样品基本物性参数Table 1 Basic physical parameters of coal samples from different directions of coal reservoirs

3.2 实验设备及流程

1）实验设备。实验需要设备包括：QKY-2 型气体孔隙度测定仪（海安县石油科研仪器有限公司）；3H-2000PAGP 全自动高压渗透率分析仪（贝士德仪器科技有限公司）；Meso MR23-060H-I 型低场核磁共振仪（上海纽迈电子科技有限公司）；自制煤岩应力敏感性测试装置（包括岩心夹持器、皂膜流量剂、高压He 气气瓶、调压阀、回压阀、恒速恒压泵等）。

2）实验流程。在室温（22 ℃）、大气压（0.1 MPa）条件下测定各煤样孔隙度、渗透率及核磁共振T2图谱；分别测定有效应力为 1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、5、6、8、10 MPa 时，不同方向 3 块煤岩样品的渗透率；分别测定3 块煤岩样品有效应力加载至10 MPa 时的核磁共振T2图谱。

4 实验结果

4.1 应力对孔隙结构各向异性影响

表1 表明，面割理方向初始孔隙度最大为8.5%，而端割理方向其次，为5.3%，垂直层理方向最小，仅为3.7%。煤层气储层不同方向煤样原始状态与加载至10 MPa 后核磁共振T2谱对比如图2。图2 表明，在初始状态下，面割理方向核磁共振曲线为双峰型，2个峰值主要分布在 13.8 ms 和 171.9 ms 处，表明该方向以大孔、割理为主，小孔较为发育；端割理方向核磁共振曲线为宽底单峰型，峰值分布在37.12 ms 处，峰底部分布在 0.1～3 303.6 ms 之间，分布范围较宽，表明孔隙结构以中孔为主，但小孔、大孔、割理也相对发育；垂直层理方向核磁共振曲线为单峰型，峰值分布在 35.02 ms 处，而峰底部分布在 0.1～511 ms 之间，表明中、小孔发育，但大孔和割理发育较少。这表明，煤层气储层孔隙结构存在明显的各向异性。

4.2 应力对渗透率各向异性影响

图2 不同方向煤样原始状态与加载10 MPa 核磁共振T2 谱对比Fig.2 Comparison of the NMR T2 spectrum between the original state and the loading of 10 MPa of coal samples in different directions

表1 数据表明，煤层气储层面割理方向渗透率最高，初始渗透率达到1.5×10-15m2；其次为端割理方向渗透率，初始渗透率为0.32×10-15m2，是面割理方向的1/5；垂直层理方向渗透率最小，初始渗透率仅为0.16×10-15m2，约为面割理方向的 1/9。表明煤层气储层渗透率存在明显的各向异性。这是因为，面割理方向割理更为发育且连续性好；端割理方向割理发育程度次之；垂直层理方向暗煤内割理不发育，形成低渗层，渗透率最低。

有效应力对不同方向煤样渗透率比值影响如图3。数据表明，在有效应力增加过程中，面割理方向与垂直层理方向渗透率比值最大，分布在1.81～7.78之间，表明二者间非均质性最强，端割理方向与垂直层理方向渗透率的比值最小，在 0.62～1.64 之间，表明二者间非均质性最弱。说明有效应力增加并未改变煤层气储层各向异性基本特征。

由图3 还可知，随有效应力增加，各方向上渗透率比值均降低，表明有效应力越高，各向异性程度降低。其中，面割理方向渗透率与垂直层理面方向渗透率比值由 7.78 下降至 1.81 ，下降幅度最大，表明2 个方向渗透率间异质程度最大。这主要是由于煤储层承受的有效应力增加后，面割理闭合程度最大，端割理闭合程度其次，垂直层理方向割理闭合程度最小，从而导致面割理方向渗透率大幅降低，端割理方向其次，垂直层理方向最小，降低了储层渗透率各向异性程度。

图3 有效应力对不同方向煤样渗透率比值影响Fig.3 Influence of effective stress on permeability ratio of coal samples in different directions

4.3 应力敏感性各向异性评价

不同方向煤岩有效应力对渗透率影响如图4。

图4 不同方向煤岩有效应力对渗透率影响Fig.4 Influence of effective stress on permeability of coal samples in different directions

图4 表明，无论哪个方向，渗透率均随着有效应力增加而降低，并随有效应力降低而恢复，但降低程度和恢复程度存在差异，即应力敏感性存在各向异性特征。

利用式（1）对图4 中数据进行拟合，结果表明：应力加载过程中，面割理方向应力敏感性系数最大为 0.419 MPa-1；端割理方向其次，为 0.35 MPa-1；垂直煤层理方向最低，为0.263 MPa-1。应力卸载过程中的应力敏感性系数也具有相同的特征。这说明，煤储层面割理方向应力敏感性最强，端割理方向应力敏感性其次，垂直煤层理方向最小。

根据式（2）对图4（a）中数据进行处理，煤储层不同方向渗透率损害率对比如图5。

图5 煤储层不同方向渗透率损害率对比Fig.5 Comparison of permeability damage rates in different directions of coal reservoirs

图5 表明，各方向渗透率损害率均随有效应力增加而增加。当有效应力小于3 MPa 时，3 个方向的渗透率损害率基本相同；而有效应力大于3 MPa后，面割理方向的渗透率损害率最大，垂直煤层面方向的损害率最小。这可能由于有效应力小于3 MPa 时，未达到煤岩割理的闭合压力，仅由于孔隙受压缩导致渗透率降低，因此渗透率损害率基本相同；有效应力大于3 MPa 后，煤岩中割理开始闭合，其中面割理最为发育，因此该方向的渗透率损害率最高。总体上看，面割理方向渗透率损害率最高，表明面割理方向应力敏感性最强，端割理方向应力敏感性其次，垂直煤层面方向最弱。

根据式（3）对图3 中数据进行处理，煤储层不同方向渗透率恢复率对比如图6。

图6 表明，无论哪个方向，煤岩有效应力卸载后，渗透率都不能完全恢复，恢复程度在40%～50%之间，表明煤储层各个方向应力敏感性均具有部分不可逆性，这主要是由于在有效应力作用下，煤岩发生弹塑性变形，弹性变形部分在应力卸载后可以恢复，而塑性变形部分则不能恢复。但有效应力卸载后，不同方向煤岩渗透率恢复率不同，面割理方向的渗透率恢复率最高，平均为55.3%；端割理方向的渗透率恢复率其次，平均为48.1%；垂直煤层面方向恢复率最低，平均为40.2%。这表明，煤岩面割理方向弹性变形程度要高于其他方向。

图6 煤储层不同方向渗透率恢复率对比Fig.6 Comparison of permeability recovery rates in different directions of coal reservoirs

5 结 论

1）煤层气储层孔隙度和孔隙结构具有明显的各向异性特征。面割理方向孔隙度大，核磁共振曲线为双峰型，以大孔、割理为主，小孔较为发育；端割理方向孔隙度其次，核磁共振曲线为宽底单峰型，以中孔为主；垂直层理方向孔隙度最小，核磁共振曲线为单峰型，中、小孔发育，大孔、割理发育较少。有效应力加载至10 MPa 后，3 个方向核磁共振信号强度均降低，表明煤样部分孔隙被压缩、割理闭合。

2）煤层气储层渗透率具有明显的各向异性特征，渗透率由高到低依次为面割理方向、端割理方向和垂直层理方向，面割理方向渗透率达到垂直层理方向的9 倍以上。有效应力增加过程中，面割理方向与垂直层理方向渗透率异质程度最强，而端割理方向与垂直层理方向异质程度最弱，各方向上各向异性程度均降低，表明有效应力增加不能改变煤层气储层各向异性基本特征，但会降低其各向异性程度。

3）煤层气储层应力敏感性具有明显的各向异性特征，面割理方向应力敏感性最强，应力敏感性系数和渗透率损害率均最大；垂直煤层理方向应力敏感性最弱，应力敏感性系数和渗透率损害率均最低。有效应力降低后，渗透率恢复程度仅为40%～50%之间，煤储层各方向应力敏感性均具有不可逆性。但有效应力卸载后，不同方向煤岩渗透率恢复率不同，面割理方向最高，达到55.3%，垂直煤层面方向恢复率最低，为40.2%。