保德与韩城地区不同尺度煤样渗透率的应力敏感性试验

刘文革, 王 勃, 赵 岳, 韩甲业,侯 伟, 徐 强, 闫 霞, 祝 捷

(1.应急管理部信息研究院,北京 100029; 2.中国煤炭地质总局勘查研究总院,北京 100039;3.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司,北京 100095; 4.中国矿业大学(北京)力学与建筑学院,北京 100083)

关健词:渗透率; 有效应力; 尺度效应; 应力敏感性; 裂隙体积压缩系数

应力敏感性是影响煤层气储层渗透率的关键因素,进而影响着煤层气的开发。对储层应力敏感性研究始于砂岩储层,并逐渐扩大至非常规储层[1-3]。生产实践和室内试验表明:当有效应力增加时,煤样的渗透率呈指数方式降低[4];高阶煤储层内生裂隙和显微裂隙不发育是制约煤层气开发的根本原因[5];含水岩心的渗透率随有效压力的增加下降更快,应力敏感性更明显[6];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,应力敏感性最强[7];对于不同煤体尺度,其煤样渗透率与围压应力敏感性关系具有差异性[8]。对于煤储层渗透率测试采取的煤柱样品大都采取均一尺寸,没有考虑不同尺度样品在应力变化过程中的孔-裂隙胀缩性,中—低煤阶储层相较高煤阶煤储层具有孔隙度高、渗透性好、吸附平衡时间短而集中的特点[9],对其渗透率应力敏感性变化规律的研究较少。笔者选取鄂尔多斯盆地东缘中低阶和中高阶煤样,开展煤储层渗透率测试与应力敏感性试验,以揭示煤岩介质渗透性、应力敏感性的尺度效应。

1 煤样渗透率测试

1.1 煤样采集与制备

试验样品采自于鄂尔多斯盆地东缘北部保德煤层气开发区块和东缘南部韩城煤层气开发区块。其中,煤样BD-1～BD-6由保德区块山西组4+5#煤层的X-1井煤心垂直于层理制取,该煤层单层厚度为5～14.6 m,平均为7.6 m,Ro，max(煤的镜质体反射率)为0.7%～0.98%,弹性模量为17.6 GPa,泊松比为0.25,煤层含气量为4～10 m3/t,平均为6 m3/t,属气煤-肥煤[10-11];煤层气气体成分以甲烷为主,甲烷质量分数平均超过90%。煤样HC-1～HC-6由韩城区块的山西组5#煤层的S5井煤心垂直于层理制取(图1),该煤层单层厚度为3.5～4.6 m,平均为4 m,Ro,max为1.60%～1.68%,弹性模量为9.8 GPa,泊松比为0.24,煤层含气量为2.9～10.46 m3/t,平均为6.7 m3/t,属焦煤-瘦煤。

图1 构造纲要

为研究煤岩样品应力敏感的尺度效应,将来自保德地区和韩城地区的块体煤样分别切割成直径为25和50 mm两种尺度各6个样品,分成4组进行试验,其基本物性参数见表1。试验前将煤样置于105 ℃高温条件下烘干称重。

表1 试验煤样的基本物性参数

1.2 试验方案

本文中渗透率测试试验主要装置有Quizix 5200恒压恒速泵、ISCO围压泵、岩心夹持器等,流程见图2。围压由ISCO围压泵控制。流体进出口连接Quizix 5200恒压恒速泵,该泵可以同时采集压力与流量。设置采集每分钟采集10个数据点。

图2 渗透率试验系统

为模拟鄂尔多斯盆地东缘两个研究区的煤层水矿化度,渗流介质采用类似地层水的NaHCO3溶液,其质量浓度为4 500 mg/L。施加围压为8.5 MPa以模拟上覆岩层压力,其始终大于进、出口压力的最大值。为实现有效压力的逐级变化,保持进口压力不变,使出口压力先降低后升高,有效应力则先增加后降低。保持恒定进口压力为7.0 MPa,逐级改变出口压力,由6.0 MPa逐级降为5.0、4.0、3.0、2.0、1.0、0.1 MPa;继续保持进口压力7.0 MPa不变,出口压力从0.1 MPa逐渐升压到1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 MPa,每个测点的稳定时间为90 min,记录出口处稳定渗流的流速,直到试验结束。

2 试验结果

不同压力条件下的煤样渗透率为

(1)

式中,k为煤样渗透率,10-3μm2;q0为通过煤样出口的流量,cm3/s;p0为大气压力,取0.1 MPa;μ为流体动力黏度,10-3Pa·s;L为岩样长度,cm;A为煤样横截面面积,cm2;p1和p2分别为煤样进出口两端的压力,MPa。

煤样的有效应力σθ与煤样受到的围压和进出口压力有关,即

(2)

式中,σ为煤样所受围压,MPa。

通过调节煤样出口压力可以改变煤样的有效应力。使出口压力先降低后升高,有效应力则先增加后降低,渗透率也随之先降低后增加。煤样的渗透率-有效应力关系曲线见图3。

由图3可知,保持围压8.5 MPa不变,将出口压力从7.0 MPa逐渐降低为0.1 MPa的过程中,即有效应力δθ从1.5 MPa上升为5 MPa的过程中,所有煤样的渗透率均呈现下降的趋势。这与实际工程地面排水降压开发煤层气的过程中,随着水、气介质的排出,煤储层内流体压力降低,有效应力增大,渗透率降低的变化规律是一致的。

图3 煤样渗透率-有效应力的关系

为排除煤样渗透率个体差异的影响,并明确表示尺度效应,将渗透率比值k/k0(k为当前渗透率,k0为初始渗透率)定义为渗透率恢复率,将1-k/k0定义为渗透率损失率。渗透率恢复率越高,则表明渗透率的变化受到外界因素的影响小,即尺度效应影响小,反之影响大。

当出口压力调节至6.0 MPa时,即有效应力为2 MPa时,4组煤样的渗透率开始表现出个体差异:BD-1～BD-3的煤样为(0.002 5～0.076 3)×10-3μm2，BD-4～BD-6的煤样为(0.004 5～0.013 8)×10-3μm2，HC-1～HC-3的煤样为(0.004 8～0.016 5)×10-3μm2，HC-4～HC-6的煤样为(0.005 4～0.012 5)×10-3μm2。总体而言,韩城的中高阶煤样的初始渗透率略高于保德的中低阶煤样。

当出口压力降低到0.1MPa时,即有效应力上升至5 MPa时,小煤样BD-1～BD-3平均渗透率为0.000 1×10-3μm2,渗透率损失率为93%～96%;HC-1～HC-3煤样的煤样平均渗透率为0.003 7×10-3μm2,渗透率损失率56%～89%;大煤样BD-4～BD-6平均渗透率为0.004 3×10-3μm2,渗透率损失率53%～56%;HC-4～HC-6煤样的平均渗透率为0.004 4×10-3μm2,渗透率损失率42%～52%。结果显示,随着煤样内部流体压力降低,有效应力增大,煤样渗透率降低,小煤样渗透率降低幅度比大煤样渗透率降低幅度要大,中低阶煤样的渗透率降幅也略高于高阶煤样。

出口压力由0.1MPa回升至6.0 MPa的过程中,即有效应力回升至2 MPa时,所有煤样的渗透率均有回升的趋势。BD-1～BD-3煤样渗透率为(0.001 0～0.020 4)×10-3μm2,平均渗透率为0.007 7×10-3μm2,平均渗透率恢复率为33.5%;BD-4～BD-5煤样渗透率为(0.004 2～0.024 8)×10-3μm2,平均值为0.011 2×10-3μm2,平均渗透率恢复率为43.7%。表明随着煤样内部流体压力升高,有效应力降低,煤样渗透率增大,大煤样的渗透率恢复幅度大于小煤样。HC-1～HC-3煤样平均渗透率恢复率为43.3%,HC-4～HC-6煤样为45.8%。

综上所述,随着有效应力的变化,不同尺度煤样渗透率的变化趋势是一致的,但变化幅度不同,直径为50 mm的煤样在有效应力增大和回落过程中的渗透率恢复率大于直径为25 mm的煤样。图4为渗透率比值k/k0随有效应力的变化特征。可以看出,BD-1～BD-3煤样的渗透率比值k/k0的曲线变化幅度大于BD-4～BD-6煤样,对于中低阶煤,小煤样的渗透率受有效应力的影响较大煤样更为显著;HC-1～HC-3煤样的渗透率比值k/k0的曲线变化幅度略大于HC-4～HC-6煤样,对于高阶煤,小煤样渗透率的应力敏感性略大于大煤样。因此中低煤阶或高煤阶条件下,小煤样渗透率的应力敏感性均比大煤样显著。

图4 煤样渗透率比值-有效应力的关系

同一尺度下,中低煤阶渗透率的应力敏感性比高阶略微显著。但与尺度效应相比,煤阶对渗透率的影响很小。

3 分析与讨论

有效应力是影响煤样渗透率变化的主要因素,渗透率随有效应力增加而降低。目前广泛采用指数函数[12]:

k=k0exp(-3CfΔσθ).

(3)

式中,Cf为煤中裂隙体积压缩系数;Δσθ为有效应力差,Δσθ=σθ-σθ0,σθ为当前有效应力,σθ0为初始有效应力。

由式(3)得到

(4)

利用式(4)对4组煤样在有效应力变化过程中的渗透率比值k/k0进行拟合,得到拟合曲线如图5所示,拟合的相关系数和煤样裂隙体积压缩系数Cf如表2所示。

图5 有效应力变化对煤样渗透率的影响

表2 煤样Cf的拟合值

由于出口压力降低(即有效应力增大)时,煤样渗透率比值k/k0的拟合相关系数为0.73～0.98,出口压力回升过程的渗透率比值k/k0的拟合相关系数为0.71～0.80,因此可见指数函数更加适于表征有效应力增大过程的渗透率变化特征。

由图5(a)及表2可知,显示BD-1～BD-3煤样和HC-1～HC-3煤样的Cf值大于BD-4～BD-6煤样和HC-4～HC-6煤样Cf值。即在有效应力变化量相同条件下,小煤样的裂隙体积变形比大煤样显著,进而导致了小煤样渗透率大幅度变化。通常同样基质块体条件下,不同尺度样品的物性也不相同。假设煤的基元是一致的,样品的尺度决定了不连续面的密度。小煤样所具有的裂隙和割理密度较大煤样更高,在受力过程中的形变会加强。从宏观角度而言,碎裂结构煤储层较煤体结构完好的煤层其应力敏感性更为强烈,渗透率变化也更为剧烈。

在煤样尺度相同的情况下,中低煤阶Cf值比高阶煤样略高,但差异并不显著。与尺度效应相比,不同煤阶Cf值的差异微乎其微。

笔者结合保德和韩城的产气数据进行对比分析,保德区块主力煤层煤体结构为原生结构(超大尺度)煤,开发过程中的应力敏感性弱,导致储层渗透率得到较好地改善,加之煤层构造形态简单、煤层发育厚、封闭性较好、煤岩演化程度低、且低煤阶煤基质收缩正效应明显[13-14],成藏条件好,开发条件较为优越,单井平均产气量大于2 600 m3/d。韩城区块粉煤、碎粒煤(极小颗粒尺度)发育,尽管存在煤层含气量较大、煤阶较高、封闭性较好等有利条件,但煤体结构因构造作用遭受破坏,内、外生裂隙不复存在,渗透性差且在开发过程中应力敏感性强,高煤阶的煤岩体较低煤阶煤岩体自调节能力差,基质收缩量较小,对煤储层渗透性的改善能力较差[13],导致生产过程中产气达到峰值时间短,一般为1～2个月,产气峰值低,平均单井产气量500 m3/d,之后衰减快,产气量保持在很低的水平[15-16]。研究及生产实践表明,尽管中低煤阶煤岩的应力敏感性较中高煤阶弱,但无论哪种煤阶煤层,尺度效应则是影响煤层产气量的关键因素之一。

4 结 论

(1)中低煤阶或高煤阶条件下,小煤样渗透率的应力敏感性均比大煤样显著。在有效应力变化率相同时,小尺度煤样的裂隙体积变形大于大尺度煤样,其压缩系数也远高于后者。从宏观角度而言,碎裂结构煤储层较煤体结构完好的煤层其应力敏感性更为强烈,渗透率变化也更为剧烈。

(2)同一尺度下,中低煤阶渗透率的应力敏感性比高阶略微显著。但与尺度效应相比,煤阶对渗透率的影响很小。

(3)基于试验、理论及生产实践分析,保德区块原生结构(超大尺度)煤发育,开发过程中煤层应力敏感性较弱,煤层气产气效果好;韩城区块糜棱(极小颗粒尺度)煤发育,开发过程中煤层渗透率敏感性增强,煤层气产气效果低。