赵庄井田3号煤层渗透性实验研究

李进强

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司 勘探分公司, 山西 晋城 048204)

煤层渗透性反映煤储层的渗流能力,是煤储层评价及有利靶区优选,评价煤层气可采性,预测气井产能、采收率及可采资源量等的关键煤储层物性参数之一[1-4],在煤层气勘探开发及瓦斯抽采防治方面尤为重视其研究。长期以来,前人在煤层渗透性研究方法及实验手段[5-6]、控制或影响因素[7-8]、分级方案划分[9-10]、对气井产能和资源采收率控制关系[11-12]等方面开展了大量研究,对煤层气产业发展起到积极助推作用。煤层既是烃源岩又是储集岩,具有双重孔隙结构,我国含煤盆地成煤环境类型多样,成煤期后历经了多期次构造变动及其演化作用,成煤地质条件复杂,煤层非均质性强[13],并表现出典型的“三低一高”(即“低压、低渗、低饱和度及高含气量”)特征及明显的各向异性[14],使得煤层气抽采、开发技术要求及成本高,区域适配性差,单井产量低等[15]. 因此,针对研究区煤储层特点,系统深入开展煤层渗透性研究是提高煤层气开发成效的关键举措和重要途径。

以赵庄井田3号煤层为例,借助PDP-200型压力脉冲渗透率仪,采用非稳态法的压力脉冲衰减法对煤层渗透率进行了测定,基于渗透率数据对煤层渗透性进行分级评价研究,以便于高效精准开发煤层气。

1 煤层气地质概况

赵庄井田位于沁水煤田东南部,行政区划隶属于长治县、高平市所辖,总面积约144 km2. 井田地层相对平缓(平均倾角6°),受区域构造控制,井田主体构造与区域构造展布方向保持一致,总体为走向北北东、倾向北西的单斜构造。单斜构造之上发育系列北北东、北东向及少量近东西向展布波幅不大宽缓的次级褶曲,断裂构造发育一般,以小型断层构造为主,多呈北北东、北东向展布,少量呈北西向及近东西向。陷落柱稀少,未见岩浆侵入现象,构造复杂程度总体为简单型。

井田含煤地层多,煤层发育,其中,石炭系上统太原组及二叠系下统山西组为主要含煤地层,两条主含煤地层共含煤15层,煤层平均总厚12.80 m,含煤系数8.36%. 其中,山西组3号煤层及太原组15号煤层为全井田稳定可采煤层,其余为较稳定～不稳定的局部可采～不可采煤层。研究的3号煤层为厚煤层,煤层结构简单,一般含1～2层炭泥质夹矸。煤体破坏相对严重,构造煤较为发育。煤层气赋存条件好、含气量总体较高,且具有煤与瓦斯突出危险性[16],为煤炭批采和煤层气重点开发目标层位之一。

2 煤层孔渗性实验研究

2.1 实验方法及原理

目前,煤岩渗透率测试方法较多[5],压力脉冲衰减法(或非稳态法)作为煤岩渗透率测定方法之一,具有测定时间短、数据精度高、可操作性强、测试费用低等特点,常被用于低渗、超低渗透煤岩渗透率的测定[17-18]. 为此,采用压力脉冲衰减法(或非稳态法),并借助PDP-200型压力脉冲渗透率仪(图1)对赵庄井田3号煤层渗透率进行了测定研究。测定时煤芯样品装在一个煤芯夹持器中,然后将夹持器与控制模块连接,用手动液压泵加上围压和给煤芯柱状样品施加一个孔隙压力,然后通过煤芯柱状样品传递一个压差脉冲,随着压力瞬间传递通过煤芯柱状样品,计算机数据采集系统记录煤芯柱状样品两端的压力差、下游压力和时间等参数,并在电脑上利用专门配套软件绘制出压差和平均压力与时间的对数曲线,软件通过对压力和时间数据的线性回归计算煤芯柱状样品的渗透率,并把测量结果存储到数据文件中。

图1 PDP-200型压力脉冲渗透率仪图

2.2 仪器构成及主要性能参数

1) 仪器构成。

PDP-200型压力脉冲渗透率仪主要由气体渗透率测量仪主机、岩芯夹持器及计算机控制及数据采集系统3大部分构成。气体渗透率测量仪主机主要是对测量样品渗透率的全自动控制;岩芯夹持器配有阀门,压力表和快速连接管线及一台手动液压围压泵,用于夹持实验样品;计算机控制及数据采集系统由控制及数据采集硬件、系列软件构成,是对各种阀门及测定过程的自动控制,数据实时采集、计算及显示测量结果,并把数据进行存储和导出。

2) 仪器主要性能参数。

PDP-200型压力脉冲渗透率仪工作电压为单相220 V,测试温度为室温,工作介质为氮气,其对煤岩渗透率的测定范围广,测定范围为0.000 01～10 mD,特别适合低渗、超低渗透煤岩渗透率的测定;压力传感器精度高,精度可达满量程0.1%;测定稳定时间短、速度快;采用煤岩芯夹持器,最大覆压可达70 MPa,可以模拟大埋深油气开发井地层上覆压力;测定过程自动化程度高,所有阀门开启关闭均由电脑自动控制,实验数据由计算机数据采集系统自动采集、记录数据,自动计算煤岩渗透率。

2.3 样品采集与制作

实验样品采集于赵庄井田1310综采工作面距离切眼160 m处煤巷,在煤巷的同一垂直剖面上不同位置采集了多件大块状新鲜纯净煤样(图2),再用新鲜膜对已采集的块状煤样进行包裹密封,防止煤体风化,然后录入煤样采集时间、地点、煤层编号、层位等信息。样品搬运和存放过程中不能有抛、摔、拖、压等行为,破坏煤样原有的结构和构造,影响煤层渗透率实验数据的可靠性。

图2 测试样品采集图

实验前,利用岩芯制样机把煤样制作成柱状煤芯,为了尽可能贴近煤储层客观实际,沿着平行于煤的割理方向进行切割制样。按照实验仪器要求煤芯尺寸直径2.5 cm,高度2～20 cm. 该次实验样品尺寸为直径2.5 cm,长度4.32～6.37 cm.

2.4 实验结果分析

煤层渗透性系指气、水等流体在压力差作用下,通过煤层的容易程度,常采用渗透率定量表征[1]. 赵庄井田3号煤层渗透率实验测定结果见表1,3号煤层因在成煤期后受多期复杂构造变动及其演化作用,煤体破坏较为严重,煤层原生结构及构造遭受到一定程度破坏,构造煤相对发育。受挤压构造应力作用,裂口多呈紧闭状态,同时,孔裂隙多被粒状碎屑物、方解石脉等充填,裂隙的连通性差,进而致使研究煤层的渗透性普遍较差、渗透率低下,煤层渗透率一般为0.021 397～0.231 943 mD,平均0.083 929 mD. 渗透率大小与煤体破坏程度相关,原生结构煤的渗透率整体高于碎裂煤的渗透率。同时,受煤变质、地应力、煤体、煤层赋存条件及其差异性影响[19],煤层渗透率具有显著的各向异性[20],两极值相差近10倍。

表1 3号煤层渗透率测定结果表

针对我国煤储层特点,前人根据煤层渗透率下限、渗透率分布值域范围及煤层气开发井的产气状况等,对煤层渗透性进行分级研究(表2)[9-10,21-24],为定量评价和表征煤层渗流能力,科学精准评价煤储层,提高煤层气开发成效等提供了重要理论支撑和指导依据。基于赵庄井田3号煤层渗透率实验数据和前人对煤层渗透性分级研究成果可知,井田3号煤层基本属于中渗透性～非渗透性煤储层,并以低渗透性～非渗透性煤储层为主。据研究区3号煤层井上下煤层气抽采数据来看,井上下煤层气抽采效果极不理想[25],证实了煤层渗透性差是制约煤层气抽采效果的重要因素[26-27].

表2 前人对煤层渗透性分级方案表

2.5 煤层孔渗性对煤层气生产实践影响

1) 煤层孔渗性对开发工艺影响。

煤为固体有机岩类,普遍具有低孔、低渗、强非均质、物性差等特点,原始煤储层开发煤层气难以实现其经济性和开发成效。从孔渗性实验结果来看,赵庄井田3号煤的孔隙度低、渗透率差,多以低渗透性～非渗透性煤储层为主。因此,要实现煤层中煤层气高效产出,提高煤层气井产量,需优选增透增渗煤储层压裂改造技术。鉴于研究煤层构造煤相对发育,煤体相对碎软,可以采用沿煤层顶板水平钻进定向射孔分段压裂技术,解决低孔低渗、构造煤发育、碎软煤层成孔率低、煤体改造效率低、井壁坍塌及固井质量差等问题。该技术已在淮南潘一东煤矿及沁水盆地赵庄井田低孔低渗、构造煤发育、碎软煤层煤层气开发中初步探索应用,工程应用效果较好。也可采用空气欠平衡钻井,融合滑套式水力喷射分段压裂技术实现煤层气高效开发。

2) 煤层孔渗性对煤层气排采影响。

煤层孔隙度及渗透率对有效应力具有极强的敏感性,若煤层气排采管控制度不合理,极易造成煤储层井下工程事故、渗透率及产气量急剧降低等问题[28],因此,煤层气排采是煤层气开发核心环节之一。研究区目的煤体破坏相对严重,构造煤相对发育,煤体相对碎软,高强度排采容易造成煤粉大量产出堵塞渗流通道、埋泵卡泵,同时造成有效应力急剧变化,煤基质收缩/膨胀作用和滑脱效应等,煤层渗透率及产气量将会大幅降低。因此,煤层气排采要精细化管控,严格遵循“缓慢、连续、稳定、长期”原则,按照“一井一策”管理思路,制定科学、灵活、合理的生产制度,确保煤层气井高产高效。

3) 煤层孔渗性对煤层气井产量及采收率影响。

煤层气产出是“排水→降压→采气”过程,煤层气井通过举升设备排采地下水降低煤储层压力,促使煤内表面吸附态煤层气开始解吸,随着煤储层压力的持续下降和解吸气的不断解吸,在浓度差作用下煤层气在煤微孔裂隙中发生扩散,随着煤储层压力和水饱和度进一步降低,水的相对渗透率不断下降,而气的相对渗透率逐渐升高,煤层气便以达西流方式在煤大裂隙系统中渗流连续产出。煤层孔渗性影响着流体(煤层气、地下水)产出速度和效率,进而表现为产水量及压降漏斗扩展范围大小、产气量及采收率高低[28]. 赵庄井田3号煤层低孔隙度、低渗透率,在一定程度上影响了煤层气、地下水的高效产出,排水压降漏斗扩展范围有限,气井产气量和采收率难以实现高产稳产。为实现煤层增透增渗、高产稳产,往往采取科学有效的人工储层改造和精细化排采管控等措施。

3 结 论

1) 井田3号煤层破坏较为严重,构造煤相对发育,加之裂口多呈紧闭状态和被充填现象严重,降低了煤层渗透性,渗透率整体较低,煤层渗透性为中渗透性～非渗透性,并以低渗透性～非渗透性煤储层为主,严重制约了井上下煤层气抽采效果。

2) 受煤极强非均质性影响,煤层渗透率及孔隙度具有显著的各向异性。煤体对煤层渗透性影响最为显著,煤体破坏越严重,煤层有效孔隙度及渗透率越低,反之亦然。

3) 煤层孔渗性对煤层气生产实践具有重要影响,煤层气开发应基于煤层孔渗性特征按照“一井一策”思路,制定科学的工程方案及措施,提高煤层气开发成效。