煤层气储层渗透性影响因素分析

彭春洋 陈 健 原晓珠 湛祥惠

(长江大学石油工程学院,湖北 434023)

目前,中国多数煤层气单井产量不高,衰减快,除了渗透率低这个客观因素外,一个很重要的原因就是对煤储层渗透率变化特征认识不全面,国内有关此类报道较少,因此加强煤层气储层的渗透性及其开发过程中动态变化特征的研究势在必行。笔者在总结前人研究的基础上,系统全面分析了煤层气储层的渗透性的相关影响因素及其变化规律。

1 裂隙系统发育

对于煤层气而言,煤是一种双重孔隙的储层。B.E.Law认为煤中割理系统由天然裂隙构成,形成了由近于正交的面割理和端割理组成的裂隙系统,它既含有煤基质微孔隙系统,又含有裂隙网络系统。微孔隙系统是煤层气的储集空间,裂隙网络系统则被水饱和。当储层压力降低时,煤储层中的气体从煤基质微孔隙表面解吸、扩散出来,并以渗透流动的方式通过裂隙网络系统流入井眼,从而形成具有工业开采潜势的煤层气气流。可见,煤层气的主要运移通道是煤层裂隙网络系统,煤层的渗透性主要取决于裂隙系统的发育程度。

前人的研究结果表明,煤层渗透率主要与裂隙的延伸方向、裂隙的宽度、密度、裂隙的连通性有关。Levine J R在实验研究中发现煤层的水平渗透率与割理壁距三次方和割理间距的倒数成正比。

式中 K——有效渗透率,×10-3μm2;

W ——割理壁距,μm;

S——割理间距,mm;

C——割理粗糙系数。

傅雪海等在对沁水盆地各煤样的研究中发现煤样渗透率随裂隙面密度的增加呈指数形式增大。

式中 K——裂隙面密度模拟渗透率,×10-3μm2;

Sf——裂隙面密度,条/m2;

C1、C2——拟合系数。

煤层天然裂隙系统在某种程度上是渗透率的重要影响因素,一旦天然裂隙发育好,煤层渗透率就好,其它因素如煤岩类型、煤质、煤级等均为次要作用。

总体来讲,裂隙延伸方向、裂隙宽度、密度、裂隙的发育程度是影响煤储层高渗区分布的关键特征。裂隙延伸方向上渗透率较高,裂隙宽度越大、密度越大、连通性越好,渗透率越高,越利于流体的渗流,这对煤层气可采性评价有极其重要的指导意义。

2 煤岩组分类型

煤是一种不均一的固体有机岩石,含有微观可识别的各种有机显微成分。在显微镜下,煤岩的显微组分主要包括镜质组、惰质组和壳质组三类。

J.C.Close认为割理常产生于镜质组分层中,终结于镜质组分层及煤与非煤岩石的交界处。镜质组 (尤其是均质镜质体)致密、均匀、块体大,有利于割理顺利延伸和发展;惰质组是多孔状的、纤维状的,有释放应力、减弱割理和阻挡割理的作用,对割理发育不利;壳质组的机械强度大于镜质组和惰质组,其形变过程类似于镜质组,多数煤层含壳质组很少,故壳质组对煤层割理发育影响不大。

宏观煤岩成分主要是指用肉眼可以分辨出来的煤的基本组成部分,包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭4种。根据镜煤和亮煤在煤层中的含量而反映出来的总体相对光泽强度,煤岩可由强到弱划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤4种类型。一般在富含镜煤和亮煤的光亮煤中镜质组含量较高,在暗煤和丝炭含量高的暗淡煤中惰质组含量高。

Macrea等于通过对英国约克郡地区煤层中割理间距的研究指出：暗淡型条带状煤中的割理间距宽于光亮型条带状煤。张胜利等研究表明,光亮煤中割理比较发育,暗淡煤中也可见割理,但其割理密度远小于光亮煤。毕建军等也发现,割理一般发育在光亮煤分层中,极少延伸到暗淡煤分层中。因此,从显微组分的组成上讲,镜质组含量越高,割理越发育,渗透性越好。从煤岩类型看,光亮煤的渗透性为最好,其次为半亮煤、半暗煤、暗淡煤。

3 煤变质程度

煤变质作用指由褐煤转变为烟煤、无烟煤、超无烟煤的物理化学作用。煤变质的范围是从褐煤到石墨的演变。煤的变质是温度、压力和时间长期作用的结果,其中温度是煤变质的主导因素,在煤的埋藏过程中,温度加速化学煤化作用,而压力可以促进物理结构煤化作用,时间无疑是煤变质的因素之一。煤变质作用是促使煤中显微裂隙和内生裂隙发育的重要外部因素,煤变质作用可使煤中孔隙产生次生变化,也可经过煤层中孔隙、裂隙的发育改变煤的机械力学性质,进而对其渗透性产生影响。一般低变质和高变质程度的煤割理欠发育,渗透性差;中变质程度的煤割理发育,渗透性好。

Ammosov等在研究割理密度与煤级之间的关系时发现,割理密度从褐煤向烟煤 (肥煤、焦煤)方向增大,而从烟煤向无烟煤方向减小,呈正态分布,即低变质和高变质程度的煤割理欠发育,中变质程度的煤割理发育。但Law在对阿伯拉契亚盆地群和落矶山盆地群的研究中发现,从褐煤到无烟煤阶段割理间距与镜质体反射率的倒数呈指数关系,即从褐煤到烟煤阶段,割理密度迅速增大,从烟煤至无烟煤阶段基本不变。这与Ammosov提出的呈正态分布的理论有所不同。Law认为是构造形变背景的差异所致。

另外,硬度和脆度同属抵抗外来机械作用存在的性质。对于同一煤层来讲,随着地层的埋深、温度的升高,煤储层从低变质煤向中变质煤演化,脆度逐渐增强,容易生成裂缝;随着煤层进一步被埋深,中变质煤逐渐向高变质煤演化,硬度逐渐增大,脆度逐渐降低,不容易形成裂缝。随着上覆地层的压实作用、充填与胶合作用,割理会发生闭合。

虽然不同变质程度煤的割理对渗透率有不同程度的贡献,但煤的渗透性更受到其它多种因素的控制,只有当煤变质程度占主导地位时,煤的渗透性变化及煤层渗透率测试才会明显反映出煤变质程度的影响。

4 有效应力

描述多孔介质应力关系的方程是Terzaghi有效应力,原理可表述为：

式中 p——多孔介质孔隙流体压力 (内应力);

σ——总应力 (或外应力);

σT——有效应力。

煤岩本身不同于常规储集岩,其塑性强,应力敏感性较大,有效应力对其渗透率影响较大。Somerton的实验研究发现的有效应力 (σ)与渗透率 (kf)存在如下关系：

Enever等通过对澳大利亚煤层渗透率与有效应力的相关研究发现,煤层渗透率变化值与地应力的变化呈指数关系,如下式

式中 K/K0——给定应力条件下的渗透率与初始渗透率的比值;

C——煤的孔隙压缩系数;

Δ σ——从初始到某一应力状态下的有效应力变化量。

上式表明,有效应力越高,渗透率越低。这主要是由于地应力增大,煤被压缩,其中孔隙变得更小,裂隙更为紧闭的结果。随着流体压力降低,有效应力增大,煤岩在外压的作用下,割理有闭合的趋势,从而导致孔隙度降低,渗透率也随之降低。

Mckee等通过对美国皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤层渗透率与埋藏深度关系的研究发现,随着煤层埋藏深度和有效应力增加,煤层割理缝的宽度减小,渗透率呈指数降低。

Harpalani和Mc Pherson研究了应力对美国中西部煤的气体渗透率的影响,测定在静压力和三轴应力方式下煤样棒对氮的渗透率。对给定煤样进行重复试验表明,当静应力变化7MPa时,渗透率变化了3个数量级,渗透率随应力呈指数下降。

一般而言,煤层的渗透率随着深度增加而显著降低。这是因为随着深度加大,上覆岩层压力增大,有效应力亦随之加大,引起渗透率降低。据Harpalani的实验室研究结果证明,在高压阶段,有效应力的影响起主导作用,随着压力的下降,在有效应力的作用下,煤储层裂隙闭合,使煤层气储层的渗透率下降。

鉴于此,笔者建议,在室内做煤样实验时,要注意有效应力的控制,使加在煤样上的有效应力保持不变,以消除有效应力对裂隙压缩的影响。有效应力：

式中 σe——有效应力,MPa;

PC——围压 ,Mpa;

α——有效应力系数或boit系数;

Pav——平均压力,即进口压力与出口压力的平均值。

随着压力的变化,时刻调整围压使有效应力保持恒定。

5 煤基质收缩

基质收缩效应是指当储层压力低于临界解吸压力后,吸附的煤层气发生解吸导致煤基质收缩,储层物性改善的效应。Gray认为,由于煤层气解吸时,煤基质会收缩使得裂隙扩张,从而导致煤层渗透率的增大;Harpalani等通过室内试验发现,气体压力减小时,煤层气解吸,煤基质体积减小,且煤基质体应变与解吸的气体量呈线性关系。Harpalani和Chen通过室内试验研究了与解吸有关的煤岩体基质体积变化后得出,解吸引起的煤基质收缩变化远大于基质的压缩率;Mavor等利用美国San Juan盆地的现场实测数据验证了“基质收缩理论”的正确性。

煤层气开发过程中,随着气、水介质的排出,煤基质发生收缩,由于煤基质在侧向上受围压限制,因此煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变,只能沿裂隙发生局部侧向应变,造成裂缝宽度增加,渗透率增高。煤储层渗透率增加的倍数与煤储层绝对渗透率关系密切。绝对渗透率愈大,煤基质收缩效应愈明显,收缩效应引起的渗透率增量随流体压力的减少而增大。

Schwerer等人得到如下煤储层孔隙度和渗透率关系式：

式中 Cf——孔隙压缩系数,单位MPa-;

P0——初始压力 ,Mpa;

Kf、Kf0——裂隙系统的绝对渗透率和初始时刻裂隙系统的绝对渗透率,10-3μm2。

由于煤体自身的性质不同,其基质收缩率也不尽相同,有些几乎没有收缩,而有的收缩率却相当高。关于煤体因解吸或吸附引起基质收缩应变的实验数据极少,这是由于实验的难度和涉足的研究较少所致。

6 克林伯格效应

我国煤层普遍属于低渗透储层,一般在1.0×10-3μm2左右,气体滑脱效应十分显著。K linkenberg早在1941年通过实验观察提出了气体分子滑脱现象;随后Rushing等通过实验研究了致密砂岩气藏气水两相流动时滑脱效应对有效渗透率和相对渗透率的影响;为了研究储层条件下气体滑脱效应的影响,Ertekin等建立了致密气藏混合动力学模型;随后,Spencer等在上述研究基础上,通过研制的煤储层三维、非平衡吸附非稳态条件下气—水两相流动数值模拟器,分析了滑脱效应在应力敏感性煤层中的影响;Hu Guozhong等进一步给出了多物理场条件下考虑克林伯格效应的煤层气单相渗流模型的解析解;Yushu Wu建立了受滑脱效应影响的天然气运移理论模型;周世宁建立了煤层瓦斯赋存和流动理论。上述研究为滑脱效应影响的低渗储层煤层气运移采出规律研究奠定了基础。

K linkenberg给出的滑脱效应情况下渗透率表达式为：

式中 kg——平均压力 Pm下气体渗透率;

kg∞——气体克氏渗透率;

c——比例因子;

λ——气体分子平均自由程;

r——孔隙的平均半径。

根据K lin Kenberg试验,气体分子平均自由度与平均压力 Pm成反比,则上式可变为：

式中：Pm= (Pi+P0),Pi和P0分别为进口和出口压力;b为滑脱因子,其定义为：

当 b=0时,就是达西流。

由K lin Kenberg效应所引起的渗透率增量为：

在煤层气排采过程中,随着吸附气不断解吸,煤基质收缩,裂隙宽度变大,从而导致裂隙渗透率增加。王勇杰进一步研究发现,渗透率越小,滑脱因子越大,滑脱现象愈显著,渗透率增量愈大。

7 主要认识

(1)以上六种因素对煤储层渗透率的影响程度,因煤自身的性质不同而不同。对低收缩率或不收缩的煤层,主要受有效应力影响,随有效应力增加渗透率下降;而高收缩率煤储层,基质收缩占主导地位,随着气体解吸量的增加收缩量也相应的增加,裂隙的孔隙度和渗透率也就增加。

(2)在煤层气开发过程中,煤储层物性受多方面因素的影响,是动态变化的。在煤层气开发初期单相流阶段,随着煤层水的排出,有效应力效应导致煤储层裂隙宽度变窄,渗透率降低;当储层压力降到临界解析压力之下,煤层气开始解吸,煤基质收缩效应逐渐加强,使得裂隙变宽,渗透率出现反弹;在开发后期,储层压力已降至较低水平,低压条件下气体克林肯伯格效应更加明显,有利于改善煤储层渗透率。

(3)煤层气开发过程中,煤层气储层压力降低,煤层气解吸,煤基质收缩,进而导致煤层渗透率增加,这是对煤层气生产有利的因素;同时,煤储层压力下降,有效应力将增大,煤层渗透率将随之减小,这是对煤层气生产不利的因素。煤层渗透性在煤层气排放抽采过程中不断发生的变化,是煤基质收缩和有效应力两种因素综合作用的结果。

(4)煤层气储层自身的特点和煤层气开采过程中外界条件的改变都会影响其渗透性,并且各因素间存在相互影响,在进行渗透性的预测时应综合考虑;应根据我国含煤盆地的实际的地质背景,对影响煤层渗透率的主要因素及变化规律、地质构造运动的影响等基础理论进行更深入地研究、探索。

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