高阶煤渗透率温度应力敏感性试验研究

陈术源,秦 勇,申 建,汪 岗,侯晓伟

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州 221008)

高阶煤渗透率温度应力敏感性试验研究

陈术源1,2,秦 勇1,2,申 建1,2,汪 岗1,2,侯晓伟1

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州 221008)

煤储层渗透率对温度和应力的敏感性响应,是深部煤储层物性评价的基础参数之一。以山西晋城无烟煤样为研究对象,利用高温覆压孔渗测定仪测定了煤样的孔隙率和渗透率,分析了其对温度和压力的敏感性。结果表明:高阶煤的孔隙率、渗透率与压力呈幂函数式负相关关系,在低压阶段随着压力升高迅速降低,在高压阶段趋于稳定。高阶煤渗透率对温度不敏感,当压力低于2 MPa时随着温度的升高而降低,压力高于2 MPa则与温度之间关系不显著。压力是影响高阶煤孔隙率和渗透率的主要因素,而温度对孔隙率和渗透率影响较小。基于曲率分析方法对成庄高阶煤渗透率应力敏感性进行了分析,并与郑庄高阶煤和韩城高阶煤对比显示,成庄矿高阶煤的应力敏感性在低应力位置较强。因此,成庄矿进行煤层气开发时,需制定合理的排采制度,避免渗透率应力敏感性导致的负产能效应。

高阶煤;孔隙率;渗透率;温度;应力敏感性

煤层渗透率是影响煤层气开发关键因素。煤层中的大孔裂隙及割理变化对渗透性的影响较大,地应力对孔裂隙的压缩性和煤层渗透率影响较大[1-2],并且还受地温、含水状况等影响,尤其是深部特有的较高温较高压条件对煤层渗透性影响更大,认为渗透率与有效应力、弹性模量、泊松比均呈负指数关系[3-5];温度对渗透性的影响主要体现在控制煤的力学性质,温度的变化会影响煤层的弹性模量和剪切模量及泊松比等[6-7]。

前人发现,随着温度的升高,煤层的弹性模量会平缓降低[8],在室温到300℃时,渗透率会随温度改变[9],温度对煤岩渗流能力的影响受控于煤阶而且极为复杂,但前人实验选取的温度及温度变化较大,未能详细体现100℃以下的力学参数变化对煤层渗透性的影响。高压条件下,煤层会受到挤压,孔裂隙缩小,导致渗透性降低,并且单轴压力对煤层渗透性的影响小于围压变化对煤层渗透性的影响,渗透率与地层应力呈幂函数关系[10-12]。有学者认为有效应力和热应力存在相对的关系,两者的差值影响渗透率变化,有效应力为主时,渗透率降低,反之则增加[13]。但是,前人实验中,有些未使用原煤,对渗透性应力敏感性试验会产生影响,并且实验时加载的压力过低,不能反映高应力条件下的煤层渗透性的变化。在实验室初始加压条件下,煤层的渗透性变化较大,当压力保持恒定时,随着温度的升高,渗透性降低,温度敏感性系数逐渐降低,即对渗透性影响程度降低;相同温度条件下,压力越高,温度敏感性系数越低,温度对渗透性的影响程度降低[14]。低应力阶段,渗透率随着应力的增加下降较快,并且应力增加时,下降速度会降低,当压力增加到一定值时,渗透率受应力影响较弱[15-16]。但是,实验的温度和应力过低,不能较好地反映煤层在较高温度和较高应力条件下的渗透性的变化。

前人针对温度和压力对煤层的渗透性的影响做了很多的研究,指出压力是影响煤层渗透性的主要因素,温度主要是通过影响煤层的岩石力学性质和膨胀收缩进而影响煤层的渗透性,但是,前人未针对高阶煤渗透率做较详细的温度和压力敏感性研究,因此,笔者针对山西成庄无烟煤,选取对实验研究较详细的温度点和压力点进行实验,对比同一地区郑庄和鄂尔多斯东部的韩城渗透率应力敏感性,可以更加清晰地了解成庄深部高阶煤应力敏感性,为成庄深部高阶煤的煤层气开发提供依据。

1 煤样及实验方法

山西省沁水盆地是我国目前最大的煤层气地面开发基地,以高阶煤储层为主。本文大块煤样采自盆地南缘晋城矿区成庄煤矿井下的下二叠统山西组3号煤层,镜质组油浸最大反射率为2.87%,干燥无灰基挥发分产率为6.34%,属于典型的无烟煤(表1)。

表1 煤样煤质分析结果Table 1 Coal quality analysis results %

根据压汞实验,成庄煤样孔隙率为5.35%,以过渡孔和微孔为主,两者孔比表面积比占到总孔比表面积的96%、孔容占总孔容的94%。煤样退汞效率达86.281 6%,反映孔喉数量较少,孔隙连通性较好(表2)。

表2 煤样压汞实验结果Table 2 Experiments results of mercury injection

尺度小的煤样在围压加载条件下,渗透率变化比尺度大的煤样更为敏感[17],因此在同一大块煤样上钻取4份圆柱状煤芯,柱状样直径为 25 mm,高50 mm。利用中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室高温覆压孔渗透测定仪,在加温覆压条件进行煤芯孔隙率和渗透率测试。该实验装置主要用于模拟覆压、加温及流体压力下煤岩孔隙率和渗透率变化特征,可施加温度为室温至150℃,围压为0～70 MPa,压力控制精度为±0.002 5 MPa。

模拟实验参数设计为:30,50,70和90℃四个温度点,每个温度点上测试2,3.5,5.5,8,11,15,19, 23,27,31,35,40 MPa共12个压力点。

接通高温覆压孔渗透测定仪电源,将气瓶压力调至1.2 MPa,空压机压力调至0.6 MPa,然后按如下步骤进行。

(1)对仪器进行零点校正并检测各电磁阀,选取标准块1和3进行校正;

(2)对煤样进行长度和直径的测量,然后放入直径为25 mm的样品夹持器中,关闭夹持器门和隔温门;

(3)调节实验温度,然后在程序界面输入煤样的长度、直径、温度和压力,待温度稳定后,开始实验;

(4)固定压力为2 MPa,分别在30,50,70和90℃同时测试孔隙率和渗透率;

(5)当第1个压力点在4个温度条件下完成测试之后,分别改变压力点至3.5,5.5,8,11,15,19, 23,27,31,35,40 MPa,重复步骤(3)～(5),直至一个柱状样实验完全结束。

(6)整理仪器自动记录的数据,得到煤样在加温覆压下的动态孔隙率和渗透率(表3)。

表3 高温覆压渗透率实验结果Table 3 Permeability experiment results under high temperature and high pressure

2 结果及讨论

2.1 覆压加温条件下孔隙率变化

在不同温度条件下,孔隙率随压力的变化趋势基本一致,均符合幂函数曲线(图1)。当加载压力低于20 MPa时,温度影响较明显,压力增大,孔隙率由5.35%降到2.10%,孔隙率衰减率为0.17%/MPa;同等压力条件下,孔隙率随温度的升高而略有降低,最大差值小于1.8%。当压力高于20 MPa时,温度基本上对孔隙率没有影响;孔隙率随加载压力的增大而缓慢降低,至压力40 MPa时由2.1%降到2.0%,衰减率为0.005%/MPa,降低趋势基本无变化。

进一步引入孔隙率变化率(相邻两个压力点孔隙率之差与前一个压力点孔隙率之百分比)来表征孔隙率变化的速度。压力增大,各温度下孔隙率变化率逐渐减小;当压力低于5 MPa时,孔隙率变化率降低较快;当压力高于10 MPa时,孔隙率变化率降低趋势变平缓,逐渐趋于稳定(图2(a))。

图1 煤样孔隙率与压力和温度的关系Fig.1 The relationship between porosity and pressure,temperature

图2 煤样孔隙率变化率与压力和温度的关系Fig.2 The relationship between porosity rate of change and pressure,temperature

温度对孔隙率的影响较小。在30～90℃,压力低于2 MPa时,孔隙率随温度的升高而降低,孔隙率变化率为0.17%/10℃;压力高于3.5 MPa时,孔隙率几乎不随温度的变化而变化,说明孔隙率对温度不敏感(图1(b))。

进一步分析,随着压力的升高,压力对孔隙率影响变小,而温度的影响趋于减弱至恒定。当压力低于2 MPa时,孔隙率变化率随温度的升高变化相对较快,以70℃为界限,平缓变化后快速减小;当压力高于2 MPa时,温度升高,孔隙率变化率变化较小,说明孔隙率变化率受温度影响较小(图2(b))。

2.2 覆压加温条件下渗透率变化

随着加载压力增大,煤样渗透率逐渐降低,呈幂函数形式衰减,趋势基本一致(图3)。当压力低于10 MPa时,压力增加,渗透率衰减较快,渗透率变化率为1×10-17m2/MPa;当压力高于10 MPa时,渗透率随压力的增高而缓慢降低,衰减量小。在上述第1阶段,温度对渗透率的影响较明显,同等压力条件下,渗透率随温度的升高而明显降低,温度影响随压力增大而逐渐减弱。在第2阶段,温度对渗透率几乎没有无影响。

引入渗透率变化率(相邻两个压力点渗透率之差与前一个压力点渗透率的百分比)的概念来表征渗透率变化的速率。加载压力增大,煤样渗透率变化率逐渐降低,直至趋近于0(图4(a))。压力低于5.5 MPa时,渗透率对压力变化较敏感,变化较大,衰减率由-50%降低为-10%;在5.5～8.0 MPa压力区间,渗透率变化较缓,衰减率由-10%降为-5%;当压力高于8 MPa时,渗透率趋于稳定。同时,相同压力条件下,温度对于渗透率变化率的影响很小。

当加载压力低于2 MPa时,渗透率对温度较敏感,随温度的升高逐渐降低,以70℃为界限,渗透率变化率先升高后降低;压力高于2 MPa时,渗透率变化率基本为零,显示渗透率与温度相关关系不明显(图4(b))。

2.3 温压条件下煤样渗透率适用的模型

选取汪志明等[18-19]的渗透率模型,因为高阶煤渗透率对温度不敏感,因此可以忽略温度项,可得到

其中,K0为初始渗透率,μm2;μ为泊松比;Cf为裂隙压缩系数,MPa-1;P为上覆压力,MPa。

图4 煤样渗透率变化率与压力和温度的关系Fig.4 The relationship between permeability rate of change and pressure,temperature

将30,50,70,90℃条件下煤样渗透率实验数据代入式(1),得到成庄高阶煤渗透率与前人模型模拟一致(图5)。

图5 不同温度条件下煤样渗透率对比Fig.5 The permeability comparison under different temperature

2.4 煤样应力敏感性对比分析

为了进一步分析成庄高阶煤的应力敏感性,对比晋城成庄矿与同地区的郑庄矿[11]以及鄂尔多斯东部的韩城高阶煤[20],可以看出,渗透率均随应力的增加呈幂函数形式降低,但其变化的速率和幅度存在差异,因此,根据渗透率无因次量与压力的关系,引入曲率,以进一步分析渗透率的变化率对压力的敏感程度。渗透率-压力曲线的曲率KL为

其中,KL表示渗透率无因次量曲率;k′和k″表示渗透率无因次量的一阶导数和二阶导数。针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率,表明曲线偏离直线的程度。数学上表明曲线在某一点的弯曲程度的数值。曲率越大,表示曲线的弯曲程度越大。当曲率值趋于恒定时,表示压力对渗透率无影响。建立渗透率曲率,可以更清晰地表征渗透率随压力增加而降低的速率,即敏感性的强弱,曲率越大,敏感性越强。

由图6和图7可知:

(1)3个地区中,高阶煤均随应力的增加而呈幂函数降低,但降低的速率不一致。成庄高阶煤下降的最慢,郑庄下降的最快;但是在应力低于一定的值时, 3个地区的下降速率接近一致。

图6 不同地区渗透率-压力曲线对比Fig.6 The comparison of permeability and pressure in different districts

图7 不同地区渗透率曲率对比Fig.7 The gradient curves of permeability comparison in different districts

(2)3个地区的高阶煤渗透率曲率曲线均为4个阶段:快速上升、快速下降、缓慢降低和平稳恒定。在低应力阶段,当施加压力时,煤中大孔、中孔和裂隙易被压缩,渗透率快速降低,即为曲率快速上升段;而后随着压力的增加,煤孔裂隙压缩速率迅速降低,曲率呈快速下降,即应力敏感性效应降低;当压力继续增加时,大部分的孔裂隙已经被压缩完毕,渗透率降低趋势变缓,即曲率曲线缓慢降低阶段;当压力大于某一值时,绝大部分孔裂隙已经压缩至极小,渗透率变化较小,渗透率曲率曲线平缓,即为平稳恒定阶段。

(3)应力敏感范围相同。图6中3个地区的高阶煤在压力由0～8 MPa时受应力影响较明显,当应力大于8 MPa时,受应力影响不显著。这说明高阶煤的应力敏感范围相近。

(4)应力敏感程度不同。由图7可知,成庄高阶煤与郑庄高阶煤相比:成庄高阶煤渗透率曲率最大值大于郑庄高阶煤,并且达到曲率最大值时的应力小于郑庄高阶煤,当应力小于2 MPa时,相同压力条件下,成庄高阶煤曲率大于郑庄,此阶段成庄高阶煤应力敏感性较强,当应力大于2 MPa时,相同压力条件下,郑庄高阶煤曲率值大于成庄,此阶段郑庄高阶煤应力敏感性较强,当应力为8 MPa时,应力敏感性趋于一致。成庄高阶煤和韩城高阶煤对比:成庄高阶煤的渗透率曲率最大值高于韩城高阶煤,说明成庄高阶煤渗透率受应力影响程度较大,当应力小于1.8 MPa左右时,相同应力条件下,成庄高阶煤曲率值大于韩城高阶煤,成庄高阶煤应力敏感性较强,当应力大于1.8 MPa时,相同应力条件下,韩城高阶煤曲率值大于成庄高阶煤,此阶段韩城高阶煤应力敏感性强于成庄高阶煤,当应力大于8 MPa时,趋于一致。

总之,在低应力阶段成庄高阶煤应力敏感性最强,当大于一定应力值时,成庄高阶煤应力敏感性较弱,并随着应力的增大,高阶煤应力敏感性差异减小直至趋于一致,曲率值降低接近于零。因此,借鉴韩城和郑庄高阶煤煤层气开发。在成庄区块进行高阶煤煤层气排采时,要严格的控制压力的变化,避免煤层因应力敏感性造成煤层渗透率损伤,影响煤层气的产气速率和产气量。

3 结 论

(1)高阶煤的孔隙率、渗透率与压力呈幂函数式负相关关系,它们在低压阶段随着压力升高迅速降低,在高压段趋于稳定。高阶煤渗透率对温度不敏感,当压力低于2 MPa随着温度的升高而降低,当压力高于2 MPa时与温度相关关系不显著。因此,压力是影响高阶煤孔隙率和渗透率的主要因素,温度对孔隙率和渗透率影响较小。

(2)高阶煤渗透率曲率曲线均为4个阶段:快速上升、快速下降、缓慢降低和平稳恒定。当施加压力时,煤中大孔、中孔和裂隙易被压缩,渗透率快速降低;而后随着压力的增加,煤孔裂隙压缩速率迅速降低,曲率呈快速下降,即应力敏感效应降低;当压力继续增加时,大部分的孔裂隙已经被压缩完毕,渗透率降低趋势变缓;当压力大于某一值时,绝大部分孔裂隙已经压缩至极小,渗透率变化较小,渗透率曲率曲线平缓。

(3)成庄高阶煤渗透率应力敏感性显著,低应力阶段更为敏感。在成庄区块进行高阶煤煤层气排采时,要严格的控制压力的变化,避免煤层因应力敏感性造成煤层渗透率损伤,影响煤层气的产气速率和产气量。

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Temperature-stress sensitivity of high-rank coal permeability

CHEN Shu-yuan1,2,QIN Yong1,2,SHEN Jian1,2,WANG Gang1,2,HOU Xiao-wei1

(1.School of Resources and Earth Science,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Education Ministry’s Key Laboratory of CBM Resources&Reservoring Process,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

Sensitivity of the coal reservoir permeability to temperature and stress is one of the basic parameters for evaluating the physical properties of deep coal reservoir.Using the heating and overburden pressure permeability-porosity tester,the permeability and porosity of the anthracite samples from the Chengzhuang,Jincheng,Shanxi,were measured.Combining with the pore structure and other data,the sensitivity of high rank coal to temperature and pressure was discussed.It is show that the porosity and permeability of high-rank coal is negatively correlated to the pressure in a power function,reduce rapidly as the pressure rises when pressure is lower,and tend to be stable in higher pressure phase.High-rank coal permeability is not sensitive to temperature,decreases with the increase of temperature when the pressure is less than 2 MPa,and has not significant correlation with temperature once the pressure is higher than 2 MPa.Therefore,the pressure is a major effect factor to the porosity and permeability of high-rank coal,and the temperature has less influence on the porosity and permeability.Based on curvature analysis method,stress sentivity of permeability of high rank coal of Chengzhuang Mine pressure sensitivity was analyzed.Compared with Zhengzhuang and Hancheng high rank coal,Chengzhuang coal has stronger stress sensitivity in low pressure stage.Therefore,resonable pumpingsysten of coalbed methane development in Chengzhuang Mine should be made to avoid negative effect due to stress sensitivity of permeability.

high rank coal;porosity;permeability;temperature;pressure sensitivity

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1845-07

2013-10-14 责任编辑:许书阁

国家科技重大专项资助项目(2011ZX05033-03,2011ZX05034);中央高校自主科研业务费创新人才科研基金资助项目(2011RC16)

陈术源(1991—),男,山东东平人,博士研究生。E-mail:15262014212@163.com。通讯作者:秦 勇(1957—),男,教授,博士。E-mail:yongqin@cumt.edu.cn

陈术源,秦 勇,申 建,等.高阶煤渗透率温度应力敏感性试验研究[J].煤炭学报,2014,39(9):1845-1851.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1454

Chen Shuyuan,Qin Yong,Shen Jian,et al.Temperature-stress sensitivity of high-rank coal permeability[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(9):1845-1851.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1454