沁水盆地高阶煤应力敏感性渗透率变化特征研究
2017-12-07高彩霞苏雪峰刘俊英张雅兰赖海文
高彩霞 苏雪峰 刘俊英 余 丽 张雅兰 赖海文
(河北省任丘市华北油田勘探开发研究院,河北 062552)
沁水盆地高阶煤应力敏感性渗透率变化特征研究
高彩霞 苏雪峰 刘俊英 余 丽 张雅兰 赖海文
(河北省任丘市华北油田勘探开发研究院,河北 062552)
对应力敏感性实验卸载后的寺河煤矿高阶煤进行105℃加热12h消除内应力之后,重复进行应力敏感性实验。结果发现:原始渗透率小于1mD的煤样,内应力消除后,渗透率得以恢复,应力敏感性曲线与初次测试基本重合;原始渗透率大于1mD的煤样,反复压实至渗透率接近1mD时,渗透率恢复度同样达到90%。表明该区煤样在很大应力范围内(8MPa)发生的应力形变为弹性形变,而非以往认为的弹塑性形变。
应力敏感性 渗透率 加热 恢复 内应力
煤体渗透率是反映煤层内瓦斯流动难易程度的重要物性参数,也是瓦斯渗流力学基本理论的重要参数,始终是渗流力学界关注的热点之一。应力是影响瓦斯渗透率的重要因素之一。国外学者对此进行了大量的研究。国内谷达圣以型煤为研究对象,研究了有效应力和不同气体对煤的渗透性影响。魏建平通过反复加-卸载围压,研究了不同含水量煤岩渗流特征变化。陈振宏对高阶煤岩的应力敏感性进行了研究。研究结果基本一致:煤岩表现出强应力敏感性的特征,且具有较强的塑性特征,使得应力卸载后煤岩渗透率恢复程度很低,甚至不到50%。本文采取沁水盆地寺河煤矿样品,重新进行应力敏感性实验,并对卸载后样品进行内应力消除,得到与前人不同的认识。
1 实验过程
取寺河煤矿煤岩进行钻柱(样品信息如表1所示)。对同一煤柱首先按照石油行业标准《储层敏感性流动实验评价方法》SY/T 5358—2010(流体为氦气,温度为30℃)进行应力敏感性实验,实验结束后卸载样品进行105℃加热12小时内应力消除,之后以相同方法进行应力敏感性重复实验,重复测试若干次。
表1 实验样品信息
常规标准测试的应力敏感性结果(表2和图1)反应出:围压增大,所有样品渗透率呈幂指数下降,应力敏感性特征为极强。在围压9MPa,应力8.4MPa(围压-流压)时,渗透率损失率皆在90%以上,最高达99.45%。应力卸载曲线严重滞后于应力加载曲线,围压卸载后,渗透率极难恢复至初始值,恢复率最低12.15%,最高60.80%。直观的看,煤岩发生了弹塑性形变,塑性部分不可恢复。本实验中,渗透率回复程度与初始渗透率密切相关,呈幂指数负相关关系(图2)。
图1 原样应力敏感性曲线
图2 原样渗透率恢复程度与初始渗透率的关系
表2 应力敏感性实验结果
3 内应力消除后应力敏感性实验结果
消除内应力的应力敏感性实验结果如表3。从测试结果看,分为两种类型,渗透率小于1mD和渗透率大于1mD。对于渗透率小于1mD的样品,内应力消除后,渗透率基本上恢复到初值,恢复程度在90%以上,最高达100%(表3)。内应力消除后的应力敏感性曲线与其初始应力敏感性曲线基本上重合(图3),说明煤岩在加热消除内应力过程中,被压缩的裂隙逐渐弹性的扩张回原状,煤岩对应力加、卸载的形变为弹性。以往应力敏感性实验,应力卸载后渗透率恢复程度低,是煤岩在应力加载过程中产生内应力所致。渗透率小于1mD的煤样,煤基质裂隙主要由煤岩内生裂隙割理和微裂隙构成,支撑力强,弹性能力强。
图3 卸载加热后样品应力敏感性曲线对比(原始渗透率小于1mD)
对于渗透率大于1mD的样品 (图4, 表3), 随着试验次数增加,渗透率下降趋于平缓,当渗透率接近1mD时,内应力消除后,渗透率得以恢复。大于1mD的煤,煤裂隙不仅包含内生裂隙割理和微裂隙,还包含由构造或者其它因素引起的外生大裂隙。这部分裂隙支撑力差,在应力加载中,发生不可逆的损伤,导致渗透率不可逆下降,当这些裂隙压实变为微裂隙后, 支撑力增强, 应力形变转为弹性形变。 实际中, 煤岩外生裂隙远少于内生裂隙。
图4 原始渗透率大于1mD的样品卸载加热后的应力敏感性曲线对比
本实验样品承载净应力约为8MPa,目前沁水盆地煤岩开采深度多为600~800m,净应力为 6~8MPa。煤岩从井下取到地面,伴随应力释放而发生形变,该应力形变是否为弹性关系到实验室模拟实验是否具有现场指导意义。就本实验结果而言,就目前沁水盆地开采深度,煤层气关键运移通道内生裂隙的应力形变为弹性形变,取心样品及矿场样品在很大程度上能够代替地层样品进行相关模拟实验,相关认识能够有效指导现场实践。
表3 应力敏感性实验中样品卸载加热后渗透率恢复程度
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(责任编辑 王一然)
Study on Characteristics of Stress Sensitivity and Permeability Variations of High-rank Coal in Qinshui Basin
GAO Caixia,SU Xuefeng,LIU Junying,YU Li,ZHANG Yalan,LAI Haiwen
(Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company,Hebei 062552)
After sensitivity experiment,the sample from Sihe Coal Mine of Qinshui Basin is heated in 105℃ for 12 hours for releasing the internal stress and the sensitivity experiment is tested again. After releasing the internal stress,the permeability of the sample whose initial permeability is smaller than 1mD recovers to the initial value,and the stress sensitivity curves are accord with initial test. When the coal sample with the initial permeability of over 1mD is compressed for several times and its permeability is approximate to 1mD,after the heating test,its permeability could be recovered to 90% of the initial value. The result indicates that the stress deformation of the coal in Qinshui Basin under a large range of stress(8MPa)is not elastic-plastic deformation,but belongs to elastic deformation.
Stress sensitivity; permeability; heat; recovery; internal stress
高彩霞,工程师,从事煤层气开发实验研究工作。