煤岩储层应力敏感性及其对气井开发的影响

周来诚

（中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西晋城 048000）

在油气田开发过程中，随着孔隙压力不断下降，储层有效应力不断增加，导致地应力分布不均、岩石被压缩，引起孔隙度、渗透率等储层物性参数降低，即发生应力敏感效应[1，2]。煤岩储层属于低孔低渗储层，比常规储层更容易产生应力敏感损害。

近年来，国内外学者对煤岩储层应力敏感性进行了大量的研究。Clarkson（2007）等指出煤岩储层比其他储层更易受到渗透率敏感性损害[3]。Harpalani等（1984）进行了煤的常规渗透率实验[4]。Somerton等（1975）研究了有效应力对煤岩渗透率的影响[5]。Yu等（2012）研究了应力敏感性对煤层气井产能的影响[6]。Ostensen（1983）研究表明低渗气藏的应力敏感性可致使气井的实际产能减少多达30%，同时指出，应用不考虑应力敏感的常规产能模型来分析应力敏感性气藏的稳定试井资料时，会产生较大偏差[7]。国内关于应力敏感的研究也比较多，李相臣等（2009）研究了应力敏感对煤样裂缝宽度及渗透率的影响[8]。陈振宏等（2008）则通过实验研究了干煤样和湿煤样的应力敏感性[9]。邓江明等（2007）研究了低渗气藏应力敏感性对合理产能的影响[10]。郭肖等（2007）研究了应力敏感效应对低渗透气藏水平井产能的影响[11]。郑维师等研究结果表明井底压力下降10 MPa，产量下降可达30%左右[12]。

目前，国内外多以低有效应力为基准点对煤岩储层应力敏感性进行研究，其结构性质的变化并不能真实反映原地应力条件。实际上，岩心被取到地面后，应力得到了释放，只有在接近原地应力条件下测试时才能更真实地反映应力改变对煤岩结构性质的影响。为此，以原地有效应力为基准点，找出了有效应力与无因次渗透率之间的关系，并理论计算了基于原地有效应力的渗透率应力敏感性对煤层气井开发的影响。

1 应力敏感性特征研究

实验选取3块天然柱状煤样进行应力敏感性测试，取样深度1 000 m左右，样品孔隙度和渗透率值（见表1），测试时有效应力上限取25MPa，下限取3MPa。

表1 煤样孔渗参数

根据渗透率敏感性评价方法[13]，将不同有效应力下的渗透率无因次化，以3 MPa有效应力为起始点的无因次渗透率与有效应力关系曲线（见图1），K为不同有效应力下的渗透率，K3为有效应力为3 MPa时的渗透率。

图1 无因次渗透率与有效应力关系曲线（起始点为3 MPa）

结果显示，有效应力低于16 MPa时，煤样渗透率随有效应力的增加大幅降低，储层应力敏感性较强；有效应力超过16 MPa后，渗透率递减趋缓。有效应力达到25 MPa时，渗透率最小可降低到初始渗透率的3%，渗透率损害严重。主要原因是：相比于原地煤岩储层应力条件，实验用煤样处于完全的应力释放状态，上覆岩层压力和孔隙压力的缺失致使煤样释放骨架应力，应力状态和大小的变化致使煤样的孔隙结构发生变化，进而造成部分小喉道和微裂隙增大或开启。以较低有效应力为起点进行应力敏感性评价时，随着有效应力的增加，煤样逐渐恢复到原地煤岩储层应力条件，应力恢复过程中渗透率的变化并不能真实体现煤岩储层渗透率应力敏感程度。

为了真实反映煤岩储层应力敏感性，以原地有效应力为起点评价煤岩储层应力敏感程度。煤样储层埋深约1 000 m，储层压力梯度约0.95 MPa/100m，原地有效应力16 MPa左右，以16 MPa的原地有效应力为起始点的无因次渗透率与有效应力关系曲线（见图2）。在煤岩储层原始有效应力条件下，随着有效应力的增加，渗透率逐渐减小，达到最大有效应力时，煤样1渗透率损失为54.3%，煤样2渗透率损失为62%，煤样3渗透率损失为63.8%。

图2 无因次渗透率与有效应力关系曲线（起始点为16 MPa）

根据实验结果，有效应力与无因次渗透率之间符合二次多项式关系，即

式中：K-不同有效应力下的渗透率，mD；Keffo-原地有效应力下的渗透率，mD；Peff=Pover-P-有效应力，MPa；Pover-上覆岩层压力，MPa；P-孔隙压力，MPa；c0、c1、c2-二项式拟合系数。

根据二项式关系拟合的曲线相关系数（见表2），R2都接近于1，说明曲线可以较好地反映渗透率应力敏感性规律。

2 应力敏感性机理分析

煤岩储层发生渗透率应力敏感的主要原因是应力状态的改变导致承载岩石骨架颗粒与孔喉结构间的原始关系发生了变化，进而导致渗流通道发生变化。岩石的孔隙结构由孔隙和喉道两部分组成，由孔喉变形理论可知，致密岩石受压时，首先被压缩的是喉道，而非孔隙[14]，岩石的渗透率主要受喉道制约。

由于煤岩储层属于孔隙-裂隙双重孔隙介质[15，16]，因此，除了孔隙结构的变化外，裂隙系统应力状态的改变同样会造成煤岩储层渗透率应力敏感。

2.1 孔隙结构分析

2.1.1 微观孔隙结构分析 为了直观反映孔隙结构对煤岩应力敏感性的影响，对煤样进行了SEM微观分析（见图3）。结果显示，煤岩储层孔隙以粒间孔为主，填隙物含量较少，孔壁较平滑，孔隙呈不规则多边形，抗压能力较强，受应力作用影响较小。喉道多呈片状、反拱状结构，且喉道表面多有胶结物分布。有效应力增加时，其结构及表面胶结物很容易被压缩，造成渗透率大幅降低。

表2 二项式拟合系数

图3 煤样孔喉结构

图4 渗透率与孔喉半径的关系曲线

2.1.2 恒速压汞喉道分析 恒速压汞测试煤岩渗透率与孔喉均值半径之间的关系（见图4），从中可以看出，煤样孔喉均值半径与渗透率之间具有一定的正相关关系，随渗透率增加，孔喉均值半径相应增大。储层压力降低时，渗透率变化较敏感的是相对较小的喉道，小喉道所占的比例越大，喉道减小或闭合的数量就越多，渗透率下降的幅度也越大。随着储层压力的进一步降低，煤岩骨架颗粒不断被压实，未闭合的喉道越来越少，且多数为不易闭合的喉道，因此渗透率降低的趋势会逐渐减小。

2.2 微裂隙开度分析

煤岩储层微裂隙发育，是沟通储层内部的直接通道（见图5）。在煤层气开采中，裂隙系统内流体压力下降，储层岩石有效应力增加，微裂隙被压缩造成开度下降，甚至闭合，而且这些微裂隙闭合后即使卸压也很难再张开，尤其是水平层间微裂隙的闭合影响更为严重[17]。因此，微裂隙的闭合会造成储层渗透率大幅度降低，表现为煤岩储层具有较强的应力敏感性。

图5 煤样微裂隙

3 应力敏感对煤层气井开发的影响

在煤层气开采的过程中，随着排水进行，储层压力逐渐下降，煤岩发生弹塑性变形[18-20]，引起应力敏感，进而造成渗透率降低，影响煤层气的开发效果。为了提高煤层气产能，需要尽可能降低井底流压，但井底流压的降低会使井底附近压降漏斗逐渐扩大，产生应力敏感效应，反而会降低煤层气产能。

3.1 应力敏感对渗透率的影响

由圆形定压边界平面径向流压力分布和公式（1），可得考虑应力敏感效应的渗透率分布近似为：

式中：Pe-原始煤层压力，MPa；Peffo-原始煤层有效应力，MPa；re-边界距离，m；rw-气井半径，m；r-任意位置到气井的距离，m。

图6 应力敏感对渗透率的影响

不同渗透率煤样受应力敏感效应影响渗透率变化规律（见图6）。从中可以看出，受应力敏感效应的影响，储层渗透率呈漏斗形分布：距离井筒越近的储层，渗透率变化越大；在远离井筒的区域，渗透率变化较小。对于同一煤样，井底流压越小，渗透率变化越大；对于不同煤样，初始渗透率越大，同一井底流压下，渗透率变化越小。

3.2 应力敏感对气井产能的影响

由平面径向流气井理论产量和公式（1），可得到考虑应力敏感效应时气井产能与理论产能之间的比例关系：

式中：Q-考虑应力敏感效应时气井产量，m3/d；Qeffo-平面径向流理论产量，m3/d。

井底流压发生变化时应力敏感效应对气井产能的影响（见图7）。可以看出：在井底流压下降过程中，3条曲线产量损失不断增大，且差距不断增大，当井底流压达到5 MPa时，煤样1产量降低了约33.2%，煤样2产量降低了约42.2%，煤样3产量降低了约45.6%。计算结果表明，应力敏感性严重影响煤层气井产能，且初始渗透率越小，产能降低越严重，应根据实际情况确定煤层气井合理的井底流压。

图7 应力敏感对气井产能的影响

4 结论

（1）以原始煤岩储层有效应力为有效应力基准点的应力敏感效应评价方法计算的应力与实际储层的应力状态比较接近，能更真实地反映由储层流体压力下降而产生的应力敏感。

（2）以原地有效应力为基准的无因次渗透率与有效应力关系曲线满足二次多项式关系，拟合程度较好。

（3）扫描电镜和恒速压汞分析表明，煤岩储层孔隙大小对应力敏感性影响较小，喉道大小和形状以及微裂隙的张开程度是影响煤岩储层应力敏感性的主要原因。

（4）理论计算结果表明，应力敏感效应对煤层气井开发有一定的影响。应力敏感效应使气井井底附近储层形成渗透率漏斗，井壁附近渗透率损失严重。井底流压下降到5 MPa时，产量最大损失可达45.6%，且初始渗透率越小，产能降低越严重。应根据实际情况，确定合理井底流压，实现高效开发煤层气目的。

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