煤岩渗透特性实验研究

2021-01-14卢海兵吴建军曲喜墨

能源与环保 2021年1期

卢海兵，吴建军，姜伟，曲喜墨，王杰

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100028； 3.中国石油大学(北京)，北京 102249)

中低阶煤层气资源丰富，预测煤层气资源量达9.5万亿m3，占全国煤层气预测资源量的26%。全国含气量大于1万亿m3的9个含气盆地，新疆占了4个，包括准噶尔盆地、吐哈盆地、天山系列盆地群和塔里木盆地。其中，准噶尔盆地沿天山一带的东部和南缘，煤层气资源量预计超过了1万亿m3，已超过常规天然气资量。

煤层中含有诸多微裂隙，在储层的应力状态发生变化时，储层内部结构发生改变，储层的物性参数随之改变，煤层表现出明显的应力敏感性。应力敏感性对于研究煤层的一些性状极为关键，严重影响研究结果，不能忽略[1-2]。应力敏感性的本质原因是岩石应力状态发生变化时，岩石内部孔喉结构和骨架颗粒承载的应力分布发生改变，导致岩石内部孔喉和裂隙等均产生变化，岩石内部渗流面积和通道严重受到影响。因此，表现出应力敏感性[3-4]。

1 煤岩裂隙系统表征方法研究

煤层气储层属于孔隙—裂隙系统组成的双重介质储层[5]。裂隙将煤体划分为若干基质岩块，每个基质岩块包括有基质孔隙，基质孔隙是煤层中气体储存的空间，裂隙主要提供流体渗流的通道。孔隙—裂隙型双重介质结构是煤层气藏特有的属性，这种属性也决定了煤层气的吸附、解吸、扩散、渗流等独特机制[6-7]。

根据扫描电镜观察结果，煤层气储层基质孔隙按照成因类型可划分为3大类9小类，煤层气储层基质孔隙类型及成因见表1。

表1 煤层气储层基质孔隙类型及成因Tab.1 Pore types and genesis of coalbed methane reservoir matrix

煤层裂隙是指煤受到自然界各种应力作用而造成的裂开现象，它是自然形成的。煤层裂隙可分为原生裂隙、构造裂隙、次生裂隙3类。描述天然裂缝的参数主要有：①裂缝宽度。裂缝宽度又称为缝宽，为定量参数。它是指裂缝面之间的距离，该参数是裂缝孔隙度、渗透率的主要构成要素。其数值小到微米级，大到毫米级，通常在几十到几百微米。②裂缝长度。裂缝长度是指裂缝的延伸长度，为定量参数。裂缝长度分布在几米到十几千米之间，甚至有几十千米。储层裂缝在平面上的延伸长度这一重要参数目前还没有有效方法进行直接测量。③裂缝逼近角。裂缝逼近角是指裂缝与水平最大地应力的夹角，其范围在0～90°。④裂缝间距。裂缝间距是指2条裂缝之间的距离，其变化较大，几毫米到几十米不等。岩芯上对于同一组系的裂缝应对其间距进行测量，同一组系是指具有成因联系的、产状相近的多条裂缝的组合。⑤裂缝方位。裂缝方位指裂缝或裂缝系发育的方位，可直接由定向取芯和裂缝与地层的关系来获得，也可以通过测井资料获取。由于只有大裂隙与水力裂缝相遇时会开启并导致压裂液滤失充填，因此在研究天然裂缝开启问题时，只研究大裂隙的行为。分形理论同样适用于大裂隙的分布与发育状态研究，可以用分形维数描述大裂隙的发育程度。

方形煤样表面裂隙分布如图1所示。

图1 方形煤样表面裂隙分布Fig.1 Crack distribution on the surface of square coal sample

2 煤岩渗透特性实验

2.1 实验设备及操作步骤

(1)实验仪器。实验选用伺服控制岩石力学三轴实验系统进行煤岩应力敏感性的研究。实验系统主要由轴向(压力、位移)系统、围压系统、水压系统、控制系统和计算机系统5部分组成。

(2)岩样制备。实验选用TZ-2型取芯机，钻速分3个档，速度分别为365、1 050、1 800 r/min；功率为0.55 kW；钻机可钻直径为25、38 mm的岩芯，最大钻取长度为80 mm；实验选用内径为25 mm的钻头，钻深为50 mm，获取室内实验岩芯6块。实验钻取的岩芯两端不平且岩芯过长，需要将岩芯先用切片机切割，控制长度不超过50 mm，然后用双面磨光机磨平岩芯的两端，控制两端的平行度在±0.005 cm范围内。对钻取的6块岩芯编号1—6，如图2所示，并测量岩芯的基本尺寸，见表2。

图2 岩芯图片Fig.2 Core picture

表2 岩芯基本尺寸数据Tab.2 Basic size data of core

(3)实验原理。实验的基本原理是油气水渗流的基本规律——达西定律，即单位时间内流体通过岩芯的渗流量与岩芯的截面积A和岩芯两端的压差ΔP呈正比，与流体黏度μ和岩芯长度L呈反比。

(1)

式中，A为岩芯截面积；L为岩芯长度；μ为流体黏度；Q为渗流量；ΔP为岩芯两端压差；K为渗透率。

在岩芯和流体已定的情况下，可以确定参数A、L，在实际测量煤岩渗透率时，只需测量流量Q和压差ΔP即可。

但采用式(1)计算岩芯的渗透率时，有一定的局限性，必须满足一定的条件才能得到真实有效的测试结果。主要包括流体的选择和注入方法：①必须选择与煤岩岩芯不发生反应的流体进行实验；②在注入流体时，应该保持一定的速度，确保流体注入的水流处在层流状态；③注入流体的流量不能过大，应保证渗透率和单位时间内的渗流量呈直线关系。

2.2 煤储层应力敏感性实验研究

实验选取了6块岩芯，在驱动压力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa条件下，通过改变孔隙压力，分别测定有效应力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时煤岩岩芯的渗透率，实验孔隙流体为清水，实验结果见表3。利用Origin对表3中的数据进行拟合。

(1)有效应力对渗透率的影响。研究相同驱动压力下渗透率受有效应力影响的变化规律，处理结果如图3所示。由拟合结果可知，随着有效应力的增加(驱动压力不变，围压逐渐增大)，岩芯的渗透率降低，递减幅度由大到小。这主要是由于煤岩储层存在大量的天然裂隙，随着有效应力的增大，煤层试样受到压缩，孔隙变小，微裂缝闭合，从而导致渗透率降低。另外，煤岩的应力敏感性较强，渗透率受有效应力的影响很大，当有效应力由0.5 MPa增大到2.0 MPa时，渗透率降低60%以上。

表3 岩芯渗透率实验结果Tab.3 Experimental results of core permeability

(2)驱动压力对渗透率的影响。研究相同有效应力条件下驱动压力对渗透率的影响，结果如图4所示。拟合曲线表明，在有效应力为定值(围压随驱动压力的增加而增大)的条件下，随着驱动压力的升高，煤岩岩芯的渗透率呈指数形式降低，递减幅度由大到小。造成这种现象的原因是，实验过程中，加载在岩芯长度方向上的围压是均匀的，而驱动压力只加载在岩芯上端面，岩芯下端面接大气，沿岩芯长度方向上的有效应力是逐渐增加的，此处的有效应力值只是岩芯上端面的有效应力数值。随着围压和驱动压力的增加，岩芯上端面的有效应力值是不变的，但岩芯整体的有效应力值是增加的。因此，煤岩试样受到压缩，微裂隙闭合，有效渗流通道减小，渗透率降低。

(3)模拟实际压裂过程中驱动压裂对渗透率的影响。煤层气储层是基质孔隙—微裂缝孔隙型双孔隙介质，储层在地质条件下受到上覆岩层的压力，该压力与岩层的厚度和密度相关，不会随着时间或井下活动(如开采、压裂等)而改变。在以往的渗透率研究中，设置的实验条件一般是驱动压力为定值，通过一定的方式调整围压值，探索有效应力对渗透率的影响，这与实际压裂情况有一定的不同。实际煤层气压裂过程中，上覆岩层压力即围压为定值，随着压裂的进行，井底压力逐渐增加，有效应力逐渐减小，渗透率随之发生变化。本研究通过实验模拟这种压裂过程，保持围压数值恒定，通过改变驱动压力研究有效应力的变化对煤岩岩芯渗透率的影响。在应力敏感性实验数据的基础上，选取围压为2.5 MPa，驱动压力分别取0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时的数据(表4)，研究有效应力对渗透率的影响。

图3 有效应力—渗透率数据拟合曲线Fig.3 Data fitting curve of effective stress-permeability

图4 驱动压力—渗透率数据拟合曲线Fig.4 Data fitting curve of driving pressure-permeability

表4 模拟实际压裂渗透率变化Tab.4 Simulation of actual fracturing permeability change

通过分析和对比发现，随着有效应力不断增大，渗透率逐渐减小，但是渗透率减小的幅度有所不同。在驱动压力不变的情况下，随着围压的增大，渗透率下降较快，当有效应力增大到2 MPa时，渗透率残余值百分数大多集中在10%～20%内；在围压不变的情况下，随着有效应力的增大，渗透率下降速率较慢，当有效应力增大到2 MPa时，渗透率残余值百分数大多集中在40%～50%内，明显高于残余渗透率数值。这充分说明了不同的增压方式，对实验结果与实际施工的吻合度影响很大。

模拟实际压裂有效应力—渗透率拟合曲线如图5所示。由图5可以看出，在围压不变的条件下，随着有效应力的增大，渗透率逐渐减小，实际压裂施工过程是此规律的逆过程。即实际压裂施工过程中，上覆岩层压力不变，随注入压力的增大，有效应力逐渐减小，渗透率逐渐增大。