不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

孙粉锦，杨焦生，王玫珠，孙 斌，张继东，赵 洋，邓 泽

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

渗透率是煤层气开发的关键参数之一，生产过程中随着孔裂隙内流体的产出，煤储层承受的有效应力增大，产生应力敏感导致渗透率发生不同程度的降低。国外学者研究表明，煤的渗透率随着有效应力的增大而呈指数函数降低，在较大的有效应力条件下，煤中的微裂隙渗流通道变窄，甚至闭合，导致渗透率急剧降低[1-3]。国内在“十二五”之前，众多学者主要围绕高煤阶煤以及相邻的顶底板等开展了大量的应力敏感性研究[4-11]，通过对不同地区的自然煤样、不同含水条件下的湿煤样分析，一致认为中高煤阶煤的应力敏感性较强，增加含水应力敏感更强，应力敏感对煤层气排采产量伤害大，应针对不同区块采用合理的排采管控制度来降低其伤害。相比于高煤阶煤层气，我国中低阶煤煤层气资源更加丰富[12]，“十三五”以来，中低阶煤煤层气的勘探开发逐步加快，二连、新疆等地区实现局部开发或试采，取得良好效果，研究者逐渐将注意力转向低煤阶，一些学者[13-14]采用实验、理论推导和数值模拟方法初步研究了鄂尔多斯盆地东缘、内蒙古二连盆地等中低煤阶煤的应力敏感性，认为低煤阶煤储层应力敏感性更强。但整体来说针对中低煤阶煤尤其是褐煤的研究还比较少，而且从二连盆地现场几十口井的排采来看，并未发现应力敏感对产能有明显影响。因此，还需结合实际开发储层情况，进行宏观尺度的应力敏感分析。而对应力敏感性控制机理方面研究也刚刚起步[15-16]，少数学者从应力状态、裂缝产状、孔隙大小等方面进行了初步探讨，但对不同煤阶煤应力敏感机理的研究和对比分析还不足。鉴于此，笔者选取高、中、低煤阶典型开发区块煤样，研究加载伤害和卸载恢复全周期内的应力敏感变化规律，并对不同煤阶煤渗透率主控因素、应力敏感机理进行探讨分析，抛砖引玉，以期学术界和产业界能加速攻关，破解不同煤阶煤储层应力敏感对产能的影响难题，提高煤层气排采效率和整体开发效益。

1 样品制备与方案设计

实验样品分别取自山西晋城樊庄区块3 号煤、山西保德区块5 号煤、二连盆地吉尔嘎朗图地区赛汉塔拉组主力开发煤层Ⅳ煤组，其中樊庄煤样镜质体反射率2.79%～2.98%，为高煤阶无烟煤三号，以亮煤为主，显微组分以镜质组为主，镜质组体积分数81.3%～92.4%，灰分质量分数8.1%～12.8%。保德地区煤样镜质体反射率为0.75%～0.98%，属于中煤阶气肥煤，煤岩类型以半暗–半亮型煤为主，显微组分中镜质组体积分数平均56.37%、惰质组31.30%、壳质组12.36%。二连煤样为低煤阶褐煤，变质程度低，腐殖体反射率0.32%～0.41%，以暗煤为主，显微组分中腐殖组体积分数平均79.7%，类脂组5.4%，惰质组13%，矿物1.9%。二连煤样水分、挥发分、灰分含量较高，水分为16.81%～20.93%，灰分为15.64%～20.62%，挥发分为27.79%～35.61%。

对现场获取的煤样进行加工，按照GB/T 23561.1−2009《煤和岩石物理力学性质测定方法 第1 部分：采样一般规定》制作成ø25 mm×50 mm 圆柱体样品共计13 个(高煤阶煤4 个，中煤阶煤4 个，低煤阶褐煤5 个)，煤样的基础参数见表1。

表1 试验样品基础参数Table 1 Basic data of the coal samples

实验设备采用气液相对渗透率测试系统，如图1所示。设定进口气体压力2.0 MPa，出口气体压力为大气压(0.1 MPa)。在进口气体压力不变的条件下改变外部围压，围压与进口气体压力的差值为有效应力。考虑到3 个区块实际煤层埋深在400～1 000 m，因此实验中设计最大围压为12 MPa(对应有效应力10 MPa)。实验过程中，围压先增大后降低，按照先4、6、8、10、12 MPa，再10、8、6、4 MPa 依次变化，在每个围压下保持平衡后，测得对应的煤样渗透率值，即可获得煤样在有效压力先增加后减少全周期内的渗透率变化情况。

图1 煤样应力敏感性实验装置Fig.1 Schematic of coal samples stress sensitivity experiment device

实验开始前首先检查实验系统的气密性。将样品装入岩心夹持器后，关闭压力腔体，再次检查气密性。确保气密性之后，通过伺服泵施加围压至初始值(4 MPa)，抽真空2 h 后通入指定压力的气体，通过压力表控制进口气体压力，关闭出口维持气体压力12 h，打开出口，记录出口气体的稳定流量，计算初始渗透率，结果见表1。本次实验在恒温(25℃)下进行，采用非吸附性氦气作为实验气体，重点研究有效应力变化对煤样渗透率的影响。

2 实验结果

按照SY/T 5358−2010《储层敏感性流动实验评价方法》，通常用渗透率损害率、不可逆渗透率损害率、渗透率损害系数和应力敏感系数4 个参数评价煤储层的应力敏感性。

同时为了更加直观地描述实验中围压增加加载过程和围压降低卸载过程中渗透率的变化过程和变化幅度大小，采用无因次渗透率ki/k0的比值来进行表征，其中ki为实验过程中不同围压下的煤样渗透率，k0为煤样的初始渗透率。

据此，对测试的13 个煤样的变围压应力敏感性结果数据进行了相应的处理和计算，结果见表2，不同煤阶煤样的无因次渗透率随有效应力变化的关系如图2所示。

对表2 和图2 进行分析，可以得出不同煤阶煤样的渗透率应力敏感性特征。

图2 不同煤阶煤样无因次渗透率与有效应力关系Fig.2 Relationship between dimensionless permeability and effective stress of different rank coal samples

(1) 随着有效应力的增加，高、中、低煤阶煤的渗透率均呈现与有效应力呈负指数关系下降的规律，有效应力10 MPa 时，渗透率下降分别为89.6%～96%(平均92.33%)、70.22%～85%(平均79.4%)、68.82%～89.71%(平均79.26%)。由此可见，在应力加载过程中，高煤阶煤应力敏感性更强，渗透率下降幅度更大，平均比中、低煤阶煤要高12%～15%，而中煤阶煤和低煤阶煤渗透率的下降幅度接近。

(2) 高、中、低煤阶煤样渗透率损害系数分别为0.216～0.272、0.129～0.188、0.125～0.206 MPa−1；而有效应力敏感系数分别为0.111～0.133、0.088～0.106、0.086～0.112 MPa−1，也可看出，高煤阶煤的应力敏感性比中、低煤阶煤要更强。

(3) 从渗透率不可逆损害率来看，有效应力降至初始状态时，高、中、低煤阶样品的渗透率不可逆损害率分别为56.0%～77.4%(平均68.2%)、39.87%～65.80%，(平均51.37%)、18.7%～48.5%(平均34.38%)。可见，初始渗透率较高的低煤阶煤在应力卸载后渗透率的恢复程度最高，可恢复到初始渗透率的2/3，中煤阶煤可恢复50%左右，而初始渗透率很低的樊庄高煤阶煤只能恢复1/3 左右，因此，对高煤阶来说更应该注重应力敏感对渗透率的伤害。A.S.Mclatchie 等[17]研究砂岩和泥质砂岩加卸压渗透性变化规律表明，高渗透砂岩的初始渗透率大约有4%不能恢复，而低渗透的泥质砂岩渗透率损失高达60%。本次实验测试的煤样渗透率恢复特征与其结论相似。

(4) 相同条件下，对存在裂隙的煤样来说其渗透率应力敏感性表现出明显增强的迹象，如保德区块的BD-1 和BD-4 煤样，相比不含裂缝的BD-2 和BD-3煤样来说，其增压渗透率损害率和卸压后的渗透率不可逆损害率都明显要高，伤害程度增加20%～30%。

3 应力敏感性控制机理及其对煤层气排采的影响

3.1 煤岩物质组成、孔裂隙发育特征对渗透率和应力敏感的影响

不同煤阶煤由于演化程度不同，导致煤储层中孔隙、割理–裂隙的赋存状态、发育特征差异很大，其中，煤岩物质组成与分子结构起着广泛的控制作用。二连吉尔嘎朗图低煤阶褐煤演化程度低，孔隙以细胞结构完好的原生孔为主，分子基本结构单元为苯环、菲环、蔡环，无序性强，结构松散，孔隙大，大中孔占比可达80%～90%以上[18]；水分和灰分含量较高，限制了割理–裂隙的产生，割理–裂隙不发育；随煤阶增高，煤化作用和压实作用增强，煤分子中芳环数量增多，并逐渐转变为石墨结构[19]，分子间排列更紧密，致使大中孔数量迅速减少，微、小孔数量急剧增加，保德中煤阶煤微、小孔比例上升到70%～80%，樊庄高煤阶煤微、小孔占比更是达到80%～90%以上。受煤岩演化程度影响，随煤阶升高，显微组分中镜质体含量逐渐增加[20]，镜质体含量越高，割理–裂隙越发育，尤其是当镜质组反射率大于0.75%时煤基质收缩效应强烈，割理–裂隙更为发育，同时变质程度较高的煤经历更为频繁的构造演化运动，也会导致更多的裂隙产生[21]，因此，保德、樊庄中高煤阶煤中的割理–裂隙均发育良好。但在高变质无烟煤，由于煤层埋藏更深、温度更高，上覆地层的压实作用、矿物充填与胶合作用使得部分割理–裂隙闭合，导致高煤阶煤渗透率更低[21]。

不同煤阶煤中孔隙、割理–裂隙发育特征的巨大差异，必然会对其中的流体渗流产生重要影响。为明确不同煤阶煤中孔、裂隙对渗透率的控制作用，开展应力敏感性实验同时，笔者也对樊庄、保德、二连区块的同一批次煤样进行了恒速压汞、CT 扫描和渗透率测试分析。结果表明，中低煤阶煤渗透率主要受控于喉道半径、孔隙与喉道连通性和孔喉配置关系等，从图3 可以看出，渗透率与平均喉道半径具有良好的拟合关系，相关系数R2可达 0.95 以上，而与平均孔隙半径则无明显的对应关系。进一步借助CT 结果分析，从图4a、表3 可以看出，二连低煤阶煤的孔隙和喉道数量、半径、长度都相对较大，配位数最大可达41，但从整体来看，孔隙与喉道连通性、配置关系差，平面分布非均质性很强，存在较多孤立、不连通的孔喉，平均配位数仅为2，虽然大、中孔非常发育，但渗透率并不高；而保德中煤阶煤虽整体以小孔为主，但孔隙和喉道连通性好、配置关系好，孔喉分布相对均匀，平均配位数能达到4(图4b、表3)，因此孔隙、喉道和发育良好的割理–裂隙之间可形成一套较为完整、连通的流动通道系统，显示良好的渗透性。樊庄高煤阶煤的孔隙尺寸很小，且大部分孔隙与孔隙、孔隙与喉道之间不连通或连通性很差，多处于孤立的状态(图4c)，基本不具备渗流能力，而流动的通道主要是割理–裂隙系统[22]，渗透率主要受控于裂隙数量和空间上的连通情况，如图4d 所示。

图3 中、低煤阶煤样孔隙半径、喉道半径与渗透率关系Fig.3 Relationship between pore radius,throat radius and permeability of medium and low rank coals

图4 不同煤阶煤样中孔隙、喉道、裂隙发育CT 扫描Fig.4 CT scan maps of pores,throats and fractures in different rank coal samples

表3 不同煤阶煤样CT 扫描分析结果Table 3 CT scan results of different rank coal samples

基于这种认识，低煤阶褐煤孔隙在围压增加过程中，受到压缩变形比较严重的首先是大、中孔隙，而较小的孔隙、喉道的压缩变形相对较小，而喉道决定渗透率的大小，因而低阶煤应力敏感性相对较弱。对于樊庄高煤阶煤来说，割理–裂隙为主要流动通道，其尺度比微、小孔要大，且稳定性相比孔隙要差，因此，在应力加载过程中，微、小孔几乎不会被压缩，主要是割理–裂隙受压缩，而且根据CT 扫描观察，煤样中裂隙发育相对平直、裂隙面相对平坦，粗糙度相对较低，导致在压缩过程中抵抗变形的能力更弱，更容易发生韧性变形或闭合破坏[15]，渗透率急剧降低，即使卸载后已经闭合的裂隙也不能恢复张开，渗透率恢复程度低。而保德中煤阶煤既有连通性好的孔隙和喉道，又发育良好的割理–裂隙，其应力敏感性介于高、低煤阶煤之间。

3.2 开发区块埋藏深度对有效应力的影响

前面的应力敏感性实验考虑的是在相同的有效应力下的渗透率变化对比情况，实际开发中不同煤阶、不同区块煤储层的埋深和应力大小差异很大，应力敏感对煤层气产能和排采控制的影响应具体而定。下面以二连吉尔嘎朗图低阶煤和沁水樊庄高阶煤煤层气为例具体说明。

二连吉尔嘎朗图区块主力煤层Ⅳ煤组，演化程度较低，埋藏深度浅、地应力低，埋深316～489 m，平均435 m，根据注入/压降测试资料计算，水平最大、最小主应力平均值分别为5.30、4.71 MPa，测井计算上覆地层平均密度较小，平均为1.71 g/cm3，垂向应力平均7.44 MPa。而储层压力为常压或欠压，其值在3～4 MPa，因此，生产过程中即使储层压力降到0，最大的有效应力也只有3～4 MPa，根据前面实验结果，渗透率降低率也就在20%～30%，加之其本身原始的渗透率相对较高，一般在(1～10)×10−3μm2，因此，应力敏感性伤害不会对排采产水、产气造成很大的影响，这也可以从实际的排采过程中看到。二连吉尔嘎朗图十几口评价井的试采情况显示，多数井前期的排采强度较大，液面降速10 m/d 以上，并未见明显渗透率伤害，在见气之后，产水量并未像高阶煤那样迅速降低，而是很长时间内一直保持和见气前相当的水平(图5)，这也从侧面反映低煤阶煤储层应力敏感性对排采的影响并不是很大，因此低阶煤煤层气排采可适当加快速度、尽量多排水，提高排采效率，节约排采成本。

图5 二连吉尔嘎朗图JM-3 井排采曲线Fig.5 Drainage curve of JM-3 well in Erlian Jiergalangtu

随着构造演化和煤化作用进行，中高煤阶煤储层埋藏深度和应力明显增大，樊庄高煤阶煤层气目前主力开发层埋深在600～1 000 m，上覆岩层密度增加到2.2～2.5 g/cm3,垂向应力达到16～20 MPa，水平主应力也迅速增加，可达22～30 MPa，排采过程中煤储层承受的有效应力会很大，一般都在10 MPa 以上，甚至达到15 MPa 以上，根据实验结果，渗透率会下降90%～95%以上，这对本来就很低的原始渗透率，一般(0.01～1)×10−3μm2来说是致命的，应力敏感性伤害对产能影响大。同时由于高煤阶煤渗透率很低，见气后形成两相流，气相对有效渗透率的争夺作用很强，水相渗透率会迅速降低到很低的水平，见气后水难以排出，因此，高煤阶低渗–特低渗煤层气排水期一般应以较小强度进行，降低应力敏感性伤害，保证见气前能尽量排出较多的煤层水，降低储层整体压力水平[23]。

4 结论

a.相同条件下不同煤阶煤样应力敏感性实验表明，随煤阶的增加，煤样的应力敏感性逐渐增强，低煤阶煤应力敏感性相对较弱，高煤阶、含裂隙煤样敏感性更强。本文结果与部分学者的低煤阶煤应力敏感性更强的认识有所差异，下一步应继续深入研究探讨。

b.煤岩物质组成、孔裂隙发育特征、埋深、应力等因素主要控制煤的渗透率和应力敏感性。低煤阶煤主要发育大、中孔隙，原始渗透率高，受控于尺度较小的连通喉道大小和孔喉配置关系，应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重，而尺度较小的喉道变形相对小，因而其应力敏感性相对弱；而高煤阶煤镜质组含量高，割理–裂隙发育，控制其渗透率，应力加载时主要是抗变形能力弱的裂隙受到压缩，发生韧性变形或闭合破坏，渗透率发生不可逆严重伤害，应力敏感性强。

c.考虑到实际开发区块地质条件差异，樊庄高煤阶煤应力敏感性对煤层气排采伤害大，排采阶段宜以较小强度进行，减少不可逆渗透率伤害，尽量多排水，扩大压降范围；而二连低煤阶褐煤应力敏感对煤层气排采产能影响相对较小，排水期可适当加快速度，提效降本。