黔西土城向斜煤储层覆压孔渗试验研究

唐代学，娄 毅，冯运富

（1.贵州省地质矿产勘查开发局117 地质大队，贵州 贵阳 550018；2.贵州盘江煤层气开发利用有限责任公司，贵州 贵阳 550081）

煤储层孔渗性是控制煤层气开采效果的关键参数[1-3]；目前对煤储层孔隙度和渗透率与有效应力的关系得到了大量的研究成果，认为随着地下流体的连续采出，孔隙压力降低，煤岩所受有效应力增加，煤储层孔裂隙空间被压缩，渗透率、孔隙度等物性参数随有效应力的增加而降低[4-5]。煤储层孔隙压缩性和渗透率应力敏感性密切相关，诸多学者通过试验探讨不同地区煤储层变质程度、孔隙结构、裂隙、显微组分、含水性、温度、煤岩割理宽度、连通性及方向性等因素对孔渗性的影响，分析了含水性、高温等条件下煤储层渗透性随有效应力的变化规律[6-11]，建立了有效应力与孔隙度和渗透率变化关系的数学模型[12-13]；通过试验分析研究，不同煤储层的孔隙度和渗透率应力敏感性差异性较大。

以往国内对于煤储层与有效应力之间的变化规律的研究多集中于山西、新疆等地，贵州省特别是盘州地区的研究资料或报道鲜见。而盘州煤炭资源富集、煤层气含量高，基于此，采用储层覆压孔渗试验，开展煤储层孔渗性及其应力敏感性研究，分析盘州煤储层孔渗性随有效应力变化的规律和差异性，对盘州地区煤层气井的排采具有理论和指导意义。

1 样品采集与测试

盘州煤层气田位于两近南北向前燕山期古断裂之间，西侧是滇东古断裂，东侧是遵义-望谟古断裂。北东面是北西向水城古断裂，南东面是近东西向的下甘河古断裂。由于燕山期由北往南区域性挤压和在前燕山期和燕山早期边界条件联合作用下，形成了现今盘州复杂构造带。

土城向斜位于盘州北部，距离盘州驻地约40 km，走向北60°西，其往西北延伸渐转向北，有复合于南北向构造带上之势；往东延伸则往南又往北东，转了1 个大弯再往北翘起。是受前述水城古断裂、下甘河古断裂甚至遵义-望谟古断裂制约影响的结果，总体态势构成1 个较大的向南偏西凸出的弧形扭动构造带。

土城向斜主要含煤地层为上二叠系龙潭组，为海陆交互相沉积地层，具有煤系地层厚度大、发育煤层数多（可采煤层多达20 余层）、厚度较薄的特点；其中上部1 号、3 号、5 号、9 号、12 号煤发育稳定性、煤层厚度多为1～2 m、煤体结构以原生及碎块结构为主；中部15 号、16 号、17 号、18 号煤发育稳定、煤层厚度多为1.5～4 m、煤体结构以碎裂及糜棱结构为主；而下部27 号、29 号煤组为局部可采煤、煤层厚度一般小于1.5 m、煤体结构以原生及碎块结构为主；土城向斜主要煤层煤质以焦煤为主，部分瘦煤与少量肥煤。

以覆压孔渗试验为研究手段，以土城向斜松河煤矿煤层气勘查区内实施的某煤层气参数井为例，煤层埋深640～980 m，从上至下分别采集1 号、3号、5 号、15 号、17 号、291 号、292 号煤层共7 层8件主采煤层煤心样品（3 号煤层有效厚度达到3.7 m，取样2 件），试验煤样基础数据见表1，其主采煤层最大镜质体反射率为1.03%～1.72%，平均值为1.36%；宏观煤岩类型以半亮-半暗型为主，半暗煤次之，亮煤较少；煤岩显微组分中有机组分以镜质组为主，为72.8%～76.9%，其次为惰质组，为20.3%～32.8%，壳质组含量极少；煤层煤体结构以原生结构煤和碎裂煤为主，煤层厚度较大时，如煤系地层中部17 号煤层厚3.34 m，呈碎裂、粒、粉状；该区煤层埋深大于300 m 时，煤层实测含气量普遍大于8 m3/t，为9.07～18.53 m3/t，并随着煤层埋深的增加，含气量逐渐增加的趋势。

表1 试验煤样基础数据Table 1 Basic data of coal samples

采集的样品送至四川省科源工程技术测试中心加工测试，在不破坏原有煤岩结构的前提下，钻取圆柱状煤样，试验前不进行烘干等特殊处理，尽量保持煤样原有孔隙结构；试验按照石油天然气行业标准SY/T 6385—2016《覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》进行，试验仪器为AP-608 自动孔渗仪，以He作为测试煤介，孔压保持1 MPa 不变，利用平流泵依次增大各样品的围压值（2、5、8、10、15、20 MPa），每个压力点的平衡时间稳定在30 min 以上，测定煤样在20 ℃下不同压力点下的孔隙度和渗透率。

2 试验结果

2.1 孔隙度与有效应力的关系

典型煤样孔隙度、渗透率与有效应力的关系如图1。

图1 典型煤样孔隙度、渗透率与有效应力的关系Fig.1 Relationship between porosity, permeability of coal and the effective confining pressure

黔西土城向斜中煤阶测试煤样孔隙度随有效应力的增加，煤样孔隙度呈负指数式降低；对覆压试验结果进行非曲线线性拟合回归分析，两者之间的关系满足式（1）：

式中：σi为有效应力，MPa；Qi为煤样在不同有效应力σi下的孔隙度，%；Q0为煤样初始应力为0时的孔隙度，%；CP为煤样孔隙度压缩系数，MPa-1。

测试煤样孔隙度、渗透率与应力之间的回归统计分析结果见表2。

表2 测试煤样孔隙度、渗透率与应力之间的回归统计分析结果Table 2 Statistic analysis results of relationship between porosity and permeability of coal and the effective confining pressure

由图2 及图1 可得：土城向斜松河矿区中煤阶不同煤样在初始有效应力为0 MPa 时的孔隙度为1.16%～9.54%，平均为3.79%；除3-2#煤样初始孔隙度较高以外，其余煤样与山西沁水盆地中、高煤阶煤储层及新疆准噶尔盆地低煤阶煤储层的覆压初始孔隙度对比[14-16]，黔西土城向斜中煤阶煤储层初始孔隙度较低；在垂向上，呈埋深较浅时，孔隙度较高；可采煤层厚度越大，煤层越稳定，孔隙度相对较高；如291 号、292 号煤层为局部可采煤层，厚度小于1.5 m，孔隙度较低。

孔隙压缩系数[17]反应为测试样品有效应力增加1 MPa，煤储层孔隙体积的变化量。通过测试结果分析，各测试煤样在覆压条件下的孔隙压缩系数为0.004～0.011 MPa-1，平均仅为0.006 MPa-1，可以看出，黔西土城向斜中煤阶煤储层的孔隙压缩系数较小。

土壤样品经过风干、研磨、过筛、称重和装袋后送中国科学院成都山地灾害与环境研究所同位素实验室进行检测。检测方法是测试样品封闭于样品盒用配备n型高纯锗探头(LOAX HPGe)的低能量、低本底γ能谱仪测定 7Be含量，样品的 7Be含量在477.6 KeV能谱峰下测定，采用全峰面积法(TPA)求算 7Be比活度，测试结果校正至采样日。样品测重≥50 g，测试时间≥80 000 s，测试误差为±5%(95%可信度)。

2.2 气体渗透率与有效应力的关系

煤储层渗透率反映气体在煤岩中的渗流能力，是煤层气开采中最为关键因素。由图1 可知，测试煤样渗透率随有效应力的增加，渗透率同样呈负指数式降低。对覆压条件下对有效应力与渗透率的关系进行非线性拟合回归分析，其关系如下：

式中：Ki为煤样在不同有效应力σi下的渗透率，10-15m2；K0为煤样初始应力为0 时的渗透率，10-3μm；a 为应力敏感性回归系数[6]，MPa-1。

测试样品在覆压下渗透率的测试分析结果见表2，不同煤样在初始有效应力为0 时的渗透率变化较大，为0.119 4×10-3～2.858 9×10-3μm，平均为0.978 7×10-3μm；应力敏感性系数为0.035～0.073 MPa-1，平均为0.046 MPa-1，其中3-1#煤样应力敏感性回归系数最大，为0.073 MPa-1。

孔隙度压缩系数和应力敏感性回归系数与煤最大镜质体反射率的关系如图2，土城向斜松河矿区中煤阶不同煤层煤样随变质程度的增加，孔隙度压缩系数和应力敏感性回归系数均呈较弱的负相关。

图2 孔隙度压缩系数和压力敏感性回归系数与煤最大镜质体反射率的关系Fig.2 Relationship between porosity compression coefficient and pressure sensitivity regression coefficient and coal vitrinite reflectance

3 煤储层应力敏感性分析

3.1 孔隙度和渗透率应力损害率

对黔西地区多薄煤层的发育特征，多采用分层压裂、合层排采的思路开展煤层气抽采工作，在煤层气排水降压过程中，不同的煤储层抵抗应力的能力表现不一致，存在较大的差异性和复杂性，即应力的敏感性[16]；故分析不同煤储层的应力敏感性，对指导黔西地区多薄煤层的合层排采具有理论指导意义。为对比土城向斜主要中煤阶煤储层渗透率对应力敏感性的差异，采用孔隙度和渗透率应力损害率、渗透率应力损害度及无因次渗透率曲率评价煤储层应力敏感性。

孔隙度、渗透率应力损害率表示随有效应力增加，煤储层孔隙度、渗透率损坏快慢的百分比，储层孔隙度或渗透率应力损害率越高，煤储层孔隙度或渗透率受有效应力损害程度越严重，煤储层应力敏感性越高[15-16]。孔隙度应力损害率计算公式如下[16]：

式中：Qs为孔隙度应力损害率，%；Q1为为试验测得的第1 个有效应力下的孔隙度，%；Qi为某个有效应力点下的孔隙度，%。

渗透率应力损害率计算公式为[16]：

式中：Ks为渗透率应力损害率，%；K1为试验测得的第1 个有效应力下的渗透率，10-3μm；Ki为某个有效应力点下的渗透率，10-3μm。

根据式（3）计算得到土城向斜中煤阶测试煤层在不同应力下的孔隙度应力损害率；孔隙度应力损害率和渗透率应力损害率与有效应力的关系如图3。

由图3（a）可知：各测试煤层孔隙度应力损害率随有效应力的增加而增加；1#煤样在各个有效应力的孔隙度损害率最大，为6.97%～18.61%；有效应力为5 MPa，土城向斜中煤阶测试煤样孔隙度应力损害率为1.62%～6.97%，平均为3.34%，其中1#、3-2#煤样孔隙度损害率较大，分别为6.97%、5.50%；有效应力达到8 MPa，测试煤样孔隙度应力损害率为4.03%～9.86%，平均6.03%，其中1#、3-1#、3-2#煤样孔隙度损害率分别为9.86%，6.05%及7.49%；当有效应力达到20 MPa，孔隙度应力损害率为7.60%～18.63%，平均10.95%；有效应力小于8 MPa 时，埋深较浅的3-1#、3-2#煤样应力损害率相对较大，随着有效应力逐渐增大至20 MPa，埋藏较深的15#、17#、29#煤样孔隙度应力损害率有逐渐大于埋藏较浅3#煤样孔隙度应力损害率的趋势。

图3 孔隙度应力损害率和渗透率应力损害率与有效应力的关系Fig.3 Relationship between permeability porosity stress damage rate and permeability stress damage rate with effective confining pressure

根据式（4）计算得到土城向斜中煤阶测试煤层在不同应力下的渗透率应力损害率；计算结果如图3（b）。各测试煤层渗透率应力损害率随有效应力的增加而呈指数增加，3-1#煤样渗透率损害率明显大于其余煤样；根据试验分析结果，所测试煤样在效压力为5 MPa 时，煤样渗透率为0.097 7×10-3～2.101 1×10-3μm，渗透率损害率为12.58%～25.99%，平均为20.63%，其中3-1#、5#、15#、292#煤样的渗透率损害率较大，为23.71%、25.40%、25.99%、24.83%；参照石油天然气行业标准SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》，测试8 个煤样在有效应力为5 MPa 时的渗透率损害率较弱。有效压力为8 MPa 时，渗透率损害率为23.26%～42.81%，平均为33.68%，此时3-1#煤样渗透率损害率最大，达到42.81%；除17#、291#煤样渗透率损害率弱外，其余煤样的渗透率损害率为中等偏弱。随有效应力增加到10、15 MPa 至20 MPa，各煤样的渗透率应力损害率增大变缓，损害程度逐渐增加至中等偏强或强；尤其是3-1#煤样渗透率损害率在有效应力为10 MPa 时，其损害率为59.80%，损害率程度为中等偏强；在有效应力为20 MPa 时，损害率为71.87%，损害程度强。

3.2 渗透率曲率

为更好的对比分析土城向斜主采煤层在不同有效应力下对中煤阶煤储层渗透率的变化率的影响程度，引用式（5）计算测试煤层在不同有效应力下的渗透率曲率[19]：

式中：Kc为渗透率应力损害率，%；K′为渗透率与有效应力的一阶导数；K″为渗透率与有效应力的二阶导数。

渗透率曲率抵消因样品差异对渗透率造成的影响，便于研究渗透率对有效应力的敏感性。渗透率曲率越大，有效应力对煤储层渗透率的影响程度越大，储层敏感性越强；渗透率曲率越小，有效应力对渗透率的影响程度越弱，煤储层对有效应力的敏感性越弱。当曲率值趋稳定时，则渗透率受有效应力的作用可忽略不计[15-16]。渗透率曲率与有效应力的关系如图4。

图4 渗透率曲率与有效应力的关系Fig.4 Relationship between permeability curvature and effective confaining pressure

土城向斜煤储层渗透率曲率随着有效应力的增加，呈指数下降趋势，表明随有效应力的增加，煤储层对应力的敏感性减弱，各煤样渗透率曲率曲线存在一定差异性，主要表现为：

1）3 号煤层取样2 件，上部3-1#煤样渗透率曲率最大，曲率曲线下降最快，说明其敏感性最强；而下部3-2#煤样渗透率曲率最小，曲率曲线基本无变化，敏感性最弱；说明即使同一煤层，垂向上的储层敏感性差异仍然较大。在相同有效应力下，5 号、15号、29 号煤层渗透率曲率大于1 号、17 号煤层。

2）当有效应力＜8 MPa 时，各煤储层随应力增加导致曲率曲线显著下降幅度较快，煤储层中孔隙被缓慢压缩变形，渗透率下降，应力敏感性强；变化较为明显的依次分别是3-1#、292#、5#、291#、15#煤样。

3）当有效应力＞8 MPa 时，随有效应力增加，各煤储层渗透率曲率曲线逐渐变缓，趋于稳定；表明在这一过程中虽然煤储层中的孔裂隙被缓慢压缩至闭合，渗透率下降幅度减慢，应力敏感性逐渐减弱;尤其是有效应力大于15 MPa 时，如3-1#、1#、17#、3-2#煤样储层渗透率曲率变化微弱，孔隙已基本被压缩闭合，渗透率下降不明显，储层敏感性微弱。

4 煤储层应力敏感性探讨

土城向斜煤储层渗透率应力敏感性也存在着较大差异，可能与孔隙的形态及裂隙中的填充矿物的差异相关，通过对煤样薄片进行显微镜下观察：3 号煤层有机质横断面发育保留完整的胞腔孔，孔隙度及渗透率一般较高，部分含有高龄石等充填物；在有效应力作用下，煤储层中孔缝被压实变形呈薄片状、碎粒状;孔缝被矿物质进一步充填，连通性随之降低，煤储层渗透率急剧下降，煤储层有效应力敏感性较高；5 号及15 号煤层有机质结构紧密，孔缝多呈层状发育，片状有机组分相间或平行分布，矿物质充填呈层状分布的孔隙，具有一定的连通性，在有效应力的作用下，孔缝压缩变形程度较小，应力敏感性较弱；17 号及29 号煤层有机质结构致密，发育有多组相交的裂隙把镜质体切割成小块，局部大量发育，大部分裂隙中未被矿物质充填，随有效应力增加，裂隙被压缩变形，但仍具有较好的连通性，煤储层渗透率受有效应力的影响程度较小，应力敏感性较弱。

研究区已开展10 余口煤层气井的排采试验，目的煤层不尽相同，排采效果较好的集中在上煤组3煤层；3 号煤层埋深一般在800 m 以浅，煤储层压力一般小于8 MPa。根据实际排采经验，3 号煤储层压力最大由8 MPa 降低至衰竭压力0.5 MPa 以下；据前述应力敏感性实验曲线分析，煤层气井排采过程中煤储层渗透率随有效压力的增加呈指数降低。

针对不同煤储层，应根据矿区煤储层实际地质情况，尤其是有效应力与煤储层应力敏感性的关系，制定合理的生产压差和优化排采方案，尽量减小煤储层有效应力敏感性，确保煤层气井较高的产能及产出速率。

5 结 论

1）土城向斜中煤阶煤储层随有效应力的增大，孔隙度及气体渗透率均呈负指数降低；不同煤储层的孔隙压缩系数、应力敏感性系数具有一定的差异性；试验煤储层应力敏感性系数为0.035～0.073 MPa-1，3-1#煤样应力敏感性回归系数最大。

2）土城向斜中煤阶煤储层孔隙度应力损害率随有效应力的增加而增加，有效应力小于8 MPa 时，埋深较浅的3-1#、3-2#煤样的应力损害率相对较大；渗透率应力损害率随有效应力的增加而呈指数增加，3-1#煤样的渗透率损害率明显大于其余煤样；当有效压力为5 MPa 时煤储层渗透率损害率较弱，有效压力为8 MPa 时，3-1#煤样的渗透率损害率最大，为42.81%，为中等偏弱。

3）土城向斜煤储层渗透率曲率随着有效应力的增加，煤储层对应力的敏感性呈指数减弱；测试煤样中，3-1#煤样渗透率曲率最大，敏感性最强；在相同有效应力下，3 号煤层应力敏感性大于5 号、15 号、29 号煤层，1 号、17 号煤应力敏感性最弱。