煤储层应力敏感性研究新进展

目前, 研究者对油气藏的应力敏感性已经形成了一定的认识[1,2]。针对煤储层的应力敏感性研究, 近几年才刚刚起步, 煤储层的应力敏感性的受控机理还处于探索阶段。中国煤层气储层具有低含气饱和度、低渗透率、低储层压力储层能量和低资源丰度的“四低”特征[3], 煤储层的应力敏感性的研究显得尤为重要。本文对近几年煤储层应力敏感性研究情况进行了归纳和总结, 对煤储层的应力敏感性的深入研究有一定的指导作用。

一、应力敏感性的国内外研究现状

由于我国的煤层气勘探起步较晚, 对煤层气储层损害与保护这样重要的领域的研究近几年才刚刚起步, 针对于于煤层气储层的应力敏感性的研究更显得极为重要。在煤层开采过程中, 煤层气渗流特性及运移规律除与煤体本身的结构、煤质等因素有关以外, 还受到地球物理场 (通常包括地应力场、地电场和地温场) 等多种因素的影响。同时, 在矿井开采过程中, 普遍存在煤层气渗流场与煤体应力场的耦合作用, 在危害巨大的煤与瓦斯突出现象中流固两场耦合的作用尤其显著。

在国外, 研究者通过实验发现应力对煤体渗透性的影响显著, 结合实验数据及理论分析得到了有效应力与煤岩体渗透率之间的耦合关系式[4,5]。在国内, 前人对煤储层应力敏感性开展了较多研究, 陈振宏、王一兵等对水相状态下的压敏效应的影响做了研究分析[6], 张江华通过对煤储层应力敏感性的影响因素进行系统分析, 初步提出了煤储层应力敏感性的产生机理[7]。

二、应力敏感性的研究方法及实验仪器

1. 应力敏感性的研究方法

一般的情况下, 储层的应力敏感性是通过实验室实验来确定研究的, 目前的实验方法大都参照石油天然气行业标准 (SY/T5358) “储层敏感性流动实验评价方法”来进行的, 并根据该标准对储层的应力敏感性进行评价。真实情况下的岩体总是处于一定的应力状态下, 岩石力学研究的是岩石材料对应力变化的响应。因此, 在实验室中测量的岩石力学参数应与此相适应, 而应力为零的状态在实际的岩体工程中实际上是不存在的。自井下取出后的岩心, 由于处于原始储层条件下相对平衡的原地应力状态被破坏, 致使岩石的孔渗特性发生了一定的变化。因此, 对于岩心应力敏感性实验, 恢复岩心的原地应力状态是最重要的, 所以, 必须建立一个相适宜的上覆压力以及孔隙压力平衡系统, 同时采用与储层类似的流体对岩心进行测试。

影响煤层气储层物性参数的因素有多个, 如煤岩体的有效应力、天然裂隙、含水饱和度等。动态参数模型的建立一般考虑各物性参数与其中一个或多个因素之间建立一定的关系。目前, 动态参数模型的建立主要通过两种方法, 一是从基本定义出发, 通过理论推导建立数学模型, 二是通过模拟实验建立经验动态公式。

2. 实验研究仪器

目前, 煤层气储层应力敏感性实验仪器采用油气储层相关实验仪器, 主要有以下几种[2]:

(1) CMS-200

(2) CMS-300岩心自动分析仪

(3) 气藏损害评价模拟装置

(4) 美国产OPP高压孔渗仪

(5) 美国进口的高温高压地层损害系统

(6) 高温高压驱替装置RPTA系统和常规的气测渗透率仪相结合

三、煤储层应力敏感性受控因素及产生机理

1. 评价指标

在2000年至今, 目前提出的评价指标共有9种类型[8] (见表1) 。

2. 煤储层应力敏感性的影响因素

将文献中对煤储层应力敏感性的影响因素研究归纳, 并借鉴油气储层应力敏感性取得的认识, 主要有以下三个方面[2,7]:

外部因素

(1) 有效应力

(2) 含水饱和度

(3) 储层温度

内部因素

(1) 煤变质程度 (煤阶)

(2) 煤裂隙发育程度

(3) 有机显微组分煤岩类型

室内实验对评价结果的影响

(1) 加载方式

(2) 设备及仪器

(3) 实验用流体

3. 煤储层应力敏感性产生机理

通过对煤储层应力敏感性的影响因素进行了系统分析, 并提出了煤储层的产生机理, 表现为以下几个方面[7]:

(1) 裂隙开度下降。在煤储层中, 随着有效应力的增加, 煤储层天然裂隙、内生裂隙和显微裂隙的开度开始下降, 并导致其渗透率急剧下降, 同时表现为应力滞后现象。

(2) 基质孔隙的收缩和裂隙闭合。而内生裂隙和显微裂隙则大量的闭合, 由于煤岩的孔隙度的下降, 煤储层的基质孔隙也开始收缩。由于煤岩产生塑性变形, 导致此时在卸载应力后, 煤岩的渗透率不可能恢复到其初始的渗透率水平。

(3) 基质孔隙内微粒的运移。在实际排采过程中, 生产压差较大时, 水的排出较快, 在煤层中主要表现为煤粉的迁移, 使得大量煤粉在显微裂隙中沉积, 造成天然裂隙和基质孔隙的通道堵塞, 使煤储层的渗透率迅速降低。

四、存在问题及建议

1. 实验的局限性

煤储层的应力敏感性实验, 采用的是引进的仪器或者是自行组装的仪器, 都为稳定气驱实验, 即通过加轴向压力和径向压力来模拟煤储层的有效应力变化, 来计算在确定的不同有效压力作用下煤样的渗透率, 其渗透率的变化强度即为煤样的应力敏感性, 这个实验过程是静态过程。煤层气实际开发过程中, 气体流动是非线性的, 煤储层受到的有效应力影响是一个动态的过程。因此, 目前的实验方法不能够真实反映实际煤储层渗透性的变化过程。

在原地应力状态下, 煤储层处于上覆岩层压力、水平应力、孔隙压力等复杂应力的平衡状态, 而目前进行应力敏感性实验时, 一般只是通过改变围压或孔隙流体压力, 测试岩石物性参数随有效应力的变化, 即仅考虑各向同性加载对储层应力敏感性的影响, 没有考虑各向异性加载的情况下对煤储层应力敏感性的影响。

2. 建议

(1) 改进实验仪器和实验方法

针对煤储层与油气储层的不同, 应进一步改进实验仪器和实验方法, 更真实的模拟煤储层在煤层气开发过程中的变化情况, 对煤储层的应力敏感性形成系统的研究。

(2) 针对不同煤阶煤层气藏确定渗透率临界值

对不同煤阶的煤层气储层进行分类研究, 研究其影响应力敏感性的受控因素及主控因素, 并确定针对煤储层应力敏感性的评价指标, 通过实验分析, 确定出不同煤阶煤层气储层的渗透率临界值, 指导煤层气的开发。

摘要：我国煤层气开发已经进入商业化开采阶段, 然而煤层气井单井产量难以实现大量提升。煤储层的低含气量、低渗透率是制约煤层气井产能的关键因素, 低渗煤层气储层往往面临着强应力敏感性的难题, 这就成为煤层气开发面临的亟待解决的技术难题。因此, 本文经过归纳和分析煤储层应力敏感性的最新研究进展, 提出了煤储层应力敏感性的受控机理, 并对进一步的深化研究提出了建议。

关键词：煤储层,应力敏感性,受控机理,研究进展

参考文献

[1] 贾文瑞, 等.低渗透油田开发部署中几个问题的研究[J].石油勘探与开发, 1995, 22 (4) :47~51.

[2] 温晓红.应力敏感性研究进展[J].新疆石油天然气, 2008, 4 (4) :30~32.

[3] 刘贻军, 等.中国煤层气储层特征及开发技术探讨[J].天然气工业, 2004, 1:20~31.

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[6] 陈振宏, 王一兵, 郭凯, 孙钦平, 张亚蒲.高煤阶煤层气藏储层应力敏感性研究[J].地质学报, 2008, 82 (10) :1390~1395

[7] 张江华.高煤阶煤储层应力敏感性及其受控因素[D].北京, 中国矿业大学 (北京) , 2011:53~62

[8] 张琰, 崔迎春.低渗气藏应力敏感性及评价方法的研究[J].现代地质, 2001, 15 (4) :453~457