煤储层应力敏感性及影响因素的试验分析

　第37卷第3期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.3　　2012年3月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMar.　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)03-0430-08煤储层应力敏感性及影响因素的试验分析孟召平1,2,侯泉林3(1．三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌　443002;2．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京　100083;3．中国科学院计算地球动力学重点实验室中国科学院研究生院,北京　100049)摘　要:采用鄂尔多斯盆地东南缘高煤级煤储层样品,通过煤样的应力敏感性试验,分析了煤储层应力敏感性及有效围压、煤中裂隙和含水情况等对煤储层应力敏感性的影响。研究结果表明:煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,当有效应力从2．5MPa增加到10MPa时,煤样无因次渗透率为0．10~0．28,平均低于0．15,渗透率损害率为71．92%~90．14%,平均为84．59%。在有效应力小于5MPa时,煤储层渗透率随有效应力增加快速下降,应力敏感性最强;有效应力在5~10MPa时,渗透率随有效应力增加而较快下降,应力敏感性较强;而当有效应力大于10MPa后,渗透率随有效应力的增加下降速度减缓,应力敏感性减弱。含裂隙煤样初始渗透率较高,且应力敏感性相对较小;但在升压过程中产生不可恢复的塑性变形大,导致降压后不可逆损害率相对较高。同样,含水煤样的渗透率随有效应力的增加而快速下降,含水条件下的应力敏感性也更明显。关键词:煤储层;应力敏感性;影响因素中图分类号:P618．11　　　文献标志码:A收稿日期:2011-11-04　　责任编辑:韩晋平　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(41172145,41030422);“十二五”国家科技重大专项资助项目(2011ZX05063-6)　　作者简介:孟召平(1963—),男,湖南汨罗人,教授,博士生导师。E-mail:[e-mail]stresssensitivityofcoalreservoiranditsinfluencingfactorsMENGZhao-ping1,2,HOUQuan-lin3(1．KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirArea,MinistryofEducation,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang　443002,China;2．CollegeofGeosciencesandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China;3．KeyLabofComputa-tionalGeodynamicsofChineseAcademyofSciences,GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing　100049,China)Abstract:Adoptedsamplesfromthehigh-rankcoalreservoirsinSoutheastmarginofOrdosBasin,throughthestresssensitivityexperimentofcoalsamples,stresssensitivityofcoalreservoirsandtheeffectsofeffectiveconfiningpres-sure,fracturesinsidethecoalandwaterconditiononstresssensitivitywereanalyzed.Theresultsshowthat,theperme-abilitydecreasesaccordingtonegativeexponentialfunctionwiththeincreaseofeffectivestress.Wheneffectivestresschangesfrom2．5MPato10MPa,dimensionlesspermeabilityofthecoalsamplesis0．10~0．28,andtheaverageval-ueislessthan0．15;thedamageratesofpermeabilityare71．92%~90．14%,andtheaveragevalueis84．59%.Wheneffectivestressislessthan5MPa,thecoalreservoirpermeabilitydecreasesrapidlywiththeincreaseoftheef-fectivestress,thestresssensitivityisthehighest;wheneffectivestressisbetween5MPaand10MPa,thestresssensi-tivityismedium;wheneffectivestressbiggerthan10MPa,thedeclineofthepermeabilityslowdown,andthestresssensitivityisweak.Theinitialpermeabilityofcoalsampleswithfracturesinsideishigher,andthestresssensitivityisrelativelysmall;theirreversibleplasticdeformationgeneratedlargerinthelifting-pressureprocessresultsinrelativelyhighirreversibledamageratesafterthepressuredecreas.Thepermeabilityofwetcoalsamplesreducesrapidlywiththeincreaseofeffectivepressure,withtheincreaseofmoisturecontent,thestresssensitivityismoreobvious.Keywords:coalreservoir;stresssensitivity;influencingfactors第3期孟召平等:煤储层应力敏感性及影响因素的试验分析　　关于储层的应力敏感特征,国外在1943年就有关于常规油气储层应力敏感性的相关研究[1-10];国内主要从20世纪90年代开始有文献报道[11-14]。储层应力敏感性的研究最早可追溯到Terzaghi[1]对可变形饱和介质中流体的流动研究,提出了有效应力的概念,并建立了在岩土力学中得到广泛应用的一维固结模型。Fatt采用砂岩岩芯进行实验,研究了孔隙度和渗透率随围压的变化规律[2]。M.Latchie采用加压和卸压实验研究了砂岩和泥质砂岩渗透性变化规律认为,高渗透砂岩的原始渗透率大约有4%不能恢复;而低渗透的泥质砂岩渗透率损失达60%,这说明岩芯在应力作用下发生变形,即有弹性变形也有塑性变形[3]。Biot[4-5]进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用,并建立了比较完善的各向同性三维固结理论,为解决多孔介质的变形力学问题奠定了理论基础。Biot[6-7]又将此理论推广到各向异性多孔介质和动力分析中。Lubinski[8]和Geertsma[9]在关于多孔介质的弹性理论中都曾讨论过Biot方程,在前人Bi-ot[4]的工作和成果的基础上,创立了多孔弹性理论及其相应的方程式,明确地给出了岩石体积压缩系数和孔隙压缩系数的定义及其相互间的关系,并率先将孔隙压缩系数这一概念引入油藏工程问题中,以定量表示由于变形效应而引起的孔隙体积的变化,并取得了好的应用效果[10-13]。JoseG[10]通过实验研究指出,在围压下气藏致密砂岩渗透率的损失可高达90%。贾文瑞[11]、伍向阳[12]和王厉强[13]等对低渗油田开发中孔渗性受应力影响开展了研究,这些研究为煤储层应力敏感性研究奠定了基础。煤储层为孔隙-裂隙型储集层,与常规油气储层相比,煤层既是生气层,又是储集层,煤层强度低、变形大,具有明显的应力敏感性,目前已取得了一定成果和认识[14-30]。但是,由于煤储层应力敏感性试验可靠的测量数据有限和现场实际资料缺乏,使这方面的研究受到影响;完全套用常规油气储层的评价方法和以往煤层气储层评价方法都难于满足当前高精度煤储层评价的要求,因此,从煤储层特征出发,结合煤层气开发试验区实际,开展煤储层应力敏感性研究,揭示煤储层渗透性的动态变化规律及影响因素,对于合理有效开发我国煤层气资源具有理论和实际意义。1　试验条件与方法试验研究区为鄂尔多斯盆地东南缘。主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,主要可采煤层为山西组2号煤层和太原组10号煤层,其中,2号煤层厚度2．80~8．65m,平均为6．09m,一般含2~3层夹矸,全区稳定可采;10号煤层厚度0．80~6．40m,平均为2．50m,一般含0~2层夹矸。试验中12块试验样品取自试验区山西组2号煤层,其中干样8个和湿样4个;完整结构煤样10个,2个为含裂隙煤样(7号和11号),见表1。表1　煤试验样品基础数据Table1　Basicdataofthecoalsamples样品编号试验样品尺寸/cm直径长度含水情况初始渗透率/(10-15m2)备注1号3．7726．328干样0．058完整结构2号3．7736．433干样0．104完整结构3号3．7674．370干样0．465完整结构4号3．7775．130干样0．103完整结构5号3．7766．540干样0．137完整结构6号3．7736．843湿样0．025完整结构7号3．7676．057湿样2．054含裂隙8号3．7676．260干样0．323完整结构9号3．7676．240湿样0．025完整结构10号3．7675．558湿样0．034完整结构11号3．7674．804干样4．258含裂隙12号3．7735．610干样0．347完整结构　　试验样品的宏观煤岩类型,以半亮型煤为主,其次为光亮型和半暗型煤,具条带状与均一状结构。煤岩显微组分中镜质组含量为39．7%~81．6%,一般值为73．85%;镜质体反射率为1．99%~2．44%,煤变质程度高,煤种为贫煤;12块样品孔隙度为1．3%~4．6%,平均为3．3%,煤岩原始渗透率0．025×10-15~6．817×10-15m2,平均为1．012×10-15m2。为了解煤储层应力对气体渗透性的影响,采用增加煤样的净围压模拟地层有效应力的变化,并测量渗透率随净围压变化的情况,来分析煤储层渗透性与应力之间的关系。煤储层应力敏感性远比砂岩的应力敏感性强,目前煤储层应力敏感性试验方法尚无行业标准,试验中参照石油天然气行业标准(SY/T5336,SY/T5358,SY/T6385)进行试验,试验包括净围压的应力敏感性评价试验和回压的应力敏感性评价试验。实际操作中,保持进口压力不变,首先利用平流泵,逐步加大围压值,每个围压增加过程控制在30min以上,并测定每个围压下岩样的渗透率。然后逐步减小岩样所受围压值,围压减小过程控制在1h以上,以保证岩样变形达到一定的平衡状态,同样测量每个围压下岩样的渗透率。本文将净围压定义为有效应力,由于本次研究区煤层埋藏深度大(800~1800m),所以最高试验应力设计达20MPa,为避免滑脱效应对煤样渗透率的影134煤　　炭　　学　　报2012年第37卷响,在试验过程中保持驱替压力不变。每个应力点持续足够长时间后(应力上升时30min,下降时lh)测定岩样在该应力点下空气渗透率值。2　煤储层应力敏感性评价参数根据石油天然气行业标准(SY/T5336,SY/T5358,SY/T6385)对储层应力敏感性评价参数