深部煤储层应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响

深部煤储层处于高地应力环境中,其渗透率变化特征与浅部存在较大差异,为研究有效应力对深部煤储层渗透率的差异性影响,以及应力敏感性各向异性特征,以沁水盆地横岭区块15号煤层为研究对象,采样深度1 200~1 700 m,采用覆压孔渗实验,开展平行层理和垂直层理样品在不同有效应力下的渗透率变化规律研究,探究其应力敏感性特征及其对煤层气产能的影响。结果表明:渗透率随有效应力的增加呈幂指函数降低,平行层理面渗透率总体高于垂直层理面,且在2个方向上渗透率变化规律呈正相关性。选取储层孔裂隙压缩系数、渗透率损害率和渗透率曲率3个参数作为煤储层应力敏感性评价指标,其中,孔裂隙压缩系数随有效应力增加,以5 MPa为界限先后呈现正相关性和负相关性,渗透率损害率和渗透率曲率分别与有效应力呈指数上升和下降的规律。基于应力敏感性参数,推导出煤层气井产能模型,模型显示,不考虑应力敏感性的气井产量高于考虑应力敏感性,揭示了应力敏感性对煤层气产量的影响程度,即在5 MPa生产压差下,气井的产量降低幅度随应力敏感性系数的增大整体呈增高趋势。针对应力敏感性的阶段划分,研究区目标煤层在煤层气排采过程中应采用小–中–大的排采方案来控制生产流量。      

有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用

为了探究有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用及其应力敏感性的各向异性,对5块高煤级煤样进行了覆压孔渗实验,揭示了有效应力对煤储层渗透率的控制机理。以3.5 MPa模拟原始地层压力发现,煤岩在平行主裂隙和层理面方向具有最高的初始渗透率,垂直层理面方向初始渗透率最低;有效应力从3.5 MPa增加到15.5 MPa的过程中,渗透率呈现出良好的幂函数降低趋势;渗透率伤害/损失的各向异性表明平行主裂隙方向渗透率伤害率和损失率最大,且不同方向应力敏感性受裂隙的宽度及其展布方向的控制;裂隙压缩系数随应力的增加呈现降低趋势,但由于高煤级煤岩压缩难度大,裂隙压缩系数的各向异性不明显。有效应力对渗透率控制的实质为通过减小煤储层孔裂隙体积降低渗透率,从而对各个方向上的渗透率均造成较大的不可逆伤害。      

煤层应力敏感性对煤层气产量预测的影响

大量现场实践和室内实验表明,煤层气藏为典型的应力敏感性气藏,随着煤层气的开采,储层孔隙压力降低,渗透率大幅度降低,引起产量下降。为了研究煤层应力敏感性与渗透率的关系,进行了应力敏感性实验,结果表明:煤层渗透率对于应力变化非常敏感,当有效围压从1MPa增加到12MPa时,其渗透率最大值只有初始的10%,即使围压恢复至1MPa,岩心渗透率损失率在54.98%~79.09%。由于煤层这种应力敏感性,其渗透率不再是常数,而是压力的函数,利用实验得到的动态渗透率与有效围压的关系,建立了考虑渗透率变化、带人工裂缝的预测煤层气产量的二维气、水两相数值模型,现场应用表明预测的产量与和实际产量吻合。     

煤储层应力敏感性试验及其评价新方法

煤储层应力敏感性是影响煤层气井产能的关键地质因素,在煤层气井排采过程中如何降低或避免煤储层应力敏感性对渗透性的影响是值得考虑的问题。通过不同应力下煤储层渗透性试验,研究了有效应力作用下煤储层渗透率的变化规律;在对已有应力敏感性评价参数分析的基础上,提出了新的应力敏感性系数S₁与S₂,揭示了有效应力对煤储层渗透性的影响规律。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,在煤层气开发中煤储层表现出明显的应力敏感性;试验煤样应力敏感回归系数a为0.099~0.115 MPa-1,平均为0.108 MPa-1,应力敏感性系数S₁为0.383~0.436,平均为0.414,应力敏感性系数S₂为0.572~0.666,平均0.625;应力敏感性系数S₁与S₂具有整体性与唯一性,可以结合应力敏感回归系数a进行煤储层渗透率应力敏感性评价。      

煤层气储层动态渗透率影响因素及排采管控措施

排采管控方法对煤层气储层动态渗透率具有显著影响。基于煤层气井不同排采阶段渗透率的主控因素，以提高和改善渗透率为目标，提出了针对性的排采对策。井底流压大于原始储层压力时，降压速度为0.03~0.05 MPa/d，可降低压裂液和速敏伤害；井底流压在原始地层压力和解吸压力之间时，以小于0.03 MPa/d的速度降压，避免加剧储层"渗透率漏斗"；在解吸压力以上0.2~0.3 MPa时开始以0.01 MPa/d速度降压，在解吸压力附近稳压排水30 d，解吸后套压控制在0.2~0.3 MPa左右，避免两相流造成的水相渗透率下降；提产段通过变速提产强化基质收缩作用改善储层渗透率；稳产段主要通过单位压降增产量来确定合理的稳产产量，实现煤层气井长期高产稳产。现场试验表明，该方法取得了较好的应用效果。      

不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。      

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1.00、0.60、0.57、0.57、0.52,气煤样依次为1.00、0. 64、0.50、0.54和0.55,无烟煤样依次为1.00、0.74、0.58、0.50和0.56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

高阶煤煤层气井产量递减规律及影响因素

为揭示高阶煤煤层气井产量递减规律，基于沁水盆地南部樊庄区块10余年的开发数据，通过数值模拟、统计分析等方法，对现有开发技术条件下高阶煤煤层气井产量递减点（即煤层气井产量开始递减时的煤层气采出程度）、递减类型及影响因素进行分析。结果表明:樊庄区块煤层气井产量递减点平均为25%，单井平均递减点为21%，大部分井在排采4 a后开始递减；煤层气井递减点由基质渗透率和裂缝半长决定，基质渗透率和裂缝半长越大，单井有效控制半径越大、有效控制储量越多，递减点越大；基质渗透率越高，裂缝半长增加引起的递减点增幅越大。由此可知，渗透率是煤层气井递减类型的主控因素，渗透率越高，递减指数越小，递减速度越慢。随着渗透率增加，递减类型依次为线性递减、指数递减和双曲递减。综合分析认为，储层平均孔隙半径越大，煤的应力敏感性越弱，煤基质收缩对渗透率的改善程度越大，导致储层动态渗透率越高，递减速度越慢。该研究为合理控制高阶煤煤层气井产量递减具有指导意义。移动阅读      

基于数值模拟方法的煤储层参数敏感性分析

为了提高彬长矿区大佛寺井田地面直井开发煤层气的产能和经济效益,利用煤储层数值模拟方法对孔隙度、煤层厚度、渗透率以及气含量等煤储层参数进行产能敏感性分析。研究表明:对于大佛寺井田煤层特征来讲,直井累计产气量和稳产期平均日产气量对气含量的敏感性最大,其次是孔隙度和渗透率,对煤层厚度的敏感性最小。煤储层参数敏感性的认识对该区煤层气开发布井、选层具有一定的指导意义。     

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1. 00、0. 60、0. 57、0. 57、0. 52,气煤样依次为1.00、0. 64、0. 50、0. 54和0. 55,无烟煤样依次为1.00、0. 74、0. 58、0. 50和0. 56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性影响实验

为了查明含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性的影响,对煤层气井储层改造及排采工作提供指导,利用自主设计的实验装置开展了黔西松河矿龙潭组1+3号、15号煤干燥、含水及饱水条件下液测、气测渗透率应力敏感性实验,分析了煤样渗透率、渗透率损害率、渗透率不可逆损害率、应力敏感性系数变化特征。研究结果表明:随着含水饱和度升高,中阶煤液测渗透率应力敏感性增强,加卸载造成的渗透率不可逆损害率增大。含水饱和度升高导致初始气测渗透率降低,干燥煤样孔裂隙闭合程度高,饱水煤样因束缚水饱和度高,具有较强的气测渗透率应力敏感性。干燥煤样、含水煤样适宜采用幂函数表征无因次气测渗透率与有效应力的关系,饱水煤样则更适合采用负指数函数表征两者关系。中阶煤储层压裂及排采过程中应重视储层保护,当煤储层含水性较弱时,应优先考虑采用CO₂或N₂泡沫压裂方式进行储层改造。      

煤层气钻采工作液对煤岩储层应力敏感性影响试验

煤岩气藏钻井、完井和增产改造等环节,不同类型工作液与储层接触相互作用,必将对储层的应力敏感性产生影响。选取宁武盆地中煤阶煤岩,系统开展了不同类型工作液作用人造裂缝煤样的应力敏感性试验。试验结果表明,人造裂缝煤样应力敏感系数为0.73,工作液作用后应力敏感系数为0.79~0.94。通过应力敏感系数对比分析表明,工作液作用下煤岩的应力敏感性强于致密砂岩和页岩。结合岩石力学试验结果可知,煤岩裂隙发育有利于工作液的侵入,工作液作用后煤岩强度降低使裂缝更容易闭合,强化了煤岩储层的应力敏感性。研究成果可为煤层气井钻完井、增产改造和开采过程中煤层气储层保护提供基础参数。      

韩城地区煤储层孔渗应力敏感性及其差异

以韩城煤层气区块3号、5号和11号煤层为例,进行不同围压条件下的煤心孔渗实验,探讨了该区煤储层物性与应力之间的耦合关系,建立了相应的数学模型。结果表明,煤心孔渗随围压的增加而不断下降,渗透率应力伤害远强于孔隙度应力伤害,但各煤层的应力敏感性各不相同:在实验围压从4.14 MPa（600 psi）增加到12.42 MPa（1 800 psi）条件下,11号煤层孔渗应力敏感性最强,孔隙度应力伤害达76.5%,渗透率应力伤害达93.3%;3号煤层孔渗应力敏感性最弱,孔隙度应力伤害38.5%,渗透率应力伤害77.9%;5号煤层孔渗应力敏感性较强,孔隙度应力伤害约45%,渗透率应力伤害达83.9%。分析认为,裂隙发育状况是造成各煤层间孔渗应力敏感差异的主要原因。从实验数据的拟合情况看,幂函数模式比指数函数模式更能准确地获取测试围压范围内的孔渗内插值。      

沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。      

丰城矿区煤层气开发前景及试验的效果与思考

江西丰城矿区是江南煤层气试验开发最佳区段之一,具有良好的资源条件、市场条件和投资环境,并有了工作基础。开发该区煤层气具有重大的社会意义和好的经济效益。通过2口井的试验,效果明显提高,含气量、储层渗透率和储层压力及热值均处于高指标,产气量稳定接近工业气流。采用压裂改造储层工艺技术,寻找次要煤层和砂岩层中的煤层气意义重大。首次创造采用抽油机配合真空泵间隔排采法,取得了小水煤层稳产、增产煤层气的经验。存在的主要问题是储层被油汲水污染伤害。试验证明丰城矿区煤层气试验开发具良好前景,并提出加快试验开发、改进工艺,防止对煤储层污染伤害的建议。     

煤层气井排采历史地质分析

根据晋城、潞安、焦作、铁法4个矿区25口煤层气生产试验井的排采资料,从煤储层渗透性和含气饱和度、生产压降条件、地下水系统、储层能量系统等方面综合分析研究,将排采曲线归纳为4种具有代表性的类型。认为煤储层渗透率0．5mD以上、临储压力比0．6以上以及含气饱和度80％以上,是获得高产煤层气井的必要储层条件。同时,煤储层和围岩的不同组合。将直接影响煤层气井的生产状况。     

晋城煤层气藏成藏机制

通过晋城煤层气的规模开发、压裂煤层气井的解剖、井下煤层瓦斯抽放、构造地应力场研究、煤储层大裂隙系统“CT”式解剖与煤层气封闭保存条件研究, 发现3#煤储层内部存在大量煤层气包, 构造微破裂作用促使煤层气包之间广泛合并联通, 煤层气包内部储层的非均质性弱化, 渗透率增加, 煤层气包内部的游离气体比例增加, 流体压力系统边界逐渐清晰并形成煤层气藏. 揭示煤层气藏的成藏机制, 认识煤层气藏的内部细节特征, 促进了该区的煤层气开发技术进步, 提高了井下煤层瓦斯的抽放效率.