天然气地球科学 >

2019 , Vol. 30 >Issue 10: 1422 - 1429

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2019.04.015

非常规天然气

有效应力对煤储层不同方向渗透率影响的差异性

  • 刘帅帅 , 1, 2, 3 ,
  • 杨兆彪 , 1, 2 ,
  • 张争光 1, 2 ,
  • 曹腾飞 1, 2
展开
  • 1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116
  • 2. 中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008
  • 3. 陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西;榆林 719000
杨兆彪(1980-)，男，河北张家口人，副教授，博士，主要从事煤层气地质及开发地质研究. E-mail：

刘帅帅(1992-)，男，山西吕梁人，硕士研究生，主要从事煤层气地质及开发地质研究. E-mail：

收稿日期: 2018-12-12

  修回日期: 2019-04-19

  网络出版日期: 2020-03-23

基金资助

国家科技重大专项(2016ZX05044-002)

国家自然科学基金项目(41772155)

收起

Study on the differences of effective stress on coal reservoirs permeability in different directions

  • Shuai-shuai Liu , 1, 2, 3 ,
  • Zhao-biao Yang , 1, 2 ,
  • Zheng-guang Zhang 1, 2 ,
  • Teng-fei Cao 1, 2
Expand
  • 1. School of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China
  • 2. Ministry of Education Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoirs, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China
  • 3. Yubei Coal Co. Ltd. , Shaanxi Coal Group, Yulin 719000, China

Received date: 2018-12-12

  Revised date: 2019-04-19

  Online published: 2020-03-23

Fold

本文亮点

为探究有效应力对煤储层不同方向渗透率的影响差异，以鄂尔多斯盆地东缘柳林矿区南部4号煤层为研究对象，运用脉冲衰减克式渗透率测试方法，分析了不同有效应力条件下顺层渗透率及垂层渗透率变化规律及两者之间的相互关系。研究表明：煤储层不同方向渗透率随有效应力的增加均呈现幂指数降低的趋势，当有效应力为10MPa时，顺层渗透率及垂层渗透率均处于渗透率变化临界点，而且两者随有效应力的增大呈现线性相关的降低趋势，顺层渗透率与垂层渗透率比值为4∶1。通过对顺层及垂层的储层应力敏感性差异性研究，发现顺层及垂层裂隙压缩系数随有效应力压差的增大而减小，渗透率应力敏感性随有效应力差的增大而增大，顺层裂隙压缩系数、应力敏感性均小于垂层方向。通过煤储层不同方向的裂隙应力敏感性、渗透率应力敏感性对比分析，认为有效应力对煤储层不同方向渗透率的控制主要是由有效应力对煤基质裂隙的压缩存在空间差异性所造成的。

本文引用格式

刘帅帅 , 杨兆彪 , 张争光 , 曹腾飞 . 有效应力对煤储层不同方向渗透率影响的差异性[J]. 天然气地球科学, 2019 , 30(10) : 1422 -1429 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.04.015

Highlights

In order to study the influence of effective stress on the permeability of coal reservoirs in different directions, this study takes the No. 4 coal seam in the south of Liulin mining area as the research object. And use the method of pulse attenuation gram permeability test to analyze the regional difference between the bedding permeability and the vertical layer permeability and the functional relationship between the two: the permeability of coal reservoirs in different directions shows a decreasing trend of power index exponent sign with the increase of effective stress. When the effective stress is 10MPa, the bedding permeability and the vertical layer permeability are at the critical point of permeability change, and the relationship between the two shows a linear correlation with the increase of effective stress. The ratio of the permeability of the bedding layer to the permeability of the vertical layer is 4∶1. By studying the differences in reservoir stress sensitivity to bedding layer and vertical layer, it is found that the compressive coefficient of the bedding layer and the vertical layer fracture decreases as the pressure difference of the effective stress increases, and the permeability stress sensitivity increases with the increase of the effective stress difference. The compressive coefficient and stress sensitivity of the bedding fracture are smaller than the vertical bedding direction. Through the fracture stress sensitivity and permeability stress sensitivity in different directions of coal reservoirs, it is believed that the reason why the effective stress controls the permeability of coal reservoirs in different directions is mainly due to the spatial difference in compression of coal matrix fissures by effective stress.

0 引言

煤储层渗透率是评价煤层气可采性的关键参数之一，反映煤储层的渗流能力[1,2]。影响储层渗透率的因素除地质构造、地应力、埋深、煤体结构等外，在排水降压过程中，有效应力效应、煤基质收缩效应和气体滑脱效应同样共同作用于煤储层渗透率[3]。在众多影响因素中，有效应力对渗透率的作用是始终存在的。目前主要从储层应力敏感性[4,5,6,7,8,9,10,11]、裂隙压缩系数[4,5]、煤样变形[12,13,14,15,16]、孔隙压力[13,15]及不同煤阶[5]等方面研究有效应力对储层渗透率的影响，国内外学者研究发现：煤的渗透率与有效应力呈现负指数关系，且建立了有效应力与渗透率的理论模型[17,18,19,20,21,22,23,24]。虽然前人[9]对有效应力与渗透率的关系已经取得了深入的认识，且有学者[25]对有效应力与不同方向煤岩渗透率关系也展开了研究，但其主要阐述了其对渗透率的总体影响趋势，并没有详细论述不同方向渗透率的差异，且研究对象主要为高煤阶。本文以鄂尔多斯盆地东缘柳林矿区南部的中煤阶4号煤层为研究对象，利用美国岩心公司CoreLab的PDP-200气体渗透率测量仪，采用非稳态法(压力脉冲衰减法)进行煤样渗透率的测试，分析了有效应力对煤层渗透率在顺层/垂层方向的影响差异性，探讨了顺层渗透率和垂层渗透率相互关系及应力敏感性，以期为研究区煤层气的勘探开发提供理论支撑。

1 地质背景

柳林矿区位于鄂尔多斯盆地东缘中部，矿区主要构造为受矿区东西向的构造应力极不平衡影响，且在鼻状构造轴部张应力的作用下形成的聚塔财地堑（聚塔财北正断层、聚塔财南正断层）及其派生的小型断层[26]。聚塔财地堑位于山西省柳林县聚塔财村东南，经王家岭、寨则上村南、地垄堡村南入陕西省，走向近东西向，倾向南，倾角为60°~85°，断距大于90~255m，延伸长度约10 000m以上。以聚塔财断层为界可分为柳林矿区北部和柳林矿区南部[27]。
“十三五”期间，中国矿业大学对柳林矿区的煤层气资源潜力与储层物性进行了研究，研究结果显示：矿区面积为2 583.64km2，地质资源量为4 674.71×108m3，资源丰度为2.71×108m3/km2；总体含气饱和度较低（平均含气饱和度为36.1%），临界饱和深度大致为1 200m；储层压力状态为欠压；全区煤体结构主要为碎裂煤；在地应力作用下，煤储层在埋深600m以浅形成逆断层、600~800m区间形成走滑断层、800m以深形成正断层；埋深600~800m区间是储层改造的首选区间。

2 样品及实验方法

样品采自柳林矿区双柳（SL）、沙曲(SQ)、贺西(HX)煤矿的4号煤（图1）。研究区4号煤属于焦煤，镜质组含量大致为70%，煤岩类型以半暗煤为主，半亮煤为辅（表1）。
图1 采样位置分布

Fig.1 Distribution diagram of collect sample position

表1 煤岩基本物性参数统计

Table 1 Basic physical properties of coal

样品号 煤矿

煤岩

类型

 R O,max/% 显微组分/%
镜质组 惰质组
SL 双柳矿 半暗煤 1.28 74.52 23.57
SQ 沙曲矿 半暗煤 1.38 62.25 37.75
HX 贺西矿 半亮煤 1.36 77.86 22.14
将块状样品沿平行层理方向（顺层）及垂直层理方向（垂层）钻成直径为25mm、长度为50mm的圆柱样品(图2)，用以研究有效应力在不同方向上对储层渗透率的影响。表2为样品最终制备情况。
图2 样品制备

Fig.2 Sample preparation diagram

表 2 样品制备情况

Table 2 Sample preparation table

样品编号 直径/mm 长度/mm 孔隙度/%
SL-1 25.38 50.30 5.650
SL-2 25.42 50.60 5.549
SQ-1 24.73 52.10 5.875
SQ-2 25.37 50.20 5.778
HX-1 24.70 52.10 5.569
HX-2 25.40 50.34 5.101

注：样品编号中-1代表顺层；-2代表垂层。余同

实验利用脉冲衰减克式渗透率PDP-200仪器完成渗透率测试。仪器原理为不同围压条件下，夹持器两端压差在减小过程中，气体流过煤柱时的流速不同，而流速大小则可以反映气体流过煤柱的能力。实验所用气体为高纯氮气，岩心夹持器两端气体压差设置为1.38×10-1MPa，每次降压1.38×10-3MPa，实验开始前气体贯通煤柱稳定时间为5min。因夹持器两端压差变化较小，气体流速变化慢且稳定，该仪器消除了实验过程中气体滑脱效应。围压变化范围为4~15MPa，根据仪器精度要求，围压大于气压2MPa时，测试数据更为准确，因此，设定测试气压为2MPa。基于经典Terzaghi有效应力理论[28]，即有效应力等于围压减去孔隙压力，默认Biot系数为1，则围压对应的煤样有效应力见表3。
表3 实验围压对应有效应力

Table 3 Confining pressure corresponding effective stress

围压/MPa 4 6 8 10 12 15
有效应力/MPa 2 4 6 8 10 13

3 实验结果及分析

3.1　渗透率测试结果

根据前人研究成果，控制煤储层渗透率的主要因素为地应力和埋深。以2MPa模拟浅部煤层有效应力。当有效应力为2MPa时，顺层渗透率最大的煤样位于沙曲矿，顺层渗透率最小的煤样位于双柳矿；垂层渗透率最大的煤样位于沙曲矿，垂层渗透率最小的煤样位于双柳矿（表4）。随有效应力增大，各矿顺层与垂层渗透率大小顺序基本保持不变。据此分析，得出研究区内聚塔财断层南部区域的渗透率较北部的好。
表4 渗透率动态变化数据（×10-5µm2）

Table 4 Permeability dynamic data（×10-5µm2）

样品编号 有效应力/MPa
2 4 6 8 10 13
SL-1 10.25 4.53 2.83 1.63 1.20 0.78
SL-2 2.67 1.03 0.63 0.35 0.27 0.13
SQ-1 52.60 22.14 13.66 7.32 4.68 2.92
SQ-2 12.67 4.93 2.73 1.51 0.93 0.50
HX-1 28.32 11.44 6.18 3.90 2.01 1.96
HX-2 8.01 2.67 1.54 0.87 0.54 0.31

3.2　渗透率结果分析

3.2.1　不同方向变化规律

一般将实验室测得的煤储层顺层渗透率的高低作为评价储层渗透率优劣的重要参数。实验表明顺层渗透率随有效应力增大呈现幂指数型衰减，且关系曲线拟合度较好（R 2>98%）；沙曲矿煤样随有效应力增大减低最快，贺西矿煤样次之，双柳矿煤样渗透率变化曲线相对平缓（图3）。以有效应力2MPa为其初始状态，沙曲矿煤样渗透率在0.5×10-5µm2以上，贺西矿煤样渗透率在0.3×10-5µm2左右，双柳矿煤样渗透率在0.1×10-5µm2附近。当有效应力达到10MPa时，SL-41、SQ-1、HX-1煤样渗透率基本不再变化，且双柳矿煤样和贺西矿煤样渗透率几乎为0。据此以有效应力10MPa定义为研究区顺层渗透率的临界应力。
图3 研究区各矿顺层渗透率变化曲线

Fig.3 Bedding permeability graph

研究区各矿垂层渗透率随有效应力变化关系同样符合幂指数关系，且拟合度较好（>98%）（图4）。垂层渗透率与顺层渗透率变化规律相似，但贺西矿垂层煤样渗透率与顺层煤样渗透率相比下降较快，且下降趋势与沙曲矿煤样相近。同样以2MPa为初始有效应力，沙曲矿垂层煤样渗透率在0.13×10-5µm2左右，贺西矿垂层煤样渗透率在0.08×10-5µm2左右，双柳矿垂层煤样渗透率低于0.03×10-5µm2。同样，将有效应力10MPa定为此研究区垂层渗透率变化的临界应力。
图4 研究区各矿垂层渗透率变化曲线

Fig.4 Vertical layer permeability graph

煤层渗透率是决定煤层气可流动性和可开发性的重要地质因素[29]。前人[30,31,32]对有效应力与渗透率的关系研究较多，且得出较多关系公式。本文结合实验结果的线性回归拟合对前人研究的公式参数进行重新定义，即：
K e ≈ C K 0 × P - a
式中：K e为有效应力条件P时的渗透率，×10-5µm2；K 0为有效应力P 0时的渗透率，×10-5µm2；P 0为初始有效应力，MPa；P为有效应力，MPa；C为初始渗透率矫正系数，常数；a为渗透率衰减系数，无量纲。其中a、C为拟合系数。
与前人研究公式相比，式（1）能够更直观地反映两者关系，且对于估算初始渗透率和了解渗透率衰减趋势有一定帮助。根据实验回归结果，双柳、沙曲、贺西矿C值分别为3、2、6，得出煤样初始渗透率及衰减系数。
通过式(1)估算煤样渗透率，得出初始渗透率估算值见表5。其与实验测试值误差范围为0.06%~17.94%，顺层渗透率误差为3.81%~17.94%，垂层渗透率误差为0.06%~12.83%。
表5 初始渗透率及渗透率衰减系数

Table 5 Initial permeability and permeability attenuation coefficient

样品编号 初始渗透率/(×10-5µm2)

初始渗透

率误差/%

 渗透率衰减系数 相关性
SL-1 9.71 5.30 1.38 0.99
SL-2 2.91 9.10 1.559 0.98
SQ-1 43.16 17.94 1.549 0.98
SQ-2 14.30 12.83 1.706 0.98
HX-1 29.40 3.81 1.517 0.98
HX-2 8.02 0.06 1.715 0.99
孔裂隙的物理特征及空间分布决定渗透率的优劣。孔裂隙发育，煤渗透率较大，孔裂隙发育较差，渗透率较小。渗透率衰减系数越大，则渗透率衰减越快，说明煤中孔裂隙对有效应力敏感性越强，孔隙体积变化越大。根据回归关系得出渗透率衰减系数（表5，图5），可以发现顺层煤样渗透率衰减系数均小于垂层煤样，沙曲矿煤样的渗透率衰减系数大于其他2个矿煤样，双柳矿煤样最小；但同一区域双柳矿垂层煤样渗透率较顺层煤样渗透率增幅为11.5%，沙曲矿煤样增幅为9.2%，贺西矿煤样增幅为11.5%。表明有效应力增大过程中，控制垂层渗透率的裂隙应力敏感性大于顺层的。
图5 初始渗透率误差及渗透率衰减系数柱状图

Fig.5 Initial permeability error and permeability attenuation

为研究储层顺层与垂层渗透率在有效应力条件下的综合变化关系，对顺层及垂层渗透率进行函数拟合，得出垂层与顺层渗透率符合线性正相关关系（图6），且拟合度较好（>98%）。曲线反映垂层渗透率随顺层渗透率的增大而增大，垂层与顺层渗透率变化比约为1∶4，说明顺层渗透率始终大于垂层渗透率。
图6 顺层渗透率与垂层渗透率变化关系

Fig.6 Relationship between bedding permeability and coefficient histogram vertical layer permeability

3.2.2　储层应力敏感性分析

在煤层气排采过程中，随着储层内部流体的不断减少，有效应力在同步增加。本文用储层内部裂隙应力敏感性和渗透率应力敏感性来分析应力变化对储层的影响。
（1）　储层裂隙应力敏感性
有效应力的增加会使裂隙闭合，使煤的渗透率下降。根据煤储层渗透率与有效应力的关系[3]，即：
K e = K 0 × e - 3 c ( P - P 0 )
式中：c为煤的孔裂隙压缩系数。
通过对式（2）变形，可得出以P-P 0为横坐标轴，以[－(Ln(K e/K 0))/3]为纵坐标轴的拟合曲线，其斜率即为相对应的裂隙压缩系数。
研究区裂隙压缩系数变化较小，顺层裂隙压缩系数变化为0.065 7~0.076 8，变化幅度为16.9%；垂层裂隙压缩系数变化为0.076~0.084 9，变化幅度为11.7%。相同压差的条件下，垂层裂隙压缩系数均大于顺层裂隙压缩系数（图7），说明垂层裂隙敏感性要大于顺层裂隙敏感性。
图7 平均裂隙压缩系数计算曲线

Fig.7 Average crack compression coefficient

裂隙压缩系数并不是一个定值，通过不同压差能够得到不一样的压缩系数。各矿煤样裂隙压缩系数随压差的增大呈现下降趋势；各煤样垂层压缩系数均大于顺层压缩系数；贺西垂层煤样在不同压差条件下裂隙压缩系数最大，且随压差增大，其与沙曲垂层煤样裂隙压缩系数逐渐趋于一致。当有效应力压差为4MPa时，除贺西顺层煤样，各矿煤样裂隙压缩系数下降趋势变缓；顺层煤样在压差6MPa时，下降趋势增加，但与压差为4MPa以前的趋势较缓；垂层煤样在4MPa后，下降趋势变缓，且随压差增大，呈现过渡平缓趋势(图8)。有效应力对渗透率的控制反映在减小孔裂隙体积方面。
图8 裂隙压缩系数与压差变化趋势

Fig.8 Crack compression coefficient and pressure difference

（2）　储层渗透率应力敏感性
渗透率应力敏感性表征储层渗透率在有效应力变化过程中的变化特征。本文选用渗透率损害率反映渗透率敏感性强弱，有效应力差越大，渗透率损害率越高，则渗透率敏感性越强，同理相反。渗透率损害率表达式如下：
φ = K 0 - K K 0 × 100 %
式中 : φ 为渗透率损害率，%。
垂层渗透率的损害率均大于顺层渗透率；随有效应力的压差的增大，垂层渗透率损害率由大到小依次为贺西煤样>沙曲煤样>双柳煤样；当有效应力的压差小于8MPa时，顺层渗透率损害率由大到小依次为贺西煤样>沙曲煤样>双柳煤样，当有效应力的压差大于8MPa时，顺层渗透率损害率由大到小依次为沙曲煤样>贺西煤样>双柳煤样。据此说明，双柳矿煤样渗透率应力敏感性最弱；当有效应力小于8MPa时，贺西矿煤样的渗透率应力敏感性最强（表6）。研究区渗透率损害率随有效应力的压差的增大而增大，各矿渗透率损害率在压差为6MPa时，增长趋势均变缓。沙曲矿煤样和贺西矿煤样渗透率损害率在压差为8MPa时，变化趋势由稳定快速增加趋势过渡为平缓趋势；双柳矿煤样在压差为8MPa时，虽有一小段平缓趋势，但随着压差的逐渐增大，其渗透率损害率同样在增大，而与8MPa前相比，增加趋势较缓（图9）。总体而言研究区渗透率应力敏感性随压差的增大而增大，最终趋于稳定。
表6 样品渗透率损害率

Table 6 Sample permeability damage rate

样品编号 初始渗透率/（×10-5µm2） 不同压差渗透率损害率/%
2MPa 4MPa 6MPa 8MPa 11MPa
SL-1 10.25 55.8 72.4 84.1 88.3 92.4
SL-2 2.67 61.3 76.5 86.9 89.7 95.2
SQ-1 52.60 57.9 74.0 86.1 91.1 94.5
SQ-2 12.67 61.6 78.5 88.1 92.7 96.0
HX-1 28.32 59.6 78.2 86.2 92.9 93.1
HX-2 8.01 66.7 80.8 89.1 93.2 96.2
图9 渗透率损害率随有效应力差变化趋势

Fig.9 Trend rate of permeability damage rate with effective stress difference

4 对煤层气开发的意义

基于上述分析能够发现，随有效应力的增大沙曲矿煤样渗透率始终大于其他2个矿区煤样，而有效应力对煤样渗透率的作用是通过减小煤中裂隙的体积来反映的，因此在煤层气开发中应将井位部署在渗透率相对较高的区域（沙曲矿）；同时顺层渗透率均大于垂层渗透率，且垂层裂隙敏感性及应力敏感性均强于顺层，在压裂改造过程中更应关注压裂裂缝及缝网在顺层的扩展，以更好的沟通顺层天然裂缝，激发顺层原始渗透率发挥主导作用。在煤层气排水降压过程中，煤储层有效应力在逐渐增大，可将有效应力10MPa作为渗透率动态变化的理论临界值，小于此临界值时，采取小的排量来降低储层应力敏感性对煤层气排采过程中渗透率损伤的影响。

5 结论

以柳林矿区南部双柳矿、贺西矿、沙曲矿的中煤阶煤样为研究对象，开展了不同有效应力条件下顺层和垂层的煤柱渗透率变化规律研究，得到以下结论：
--引用第三方内容--

（1）研究区煤储层顺层/垂层方向渗透率随有效应力的增加呈现幂指数降低的趋势；以有效应力2MPa模拟浅部煤储层，当有效应力为10MPa时，顺层及垂层渗透率均处于渗透率变化临界点。通过对顺层与垂层渗透率的关系拟合，发现顺层渗透率是垂层渗透率的4倍。

（2）顺层及垂层储层的应力敏感性差异性研究表明，顺层及垂层裂隙压缩系数随有效应力的压差的增大而减小，渗透率应力敏感性随有效应力的压差的增大而增大，顺层裂隙压缩系数，应力敏感性均小于垂层。

（3）基于储层不同方向裂隙应力敏感性、渗透率应力敏感性的对比分析，认为有效应力对煤储层不同方向渗透率的控制主要是有效应力对煤中裂隙的压缩存在空间差异性所造成的。

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