煤层气储层渗透性影响因素分析--重点

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裂隙系统发育
对于煤层气而言， 煤是一种双重孔隙的储层。 B． E． Law 认为煤中割理系统由天然裂隙构成， 形成 了由近于正交的面割理和端割理组成的裂隙系统 ， 它既含有 煤 基 质 微 孔 隙 系 统， 又含有裂隙网络系 统
［1 ］
。微孔隙系统是煤层气的储集空间， 裂隙网络
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煤岩组分类型
煤是一种不均一的固体有机岩石， 含有微观可
扩散出来， 并以渗透 气体从煤基质微孔隙表面解吸、 流动的方式通过裂隙网络系统流入井眼 ， 从而形成 煤层气的 具有工业开采潜势的煤层气气流。 可见， 主要运移通道是煤层裂隙网络系统， 煤层的渗透性 主要取决于裂隙系统的发育程度 。 前人的研究结果表明， 煤层渗透率主要与裂隙 的延伸方向、 裂隙的宽度、 密度、 裂隙的连通性有关。 Levine J R 在实验研究中发现煤层的水平渗透率与 割理壁距三次方和割理间距的倒数成正比 1 ． 013 × 10 9 W3 K= 12 SC
［2 ］
。 （ 1）
－3 2 式中： K 为有效渗透率，× 10 μm ； W 为割理 壁距， μm； S 为割理间距，mm； C 为割理粗糙系数。
傅雪海等在对沁水盆地各煤样的研究中发现煤 ［3 ］ 样渗透率随裂隙面密度的增加呈指数形式增大 。 K = C 1 e C2 S f （ 2）
－3 式中： K 为 裂 隙 面 密 度 模 拟 渗 透 率，× 10 2 2 C2 为拟合系数。 μm ； S f 为裂隙面密度， 条 / m ； C1 、
Enever 等通过对澳大利亚煤层渗透率与有效应 力的相关研究发现， 煤层渗透率变化值与地应力的 ［10 ］ 变化呈指数关系，如下式 K / K0 = e3gC△σ （ 4） 式中： K / K0 为给定应力条件下的渗透率与初始 渗透率的比值； C 为煤的孔隙压缩系数； △σ 为从 初始到某一应力状态下的有效应力变化量 。 上式表明， 有效应力越高， 渗透率越低。这主要 是由于地应力增大， 煤被压缩， 其中孔隙变得更小， 。 裂隙更为紧闭的结果 随着流体压力降低， 有效应 力增大， 煤岩在外压的作用下， 割理有闭合的趋势， 从而导致孔隙度降低， 渗透率也随之降低。 Mckee 等通过对美国皮申斯、 圣胡安和黑勇士 盆地煤层渗透率与埋藏深度关系的研究发现 ， 随着 煤层埋藏深度和有效应力增加， 煤层割理缝的宽度 ［11 ］ 减小， 渗透率呈指数降低 。 Harpalani 和 McPherson 研究了应力对美国中西 部煤的气体渗透率的影响， 测定在静压力和三轴应 力方式下煤样棒对氮的渗透率。对给定煤样进行重 复试验表明， 当静应力变化 7 MPa 时， 渗透率变化了 3 个数量级， 渗透率随应力呈指数下降。 一般而言， 煤层的渗透率随着深度增加而显著 39
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识别的各种有机显微成分。 在显微镜下， 煤岩的显 微组分主要包括镜质组、 惰质组和壳质组 3 类。 J． C． Close 认为割理常产生于镜质组分层中， 终 结于镜质组分层及煤与非煤岩石的交界处 。 镜 均匀、 块体大， 有利 质组（ 尤其是均质镜质体 ） 致密、 于割理顺利延伸和发展； 惰质组是多孔状的、 纤维状 的， 有释放应力、 减弱割理和阻挡割理的作用， 对割 理发育不利； 壳质组的机械强度大于镜质组和惰质 组， 其形变过程类似于镜质组， 多数煤层含壳质组很 故壳质组对煤层割理发育影响不大 。 少， 宏观煤岩成分主要是指用肉眼可以分辨出来的 煤的基本组成部分， 包括镜煤、 亮煤、 暗煤和丝炭 4 种。根据镜煤和亮煤在煤层中的含量而反映出来的 煤岩可由强到弱划分为光亮煤、 总体相对光泽强度， 半亮煤、 半暗煤和暗淡煤 4 种类型。 一般在富含镜 煤和亮煤的光亮煤中镜质组含量较高， 在暗煤和丝 炭含量高的暗淡煤中惰质组含量高 。 Macrea 等通过对英国约克郡地区煤层中割理 间距的研究指出： 暗淡型条带状煤中的割理间距宽 ［1 ］ 光亮煤 于光亮型条带状煤 。 张胜利等研究表明， 中割理比较发育， 暗淡煤中也可见割理， 但其割理密 ［6 ］ 度远小于光亮煤 。 毕建军等也发现， 割理一般发
［1 ］
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有效应力
煤岩本身不同于常规储集岩， 其塑性强， 应力敏 有效应力对其渗透率影响较大。 Somer感性较大， ton 的实验研究发现有效应力 （ σ ） 与渗透率 （ k f ） 存 在如下关系
［9 ］
： k f = 1 ． 03 × 10 － 0． 31σ （ 3）
理越发育， 渗透性越好。从煤岩类型看， 光亮煤渗 ， 、 、 透性为最好 其次为半亮煤 半暗煤 暗淡煤。
煤层天然裂隙系统在某种程度上是渗透率的重 要影响因素， 一旦天然裂隙发育好， 煤层渗透率就 好， 其它因素如煤岩类型、 煤质、 煤级等均为次要作 ［4 ］ 。 用 总体来讲， 裂隙延伸方向、 裂隙宽度、 密度、 裂隙 的发育程度是影响煤储层高渗区分布的关键特征 。 裂隙延伸方向上渗透率较高， 裂隙宽度越大、 密度越 大、 连通性越好， 渗透率越高， 越利于流体的渗流， 这 对煤层气可采性评价有极其重要的指导意义 。
［12 ］
高。关于煤体因解吸或吸附引起基质收缩应变的实 验数据极少， 这是由于实验的难度和涉足的研究较 少所致。
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克林伯格效应
－ 3
。
鉴于此， 笔者建议， 在室内做煤样实验时， 要注 意有效应力的控制， 使加在煤样上的有效应力保持 不变， 以消除有效应力对裂隙压缩的影响。 有效应 ： 力 （ 5） σ = p C － αp av MPa； p C 为围压， MPa； α 为 式中： σ 为有效应力， 即进口 有效应力系数或 boit 系数； p av 为平均压力， 压力与出口压力的平均值。 随着压力的变化， 时刻 调整围压使有效应力保持恒定。
2011 年 5 月
彭春洋等： 煤层气储层渗透性影响因素分析
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降低。这是因为随着深度加大， 上覆岩层压力增大， 有效应力亦随之加大， 引起渗透率降低。 据 Harpalani 的实验室研究结果证明， 在高压阶段， 有效应力 的影响起主导作用， 随着压力的下降， 在有效应力的 煤储层裂隙闭合， 使煤层气储层的渗透率下 作用下， 降
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煤基质收缩
基质收缩效应是指当储层压力低于临界解吸压 力后， 吸附的煤层气发生解吸导致煤基质收缩 ， 储层 由于煤层气解吸时， 物性改善的效应。 Gray 认为， 煤基质会收缩使得裂隙扩张， 从而导致煤层渗透率 的增大
煤层气 （ 或称煤层甲烷 ） 是指与煤同生共体以 甲烷为主要成分、 主要以吸附状态赋存在煤层之中 ， 可从地面上进行采收的非常规天然气， 是蕴藏量巨 将煤层气作为天然气的补充能 大的新兴潜在能源， 源， 对我国经济可持续发展和国家能源安全具有重 要意义。 煤体的渗透性是指煤对煤层气 （ 瓦斯 ） 流动的 阻力特性， 煤的渗透性是控制煤层气在煤储层中流 煤层气储层自身的特点和煤层气 动的最关键参数， 开采过程中外界条件的改变都会影响其渗透性 。煤 储层渗透性研究涉及到岩石力学 、 流体力学、 计算力 且其作用因素十分复杂。 学和采矿工程诸多学科， 裂隙系统的发育、 煤岩组分类型、 煤的变质程度、 有 效应力、 煤基质收缩和克林伯格效应等对煤储层的 渗透性均有不同程度的影响。 目前， 中国多数煤层气单井产量不高， 衰减快， 除了渗透率低这个客观因素外， 一个很重要的原因 就是对煤储层渗透率变化特征认识不全面 ， 国内有 关此类报道较少， 因此加强煤层气储层的渗透性及 其开发过程中动态变化特征的研究势在必行 。笔者 在总结前人研究的基础上， 系统全面分析了煤层气 储层的渗透性的相关影响因素及其变化规律 。
［7 ］ 极少延伸到暗淡煤分层中 。 育在光亮煤分层中， 因此， 从显微组分的组成上讲， 镜质组含量越高， 割 ［5 ］
段割理间距与镜质体反射率的倒数呈指数关系 ， 即 从褐煤到烟煤阶段， 割理密度迅速增大， 从烟煤至无 。 这与 Ammosov 提出的呈正 态分布的理论有所不同。Law 认为是构造形变背景 的差异所致。 另外， 硬度和脆度同属抵抗外来机械作用存在 的性质。对于同一煤层来讲， 随着地层的埋深、 温度 的升高， 煤储层从低变质煤向中变质煤演化 ， 脆度逐 ， ； 中 渐增强 容易生成裂缝 随着煤层进一步被埋深， 硬度逐渐增大， 脆度逐 变质煤逐渐向高变质煤演化， 渐降低， 不容易形成裂缝。 随着上覆地层的压实作 用、 充填与胶合作用， 割理会发生闭合。 虽然不同变质程度煤的割理对渗透率有不同程 但煤的渗透性更受到其它多种因素的控 度的贡献， 只有当煤变质程度占主导地位时 ， 煤的渗透性变 制， 化及煤层渗透率测试才会明显反映出煤变质程度的 影响。 烟煤阶段基本不变
系统则被水饱和。 当储层压力降低时， 煤储层中的
0228 收稿日期：2011基金项目：国家科技重大专项项目 （ 2008ZX05036 － 001 ） 作者简介：彭春洋（ 1986 － ） ， 男， 湖北松滋人， 在读硕士研究生， 从事油气田开采技术与理论的研究工作 。
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彭春洋等： 煤层气储层渗透性影响因素分析
对于煤层气的勘探开采及动态开发效果具有重要的现实意义 。 文章详细分析了裂隙系统 、 煤岩 变化规律， 组分类型、 煤的变质程度、 有效应力、 基质收缩、 克林伯格效应等方面对煤储层渗透性的影响 。 关键词：煤层气； 渗透性； 影响因素 中图分类号：P618． 11 文献标识码：B 文章编号：1005-2798 （ 2011 ） 05-0038-05
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煤变质程度
煤变质作用指由褐煤转变为烟煤 、 无烟煤、 超无 烟煤的物理化学作用。煤变质的范围是从褐煤到石 压力和时间长期作用 墨的演变。煤的变质是温度、 的结果， 其中温度是煤变质的主导因素， 在煤的埋藏 过程中， 温度加速化学煤化作用， 而压力可以促进物 ， 理结构煤化作用 时间无疑是煤变质的因素之一。 煤变质作用是促使煤中显微裂隙和内生裂隙发育的 重要外部因素， 煤变质作用可使煤中孔隙产生次生 变化， 也可经过煤层中孔隙、 裂隙的发育改变煤的机 进而对其渗透性产生影响。 一般低变 械力学性质， 质和高变质程度的煤割理欠发育 ， 渗透性差； 中变质 程度的煤割理发育， 渗透性好。 Ammosov 等在研究割理密度与煤级之间的关系 割理密度从褐煤向烟煤 （ 肥煤、 焦煤 ） 方向 时发现， 增大， 而从烟煤向无烟煤方向减小， 呈正态分布， 即 低变质和高变质程度的煤割理欠发育， 中变质程度 ［8 ］ 的煤割理发育 。 但 Law 在对阿伯拉契亚盆地群 和落矶山盆地群的研究中发现， 从褐煤到无烟煤阶