有效应力对煤层气储层各向异性的影响_冯兴武.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 有效应力对煤层气储层各向异性的影响 冯兴武， 王树森， 余小燕， 常李博， 张坤 （中国石化河南油田分公司 石油工程技术研究院， 河南 南阳 473132） 摘要 为研究煤层气开发过程中有效应力增加对煤储层孔渗各向异性的影响， 采用不同方向 的煤岩样品对沁水盆地南部煤层气储层各向异性进行了评价。结果表明， 煤层气储层孔隙度和 孔隙结构具有明显各向异性特征 面割理方向核磁共振曲线为双峰型， 以大孔、 割理为主； 端割 理方向为宽底单峰型， 以中孔为主； 垂直煤层理方向为单峰型， 中、 小孔发育。有效应力加载至 10 MPa 后， 3 个方向核磁共振信号强度均降低， 表明煤样部分孔隙被压缩、 割理闭合。煤层气储 层渗透率具有明显各向异性特征 面割理方向渗透率达到垂直层理方向的 9 倍以上； 随有效应 力增加， 储层各向异性程度降低， 但面割理方向与垂直层理方向渗透率异质程度最强。煤层气储 层应力敏感性具有明显各向异性特征 面割理方向应力敏感性最强， 应力敏感性系数和渗透率 损害率均最大； 垂直煤层理方向应力敏感性最弱， 应力敏感性系数和渗透率损害率均最低。有效 应力卸载后， 不同方向煤岩渗透率恢复率不同， 面割理方向最高， 达到 55．3％， 垂直煤层面方向 恢复率最低， 为 40．2％。 关键词 高煤阶； 煤层气； 各向异性； 有效应力； 沁水盆地 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003－496X （2020） 02－0015-05 Influence of Effective Stress on Anisotropy of High-rank Coalbed Methane Reservoir FENG Xingwu, WANG Shusen, YU Xiaoyan, CHANG Libo, ZHANG Kun （Petroleum Engineering Research Institute, Sinopec Henan Oilfield Branch, Nanyang 473132, China） Abstract In order to study the effect of the increase of effective stress on the anisotropy of permeability and porosity of CBM ation during the development process of CBM reservoir, coal samples from different directions are adopted and the anisotropy of the CBM reservoir in southern Qinshui Basin is uated and the influence of the increase of effective stress on the anisotropy of porosity, permeability and stress sensitivity for CBM reservoir is studied on focus． The results show that the porosity and pore structure of CBM reservoir have obvious anisotropy． The T2spectrum from NMR in the direction of face cleat is bimodal, mainly developing macropores and cleats, while the T2spectrum in butt cleat direction is single peak with wide bottom, mainly developing mesopores, with the single peak in vertical coal bedding direction and developing micropores． The NMR signal strength in all three directions decreased, after the effective stress was loaded to 10 MPa, indicating that some pores of these coal samples were compressed and some cleats was closed． The permeability of CBM reservoir has obvious anisotropic characteristics and the permeability in the direction of face cleat is more than 9 times that in the direction of vertical coal bedding． With the increase of effective stress, the degree of anisotropy of reservoir decreases, but the heterogeneity degree of permeability between the face - cleat direction and the vertical -coal -bedding direction is the strongest． The stress sensitivity of CBM reservoir has obvious anisotropic characteristics the stress sensitivity in the direction of face cleat is the strongest, and the values of the stress sensitivity coefficient and permeability damage rate are the largest． While the stress sensitivity in vertical-coal-bedding direction is the weakest, with the lowest values of the stress sensitivity coefficient and permeability damage rate． After the effective stress unloading, the permeability recovery rate in different directions is different, and the face cleat direction is the highest, up to DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．005 冯兴武， 王树森， 余小燕， 等．有效应力对煤层气储层各向异性的影响 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 15-19． FENG Xingwu, WANG Shusen, YU Xiaoyan,et al． Experimental Study on the Influence of Effective Stress on the Anisotropy of High-rank Coalbed Methane Reservoir ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 15-19．移动扫码阅读 15 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 1煤岩及柱状煤岩样品示意图 Fig．1Schematic diagram of coal rock and columnar coal samples 煤层气开发是通过持续排水降压， 使甲烷解吸、 扩散、 渗流产出地面， 而煤层气储层孔裂隙发育， 孔 隙结构复杂， 非均质性强[1]， 具有明显的各向异性特 征，对其排水产气具有重要的影响。贾建称等认为 割理是煤层气产出的主要通道，割理渗透率对煤层 气储层渗透率具有决定性影响[2]； 康向涛等研究了 低渗透煤层平行和垂直煤岩层理方向的变形特征[3]； 王登科等认为煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异 性特征，并提出了含瓦斯煤各向异性渗透率计算方 法[4]； 马天然等在考虑基质和割理共同作用基础上 提出基于组合裂隙三向平板简化的各向异性渗透率 模型[5]。煤层气开发排水降压机理导致煤岩基质承 受的有效应力持续增加，然而目前对有效应力变化 对煤岩各向异性影响的研究较少，毕世科等研究了 单轴压缩条件下， 煤岩电阻率的各向异性， 研究认为 加载导致煤岩电阻率增大[6]， 但未对覆压条件下煤 岩渗透率特性进行研究； Kai Wang 研究了覆压条件 下渗透率变化的各向异性特征[7]， 但主要通过理论 推理进行研究，需要针对研究区块进行实验验证。 因此采用不同方向的煤岩样品，对沁水盆地南部煤 层气储层各向异性进行了评价，并重点研究了有效 应力增加对渗透率和应力敏感性各向异性的影响， 以期为煤层气高效开发提供借鉴。 1研究区概况 沁水盆地为南北走向的大型复式向斜, 其四周 被隆起环绕[8]。沁水盆地南部主力煤层为二叠系山 西组 3煤层和石炭系太原组 15煤层，其中煤层气 主要目的层为 3煤层。3煤层最大镜质组反射率在 2．5～4．1之间， 为高煤阶煤层气储层[9]。3煤层埋 深分布在 300～1 200 m 之间， 平均埋深 700 m 左右， 埋深差异较大。3煤层厚 5～7 m 之间， 平均 6 m 左 右， 煤层相对较厚。3煤层含气量分布在 5～35 m3/t， 平均 20 m3/t， 含气量在断层、 陷落柱附近较低。区域 渗透率一般低于 0．810-15m2，属于低渗、特低渗储 层。3煤层弹性模量一般为 0．6～2．5 GPa，平均 1．2 GPa， 最大水平主应力为北东向， 平均为 26 MPa[10]。 2煤层气储层应力敏感性定量表征 1） 应力敏感性系数 c。煤层应力敏感性系数越 大，应力敏感性越强。煤岩渗透率随有效应力的增 加呈指数形式降低， 其表达式为[11] kk0e -cσ-σ0 （1 ） 式中 k 为应力增加后煤层渗透率； k0为初始渗 透率； σ 为增加后的应力； σ0为初始应力。 2） 渗透率损害率 Rd。渗透率损害率表征由于应 力增加导致煤层渗透率较初始状态的下降程度， 计算 如下 Rd＝ k0－k k0 100（2 ） 3） 渗透率恢复率 Rr。渗透率恢复率表征有效应 力加载至最大值后减载至同一有效应力时，渗透率 的恢复程度。 Rr kX， p i kj， p i 100（3 ） 式中 kX， p i 为有效应力卸载至 pi时的渗透 率； kj， p i为有效应力加载至 pi时的渗透率。 3实验研究 3．1实验准备 煤岩样品取自沁水盆地南部余吾煤矿和寺河煤 矿， 分别沿垂直煤岩层理方向、 平行于面割理方向、 平行端割理方向钻取柱状煤岩样品，煤岩及柱状煤 岩样品示意图如图 1。垂向上光亮煤、暗煤交互发 育， 端割理、 面割理相互垂直且基本垂直于煤岩层理 面。利用样品分别沿上述 3 个方向共钻取 6 块柱状 煤样， 用于实验测试， 煤储层不同方向煤岩样品基本 物性参数见表 1。 55．3, and the recovery rate of the vertical-coal-bedding direction is the lowest, only reaching to 40．2． Key words high coal rank; coalbed methane; anisotropy; effective stress; Qinshui Basin 16 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 表 1煤储层不同方向煤岩样品基本物性参数 Table 1Basic physical parameters of coal samples from different directions of coal reservoirs 图 2不同方向煤样原始状态与加载 10 MPa 核磁共振 T2谱对比 Fig．2Comparison of the NMR T2spectrum between the original state and the loading of 10 MPa of coal samples in different directions 3．2实验设备及流程 1） 实验设备。实验需要设备包括 QKY-2 型气 体孔隙度测定仪 （海安县石油科研仪器有限公司） ； 3H-2000PAGP 全自动高压渗透率分析仪 （贝士德仪 器科技有限公司） ； Meso MR23-060H-I 型低场核磁 共振仪 （上海纽迈电子科技有限公司） ； 自制煤岩应 力敏感性测试装置 （包括岩心夹持器、 皂膜流量剂、 高压 He 气气瓶、 调压阀、 回压阀、 恒速恒压泵等） 。 2） 实验流程。在室温 （22 ℃） 、 大气压 （0．1 MPa） 条件下测定各煤样孔隙度、 渗透率及核磁共振 T2图 谱；分别测定有效应力为 1、 1．5、 2、 2．5、 3、 3．5、 4、 5、 6、 8、 10 MPa 时， 不同方向 3 块煤岩样品的渗透率； 分别测定 3 块煤岩样品有效应力加载至 10 MPa 时 的核磁共振 T2图谱。 4实验结果 4．1应力对孔隙结构各向异性影响 表 1 表明， 面割理方向初始孔隙度最大为 8．5， 而端割理方向其次， 为 5．3， 垂直层理方向最小， 仅 为 3．7。煤层气储层不同方向煤样原始状态与加载 至 10 MPa 后核磁共振 T2谱对比如图 2。 图 2 表明， 在 初始状态下，面割理方向核磁共振曲线为双峰型， 2 个峰值主要分布在 13．8 ms 和 171．9 ms 处， 表明该方 向以大孔、 割理为主， 小孔较为发育； 端割理方向核磁 共振曲线为宽底单峰型， 峰值分布在 37．12 ms 处， 峰 底部分布在 0．1～3 303．6 ms 之间，分布范围较宽， 表 明孔隙结构以中孔为主， 但小孔、 大孔、 割理也相对发 育； 垂直层理方向核磁共振曲线为单峰型， 峰值分布 在 35．02 ms 处， 而峰底部分布在 0．1～511 ms 之间， 表 明中、 小孔发育， 但大孔和割理发育较少。这表明， 煤 层气储层孔隙结构存在明显的各向异性。 4．2应力对渗透率各向异性影响 表 1 数据表明，煤层气储层面割理方向渗透率 最高， 初始渗透率达到 1．510-15m2； 其次为端割理 方向渗透率， 初始渗透率为 0．3210-15m2， 是面割理 方向的 1/5； 垂直层理方向渗透率最小， 初始渗透率 仅为 0．1610-15m2， 约为面割理方向的 1/9。表明煤 层气储层渗透率存在明显的各向异性。这是因为， 面割理方向割理更为发育且连续性好；端割理方向 割理发育程度次之；垂直层理方向暗煤内割理不发 育， 形成低渗层， 渗透率最低。 有效应力对不同方向煤样渗透率比值影响如图 3。数据表明， 在有效应力增加过程中， 面割理方向 与垂直层理方向渗透率比值最大， 分布在 1．81～7．78 之间， 表明二者间非均质性最强， 端割理方向与垂直 层理方向渗透率的比值最小， 在 0．62～1．64 之间， 表 明二者间非均质性最弱。说明有效应力增加并未改 变煤层气储层各向异性基本特征。 由图 3 还可知， 随有效应力增加， 各方向上渗透 率比值均降低， 表明有效应力越高， 各向异性程度降 低。其中，面割理方向渗透率与垂直层理面方向渗 透率比值由 7．78 下降至 1．81 ， 下降幅度最大， 表明 方向 初始孔隙度 / 初始渗透率 /10-15m2 镜质组 / 惰质组 / 面割理8．51．5087．312．7 端割理5．30．3288．411．6 垂直层理3．70．1688．111．9 17 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 3有效应力对不同方向煤样渗透率比值影响 Fig.3Influence of effective stress on permeability ratio of coal samples in different directions 图 4不同方向煤岩有效应力对渗透率影响 Fig.4Influence of effective stress on permeability of coal samples in different directions 图 5煤储层不同方向渗透率损害率对比 Fig.5Comparison of permeability damage rates in different directions of coal reservoirs 2 个方向渗透率间异质程度最大。这主要是由于煤 储层承受的有效应力增加后，面割理闭合程度最 大，端割理闭合程度其次，垂直层理方向割理闭合 程度最小，从而导致面割理方向渗透率大幅降低， 端割理方向其次，垂直层理方向最小，降低了储层 渗透率各向异性程度。 4.3应力敏感性各向异性评价 不同方向煤岩有效应力对渗透率影响如图 4。 图 4 表明， 无论哪个方向， 渗透率均随着有效应 力增加而降低，并随有效应力降低而恢复，但降低 程度和恢复程度存在差异，即应力敏感性存在各向 异性特征。 利用式 （1 ） 对图 4 中数据进行拟合， 结果表明 应力加载过程中，面割理方向应力敏感性系数最大 为 0.419 MPa-1； 端割理方向其次， 为 0.35 MPa-1； 垂 直煤层理方向最低， 为 0.263 MPa-1。应力卸载过程 中的应力敏感性系数也具有相同的特征。这说明， 煤储层面割理方向应力敏感性最强，端割理方向应 力敏感性其次， 垂直煤层理方向最小。 根据式 （2 ） 对图 4 （a） 中数据进行处理， 煤储层 不同方向渗透率损害率对比如图 5。 图 5 表明，各方向渗透率损害率均随有效应力 增加而增加。 当有效应力小于 3 MPa 时， 3 个方向的 渗透率损害率基本相同；而有效应力大于 3 MPa 后，面割理方向的渗透率损害率最大，垂直煤层面 方向的损害率最小。这可能由于有效应力小于 3 MPa 时， 未达到煤岩割理的闭合压力， 仅由于孔隙受 压缩导致渗透率降低， 因此渗透率损害率基本相同； 有效应力大于 3 MPa 后，煤岩中割理开始闭合， 其 中面割理最为发育，因此该方向的渗透率损害率最 高。总体上看， 面割理方向渗透率损害率最高， 表明 面割理方向应力敏感性最强，端割理方向应力敏感 性其次， 垂直煤层面方向最弱。 根据式 （3 ） 对图 3 中数据进行处理， 煤储层不同 方向渗透率恢复率对比如图 6。 图 6 表明，无论哪个方向，煤岩有效应力卸载 后， 渗透率都不能完全恢复， 恢复程度在 40～50 之间，表明煤储层各个方向应力敏感性均具有部分 不可逆性， 这主要是由于在有效应力作用下， 煤岩发 生弹塑性变形，弹性变形部分在应力卸载后可以恢 复，而塑性变形部分则不能恢复。但有效应力卸载 后，不同方向煤岩渗透率恢复率不同，面割理方向 的渗透率恢复率最高， 平均为 55.3； 端割理方向的 渗透率恢复率其次， 平均为 48.1； 垂直煤层面方向 18 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 6煤储层不同方向渗透率恢复率对比 Fig．6Comparison of permeability recovery rates in different directions of coal reservoirs 恢复率最低， 平均为 40．2。这表明， 煤岩面割理方 向弹性变形程度要高于其他方向。 5结论 1） 煤层气储层孔隙度和孔隙结构具有明显的各 向异性特征。面割理方向孔隙度大，核磁共振曲线 为双峰型， 以大孔、 割理为主， 小孔较为发育； 端割 理方向孔隙度其次，核磁共振曲线为宽底单峰型， 以中孔为主；垂直层理方向孔隙度最小，核磁共振 曲线为单峰型， 中、 小孔发育， 大孔、 割理发育较少。 有效应力加载至 10 MPa 后， 3 个方向核磁共振信号 强度均降低， 表明煤样部分孔隙被压缩、 割理闭合。 2）煤层气储层渗透率具有明显的各向异性特 征， 渗透率由高到低依次为面割理方向、 端割理方向 和垂直层理方向，面割理方向渗透率达到垂直层理 方向的 9 倍以上。有效应力增加过程中， 面割理方向 与垂直层理方向渗透率异质程度最强，而端割理方 向与垂直层理方向异质程度最弱，各方向上各向异 性程度均降低，表明有效应力增加不能改变煤层气 储层各向异性基本特征， 但会降低其各向异性程度。 3） 煤层气储层应力敏感性具有明显的各向异性 特征，面割理方向应力敏感性最强，应力敏感性系 数和渗透率损害率均最大；垂直煤层理方向应力敏 感性最弱，应力敏感性系数和渗透率损害率均最 低。有效应力降低后，渗透率恢复程度仅为 40～ 50之间，煤储层各方向应力敏感性均具有不可逆 性。但有效应力卸载后，不同方向煤岩渗透率恢复 率不同， 面割理方向最高， 达到 55．3， 垂直煤层面 方向恢复率最低， 为 40．2。 参考文献 ［1］ 贾慧敏．高煤阶煤岩孔隙结构分形特征研究 ［J］ ．石油 化工高等学校学报， 2016， 29 （1） 53-56． ［2］ 贾建称， 张泓， 贾茜， 等．煤储层割理系统研究 现状与 展望 ［J］ ．天然气地球科学， 2015， 26 （9） 1621-1628． ［3］ 康向涛， 尹光志， 黄滚， 等．低透气性原煤瓦斯渗流各 向异性试验研究 ［J］ ．工程科学学报， 2015， 37 （8） 971-975． ［4］ 王登科， 吕瑞环， 彭明， 等．含瓦斯煤渗透率各向异性 研究 ［J］ ．煤炭学报， 2018， 43 （4） 1008-1015． ［5］ 马天然， 刘卫群， JONNY Rutqvist， 等．裂隙煤岩各向异 性渗透率模型和煤层注气 THM 耦合行为 ［J］ ．煤炭学 报， 2017， 42 （S2） 407-416． ［6］ 毕世科， 张洪伟， 张源， 等．单轴压缩煤体电阻率变化 各向异性实验研究 ［J］ ．煤矿安全， 2016， 47 （12） 35． ［7］Kai Wang, JieZang, Gongda Wang, et al． Anisotropic permeability evolution of coal with effective stress vari- ationand gas sorption Model development and analysis ［J］ ． International Journal of Coal Geology, 2014 130 53-65． ［8］ 张学敏， 尹帅， 史长林．沁水盆地南部山西组致密砂岩 裂缝发育特征及控制因素 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