韩城地区煤储层孔渗应力敏感性及其差异_吕玉民.pdf

第41卷第6期 2013年12月 文章编号1001-1986201306-0031-04 煤田地质与勘探 COAL GF.OLOGY 2.中国地质大学能源学院，北京100083 Vol. 41 No.6 Dec. 2013 摘要以韩城煤层气区块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搞合关系，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 在实验固压从4.14MPa600 psi）增加圭1J12.42 MPal 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妥原 因．从实验数据的拟合情况看，革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． 关键词煤储层；孔渗；应力敏感；差异 中图分类号P618.13文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-l 986.2013.06.008 Stress sensitivity and difference of porosity and permeability in coal reservoirs in Hangcheng CBM block LYUYumin12, TANG Dazhen2, XU Hao 1. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China; 2. School of Energy Rιsou，℃es, China University ofGeoscience, Beijing 100083, China Abstract In order to discuss the relationships between the physical properties of coal reservoir and the stress, the stress sensitivity experiments of the porosity and permeability of the coal samples台omNo.3, No.5 and No.11 coal seams in Hancheng coalbed methane CBM block were carried out under various pressure and the corresponding mathematical models were established. The results showed也at也eporosity and permeability of the samples de- crease as the confining stress increases and the S位essdamage for permeability is much larger than that for porosity. However, the stress damage is different for different coal seams. When the confming stress increased from 4.14 MPa 600 psi to 12.42 MPa 1800 psi, the stress damage of the sample from No.11 coal seam was highest in the samples from three coal seams, with the porosity damage of 76.5 and permeability damage of 93.3, that from No.3 coal seam was lowest with the porosity damage of 38.5 and permeability damage of 77.9, and that from No.5 coal seam is relative high with the porosity damage of about 45 and permeability damage of 83.9. It was suggested that the occurrence of the fractures in coal is resulted mainly from the stress damage difference among the coal seams. Additionally, the power function is more accurate than exponential function for fitting the measured value of porosity and permeability in the range of test stress. Key words coal reservoir; porosity; permeability; stress sensitivity; difference 煤储层孔渗参数是反映煤层气开发过程中气／ 水流动难易程度的重要标志，因其弹性模量小、泊 松比大的力学性质而极易受到应力伤害，受到国内 外学者的广泛关注。一部分学者通过实验研究了煤 层渗透率应力敏感性特征［I升，另一部分学者建立了 煤储层渗透率变化模型［忘14）。但受地质背景、沉积 收稿日期2012-09-23 环境及应力条件等因素的影响，煤层孔渗应力敏感 性存在差异。因此，煤层气田开发设计不能简单地 直接套用前人的研究成果，应通过具体实验，建立 适合本地区特定煤层的孔渗应力敏感模型。 韩城煤层气田是我国初步实现规模化开发的典 型中高阶煤层气田，研究其煤储层孔渗应力敏感特 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05038-001）；国家自然科学基金青年项目（40802027 作者简介吕玉民（1985一），男，江西吉安人，博士，从事煤层气地质与开发研究． ChaoXing 32 煤田地质与勘探第41卷 征有助于优化开发设计。本文从覆压孔渗实验出发， 探究该地区3号、5号和11号煤储层孔渗应力敏感 性及其差异性，并进一步分析其潜在的影响因素。 1 样品及孔渗实验方法 煤样采自韩城地区盛捷煤矿3号煤层（SJ3）、象 山煤矿5号煤层（XS5）和南沟一矿11号煤层NGll, 均属于贫煤。沿平行煤层层理面方向钻取孔渗实验 样品，余留碎样用于煤的工业分析和显微组分分析， 结果见表lo 表1测试媒岩基本性质 Table 1 Basic properties of coal samples 样品 工业分析／显微组分／ 编号 M,d A,d 几d镜质组惰质组壳质组矿物 SJ3 0.61 11.18 11.63 88.51 4.12 0.00 7.37 XS5 。.929.72 10.49 84.86 9.73 0.00 5.41 NGll 0.43 12.54 10.38 95.30 3.30 0.00 1.40 实验采用AP608覆压孔渗仪，测试气体为氮气， 分别在4.14MPa 6.21 MPa、8.27MPa、10.34MPa、 12.42 MPa的围压下测定煤岩的孔隙度和渗透率。 其中，孔隙度测定依据理想气体的玻意耳定律，即 乓马＝乌（v.标＋v;修＋几ore tpf♀ore /V,煤 式中P1为测试前压力，MPa;P2为测试稳定后压 力，MPa;V为标准室体积，cm3;马为管线修正 体积，cm3;Vpore为孔隙体积，cm3；马为煤样总体 积，cm3；ψ为孔隙度，小数。 渗透率测定依据JonesP5l提出的非稳态压降法， 通过该方法可以迅速地得到氮气渗透率 一仄loGdi主（tk1A 一牛一一一（一）＝一.........一一的（t）＋苟且＋b2 马（tdt 202.64L v “ 式中Vi为氮气罐的体积，mL；δ为非稳态流动修 正因子；G为关于Pa和b的无量纲函数，小数；Pot 为氮气压力，MPa;P.为大气压力，MPa;b为 klinkenberg滑脱因子，MPa;k1为Klinkenberg渗透 率，mD;为氮气的粘度，mPas;L为岩心长度， cm; A为岩心的横截面积，cm2。 、‘．，， EA ，，．‘、 2 孔渗实验结果及其分析 2.1 孔隙度变化规律 孔隙度实验数据显示XS5煤岩孔隙度最大； NGll煤岩孔隙度最小；SJ3煤岩孔隙度居中（图1）。 对实验围压和孔隙度测值进行非线性回归拟合，发 现两者之间既存在幕函数关系，也存在指数函数关 系。除了XS5煤岩出现异常点外，这两个函数关系 均具有很好的相关系数，且NGll煤样拟合精度（幕 函数，0.973 7；指数函数，0.9080）优于SJ3煤样（幕 函数，0.893 2；指数函数，0.8569）。通过对比分析 发现，幕函数更能拟合测试数据点，且相关系数均 大于指数函数。 各煤层孔隙度随围压增加而出现较为严重的伤 害（图2）。其中，SJ3煤样的孔隙度伤害程度最小， 为38.5；其次为XS5（忽略异常点），约45；而 NGll煤岩的孔隙度应力伤害最大，达78.6。 6_0“ sB xss NGtt －辛辛函数－－指数函敏 5.0 ιx-o＇工 莲4.0 赵 直至3.0 y9.32x-O.SI K 0.89 ‘岳、Ay 6.39e ... “ 飞、ζ－－R0.86 2.or y13.4町u飞字ζ.，，..＿＿＿＿＿ R2 0.97、λ 。.........＿y4.13e-o 1.0 1-飞、严电电－R 0.91 ... - 0.0 0 12 15 罔ffilMPa 图l孔隙度一围压数据拟合图 3 Fig. l Curve fitting for porosity-confining pressure data 1.2「＋sn XS5 . NGll煤样拟合精度相对稍差，幕函数相关系数为 ChaoXing 第6期吕玉民等韩城地区煤储层孔渗应力敏感性及其差异 33 0.946 I，指数函数相关系数为0.9229。对比分析同 样发现，幕函数几乎能拟合测试数据点，且相关系 数均大于指数函数。 各煤样渗透率随围压增加出现极为严重的应力 伤害，且应力伤害主要集中在围压加载过程的前期 4.1412.42 MPa），后期渗透率伤害相对较弱（图4）。 但是，SJ3煤样渗透率伤害程度最低，为77.9；其 次为XS5煤样，约83.9;NGll煤样渗透率应力 伤害最高，达93.3。 0.08 sJ3 XS5 A NG 11 －泪下函数－－指数函数 O.D7 y 0.63x-“ y 0.126 5e--0o,, ，酬、 R2 0.983 0 0.06 y 0.146 9e--02x 每’剿♀每0.05 y I 27x-171 R 0.976 5 0.04 R斗＝0.9983 y 0.078 6e...,02 0.03 后＝0.922 9 0.02 y816x-rn R2 0.946 I 0.01 0.00 。3 6 9 12 15 阁FfJMPa 图3渗透率－围压数据拟合图 Fig. 3 Curve fitting for permbility-confining pressure data 1.2 1.0 SJ3 XS5 A NG I I －－辛辛函数 起0.8 主f 惕。.6 烟 袋0.4 y 12.25x-“ R 0.999 2 y 14. lSJ3煤样的渗／孔伤害 比居中，除去异常点外的最大为2.02。 6 SJ3 XS5 ANGii ζJduT 句3 句，＆ 抽血年问团筐」时伽运咽叮刷刷蛐咄 。 。6 围压/MPa 9 12 15 3 图5煤岩渗／孔伤害比与围压的关系 Fig. 5 Relationship between coal perm/poro damage and confining pressure 2.4 应力敏感性差异影晌因素 普透率取决于煤层裂隙的发育情况（16），即煤层 裂隙越发育，其渗透率越大。图6显示，NGII煤 样的裂隙最为发育，其次为SJ3煤样，XS5煤样的 裂隙发育最差。此外，SJ3煤岩端面的白色条带显 示，该煤样部分裂隙被方解石充填，这是该煤样矿 物质含量最高的原因之一（表I）。 a）煤样SJ3b）煤样XS5 c）煤样NG门 图6煤岩割理发育图 Fig. 6 Development diagram of coal cleat ChaoXing 34 煤田地质与勘探第41卷 测试过程中，4.14～12.42MPa的围压对裂隙极 为发育的NGll煤样孔渗伤害大于SJ3和XS5煤样， 导致NGll煤样孔隙度和渗透率应力伤害远大于其 他煤样。裂隙发育较好但部分被矿物充填的SJ3煤 样的孔隙度小于XS5煤样，但渗透率却大于XS5。 因矿物含量较高，SB煤样的孔渗应力敏感性自然 要略弱于XS5煤样。因此，裂隙发育情况会极大地 影响煤岩孔渗的应力敏感性。 4结论 a. 11号煤层孔渗最小，5号煤层孔隙度大于3 号煤层孔隙度，但3号煤层渗透率大于5号煤层的 渗透率，发现孔渗实验数据更适合用幕函数拟合。 b.11号煤层孔渗应力敏感最为严重，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较强， 孔隙度应力伤害约45，渗透率应力伤害达83.9。 c.对比分析发现，渗透率应力伤害远大于孔隙 度应力伤害。5号煤层的渗／孔伤害比最大，随围压 增长最快；11号煤层的渗／孔伤害比最小，随围压增 长最慢。 d.裂隙发育和保存情况是决定煤岩孔渗应力 敏感差异性的重要因素。 参考文献 [] SOMERTON W H, SOYLETAEZOGLU IM, DUDLEY RC. 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