浅谈沁水盆地煤岩的应力敏感性

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摘 要：煤层气藏开发过程中通常具有较高的含水饱和度，排采过程中，煤层中流体不断产出，流体压力下降，引起煤层应力的持续变化必然对煤层结构产生影响，导致煤储层物性发生改变，因此有必要开展综合研究，并深入研究水相对煤样压的影响。本文针对沁水盆地煤岩的应力敏感性进行了研究。希望本文的研究能为煤岩的应力敏感的研究带来一定的启示和作用。

关键词：煤岩；应力敏感性；渗透

一、煤样应力敏感的概念及研究意义

在煤层气开发过程中，随着水、气介质的排出，煤岩体与流体发生一系列地质效应。一方面，煤层气的解吸产出造成煤基质收缩，孔、裂隙空间被扩大，渗透率增大；另一方面，排水降压过程中煤储层表现出较强的应力敏感性。应力敏感性是指当有效压力增大时，岩石的孔隙度、渗透率等物性参数值降低的现象。这种正、负效应影响着煤层气解吸-扩散-渗流-产出的全过程，是煤层气持续开发和经济评价所需考虑的重要因素。

应力敏感的压力过程如同岩石在成岩或后期上覆压力增加过程，随着有效应力的增加，当岩石颗粒不可压缩时，颗粒之间越来越紧密，孔隙空间越来越小，孔隙之间的连通性越来越差，渗透率也显而易见的减小。

煤岩具有其本身的特性，易脆，埋藏浅，不像常规储层经过长期的成岩，压实作用。在有效应力作用下很容易使支撑裂缝的颗粒，发生塑性变形，变成煤粉，使渗透率大幅度的降低，比常规储层更敏感。

排水、采气过程引起煤层孔隙内流体压力下降后，煤层骨架所承受的有效覆压增加，储层受到压缩，基质孔隙变小、天然微裂缝闭合或张开，导致煤层渗流能力变化，它反映了煤样孔隙几何学及裂缝壁面形态对应力变化的响应。煤层骨架所承受的有效覆压逐渐增加，当煤样颗粒不可压缩时，颗粒之间越来越紧密，孔隙空间越来越小，孔隙之间的连通性越来越差，渗透率也显而易见的越来越小。

资料显示，对于该项研究，国外进行的较多，而我国起步较晚，而且研究者较少。美国学者Fatt.J与Davis D.H.曾对砂岩进行了充分的实验，他们得出当砂岩岩石骨架所受应力等于102MPa时，其渗透率比不加压时降低了11 %～14%，且在开始时渗透率降低明显，继续加压渗透率降低不大。另外，M.拉齐、赫姆斯蒂克及乔格也进行了类似的研究，类似于孔隙度，有关有效应力与渗透率的表达式也是五花八门。

一般来说，变形介质的渗透率随地层压力变化的程度是孔隙度的5-15倍（据戈尔补诺夫AT，异常油田开发），因此，在高压作用下，渗透率的变化是非常大的。在实际生产过程中，随着开发过程的进行，地层压力逐渐下降，导致有效应力增加，煤样中微小孔道闭合，从而引起渗透率的降低。渗透率的下降必然会影响地下渗流能力的变化，进而影响生产井的产能。煤样应力敏感性研究的目的有如下几点：

（1） 准确地评价储层，通过模拟围压条件测定孔隙度可以将常规孔隙度值转换成原地条件下的值。有助于储量评价；

（2） 求出煤样在原地条件下的渗透率，便于建立煤样渗透率Kc与测试渗透率Ke的关系，对认识Ke和地层电阻率也有帮助；

（3） 为确定合理的生产压差服务。

因此，该项研究具有十分重要的生产意义。

二、煤样应力敏感性试验研究

1、方法原理

根据达西定律，在实验设定的条件下注入各种与地层损害有关的流体，或改变渗流条件（流速、净围压等），测定岩样的渗透率及其变化，以评价储层渗透率损害程度。

2、试验的设备及材料

气测渗透率装置、氮气、山西沁水盆地煤样。

三、煤样应力敏感性试验方法

煤气储层应力敏感性试验方法尚无行业标准，故参照油气行业标准（SY/T5336，5358，6385）进行试验。本文将净围压（净围压=围压-驱替压力/2）定义为应力，由于本次实验煤样埋深较浅（300米～700米），煤岩远比砂岩的应力敏感强，所以最高实验应力较行业标准低（一般5～7MPa），为避免滑脱效应对煤样渗透率的影响，在试验过程中保持驱替压力不变。每个应力点持续足够长时间后（应力上升时30min，下降时1h）测定岩样在该应力点下氮气渗透率值。实验煤样的基础数据见下表1。

表1 煤样基础数据

四、试验结果及讨论

1、应力增加时对煤样渗透率的影响

考虑到煤样本身渗透率的影响，本实验选取两个不同深度的煤样（渗透率不同）进行研究，其应力增加对煤样渗透率的影响显示应力增加越大，对煤样的损害率越大，当围压加到5MPa时，对于渗透率比较小的S-1煤样，煤样的损伤率已经达到67.76%，等偏强，而对于渗透率相对较大的S-2煤样，煤样的损害率就达到88.9%，为强损害，因此，这就要求我们在煤层气开发的各个环节中尽量避免由应力敏感性造成的损害。我们还从不同驱替压力对煤样的应力敏感性进行研究，考察了滑脱效应对煤样渗透率的影响，实验结果见下图1和2：

图1 煤样S-3在不同驱替压力下围压-渗透率关系

图2 煤样S-4在不同驱替压力下围压-渗透率关系

从图1可以看出对于煤样S-3，驱替压力增大时，在同一围压下，煤样渗透率有所增加，这可能是由于压力增大时，致使煤空隙里有些基质滑脱，使煤空隙空间变大，渗透率有所增加，而从2图看出，对于煤样S-4，当驱替压力加到0.12MPa时，渗透率反而下降，这可能是因为煤本身渗透率比较小，滑脱的煤基质较多时对煤空隙产生了封堵，致使渗透率下降，这就需要我们在煤层气的开采中应尽量避免滑脱效应带来的影响。

2、应力往复时对煤样渗透率的影响

在研究了应力上升时对煤样所造成的损害基础上，进一步研究应力对煤样的永久性损害，将围压从0.5MPa上升到5MPa后再逐渐降低围压点至0.5MPa，再测出煤样的渗透率，对所测渗透率进行整理后，其结果如下图3和图4：

图3 煤样S-6应力往复对渗透率的影响

从上图3和4可以看出，煤样经过压缩后，即使压力恢复到原始值，渗透率也不能完全恢复，对于渗透率相对比较低的S-6煤样，恢复程度只有原来的74.54%，而对于渗透率相对较高的S-5煤样，恢复程度也只有76.33%，这说明煤样受应力作用时，除了弹性形变外，还发生了塑性变形，给煤岩留下这种由非弹性应变引起的不可逆渗透率损害，值得我们注意。

参考文献

[1] 陈振宏，王一兵等，高煤阶煤层气藏储层应力敏感性研究[J]，地质学报，2008.10

[2] 郑军，煤层气储层敏感性实验研究[D]，成都理工大学，2006.05

[3] 杨胜来，杨思松，高旺来，应力敏感及液锁对煤层气储层伤害程度实验研究[J]，天然气工业，2006.03