煤層氣儲層滲透率影響因素及發(fā)育機理研究

煤層氣儲層滲透率影響因素及發(fā)育機理研究

煤炭儲存層的滲透是確定煤氣層可開采性的重要指標之一。由于其影響因素非常復雜，開發(fā)機制的研究引起了國內(nèi)外科學家的關注。除其自身的切割發(fā)育特征外，主要受應力狀態(tài)、埋深、煤層、削減等因素的控制。幾個因素相互作用和關聯(lián)。然而，許多科學家僅簡單地分析了一個因素與煤層滲透的定性或半定量關系，并忽視了不同因素之間的內(nèi)部關系。這給煤炭儲存層的滲透分析帶來了很大的困難。因此,本文通過分析鄂爾多斯盆地東緣煤層成煤期后煤巖性質的演化特征,結合地應力對于煤儲層割理發(fā)育的控制作用,建立了煤儲層滲透性的“煤階與地應力”二元預測模型,并對鄂爾多斯盆地東緣二疊系煤儲層滲透率的發(fā)育情況進行了預測分析,為鄂爾多斯東緣煤層氣勘探開發(fā)提供參考。1煤儲層滲透性發(fā)育的非均質性煤層氣儲層割理系統(tǒng)是煤層氣滲流和產(chǎn)出的主要通道,它控制著煤儲層的滲透性能。煤儲層的割理越發(fā)育,越有利于滲透性的提高,割理發(fā)育的各向異性控制了煤儲層滲透性的非均質性。而地質構造、應力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結構、煤巖煤質特征、煤階及割理等都不同程度地影響煤儲層割理的展布。由于地質構造為構造應力場的應力-應變的地質表現(xiàn),煤層埋深則是構造應力場的垂向分量;而不同的煤階具有特有的煤巖煤質特性,割理的發(fā)育更是煤巖不斷演化的產(chǎn)物。因此,煤階與構造應力場是煤儲層發(fā)育的主控因素,而其他因素的影響作用較小。1.1有效應力與煤儲層滲透率的關系地應力通過改變煤儲層的孔隙結構控制滲透率的變化,決定了煤層中割理的頻度和方向以及割理的閉合、開啟程度。煤巖割理是一種可逆的破裂變形構造,應力松弛地區(qū)割理趨于開啟,滲透性較好,相反,應力集中的部位割理趨于閉合,滲透性能較差,滲透率隨地應力的增加呈負指數(shù)趨勢變化。因此,進行地應力與儲層滲透率關系的探討和模擬,能夠進一步提高煤層滲透率的預測精度。有效應力是衡量地應力作用程度的重要參數(shù),通過對鄂爾多斯盆地東部和沁水盆地石炭-二疊系煤儲層的實測滲透率與有效應力分析表明,隨著煤層有效應力的增加,滲透率以指數(shù)規(guī)律降低(圖1),當有效應力小于20MPa時,煤層滲透率的分布范圍為0.5×10-3~4×10-3μm2,平均為0.96×10-3μm2;當有效應力大于20MPa時,煤層滲透率普遍小于0.5×10-3μm2。應力集中的煤儲層,割理趨于閉合狀態(tài),滲透性較差;相反,應力松弛的煤儲層,煤巖割理處于相對開啟的狀態(tài),滲透性較好。由此可見,利用有效應力可以對煤層滲透率進行有效預測。1.2煤儲層滲透率的演化煤巖的力學性質隨著煤巖熱演化程度的加深而發(fā)生規(guī)律性的變化,不同的煤階,煤巖的彈性模量、泊松比、體積模量也不同,這些煤巖力學性質的變化直接決定了構造應力場的作用效果。為此,本研究選取不同煤階的煤樣,對其力學性質進行了分析(表1)。隨著煤層烴源巖熱演化程度的不斷加深,煤層大量生烴,煤巖的物理化學性質發(fā)生突變,煤巖收縮應力和孔隙壓力增強,滲透性能降低。研究表明,滲透率與煤的演化變質程度具有明顯的相關性,低、中演化變質程度的氣-肥煤級滲透率較高,隨著演化變質程度的增加,滲透率逐漸降低,進入高演化變質程度的無煙煤時滲透率最低。煤儲層滲透性主要由煤巖割理網(wǎng)格系統(tǒng)所決定的,相互連通的割理網(wǎng)格構成了煤層氣流動的通道,通過分析鄂爾多斯盆地東部地區(qū)煤層割理的發(fā)育情況,表明相似的地應力環(huán)境下不同煤巖熱演化程度其割理的發(fā)育程度不同(表2)。煤儲層滲透性主要由煤巖割理網(wǎng)格系統(tǒng)所決定的,相互連通的割理網(wǎng)格構成了煤層氣流動的通道,通過觀察鄂爾多斯盆地東部地區(qū)煤層割理的發(fā)育情況,可以發(fā)現(xiàn),相似的地應力環(huán)境下,不同煤巖熱演化程度其割理的發(fā)育程度不同(表2)。在一定的構造應力環(huán)境下,煤巖割理閉合程度受控于煤巖體積模量。從力學形變、破裂角度分析,體積模量高,形成割理閉合較為困難;相反,體積模量低,容易使割理閉合。鄂爾多斯盆地東緣從北部府谷地區(qū)到南部大寧地區(qū),再到中部的吳堡地區(qū),煤巖的演化程度逐漸增高,其煤層面割理最大密度分別為14,22,12條/5cm,端割理最大密度為9,20,12條/5cm?？梢钥闯?隨著煤階的逐漸升高,其割理密度呈現(xiàn)“先增加后緩慢減小”的指數(shù)變化趨勢(表2)。根據(jù)煤巖力學性質隨煤階的變化規(guī)律,認為煤巖在不斷演化過程中其力學性質的改變是影響煤層割理發(fā)育的重要原因。在相同應力作用條件下,隨著煤巖熱演化程度的不斷加深,其割理發(fā)育程度呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢,其中煤階具有低彈性模量、高泊松比、高體積模量的煤巖力學性質,割理發(fā)育程度最好;相反,低煤階和高煤階具有相對高彈性模量、低泊松比、低體積模量的煤巖力學性質,割理發(fā)育程度相對較差。1.3儲層壓差滲流能力的應然關系理想情況下,煤層氣在儲層割理系統(tǒng)中的滲流滿足達西定律其中:q—氣體流速,m3/s;K—滲透率,10-3μm2;A—砂層的橫截面積,m2;Δpz—儲層壓差(井底壓力與平均儲層壓力差值的絕對值),MPa;μ—液體的粘度,Pa·s;L—兩個滲流截面間的距離,m。分析達西定律可知,儲層壓差是氣體在割理系統(tǒng)中快速流動的原始動力,對于地下煤層氣儲層而言儲層壓差又是煤層埋藏深度的函數(shù),即:其中:P—儲層壓差,MPa;ρH—地下流體的平均密度,g/cm3;g—重力加速度,m/s2;Z—煤儲層埋深,m。對于固定的煤巖樣品而言,滲透率越差,就需要越強的流動動力。所以,儲層壓差并非是煤儲層滲透率大小的控制因素,而是決定儲層滲流能力的必要因素,即不同的儲層壓差作用下,煤層氣儲層的滲流能力亦不同。研究區(qū)內(nèi)實測滲透率與埋藏深度的關系可進一步證明上述觀點,隨著埋藏深度的增大,煤儲層滲透率具有降低趨勢,但二者的相關性不強(表3)。2割理密度與煤質體反射率模型的關系綜合上述分析,選取煤階和有效應力兩參數(shù)進行滲透性發(fā)育的模擬,利用鄂爾多斯盆地東緣石炭-二疊系鏡煤反射率(Ro)、構造應力場數(shù)據(jù)與煤儲層滲透性之間的關系進行二元回歸分析。研究表明,煤層的演化程度控制了煤層割理的發(fā)育,低煤階不利于割理的發(fā)育,高煤階的無煙煤常被方解石充填,而在焦煤、瘦煤和貧煤等中煤階的煤層中割理最發(fā)育,依據(jù)鄂爾多斯盆地煤儲層割理發(fā)育情況(表3),提出煤層割理密度與鏡質體反射率的指數(shù)關系模型,即:其中:S—割理密度,條/5cm;Ro—鏡質體反射率,%;A,B為常數(shù)。由此可見,煤層割理與滲透率之間存在冪函數(shù)關系,隨鏡質體反射率的增加,滲透率呈先增后減的變化趨勢,而煤儲層滲透率隨割理密度的增加而呈指數(shù)形式增大(表3),即:其中:K—煤儲層滲透率,×10-3μm2;S—割理密度,條/5cm;C,D為常數(shù)。將(3)式代入(4)式則有其中:K—煤儲層滲透率;Ro—鏡質體反射率;a、b為常數(shù)。在理想的割理-基質系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn)煤層滲透性對應力極為敏感,且隨主應力差的增加呈指數(shù)降低,即:其中:K—絕對滲透率,×10-3μm2;Δσ—有效應力增量,MPa;Ko—初始滲透率,×10-3μm2;Cp—孔隙體積壓縮系數(shù),MPa。將式(5)、式(6)聯(lián)列,得到滲透率的應力與煤級的二元預測模型:其中:K—絕對滲透率,×103μm2;Δσ—應力差,MPa;a,b,c為地質常數(shù)。由此反映,煤儲層滲透性受到煤巖演化程度與地應力的雙重控制。煤巖演化程度一定的情況下,煤儲層滲透率大小取決于主應力差,隨著應力差的增加而降低;而在相同的應力環(huán)境作用下,不同煤級的煤巖其滲透率也不同,隨著鏡質體反射率的增加,滲透率呈現(xiàn)“先增后減”的變化規(guī)律。3鄂爾多斯東西緣油氣儲層高滲區(qū)預測3.1煤儲層滲透率預測模型的建立結合上述分析結果,根據(jù)鄂爾多斯盆地東緣煤層氣試井滲透率資料(表3),對15組有效應力、鏡質體反射率與滲透率數(shù)據(jù)進行回歸分析,得到煤儲層滲透率關于地應力與Ro的二元預測模型:其中:K—煤層滲透率,×10-3μm2;Ro—煤巖鏡質體反射率,%;Δσ為有效應力,MPa。從預測耦合度可以看出,預測值與實際值擬合較好(圖2),滲透率預測模型的效果較好。3.2煤儲層滲透率分析鄂爾多斯盆地東緣地質構造相對簡單,斷層稀少,地層產(chǎn)狀連續(xù)完整,煤層主要分布在石炭-二疊系,其中山西組5號煤層,太原組的8號煤層及其相應層位煤層為主要可采煤儲層,煤層分布較為穩(wěn)定,平均厚度15m,埋深變化較大,為2000~2800m,呈東高西低的單斜構造,煤巖熱演化程度較高,普遍處于中、高煤階,Ro為1.3%~3.0%,中煤階儲層主要分布于北部和東南部大寧-鄉(xiāng)寧地區(qū),其他地區(qū)主要為高煤階(圖3)。利用上述數(shù)值模型對鄂爾多斯盆地東緣煤儲層滲透率的分布情況進行模擬分析,結果表明,研究區(qū)滲透率呈“東高西低”趨勢(圖4),滲透率的發(fā)育明顯受控于地應力,隨埋深的急速降低,滲透率分布為0.01×10-3~6×10-3μm2,其中,尤以柳林和吉縣煤層氣實驗區(qū)煤層滲透性最好,滲透率普遍大于2×10-3μm2,其他地區(qū)煤儲層滲透性較差。綜合分析煤層埋深、熱演化程度與滲透率的分布規(guī)律,深部滲透率小于0.5×10-3μm2,斜坡帶的滲透率為0.5×10-3~6×10-3μm2,認為地應力控制了滲透率的分布,而煤巖熱演化程度對滲透率分布具有一定調(diào)節(jié)作用,高滲區(qū)分布在研究區(qū)內(nèi)斜坡帶的中煤階的地應力松弛部位,而在應力相對集中的高煤階的深部煤儲層為低滲區(qū)。4煤儲層滲透率預測模型的建立煤儲層滲透率是地應力與煤階聯(lián)合作用的結果,兩者通過影響儲層割理的發(fā)育相互關聯(lián),進而對滲透率的發(fā)育起到控制作用。在相似構造環(huán)境下,不同煤階間滲透率的差別體現(xiàn)了地應力的主控作用以及煤巖熱演化的調(diào)節(jié)作用,埋藏深度并非