煤层气储层渗透率影响因素及发育机理研究

煤层气储层渗透率影响因素及发育机理研究

煤炭储存层的渗透是确定煤气层可开采性的重要指标之一。由于其影响因素非常复杂，开发机制的研究引起了国内外科学家的关注。除其自身的切割发育特征外，主要受应力状态、埋深、煤层、削减等因素的控制。几个因素相互作用和关联。然而，许多科学家仅简单地分析了一个因素与煤层渗透的定性或半定量关系，并忽视了不同因素之间的内部关系。这给煤炭储存层的渗透分析带来了很大的困难。因此,本文通过分析鄂尔多斯盆地东缘煤层成煤期后煤岩性质的演化特征,结合地应力对于煤储层割理发育的控制作用,建立了煤储层渗透性的“煤阶与地应力”二元预测模型,并对鄂尔多斯盆地东缘二叠系煤储层渗透率的发育情况进行了预测分析,为鄂尔多斯东缘煤层气勘探开发提供参考。1煤储层渗透性发育的非均质性煤层气储层割理系统是煤层气渗流和产出的主要通道,它控制着煤储层的渗透性能。煤储层的割理越发育,越有利于渗透性的提高,割理发育的各向异性控制了煤储层渗透性的非均质性。而地质构造、应力状态、煤层埋深、煤体结构、煤岩煤质特征、煤阶及割理等都不同程度地影响煤储层割理的展布。由于地质构造为构造应力场的应力-应变的地质表现,煤层埋深则是构造应力场的垂向分量;而不同的煤阶具有特有的煤岩煤质特性,割理的发育更是煤岩不断演化的产物。因此,煤阶与构造应力场是煤储层发育的主控因素,而其他因素的影响作用较小。1.1有效应力与煤储层渗透率的关系地应力通过改变煤储层的孔隙结构控制渗透率的变化,决定了煤层中割理的频度和方向以及割理的闭合、开启程度。煤岩割理是一种可逆的破裂变形构造,应力松弛地区割理趋于开启,渗透性较好,相反,应力集中的部位割理趋于闭合,渗透性能较差,渗透率随地应力的增加呈负指数趋势变化。因此,进行地应力与储层渗透率关系的探讨和模拟,能够进一步提高煤层渗透率的预测精度。有效应力是衡量地应力作用程度的重要参数,通过对鄂尔多斯盆地东部和沁水盆地石炭-二叠系煤储层的实测渗透率与有效应力分析表明,随着煤层有效应力的增加,渗透率以指数规律降低(图1),当有效应力小于20MPa时,煤层渗透率的分布范围为0.5×10-3~4×10-3μm2,平均为0.96×10-3μm2;当有效应力大于20MPa时,煤层渗透率普遍小于0.5×10-3μm2。应力集中的煤储层,割理趋于闭合状态,渗透性较差;相反,应力松弛的煤储层,煤岩割理处于相对开启的状态,渗透性较好。由此可见,利用有效应力可以对煤层渗透率进行有效预测。1.2煤储层渗透率的演化煤岩的力学性质随着煤岩热演化程度的加深而发生规律性的变化,不同的煤阶,煤岩的弹性模量、泊松比、体积模量也不同,这些煤岩力学性质的变化直接决定了构造应力场的作用效果。为此,本研究选取不同煤阶的煤样,对其力学性质进行了分析(表1)。随着煤层烃源岩热演化程度的不断加深,煤层大量生烃,煤岩的物理化学性质发生突变,煤岩收缩应力和孔隙压力增强,渗透性能降低。研究表明,渗透率与煤的演化变质程度具有明显的相关性,低、中演化变质程度的气-肥煤级渗透率较高,随着演化变质程度的增加,渗透率逐渐降低,进入高演化变质程度的无烟煤时渗透率最低。煤储层渗透性主要由煤岩割理网格系统所决定的,相互连通的割理网格构成了煤层气流动的通道,通过分析鄂尔多斯盆地东部地区煤层割理的发育情况,表明相似的地应力环境下不同煤岩热演化程度其割理的发育程度不同(表2)。煤储层渗透性主要由煤岩割理网格系统所决定的,相互连通的割理网格构成了煤层气流动的通道,通过观察鄂尔多斯盆地东部地区煤层割理的发育情况,可以发现,相似的地应力环境下,不同煤岩热演化程度其割理的发育程度不同(表2)。在一定的构造应力环境下,煤岩割理闭合程度受控于煤岩体积模量。从力学形变、破裂角度分析,体积模量高,形成割理闭合较为困难;相反,体积模量低,容易使割理闭合。鄂尔多斯盆地东缘从北部府谷地区到南部大宁地区,再到中部的吴堡地区,煤岩的演化程度逐渐增高,其煤层面割理最大密度分别为14,22,12条/5cm,端割理最大密度为9,20,12条/5cm。可以看出,随着煤阶的逐渐升高,其割理密度呈现“先增加后缓慢减小”的指数变化趋势(表2)。根据煤岩力学性质随煤阶的变化规律,认为煤岩在不断演化过程中其力学性质的改变是影响煤层割理发育的重要原因。在相同应力作用条件下,随着煤岩热演化程度的不断加深,其割理发育程度呈现先升高再降低的趋势,其中煤阶具有低弹性模量、高泊松比、高体积模量的煤岩力学性质,割理发育程度最好;相反,低煤阶和高煤阶具有相对高弹性模量、低泊松比、低体积模量的煤岩力学性质,割理发育程度相对较差。1.3储层压差渗流能力的应然关系理想情况下,煤层气在储层割理系统中的渗流满足达西定律其中:q—气体流速,m3/s;K—渗透率,10-3μm2;A—砂层的横截面积,m2;Δpz—储层压差(井底压力与平均储层压力差值的绝对值),MPa;μ—液体的粘度,Pa·s;L—两个渗流截面间的距离,m。分析达西定律可知,储层压差是气体在割理系统中快速流动的原始动力,对于地下煤层气储层而言储层压差又是煤层埋藏深度的函数,即:其中:P—储层压差,MPa;ρH—地下流体的平均密度,g/cm3;g—重力加速度,m/s2;Z—煤储层埋深,m。对于固定的煤岩样品而言,渗透率越差,就需要越强的流动动力。所以,储层压差并非是煤储层渗透率大小的控制因素,而是决定储层渗流能力的必要因素,即不同的储层压差作用下,煤层气储层的渗流能力亦不同。研究区内实测渗透率与埋藏深度的关系可进一步证明上述观点,随着埋藏深度的增大,煤储层渗透率具有降低趋势,但二者的相关性不强(表3)。2割理密度与煤质体反射率模型的关系综合上述分析,选取煤阶和有效应力两参数进行渗透性发育的模拟,利用鄂尔多斯盆地东缘石炭-二叠系镜煤反射率(Ro)、构造应力场数据与煤储层渗透性之间的关系进行二元回归分析。研究表明,煤层的演化程度控制了煤层割理的发育,低煤阶不利于割理的发育,高煤阶的无烟煤常被方解石充填,而在焦煤、瘦煤和贫煤等中煤阶的煤层中割理最发育,依据鄂尔多斯盆地煤储层割理发育情况(表3),提出煤层割理密度与镜质体反射率的指数关系模型,即:其中:S—割理密度,条/5cm;Ro—镜质体反射率,%;A,B为常数。由此可见,煤层割理与渗透率之间存在幂函数关系,随镜质体反射率的增加,渗透率呈先增后减的变化趋势,而煤储层渗透率随割理密度的增加而呈指数形式增大(表3),即:其中:K—煤储层渗透率,×10-3μm2;S—割理密度,条/5cm;C,D为常数。将(3)式代入(4)式则有其中:K—煤储层渗透率;Ro—镜质体反射率;a、b为常数。在理想的割理-基质系统中,发现煤层渗透性对应力极为敏感,且随主应力差的增加呈指数降低,即:其中:K—绝对渗透率,×10-3μm2;Δσ—有效应力增量,MPa;Ko—初始渗透率,×10-3μm2;Cp—孔隙体积压缩系数,MPa。将式(5)、式(6)联列,得到渗透率的应力与煤级的二元预测模型:其中:K—绝对渗透率,×103μm2;Δσ—应力差,MPa;a,b,c为地质常数。由此反映,煤储层渗透性受到煤岩演化程度与地应力的双重控制。煤岩演化程度一定的情况下,煤储层渗透率大小取决于主应力差,随着应力差的增加而降低;而在相同的应力环境作用下,不同煤级的煤岩其渗透率也不同,随着镜质体反射率的增加,渗透率呈现“先增后减”的变化规律。3鄂尔多斯东西缘油气储层高渗区预测3.1煤储层渗透率预测模型的建立结合上述分析结果,根据鄂尔多斯盆地东缘煤层气试井渗透率资料(表3),对15组有效应力、镜质体反射率与渗透率数据进行回归分析,得到煤储层渗透率关于地应力与Ro的二元预测模型:其中:K—煤层渗透率,×10-3μm2;Ro—煤岩镜质体反射率,%;Δσ为有效应力,MPa。从预测耦合度可以看出,预测值与实际值拟合较好(图2),渗透率预测模型的效果较好。3.2煤储层渗透率分析鄂尔多斯盆地东缘地质构造相对简单,断层稀少,地层产状连续完整,煤层主要分布在石炭-二叠系,其中山西组5号煤层,太原组的8号煤层及其相应层位煤层为主要可采煤储层,煤层分布较为稳定,平均厚度15m,埋深变化较大,为2000~2800m,呈东高西低的单斜构造,煤岩热演化程度较高,普遍处于中、高煤阶,Ro为1.3%~3.0%,中煤阶储层主要分布于北部和东南部大宁-乡宁地区,其他地区主要为高煤阶(图3)。利用上述数值模型对鄂尔多斯盆地东缘煤储层渗透率的分布情况进行模拟分析,结果表明,研究区渗透率呈“东高西低”趋势(图4),渗透率的发育明显受控于地应力,随埋深的急速降低,渗透率分布为0.01×10-3~6×10-3μm2,其中,尤以柳林和吉县煤层气实验区煤层渗透性最好,渗透率普遍大于2×10-3μm2,其他地区煤储层渗透性较差。综合分析煤层埋深、热演化程度与渗透率的分布规律,深部渗透率小于0.5×10-3μm2,斜坡带的渗透率为0.5×10-3~6×10-3μm2,认为地应力控制了渗透率的分布,而煤岩热演化程度对渗透率分布具有一定调节作用,高渗区分布在研究区内斜坡带的中煤阶的地应力松弛部位,而在应力相对集中的高煤阶的深部煤储层为低渗区。4煤储层渗透率预测模型的建立煤储层渗透率是地应力与煤阶联合作用的结果,两者通过影响储层割理的发育相互关联,进而对渗透率的发育起到控制作用。在相似构造环境下,不同煤阶间渗透率的差别体现了地应力的主控作用以及煤岩热演化的调节作用,埋藏深度并非