影响煤储层渗透率因素的分析

影响煤储层渗透率因素的分析

0煤储层渗透率研究渗透率的降低是限制油气勘探开发的重要因素。可是,由于煤层渗透率的作用因素十分复杂,地质构造、应力状态、煤层埋深、煤体结构、煤岩煤质特征、煤阶及天然裂隙等都不同程度地影响着煤层渗透率,而且有时是多因素综合作用结果,有时是某一因素起主要作用,所以,研究起来非常复杂。结合前人研究和本人在分析渗透率与原地应力、煤层埋深、裂隙、有效应力和煤阶等数据资料和相互关系的基础上进行了进一步的研究。研究认为,影响本区煤储层渗透率的主控因素是地应力和埋深,其他因素对渗透率也起着一定的作用。这和秦勇、傅雪海等研究结果基本一致。文中以沁水盆地中南部为主要研究区,进行渗透率数值模拟研究。首先是对单个因素对渗透率的影响进行数值模拟,然后,分析影响因素的相关性,建立相关影响因素之间的数值关系。在此基础上,研究建立渗透率预测的复合因素数值模型。1渗透率与煤的关系一般来说,煤层割理、裂缝等内在因素对渗透率起主导作用,但是在沁水盆地复杂的地质构造背景下,原地应力、有效应力等外在因素对煤层渗透率影响尤为显著。Enever等(1997)通过对澳大利亚煤层渗透率与有效应力的相关研究发现,煤层渗透率变化值与地应力的变化呈指数关系,而将煤层气储层的原地应力减去原始储层压力,即得到煤层的有效应力。渗透率与有效应力关系式为K/K0=e3cΔσ(1)式中K/K0为给定应力条件下的渗透率与初始渗透率的比值;C为煤的孔隙压缩系数;Δσ为从初始到某一应力状态下有效应力的变化值。而对本研究区的数据资料进行整理研究,在单独考虑有效应力和渗透率的情况下,发现二者之间也具有良好的负相关性,相关系数为0.87。然后,对其进行数学线性估计分析,得到该地区的渗透率与有效应力的数值关系为K=-3.935+7.818/lnσH(2)式中σH为有效应力,MPa;K为预测渗透率。由关系式可知当有效应力超过某一程度时,渗透率将失去实际的研究意义。对沁水盆地屯留、樊庄等矿区煤层气井的试井实测渗透率(K)与原地应力(σ)的相关研究发现,煤层渗透率与煤层原地应力也为指数关系K=4169.1e-1.072σ(图1)。并且相关曲线的趋势很明显,随着地应力的增加,渗透率逐渐减小。如果煤层的原地最小主应力大于11.0MPa,其渗透性一般都较差;而如果煤层的原地最小主应力小于11.0MPa,渗透率具有逐渐增大的趋势。由此,可知煤储层的渗透率与有效应力及原地应力具有较好的相关性。2合并深度、裂缝和渗透之间的关系2.1相似埋深的渗透率由煤层试井数据分析来看,主煤储层试井渗透率具有随埋深加大呈指数规律减小的趋势(图2)。由已知的煤储层试井数据,可得出其关系式为KWH=5133.74e-0.17H(3)式中KWH为一定埋深下的渗透率,10-3μm2;H为储层埋深,m。并可得出一般公式为KWH=C0eC1H(4)式中C0,C1为待定系数。然而,在相似埋深条件下渗透率的变化也可高出一个数量级。例如,南部潘庄—樊庄地区与东部的屯留地区,己施工煤层气井的主煤层埋深都在300～800m之间,但潘庄—樊庄地区的井孔渗透率多大于1.0×10-3μm2/h,而屯留地区的几口井的渗透率几乎全在0.1×10-3μm2/h以下。这一差异揭示,在总体受埋深控制的情况下,还存在着其他影响因素,也就是说,在埋深相当的条件下,其他影响因素对渗透率起着更为重要的控制作用。2.2主煤层埋深与有效应力计算煤储层的有效应力可由有效应力原理公式,在忽略温度应力、煤基质收缩应力的情况下得出。而本文中根据屯留3号主煤层数据资料,利用线性拟合的方法,拟合得出煤层埋深与有效应力的数学关系式(图3)。σH=-3.473+0.019H-9.5×10-9H3(5)式中σH为有效应力,MPa;H为煤储层埋深,m。由图3可以看出,随着埋深的增加,有效应力增大,即埋深对有效应力具有一定影响关系,但是,在研究时还要考虑其他因素的影响。2.3煤储层裂隙宽度由秦勇、傅雪海等对沁水盆地中南部不同地区的煤样测得的裂隙宽度数据(表1)可知,煤储层裂隙宽度随埋深的增加呈减小趋势,并通过回归分析可知两者之间呈一定的数值关系。2.4素相关关系上世纪80年代以前只定性地研究了煤岩、煤质、煤结构、煤化作用史、构造演化史、埋深及地下水活动对煤储层渗透率的影响。随着研究的深入,才逐步建立了煤储层渗透率与天然裂隙间距和缝宽之间的单因素相关关系,Levine(1996)得出的经验公式为K=(1.013×109)W312S(6)Κ=(1.013×109)W312S(6)式中W为割理缝宽,mm;S为割理间距,mm;K为绝对渗透率,m-3。将煤岩体当作线弹性体或弹塑性体,连续或非连续体,单一多孔隙介质或双重孔隙介质,各向同性或各向异性体,均质或非均质体,并分别进行单一条件或多种复合条件的数值模拟,通过分析煤岩体的受力状态,估算煤割理的张开度和渗透率,或通过电阻率和微电极测井资料获得煤储层渗透率的相对大小,或由测井流量与压降联系起来的单位涌水量来估算渗透率,或由纵横波速来求算渗透率等。3复合模型的建立及应用在对渗透率与地应力及埋深等研究的基础上,可以建立渗透率与影响复合因素的基础模型。下面对渗透率主要影响因素的模型进行研究。因为,影响本区煤储层渗透率的主控因素是地应力和埋深,并且,其他一些相关影响因素与埋深具有较好相关性,所以,利用回归分析的方法,并通过加权、修正和检验,对渗透率与主要影响因素进行研究并建立复合因素模型(图4)。由沁水盆地中南部3号主煤层的试井数据可以得出其关系式为K=1.749-0.002H-0.015σ(7)其一般形式为K=A-bσ-cH(8)其中A,b,c为待定系数。由复合模型计算得到的预测渗透率(表2),可知文中建立的煤储层渗透率复合模型在预测渗透率上的拟合度较好,对预测煤储层渗透率的发育趋势有一定的借鉴作用,对煤储层的研究和煤层气的开采有一定的指导意义。虽然不同煤储层的渗透率预测值误差会变得较大,但是,还是可以明显的看出预测值在整体上符合实际渗透率的变化趋势。所以,建立的模型可以预测煤储层渗透率的整体分布情况。4煤储层渗透率模型研究的意义1)煤储层的影响因素是复杂而多样的,并且许多都是各种因素综合作用的结果,通过数据的分析和数值拟合,得出影响沁水盆地中南部煤储层渗透率的主控因素就是地应力和埋深的结论。并且在渗透率的影响因素间也存在着良好的相关性,例如,埋深和裂隙、埋深与有效应力等。因此,在建立数值模型时可以合并相关性好的数据,达到简化模型的目的。2)各种渗透率的影响因素间具有紧密的联系,所以通过对研究区的渗透率与各种影响因素综合分析,得到影响因素与渗透率之间的关系,并找出其主要影响因素。在模拟研究中对主要因素进行重点分析和模拟,即可对渗透率分布和发育情况有一个合理的认识和预测。3)渗透率的实际分布情况因各个地区的渗透率影响因素不同而不同,在找出主要作用因素之后,才能对某一地区进行渗透率模型的分析和建立,来预测渗透率。通过渗透率影响因素复合模型的建立,来指导渗透率的研究,寻找良好的煤层气储层,对于解决目前煤层渗透率数据匮