煤储层的渗透性及其分级与分类

焦作工学院学报, 第17卷, 第2期, 1998年3月

Jour nal of

Jiaozuo Institute of T echnology, Vol 117, No 12, M ar 11998

煤储层的渗透性及其分级与分类*

苏现波

(焦作工学院化石燃料研究所 焦作454000) 方文东(焦作市规划建筑设计院)

摘要 在对煤层储集层渗透性的基本概念、影响因素和研究方法论述的基础上, 提出了煤储层分级、分类方案.

关键词 煤储层的渗透性 储层分级 储层分类

中图法分类号 TD 71212 P 6181130121

0 引 言

储层的渗透性决定了煤层气的可勘探开发性及工艺的选择. 与常规油气储层相比, 煤层气储层是一种相对较致密的储层. 在开发过程中, 渗透率不断发生变化, 这是由煤层的力学性质以及诸如地应力、Klinkenberg 效应、基质收缩效应[1]的影响所致, 由此造成常规油气储层的分级、分类不能用于煤储层, 这就为煤储层的评价带来了不便. 为此, 作者根据煤储层的特点, 首次提出了一套分级、分类方案, 以同广大煤层气工作者商榷.

1 煤层气储层的渗透性

111 渗透性的基本概念

储集层的渗透性是指在一定压力差下, 允许流体通过其连通孔隙的性质, 也就是说, 渗透性是指岩石传导流体的能力. 渗透性优劣用渗透率表示. 渗透率有绝对渗透率、有效渗透率、相对渗透率之分. 单相流体充满整个孔隙, 且流体不与煤发生任何物理化学反应时, 测出的渗透率称绝对渗透率. 当储层中有多相流体共存时, 煤对其中每一相流体的渗透率称有效渗透率. 相对渗透率是指当储层中有多相流体共存时, 每一相流体的有效渗透率与其绝对渗透率的比值. 可见有效渗透率和相对渗透率不仅与煤的结构有关, 而且与每一相流体的饱和度、岩石润湿性和流体性质有关.

112 渗透率的影响因素

对常规油气储层而言, 渗透率基本上为一固定值, 即由自身的孔隙结构和裂隙特征决定. 尽管近期有人认为随油气的开采, 原来的平衡状态被破坏, 导致渗透率发生变化, 但这些变化与煤储层相比小得多. 煤层气储层的渗透率除受自身裂隙发育特征这一内部因素控制外, 开采煤层气过程中外界条

收稿日期:1998O 01O 10

第一作者:苏现波, 男, 1963年生, 工学硕士, 副教授. :

第2期 苏现波:煤储层的渗透性及其分级与分类 95 件的改变也可对之产生强烈影响. 随煤层气的开采, 渗透率的变化幅度可达两个数量级. 外部条件对渗透率的影响是通过煤储层自身形变而实现的, 这与煤软而脆、低杨氐模数的力学性质有关. 外部条件, 特别是应力条件的改变最易引起其变形. 渗透率的外部影响因素主要有以下3种.

11211 有效应力

有效应力是总应力与储层流体压力之差. 垂直于裂隙方向的总应力减去裂隙内流体压力, 所得的有效应力称为有效正应力, 它是裂隙宽度变化的主控因素. 有效应力的增加, 导致裂隙宽度减小, 甚至闭合, 使渗透率急剧下降. Somerton 等人

下关系:

K =1. 03@10-0. 31R

可见有效应力与渗透率之间存在幂函数关系, 随有效应力增加, 渗透率下降.

M ckee 给出了更为完善的关系式[3]:

K =K 0ex p (-3C p $R)

式中: K ) ) ) 绝对渗透率;

K 0) ) ) 初始绝对渗透率;

@d p

式中: 5) ) ) 孔隙度; C p =

对上式积分得

5=50exp (-C p $R)

由上式可知, 随应力的变化, 基质孔隙体积发生收缩.

Walls 引入了/压力渗透率0参数C [, 4]

@ K d p

给出关系式 K =K 0ex p (C $p ) C =(5) (6) (4) $R) ) ) 有效应力增量; C p ) ) ) 孔隙体积压缩系数. (3) p ) ) ) 流体压力. (2) [2]实验研究发现有效应力(R ) 与渗透率(K ) 存在如(1)

煤特殊的力学性质决定了其孔隙体积压缩系数比岩石的大, 且变化范围宽.

有效应力显然与储层初始应力(原应力) 和流体压力有关. 原应力的野外测定比较困难, 对煤层而言更为复杂, 一般是在钻孔中测定煤层顶底板砂岩或灰岩的原应力, 近似视为煤层的原应力. 这一应力有两部分组成, 一是由重力效应引起的, 即盖层应力; 另一部分是侧向应力, 由构造应力和盖层应力的水平分量组成. 盖层应力可分解为垂直应力和水平应力, 二者关系为

R 1-v v

式中: R n ) ) ) 自重引起的水平应力; R n =

R v ) ) ) 自重引起的垂直应力;

流体压力可通过压力传感器在钻孔中直接测得. 地质时期流体压力是由盖层厚度和静水压力控制的, 短时间内钻孔排放可使之迅速改变.

11212 Klinkenberg 效应

当气体在多孔介质中流动时, 由于流体的粘滞性, 造成接近固体表面的层流速率近于零. 但有些气体不存在这种现象, 只存在分子滑移现象, 这种现象由Klinkenberg 效应所致. 在低渗多孔介质中, 由于气体分子平均自由通道与流体通道在一个数量级上, 气体分子就与通道壁相互作用(碰撞) , 从而造成气体分子沿孔隙表面滑移, 增加了分子流速, 这一现象称分子滑移现象. 这种由气体分子和固体分子间的相互作用产生的效应称Klinkenberg 效应. 可由下式定量描述

K a =K 0(1+) p m [1](7) v ) ) ) 泊松比. (8)

96 焦 作 工 学 院 学 报 1998年第17卷式中: K 0) ) ) 初始绝对渗透率;

p m ) ) ) 平均气体压力;

2RT /P #M w 式中: c ) ) ) 常数(多取019) ; 其中 b =

L ) ) ) 流体粘度;

M ) ) ) 流体分子量;

透率的增量为 K (滑移) =K 0b /p m

11213 基质收缩效应K a ) ) ) 视渗透率; b ) ) ) Klinkenberg 系数. (9) w ) ) ) 流体通道宽度; R ) ) ) 气体常数; T ) ) ) 绝对温度. (10) 可见b 不仅与气体性质有关, 而且与储层特性和温度有关. 由上式可知, 由Klinkenberg 效应造成渗

实验表明, 煤体在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀与收缩. 煤层气开发过程中, 储层压力降到临界解吸压力以下时, 煤层气便开始解吸. 随着气体解吸量的增加, 煤基质就开始了收缩进程. 由于煤在侧向上是受围限的, 因此煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变, 只能沿裂隙发生局部侧向应变. 基质沿裂隙的收缩造成水平应力下降, 有效应力相应减小, 裂隙宽度增加, 渗透率增高.

K (收缩) =K (实测) -K 0-K (滑移) =K (实测) -K 0-K 0@b /p m

由于煤自身解吸使渗透率改变, 可用下式表达

$K (基质应变) =A ($V m /V m )

$V m /V m =B V d

V d =V L P /(P L +P)

因此 $K (基质应变) =AB V d =A V d

式中: $V m ) ) ) 基质体积变化量;

V m ) ) ) 基质体积;

V L 、P L ) ) ) Lang muir 体积和压力; V d ) ) ) 解吸量; A 、B ) ) ) 取决于煤体性质的常数, A =A #B . (11) (12) (13) (14) (15)

由于煤自身的性质不同, 其收缩率也不尽相同, 有些几乎没有收缩, 而有的收缩率却相当高.

以上3种因素对煤储层渗透率的影响程度, 因煤自身性质不同而不同. 对低收缩率或不收缩的煤储层, 主要受有效应力影响, 随有效应力增加, 渗透率下降. 而高收缩率煤储层, 由于基质收缩占主导地位, 随解吸收缩加强, 渗透率增高. 但Klinkenberg 效应总是引起渗透率有一增量.

以上3种因素对煤储层渗透率的影响可用图1

、图2表示[1].

图1 渗透率随压力的变化特征

Fig 11 Variation in permeabilit y with decreasing pressure

o ) ) ) 总渗透率; ) ) ) ) 滑移效应; 田) ) ) 收缩效应图2 基质收缩引起的体积应变与体积变化的关系Fig 12 Relationship between volumet ic strain and chang in permeability due to matr ix shrinkage

第2期 苏现波:煤储层的渗透性及其分级与分类 97 113 渗透率参数的获得

11311 实验室测试

储层绝对渗透率、相对渗透率的实验室测试, 是在渗透率仪上进行的. 常规油气储层所采用的渗透率仪, 对煤层而言适用性较差. 为此, 许多研究者对原有的渗透率仪进行了不同程度的改进, 但基本原理无本质变化. 用该装置可有效测定煤的绝对和相对渗透率, 但测定时所用气体必须是氮气或氦气, 而不能是甲烷, 因甲烷易被煤体吸附, 同时吸附后造成煤体膨胀, 影响渗透率的准确测定. 相对渗透率的测定有两种方法:一是非稳态法, 该方法首先用盐水将煤芯饱和, 而后注入气体排出盐水, 记录随时间排出的水和气的量及压力等数据, 计算出气、水相对渗透率; 另一种是稳态法, 该方法是同时将盐水和气体在一定压力下恒速注入煤芯, 记录水、气的排出量随时间变化的情况, 求出相对渗透率. 非稳态法更适合于孔隙度低的煤芯.

11312 试井渗透率

试井渗透率是通过试井在现场直接测得的, 对煤储层而言, 多采用段塞法和注水压降法, 此属煤层气勘探开发工艺的内容, 这里不再赘述.

2 储集层的分级与分类

211 分级

对煤层气储集层而言, 若用常规油气储集层的分级原则进行评价, 多归为渗透性微弱或非渗透性储集层. 因煤储集层的渗透率多在10md 以下, 其中相当一部分在1m d 以下, 但这并不意味着大部分煤层气赋存于不可开发的储层中. 即便是对常规油气储层而言, 合理的强化措施, 也有可能使一些非生产层转化为生产层, 煤层气储集层多是如此. 水力压裂和裸眼洞穴等强化措施的成功运用, 使其渗透能力显著提高. 通过以往煤层气开发成功的实例, 按渗透率的高低可将煤层气储集层分为5级:

1级:K >10md, 渗透性极好的储集层;

2级:10md \K >5md, 渗透性良好的储集层;

3级:5md \K >1md, 渗透性中等的储集层;

4级:011md

5级:K [011md, 非渗透性的储集层.

成功的经验告诉我们, 渗透率大于1md 的储集层, 为首选目的层, 可勘探开发性较强. 渗透率在011~1md 之间时要慎重, 因该级储集层经强化处理后, 可能具开发价值, 也可能不具备开发价值, 必须结合其它因素综合分析. 渗透率小于011m d 时, 开发的可能性不大(这里所说的渗透率值为试井测试值) .

212 分类

对常规油气而言, 储集层的分类是依靠岩性、孔、裂隙特征进行的. 如碎屑岩储层、碳酸盐储层、发育次生裂隙的其它岩性储层、火山岩储层等. 但对煤层气储集层而言, 其组成是单纯的煤, 显然无法按岩性分类. 为此我们引进瓦斯地质学中煤体结构的概念, 以此为基础对煤层气储集层进行分类描述, 将其分为4大类, 同时考虑煤的变质程度, 进一步细分为12个型号, 见表1.

21211 原生结构煤储集层

该类储层主要由原生结构煤组成, 煤体结构几乎未受构造破坏, 煤层的原始结构、构造保存完整, 并以内生裂隙为主, 偶尔可见外生裂隙和继承性裂隙. 研究表明这类煤的渗透能力最好, 特别是内生裂隙最为发育的中变质阶段煤. 目前成功的煤层气开发多集中在这类储层中, 如美国的San Juan 盆地和中国的河东煤田等. 煤与瓦斯突出统计研究表明, 原生结构煤发育区一般不发生突出, 究其原,

说明这类煤的渗透能力较强. 因此, 含气量较多的中变质阶段的原生结构煤储层, 以其优良的渗透性而被作为煤层气勘探开发的首选目的层. 同时较完整的煤体结构使储层强化措施的实施成为可能.

表1 煤储层分类

T able 1 Classification of co albed methane reservoirs

类 别型 别Ñ1 低变质阶段煤

Ñ 原生结构煤储层Ñ2 中变质阶段煤

Ñ3 高变质阶段煤

Ò

Ò 碎裂煤储层 Ò

Ò1 2 3 储层评价较有利储层 最佳储层较有利储层较有利储层 有利储层 有利储层

不利储层

较有利储层

较有利储层

不利储层

不利储层

不利储层低变质阶段煤中变质阶段煤高变质阶段煤Ó1 低变质阶段煤Ó 碎粒煤储层 Ó2 中变质阶段煤Ó3 高变质阶段煤Ô1 低变质阶段煤Ô 糜棱煤储层 Ô2 低变质阶段煤

Ô3 低变质阶段煤

21212 碎裂煤储集层

内生裂隙亦然存在, 外生裂隙和继承性裂隙增多. 这类储层的渗透性变化较大, 对内生裂隙不发育的低变质或高变质煤, 外生裂隙的增多无疑可提高其渗透率, 但对内生裂隙十分发育的中变质煤, 外生裂隙的发育可能使渗透率增加或降低, 主要取决于外生裂隙的方向和组数. 方向多变, 组数较多, 将导致内生裂隙被严重改造, 渗透性变差; 方向单一, 特别是继承性裂隙发育时, 渗透性增强. 碎裂煤储集层在我国东部构造活动较强烈的高变质煤分布区尤应重视. 因高变质煤内生裂隙不发育, 含气量较高, 因此外生裂隙成为煤层气运移的有效通道. 同时裂隙组数少、方向单一的煤层便于强化处理(如水力压裂) .

21213 碎粒煤储集层

以外生裂隙多组、多方向发育、煤体破碎成粒状为特征. 碎粒煤储集层的渗透能力较差. 矿井瓦斯突出统计结果表明, 碎粒煤分布区瓦斯不易运移释放出来, 而容易积聚在应力集中地带, 在开采过程中突然释放, 造成煤与瓦斯突出. 因其渗透率一般在1md 以下, 故不作为目的层对待.

21214 糜棱煤储集层

由劈理发育的鳞片状煤和无任何裂隙的土状煤组成, 渗透性极差, 渗透率在011md 以下, 不可作为煤层气开发目的层.

参 考 文 献

1 Harpalani S, Chen G. Gas slippag e and matr ix shrinkag e effects o n coal permeability. In:Proceeding of the 1993

International Coalbed M ethane Symposium. T ucloosa, 1993. 285~294

2 Somerton W H. Effect of stress on permeability of coal. I nt J o f Rock M ech M in Sci and Geo Abstr, 1975(12) : 129~145

M ethane Symp. T ucloosa, 1987. 16~19

4 W alls J, Nur A, Dvo rkin J. Slug test method in reservoirs w ith pressure sensitive permeability. In:Proceedings o f the 1991

Coalbed M ethane Symposium, T ucloosa, 1991. 97~1063 M ckee C R, Bumb A C, Koening R A. Stress_dependentPermeability and porosity of coal. proc of t he 1987Coalbed

Permeability of Coalbed Methane Reservoir

and It c s Grade and Classification

Su Xianbo

(Fossil F uel I nstitu te , Jiaoz uo Institute o f Technology, Jiaoz uo 454000)

Fang Wendong

(Designing I nstitu te of Pr ogram me &Bu ild ing of Jiaozu o)

Abstract According to the discussion of permeability and it c s controlling factors, the grade and classification of coalbed methane reservoir have been proposed.

Keywords permeability of coalbed methane reservoir; g rade and classification of reservoir

(本文责任编校 胡秀芳 杨玉东)