不同煤階煤應力敏感特征及其控制機理

孫粉錦，楊焦生，王玫珠，孫 斌，張繼東，趙 洋，鄧 澤

(中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

滲透率是煤層氣開發的關鍵參數之一，生產過程中隨著孔裂隙內流體的產出，煤儲層承受的有效應力增大，產生應力敏感導致滲透率發生不同程度的降低。國外學者研究表明，煤的滲透率隨著有效應力的增大而呈指數函數降低，在較大的有效應力條件下，煤中的微裂隙滲流通道變窄，甚至閉合，導致滲透率急劇降低[1-3]。國內在“十二五”之前，眾多學者主要圍繞高煤階煤以及相鄰的頂底板等開展了大量的應力敏感性研究[4-11]，通過對不同地區的自然煤樣、不同含水條件下的濕煤樣分析，一致認為中高煤階煤的應力敏感性較強，增加含水應力敏感更強，應力敏感對煤層氣排采產量傷害大，應針對不同區塊采用合理的排采管控制度來降低其傷害。相比于高煤階煤層氣，我國中低階煤煤層氣資源更加豐富[12]，“十三五”以來，中低階煤煤層氣的勘探開發逐步加快，二連、新疆等地區實現局部開發或試采，取得良好效果，研究者逐漸將注意力轉向低煤階，一些學者[13-14]采用實驗、理論推導和數值模擬方法初步研究了鄂爾多斯盆地東緣、內蒙古二連盆地等中低煤階煤的應力敏感性，認為低煤階煤儲層應力敏感性更強。但整體來說針對中低煤階煤尤其是褐煤的研究還比較少，而且從二連盆地現場幾十口井的排采來看，并未發現應力敏感對產能有明顯影響。因此，還需結合實際開發儲層情況，進行宏觀尺度的應力敏感分析。而對應力敏感性控制機理方面研究也剛剛起步[15-16]，少數學者從應力狀態、裂縫產狀、孔隙大小等方面進行了初步探討，但對不同煤階煤應力敏感機理的研究和對比分析還不足。鑒于此，筆者選取高、中、低煤階典型開發區塊煤樣，研究加載傷害和卸載恢復全周期內的應力敏感變化規律，并對不同煤階煤滲透率主控因素、應力敏感機理進行探討分析，拋磚引玉，以期學術界和產業界能加速攻關，破解不同煤階煤儲層應力敏感對產能的影響難題，提高煤層氣排采效率和整體開發效益。

1 樣品制備與方案設計

實驗樣品分別取自山西晉城樊莊區塊3 號煤、山西保德區塊5 號煤、二連盆地吉爾嘎朗圖地區賽漢塔拉組主力開發煤層Ⅳ煤組，其中樊莊煤樣鏡質體反射率2.79%～2.98%，為高煤階無煙煤三號，以亮煤為主，顯微組分以鏡質組為主，鏡質組體積分數81.3%～92.4%，灰分質量分數8.1%～12.8%。保德地區煤樣鏡質體反射率為0.75%～0.98%，屬于中煤階氣肥煤，煤巖類型以半暗–半亮型煤為主，顯微組分中鏡質組體積分數平均56.37%、惰質組31.30%、殼質組12.36%。二連煤樣為低煤階褐煤，變質程度低，腐殖體反射率0.32%～0.41%，以暗煤為主，顯微組分中腐殖組體積分數平均79.7%，類脂組5.4%，惰質組13%，礦物1.9%。二連煤樣水分、揮發分、灰分含量較高，水分為16.81%～20.93%，灰分為15.64%～20.62%，揮發分為27.79%～35.61%。

對現場獲取的煤樣進行加工，按照GB/T 23561.1?2009《煤和巖石物理力學性質測定方法 第1 部分：采樣一般規定》制作成?25 mm×50 mm 圓柱體樣品共計13 個(高煤階煤4 個，中煤階煤4 個，低煤階褐煤5 個)，煤樣的基礎參數見表1。

表1 試驗樣品基礎參數Table 1 Basic data of the coal samples

實驗設備采用氣液相對滲透率測試系統，如圖1所示。設定進口氣體壓力2.0 MPa，出口氣體壓力為大氣壓(0.1 MPa)。在進口氣體壓力不變的條件下改變外部圍壓，圍壓與進口氣體壓力的差值為有效應力?？紤]到3 個區塊實際煤層埋深在400～1 000 m，因此實驗中設計最大圍壓為12 MPa(對應有效應力10 MPa)。實驗過程中，圍壓先增大后降低，按照先4、6、8、10、12 MPa，再10、8、6、4 MPa 依次變化，在每個圍壓下保持平衡后，測得對應的煤樣滲透率值，即可獲得煤樣在有效壓力先增加后減少全周期內的滲透率變化情況。

圖1 煤樣應力敏感性實驗裝置Fig.1 Schematic of coal samples stress sensitivity experiment device

實驗開始前首先檢查實驗系統的氣密性。將樣品裝入巖心夾持器后，關閉壓力腔體，再次檢查氣密性。確保氣密性之后，通過伺服泵施加圍壓至初始值(4 MPa)，抽真空2 h 后通入指定壓力的氣體，通過壓力表控制進口氣體壓力，關閉出口維持氣體壓力12 h，打開出口，記錄出口氣體的穩定流量，計算初始滲透率，結果見表1。本次實驗在恒溫(25℃)下進行，采用非吸附性氦氣作為實驗氣體，重點研究有效應力變化對煤樣滲透率的影響。

2 實驗結果

按照SY/T 5358?2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》，通常用滲透率損害率、不可逆滲透率損害率、滲透率損害系數和應力敏感系數4 個參數評價煤儲層的應力敏感性。

同時為了更加直觀地描述實驗中圍壓增加加載過程和圍壓降低卸載過程中滲透率的變化過程和變化幅度大小，采用無因次滲透率ki/k0的比值來進行表征，其中ki為實驗過程中不同圍壓下的煤樣滲透率，k0為煤樣的初始滲透率。

據此，對測試的13 個煤樣的變圍壓應力敏感性結果數據進行了相應的處理和計算，結果見表2，不同煤階煤樣的無因次滲透率隨有效應力變化的關系如圖2所示。

對表2 和圖2 進行分析，可以得出不同煤階煤樣的滲透率應力敏感性特征。

圖2 不同煤階煤樣無因次滲透率與有效應力關系Fig.2 Relationship between dimensionless permeability and effective stress of different rank coal samples

(1) 隨著有效應力的增加，高、中、低煤階煤的滲透率均呈現與有效應力呈負指數關系下降的規律，有效應力10 MPa 時，滲透率下降分別為89.6%～96%(平均92.33%)、70.22%～85%(平均79.4%)、68.82%～89.71%(平均79.26%)。由此可見，在應力加載過程中，高煤階煤應力敏感性更強，滲透率下降幅度更大，平均比中、低煤階煤要高12%～15%，而中煤階煤和低煤階煤滲透率的下降幅度接近。

(2) 高、中、低煤階煤樣滲透率損害系數分別為0.216～0.272、0.129～0.188、0.125～0.206 MPa?1；而有效應力敏感系數分別為0.111～0.133、0.088～0.106、0.086～0.112 MPa?1，也可看出，高煤階煤的應力敏感性比中、低煤階煤要更強。

(3) 從滲透率不可逆損害率來看，有效應力降至初始狀態時，高、中、低煤階樣品的滲透率不可逆損害率分別為56.0%～77.4%(平均68.2%)、39.87%～65.80%，(平均51.37%)、18.7%～48.5%(平均34.38%)?？梢?，初始滲透率較高的低煤階煤在應力卸載后滲透率的恢復程度最高，可恢復到初始滲透率的2/3，中煤階煤可恢復50%左右，而初始滲透率很低的樊莊高煤階煤只能恢復1/3 左右，因此，對高煤階來說更應該注重應力敏感對滲透率的傷害。A.S.Mclatchie 等[17]研究砂巖和泥質砂巖加卸壓滲透性變化規律表明，高滲透砂巖的初始滲透率大約有4%不能恢復，而低滲透的泥質砂巖滲透率損失高達60%。本次實驗測試的煤樣滲透率恢復特征與其結論相似。

(4) 相同條件下，對存在裂隙的煤樣來說其滲透率應力敏感性表現出明顯增強的跡象，如保德區塊的BD-1 和BD-4 煤樣，相比不含裂縫的BD-2 和BD-3煤樣來說，其增壓滲透率損害率和卸壓后的滲透率不可逆損害率都明顯要高，傷害程度增加20%～30%。

3 應力敏感性控制機理及其對煤層氣排采的影響

3.1 煤巖物質組成、孔裂隙發育特征對滲透率和應力敏感的影響

不同煤階煤由于演化程度不同，導致煤儲層中孔隙、割理–裂隙的賦存狀態、發育特征差異很大，其中，煤巖物質組成與分子結構起著廣泛的控制作用。二連吉爾嘎朗圖低煤階褐煤演化程度低，孔隙以細胞結構完好的原生孔為主，分子基本結構單元為苯環、菲環、蔡環，無序性強，結構松散，孔隙大，大中孔占比可達80%～90%以上[18]；水分和灰分含量較高，限制了割理–裂隙的產生，割理–裂隙不發育；隨煤階增高，煤化作用和壓實作用增強，煤分子中芳環數量增多，并逐漸轉變為石墨結構[19]，分子間排列更緊密，致使大中孔數量迅速減少，微、小孔數量急劇增加，保德中煤階煤微、小孔比例上升到70%～80%，樊莊高煤階煤微、小孔占比更是達到80%～90%以上。受煤巖演化程度影響，隨煤階升高，顯微組分中鏡質體含量逐漸增加[20]，鏡質體含量越高，割理–裂隙越發育，尤其是當鏡質組反射率大于0.75%時煤基質收縮效應強烈，割理–裂隙更為發育，同時變質程度較高的煤經歷更為頻繁的構造演化運動，也會導致更多的裂隙產生[21]，因此，保德、樊莊中高煤階煤中的割理–裂隙均發育良好。但在高變質無煙煤，由于煤層埋藏更深、溫度更高，上覆地層的壓實作用、礦物充填與膠合作用使得部分割理–裂隙閉合，導致高煤階煤滲透率更低[21]。

不同煤階煤中孔隙、割理–裂隙發育特征的巨大差異，必然會對其中的流體滲流產生重要影響。為明確不同煤階煤中孔、裂隙對滲透率的控制作用，開展應力敏感性實驗同時，筆者也對樊莊、保德、二連區塊的同一批次煤樣進行了恒速壓汞、CT 掃描和滲透率測試分析。結果表明，中低煤階煤滲透率主要受控于喉道半徑、孔隙與喉道連通性和孔喉配置關系等，從圖3 可以看出，滲透率與平均喉道半徑具有良好的擬合關系，相關系數R2可達 0.95 以上，而與平均孔隙半徑則無明顯的對應關系。進一步借助CT 結果分析，從圖4a、表3 可以看出，二連低煤階煤的孔隙和喉道數量、半徑、長度都相對較大，配位數最大可達41，但從整體來看，孔隙與喉道連通性、配置關系差，平面分布非均質性很強，存在較多孤立、不連通的孔喉，平均配位數僅為2，雖然大、中孔非常發育，但滲透率并不高；而保德中煤階煤雖整體以小孔為主，但孔隙和喉道連通性好、配置關系好，孔喉分布相對均勻，平均配位數能達到4(圖4b、表3)，因此孔隙、喉道和發育良好的割理–裂隙之間可形成一套較為完整、連通的流動通道系統，顯示良好的滲透性。樊莊高煤階煤的孔隙尺寸很小，且大部分孔隙與孔隙、孔隙與喉道之間不連通或連通性很差，多處于孤立的狀態(圖4c)，基本不具備滲流能力，而流動的通道主要是割理–裂隙系統[22]，滲透率主要受控于裂隙數量和空間上的連通情況，如圖4d 所示。

圖3 中、低煤階煤樣孔隙半徑、喉道半徑與滲透率關系Fig.3 Relationship between pore radius,throat radius and permeability of medium and low rank coals

圖4 不同煤階煤樣中孔隙、喉道、裂隙發育CT 掃描Fig.4 CT scan maps of pores,throats and fractures in different rank coal samples

表3 不同煤階煤樣CT 掃描分析結果Table 3 CT scan results of different rank coal samples

基于這種認識，低煤階褐煤孔隙在圍壓增加過程中，受到壓縮變形比較嚴重的首先是大、中孔隙，而較小的孔隙、喉道的壓縮變形相對較小，而喉道決定滲透率的大小，因而低階煤應力敏感性相對較弱。對于樊莊高煤階煤來說，割理–裂隙為主要流動通道，其尺度比微、小孔要大，且穩定性相比孔隙要差，因此，在應力加載過程中，微、小孔幾乎不會被壓縮，主要是割理–裂隙受壓縮，而且根據CT 掃描觀察，煤樣中裂隙發育相對平直、裂隙面相對平坦，粗糙度相對較低，導致在壓縮過程中抵抗變形的能力更弱，更容易發生韌性變形或閉合破壞[15]，滲透率急劇降低，即使卸載后已經閉合的裂隙也不能恢復張開，滲透率恢復程度低。而保德中煤階煤既有連通性好的孔隙和喉道，又發育良好的割理–裂隙，其應力敏感性介于高、低煤階煤之間。

3.2 開發區塊埋藏深度對有效應力的影響

前面的應力敏感性實驗考慮的是在相同的有效應力下的滲透率變化對比情況，實際開發中不同煤階、不同區塊煤儲層的埋深和應力大小差異很大，應力敏感對煤層氣產能和排采控制的影響應具體而定。下面以二連吉爾嘎朗圖低階煤和沁水樊莊高階煤煤層氣為例具體說明。

二連吉爾嘎朗圖區塊主力煤層Ⅳ煤組，演化程度較低，埋藏深度淺、地應力低，埋深316～489 m，平均435 m，根據注入/壓降測試資料計算，水平最大、最小主應力平均值分別為5.30、4.71 MPa，測井計算上覆地層平均密度較小，平均為1.71 g/cm3，垂向應力平均7.44 MPa。而儲層壓力為常壓或欠壓，其值在3～4 MPa，因此，生產過程中即使儲層壓力降到0，最大的有效應力也只有3～4 MPa，根據前面實驗結果，滲透率降低率也就在20%～30%，加之其本身原始的滲透率相對較高，一般在(1～10)×10?3μm2，因此，應力敏感性傷害不會對排采產水、產氣造成很大的影響，這也可以從實際的排采過程中看到。二連吉爾嘎朗圖十幾口評價井的試采情況顯示，多數井前期的排采強度較大，液面降速10 m/d 以上，并未見明顯滲透率傷害，在見氣之后，產水量并未像高階煤那樣迅速降低，而是很長時間內一直保持和見氣前相當的水平(圖5)，這也從側面反映低煤階煤儲層應力敏感性對排采的影響并不是很大，因此低階煤煤層氣排采可適當加快速度、盡量多排水，提高排采效率，節約排采成本。

圖5 二連吉爾嘎朗圖JM-3 井排采曲線Fig.5 Drainage curve of JM-3 well in Erlian Jiergalangtu

隨著構造演化和煤化作用進行，中高煤階煤儲層埋藏深度和應力明顯增大，樊莊高煤階煤層氣目前主力開發層埋深在600～1 000 m，上覆巖層密度增加到2.2～2.5 g/cm3,垂向應力達到16～20 MPa，水平主應力也迅速增加，可達22～30 MPa，排采過程中煤儲層承受的有效應力會很大，一般都在10 MPa 以上，甚至達到15 MPa 以上，根據實驗結果，滲透率會下降90%～95%以上，這對本來就很低的原始滲透率，一般(0.01～1)×10?3μm2來說是致命的，應力敏感性傷害對產能影響大。同時由于高煤階煤滲透率很低，見氣后形成兩相流，氣相對有效滲透率的爭奪作用很強，水相滲透率會迅速降低到很低的水平，見氣后水難以排出，因此，高煤階低滲–特低滲煤層氣排水期一般應以較小強度進行，降低應力敏感性傷害，保證見氣前能盡量排出較多的煤層水，降低儲層整體壓力水平[23]。

4 結論

a.相同條件下不同煤階煤樣應力敏感性實驗表明，隨煤階的增加，煤樣的應力敏感性逐漸增強，低煤階煤應力敏感性相對較弱，高煤階、含裂隙煤樣敏感性更強。本文結果與部分學者的低煤階煤應力敏感性更強的認識有所差異，下一步應繼續深入研究探討。

b.煤巖物質組成、孔裂隙發育特征、埋深、應力等因素主要控制煤的滲透率和應力敏感性。低煤階煤主要發育大、中孔隙，原始滲透率高，受控于尺度較小的連通喉道大小和孔喉配置關系，應力加載時主要是大、中孔壓縮變形嚴重，而尺度較小的喉道變形相對小，因而其應力敏感性相對弱；而高煤階煤鏡質組含量高，割理–裂隙發育，控制其滲透率，應力加載時主要是抗變形能力弱的裂隙受到壓縮，發生韌性變形或閉合破壞，滲透率發生不可逆嚴重傷害，應力敏感性強。

c.考慮到實際開發區塊地質條件差異，樊莊高煤階煤應力敏感性對煤層氣排采傷害大，排采階段宜以較小強度進行，減少不可逆滲透率傷害，盡量多排水，擴大壓降范圍；而二連低煤階褐煤應力敏感對煤層氣排采產能影響相對較小，排水期可適當加快速度，提效降本。