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QK-煤层气储层渗透性研究进展

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QK 煤层气 渗透性 研究进展
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第3008年12月 西南石油大学学报(自然科学版) O 2008 文章编号:1000—2634(2008)06—0031—04 煤层气储层渗透性研究进展 薄冬梅 ,赵永军 ,姜林 ,龚永杰 ,李宗亮 (1.中国石油大学地球资源与信息学院,山东东营257061;2.中国石油勘探开发研究院,北京~摘要:煤储层渗透性是制约煤层气勘探选区的重要参数,影响渗透率差异分布的因素有很多,从裂隙系统的发育、 煤储层有效应力、煤层构造演化、煤岩变质程度几个方面阐述了它们与高渗区空间分布的关系及其研究进展。对其 研究技术、手段、主要认识及存在的问题等进行了系统的总结。对有效预测煤储层渗透性、发展渗透性描述理论、寻 找有利勘探区带具有重要意义。 关键词:煤层气;渗透率;裂隙系统;有效应力;构造演化;变质程度 中图分类号: 文献标识码:A 0.3863/j.000—2634.2008.06.008 煤层气是主要以吸附形式赋存于煤层中的自生 自储的非常规天然气 。美国是最早进行煤层气开 发利用的国家,煤层气工业起步于20世纪70年代, 到80年代实现了大规模的商业开发,富产煤层气的 煤级是气、肥、焦煤,即中级煤。通过30余年的勘探 开发实践,建立了中煤级煤和低煤级煤煤层气成藏 勘探与开发系统理论,其煤层气开发最成功的是圣 胡安盆地,渗透率较高,为(5~10~ m 。我 国煤层气勘探起步较晚,勘探开发明显落后于美国, 从20世纪80年代才开始进行现代煤层气技术的研 究和开发试验工作。我国煤盆地一般都具有复杂的 热演化史和构造变形史,构造样式复杂多样,煤储层 物性差异较大,孔渗性偏低,富产煤层气的煤级是几 个高级煤、无烟煤和贫煤…。我国煤层气储层与美 国的巨大差异导致在引进美国开发煤层气经验的初 始阶段收效不明显,甚至限制了我国煤层气产业的 发展。但近十几年来,我们在实践中不断认识到这 种差异,并针对我国煤层气储层的特征进行了一系 列的研究,在煤储层物性方面取得了丰硕的成果,已 初步形成了一套研究的理论与方法。渗透性是制约 煤层气勘探选区的最重要的参数之一,有效预测煤 储层渗透性对我国煤层气的勘探开发具有重要意 义。如何针对我国煤储层自身特点展开系统的理论 和方法研究,构建以解决渗透性预测为主要目的的 煤储层物性描述理论与模型,是目前煤层气勘探开 发研究中的一项重要内容。 1 裂隙系统发育与高渗区空间分布研究 煤储层裂隙系统是煤层气开采过程中水和气产 出的主要渗流路径,是影响煤储层渗透率的主要因 素。由于受研究目的、方法、地区等因素的限制和影 响,研究者对裂隙系统的成因和内涵的认识不尽相 同。在美国,含煤盆地储层条件比较简单,割理即被 称为裂隙。在国内,一般将煤储层的裂隙系统分为 内生裂隙(割理)和外生裂隙2部分 J,内生裂隙是 煤化作用过程中煤中凝胶化物质体积均匀收缩产生 内张力而形成的,力学性质为张性;而外生裂隙是由 地质构造作用造成的,其力学性质可以是压性、张性 和剪性。 对于裂隙系统发育与高渗区发育的关系,一般 是从裂隙系统的特征人手,采用岩样镜下观察与实 验室测定分析相结合的技术为主。在渗透率的测定 过程中往往先将样品烘干,因煤具有易碎性,割理系 统会遭受不可逆的损害,影响渗透率测定的准确性。 等(1991)开发了一种新型的以非损坏性为基础的实验测试技术,可用于测定割理孔隙度 及气水相对渗透率,大大提高了测试的精度 J。 大量的研究结果表明,渗透率主要与裂隙的延 伸方向、裂隙的宽度、密度、裂隙的连通性有关。在 }收藕日期:2007—03—28 基金项目:国家重点基础研究规划项目(2002 作者简介:薄冬梅(1974一),女(汉族),山东东营人,博士研究生,主要从事盆地分析与油气资源评价研究。 32 西南石油大学学报(自然科学版) 2008在 20世纪8批学者就割理宽度及割理 走向与渗透率的关系进行了探讨[4 ],研究发现,渗 透率与裂隙宽度的平方成正比。煤储层的面割理延 伸方向较长,面割理方向的渗透率要远大于端割理 方向的渗透率,如勇士盆地煤面割理方向与端割理 方向的渗透率比值为17:1。 20世纪90年代以来,随着预测理论及测试手 段的提高,割理特征与渗透率的关系研究进入了定 量研究阶段。受研究地区及研究手段的限制,不同 的学者选取了不同的特征参数组合,提出了不同的 关系表达式 2 一7 3。 R(1996)在实验研究中 发现煤层的水平渗透率与割理壁距三次方和割理间 距的倒数成正比。 = 式中, 有效渗透率,X 10一 m ; 一割理壁距, 一割理粗糙系数。 1997年,我国学者樊明珠首次全面系统地讨论 了割理走向、割理密度、割理间距、充填程度、组合类 型等15种特征参数对渗透率的影响。并将休伊特和 帕森斯研究的理想的裂缝一基质系统应用到煤储层 中,推导出了割理壁距与渗透性的定量关系式,进一 步验证了 傅雪海(2003)等在对沁水盆地各煤样的研究 中发现煤样渗透率随裂隙面密度的增加呈指数形式 增大。 K= (2) 式中 10~ m ; S 一裂隙面密度,条/m ; c 、总体来讲,裂隙延伸方向、裂隙宽度、密度、裂隙 的连通性程度是影响煤储层高渗区分布的关键特 征,裂隙延伸方向上渗透率较高,裂隙宽度越大、密 度越大、连通性越好,渗透率越高,目前割理特征与 渗透率的定性关系已基本达成共识,但尚未形成统 一的相关的渗透率预测定量模型,综合考虑各项特 征参数,选择理想的数据处理方法,将会推动渗透率 预测的定量化研究进程。 2 储层有效应力对渗透性的影响 煤岩本身不同于常规储集岩,其塑性强,随着煤 储层埋深,有效应力增大,会进一步被压实,割理会 变窄,从而影响煤储层的渗透率。三轴应力实验在有 效应力与煤储层渗透性的关系研究中发挥了重要作 用。目前我国学者在研究过程中使用的设备主要包 括自制及引进的两种。如贾军等自行设计的三轴渗 透率测定仪、重庆大学学者研制的谭学术等三轴渗 透实验装置、中国矿业大学研制的石渗透率测定仪、孙培德等在机上组装的三轴应力试验设备;我国引进的美国 。 大量的研究表明,煤储层的渗透率与有效应力 之间存在幂函数关系,随着有效应力的升高,渗透率 通常呈指数形式降低: K:0·e (3) 式中 渗透率,X 10一 m ~平均有效应力,、6一拟合常数。 这一规律最早发现于20世纪70年代, H(1975)是最早发现这一规律的研究者之一 , 后来一大批的学者通过理论推导及实验室测定,进 一步验证并完善了这一规律 。 987年通过三轴应力渗透率与割理孑幂的关系,次年完善了有效应力与渗透率之间的 关系式。我国学者谭学术等(1995)对南桐矿区煤样 进行实验测试,表明随着有效应力的增加,煤的渗透 率按指数规律衰减。等(1998)从理论上推 导出了应力与渗透率的关系。 如前所述,割理的特征直接影响着煤储层的渗 透率,我国的学者也曾通过割理压缩实验研究过有 效应力对渗透率的影响。如傅雪海等(2现煤 割理压缩形变与有效应力的关系符合朗格缪尔方程 形式,割理宽度随有效应力的增加呈指数形式降低。 煤储层渗透率与初始割理宽度、割理产状和割理受 力状态有关,初始割理宽度越大,渗透率越大;有效 应力愈小,渗透率越大…J。 通过有效应力来预测煤储层的渗透率是目前煤 层气勘探开发研究的一项重要内容。在该项研究中 前人取得了丰硕的成果,理论上取得重大的进展,但 并未能有效地应用于指导生产实践,究其原因,认为 一方面是设备的性能、测量的精确性;另一方面是测 试设备不统一。 第6期 薄冬梅等: 煤层气储层渗透性研究进展 33 3 煤层构造演化与其渗透率分布关系 4煤岩变质程度与储层渗透性研究进展 前人主要研究了构造应力对渗透率的影响。研 究方法主要为盆地模拟和试验室测试及样品观察相 结合方法,从事该项研究的学者多来自我国。刘泓 等(2004)研究认为,古构造应力控制了成煤演化过 程割理的样式,而割理是煤层气渗流的主要通道,因 此古构造应力对煤储层的渗透性具有积极的 意义 。 成煤期后构造活动是产生煤层构造裂缝的主要 因素,其对煤储层的渗透性有双重作用。前人主要 从构造活动的强弱及方向2个方面进行过探讨¨ 。 适度的断裂和褶皱可以增加煤层的割理密度、提高 渗透率,一般构造裂缝发育地带就是高渗透煤层发 育带。强烈的断裂活动使煤层与地表连通、煤层气 散失,使煤层粉煤化,煤层的渗透率降低。此外,成 煤演化过程中产生的内生裂隙在后期构造作用下, 会成为煤岩体中的破裂面,演生为构造裂隙。当构 造应力场最大主应力方向与储层的优势裂隙组发育 方向一致时,裂隙受到张应力的作用,裂隙宽度增 大,渗透率增高;当构造应力场最大主应力方向与储 层的优势裂隙组发育方向垂直时,裂隙受到压应力 的作用,裂隙宽度减小,渗透率降低。 煤储层在不同的构造应力作用下,它的物理结 构会表现出不同的结构特征,形成不同类型的构造 煤。我国部分学者根据煤的形态特征或形成条件对 构造煤进行进一步的分类,并探讨了其对渗透率的 影响。郭德勇等(1998)深入研究了原生结构煤和构 造煤的孔隙度与渗透率的关系,发现原生结构煤在 围压下孔隙度和渗透率的变化相对较小,而构造煤 的孔隙度和渗透率变化较大¨ 。姜波等(2004)探 讨了变形环境及不同性质应力作用对构造煤结构的 影响,并将构造煤分为两大系列七种类型。发现初 碎裂煤和碎裂煤裂隙发育、连通性好、渗透率较高, 是较好的储层类型;糜棱煤系列构造煤结构极为破 碎、裂隙连通性差、渗透率低,不利于煤层气的开采; 碎斑煤及碎粒煤则介于前二者之间【 我国煤盆地构造演化程度较高,构造活动对煤 盆地渗透率的分布起到至关重要的作用,目前该方 面的研究尚属探索阶段,在渗透率的定性预测中发 挥了重要作用。 煤岩变质程度与渗透率的关系研究一般基于割 理发育特征展开。最早发现变质程度与割理发育之 间存在某种关系的学者是954年在一份 关于英国约克郡地区煤层中割理间距的报告中指 出:暗淡型条带状煤中的割理间距宽于光亮型条带 状煤 。目前关于割理的发育程度与变质程度之 间的关系存在2种观点,一种以 ,1960年,他们发现割理密度从褐煤向中挥发分 烟煤(肥煤、焦煤)方向增大,随煤级进一步减小而 呈正态分布曲线。认为低变质和高变质的煤割理欠 发育,中变质程度的煤割理发育。而另一种观点以 993年在对阿伯拉契亚盆地群和 落矶山盆地群的煤研究时发现从褐煤到烟煤,割理 发育密度迅速增加,然后基本不变,并认为与 的差异。而我国学者毕建军(2001)认为在高级煤 阶段割理不发育的原因是次生显微组分的充填和胶 合作用使割理发生闭合 J。 另外,硬度和脆度同属抵抗外来机械作用存在 的性质。对于同一套煤层来讲,随着地层的埋深,温 度的升高,煤储层从低变质煤向中变质煤演化,脆度 逐渐增强,容易生成裂缝;随着煤层进一步被埋深, 中变质煤逐渐向高变质煤演化,硬度逐渐增大,脆度 逐渐降低,不容易形成裂缝。随着上覆地层的压实 作用、充填与胶合作用,割理会发生闭合H 。 对于煤变质程度与高渗区的关系,前人理论研 究及国外的勘探实践均表明,中煤级煤割理发育,渗 透率相对较高。该理论在我国的勘探实践中并未能 很好地起到指导作用,大部分学者认为主要受我国 煤盆地复杂的构造背景影响。为有效地寻找煤储层 高渗区,指导煤层气勘探,除综合考虑各种因素的影 响,还应从机理上深人探讨规律存在的原因。 5 主要认识 (1)我国煤盆地一般具有复杂的构造变形史及 热演化史,而目前通过实验方法得到的及从国外引 进的理论和模型很难应用于我国实际地质情况。应 根据我国含煤盆地的实际的地质背景,建立适合我 国煤储层渗透性研究的地质理论和方法。 34 西南石油大学学报(自然科学版) 2008年 (2)裂隙系统的发育程度、有效应力、变质程 度、构造应力等方面对煤储层渗透性都有影响,并且 各因素问存在相互影响,在进行渗透性的预测时应 综合考虑。 (3)目前我国还存在研究方法及技术、资料等 方面的限制,测试的方法和仪器大都从美国不同的 公司引进,所得物性参数不尽统一,实测数据离散性 较大,限制了煤储层渗透性定量研究的发展。因此 统一测定仪器,统一操作规程、统一标准是获取有效 物性参数的关键。 (4)我国以渗透性预测为目的的研究尚处于初 级阶段,基本处于实验室的单一因素对渗透率的影 响机理方面的研究,所得到的模型限于理论研究,不 能很好地应用于生产实践。由于渗透率的主控因素 不唯一,将多元统计分析、神经网络、灰色理论等先 进的方法引人到煤储层渗透性的研究中,获取煤储 层渗透性主控因素,可以更有效地指导煤储层渗透 率的预测。 参考文献: [1] 孙万禄.我国煤层气资源开发前景及对策[J].天然气 工业,1999,19(5):1—5. 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