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煤层水在煤层气勘探开发中的作用

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煤层 煤层气 勘探 开发 中的 作用
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3 周志成 ,作者简介见本刊 1998 年第 18 卷第 4 期。地址 : (450006)河南省郑州市伏牛路南段 197 号。电话 : (0371) 8611590转 216。煤层水在煤层气勘探开发中的作用周志成 3  王念喜 段春生(中国新星石油公司华北石油局 )周志成等 . 煤层水在煤层气勘探开发中的作用 . 天然气工业 ,1999 ;19(4) :23~ 25摘  要   在煤层水压力作用下 ,煤岩储层中“圈闭”了一定数量的气体从而形成煤层气藏。煤层水在煤层气的生成、储集 (吸附 )和产出的全过程中都起着重要的作用。煤层水处于一定的封闭条件下时 ,煤岩储层表现为具较高的储层压力和含气量 ;水的不可压缩性对煤岩割理、孔隙起到了支撑作用 ,使煤岩储层能保持较高的渗透率。在煤层气开采过程中 ,合理控制煤层水的排采速度 ,是防止井筒附近应力过分集中 ,造成煤岩储层孔隙度、渗透率急剧下降的重要手段。主题词   煤成气  气藏  煤层  地下水  储集层  原始压力  地层压力  含气量  渗透率  排水采气煤层水在煤层气的生成、储集 (吸附 ) 和产出的全过程中都起着重要的作用。在控制煤层气赋存、产出的主要地质因素 (含气量、临界解吸压力、储层压力、渗透率、内外生裂隙等 ) 中 ,煤层水作为客观载体通过与诸多因素的相互作用实现对煤层气赋存、产出能力的影响。煤层水对煤层气地质评价几个重要参数的影响1. 煤层水的封闭性影响煤层气的赋存量在煤岩储层中 ,煤层气以吸附状态存在于基岩微孔中的占 70 %~ 90 % ,以游离状态存在于煤的割理和其他裂隙孔隙中的占 10 %~ 20 % ,以溶解状态存在于煤层水中的甲烷气体则数量较少。煤层水是煤岩储层中裂隙等较大孔隙中的储层流体。煤岩储层压力表现为煤层水压力 ,而常规砂岩储层压力则表现为气体压力。因此 ,煤层水压力的高低反映了煤岩储层能量的大小。煤岩对甲烷分子的吸附能力主要与温度和压力有关。当温度一定时 ,随压力的增高而吸附量增大。当压力达到 6~ 8 ,煤的吸附能力达到饱和。这在地层中表现为煤层甲烷含气量随深度增加而增大 :从瓦斯风化带边界到 400~ 600 m 深度 ,甲烷含量增加最快 ;800~ 1 000 m 深度 ,是缓慢增加的区段 ;1000~ 1 500 m 深度 ,甲烷含量变化很小 ,属于稳定区段。在煤化作用发生之后的地质构造演化史中 ,由于受地壳升降运动的影响 ,有的煤层埋深变浅。只有当煤岩储层中的煤层水处于一定的封闭条件时 ,煤岩储层才能保持较高的原始压力从而形成超压现象。在煤层水压力作用下 ,埋深变浅的煤层仍保持了较高的原始含气量 ,煤岩储层中“圈闭”了一定数量的气体 ,形成煤层气藏。而煤层水处于非封闭条件下的煤岩储层 ,埋深变浅后储层压力降低 ,煤层气散失 ,含气量下降 ;在有外界水源补给时 ,也可能形成超压现象 ,但由于外来水的冲蚀作用 ,仍然会造成含气量下降 ,难以成藏。埋深适中且煤层水处于一定封闭条件下的煤岩储层 ,其原始压力、含气量保持较好 (表现为具较高煤层水压力和较高含气量 ) ,是煤层气勘探开发的理想层位。国内外煤层气勘探开发的实践均证实了上述认识的正确性 (见表 1) 。表 1  煤层气部分参数对比地   区煤层累计厚度(m)地层压力系数解吸压力 /地层压力煤层含气量(t)资源丰度安阳红岭 6~ 14 0. 563 0. 2 6~ 10 1. 08山西柳林 8~ 10 1. 044 0. 5 10~ 20 1. 5圣胡安 5~ 15 > 1 0. 9~ 1. 0 5~ 15 1. 3注 :资源丰度的单位为 10832·第 19 卷第 4 期               天 然 气 工 业                 难易煤层水处于一定封闭条件下的煤岩储层 ,煤层水压力的高低直接体现了煤岩储层原始压力的高低。煤层气产出过程表明 ,煤层气能够解吸而产出的关键是使煤岩储层压力低于临界解吸压力。而达到这一条件的必要措施是排出煤岩储层中的水。因此 ,煤层水是通过其与临界解吸压力的相互关系而对煤层气的产出产生影响的。临界解吸压力与煤岩储层压力比值的大小直接反映了煤层气产出的难易程度。如美国圣胡安盆地比值接近于 1 ,排出少量的煤层水即可使储层压力低于临界解吸压力 ,产出煤层气 ;而我国安阳为 0. 2 ,必须排出相对多的煤层水才能使储层压力降至临界解吸压力之下 ,进而产出煤层气。上覆地层压力与煤层水压力关系为 : p = 1)式中 : p 表示上覆地层压力 ; 示煤层水压力 (即煤岩储层压力 ) ; 示煤岩颗粒骨架的有效应力。在 p 一定的条件下 , 高 ,则 低。对于泥质沉积物来讲 ,高孔隙流体压力的支撑作用 ,形成泥岩的“欠压实带”。同样 ,较高煤层水压力的存在 ,可明显减弱煤岩储层的“压实作用” ,使储层保持较高的渗透率。据美国矿业局对煤样和围岩所进行的三轴应力试验表明 :煤岩储层的机械性质与常规储层有很大区别 (见表 2) 。煤岩比其他岩石更易受到压缩。当表 2  煤岩与常规储层机械性质对比参   数 煤   岩 砂   岩 页   岩杨氏模量(106 0. 3~ 0. 9 1. 5~ 6 1. 5~ 6泊松比值 0. 27~ 0. 4 < 0. 2 0. 2~ 0. 3注 :1 7. 030 70 × 102 岩储层原始煤层水压力较低时 ,煤岩储层所承受的有效应力相应增加 ,渗透率必然大幅下降。美国公布的实验室样品分析数据表明 ,有效应力增加2 000 将使渗透率值降为原来的 1/ 10~ 1/100。美国圣胡安盆地和黑勇士盆地的煤层气井中 ,具有高渗透率和高产气量的井均分布在煤层水超压区。水的不可压缩性 ,使存在于煤岩割理中的煤层水起到了支撑作用 ,抑制了在上覆岩层载荷下煤岩储层孔隙度和渗透率的降低。超压条件起到了保持煤岩储层较高渗透率的作用。煤层水在煤层气开采过程中的作用1. 煤层水影响煤岩储层的产气情况煤层气的开采是通过排水降压来实现的。其产出的三个阶段表明 (见图 1) ,煤层气的产出在时间上存在从单相流 →双相流的过程 ,在空间上存在从双相流 →单相流的过程 ,且以井筒为中心向外扩展。图 1  煤层气产出的三个阶段煤层水不仅影响原始渗透率的大小 ,而且也影响着煤层产气后气、水相对渗透率的变化和单井产气高峰出现的时间和产气量的大小。某一目标煤岩储层其临界解吸压力是一定值。同时 ,在煤岩储层中的煤层水处于一定的封闭条件下 ,开采中有如下特点 : ①煤层水压力高时 ,其煤岩储层渗透率相对较大 ,储层压力与临界解吸压力差值大。排水降压过程中累计排水量多 ,排水速度快 ,压降漏斗向储层内传播距离远 ,产生解吸作用的煤岩储层范围大 ,产气量高 ,持续时间长。②煤层水压力低时 ,其煤岩储层渗透率相对较低 ,储层压力与临界解吸压力差值小 ,不需要大量排水即可产出煤层气 ,但降压漏斗向储层内传播距离近 ,只是井筒附近煤岩储层产气 ,导致产气量小且产量下降快。柳林、安阳两地区均以 300 m 井距进行煤层气小型开发井网试验 ,其结果亦支持上述结论 (表 3) 。·42·勘探与开发                 天 然 气 工 业                1999 年 7 月表 3  煤层水压力对渗透率的影响地   区 地层压力系数 渗透率(10 - 3μ 位厚度煤层产水量(t)单位厚度煤层产气量(t)安阳红岭 0. 563 0. 18 0. 2~ 2. 83 5. 9山西柳林 1. 044 1~ 10 1. 90~ 4. 76 95. 23~ 671. 42表 3 示出 ,柳林属于正常压力范围 ,而安阳属于异常低压范围。其渗透率和单位厚度煤层产气量均相差 1~ 2 个数量级。透率急剧下降的重要措施在地层条件下 ,煤岩储层上覆岩石的静压和储层内煤层水压力处于平衡状态。在排水采气过程中 ,这种平衡被破坏 ,煤岩储层的承压情况发生变化 ,从而使孔隙体积发生变化。假设固体基质是非压缩性的 ,容积的变化仅仅是由于孔隙空间的改变所引起的 ,则孔隙度与有效应力关系式为 :Φ =Φ 0e - p (2)式中 :Φ 、 Φ 0 分别表示岩石孔隙度和原始孔隙度 ;Δ 化到 p 时的压差值 ,即 Δ p= p - 示岩石有效孔隙体积压缩系数。孔隙度变化不仅受上覆岩石静压的影响 ,而且还受孔隙体积压缩率大小的控制。由于煤岩孔隙体积压缩率一般比砂岩大 1~ 2 个数量级。因此 ,随压力变化 ,煤岩孔隙度比砂岩变化更明显。围压小于10 煤岩孔隙度变化更加剧烈 ,而在同样压力范围内 ,砂岩孔隙度的变化就要小得多 (见图 2) 。据式 (1)可知 , 随着排水采气过程的进行 ,煤岩储层中煤层水压力降低 ,煤岩颗粒骨架的应力增加。与常规储层相同 ,当储层压力降到 ,对应的渗透率符合非线性方程的变化规律 ,见下式。K = - α k ( (3)式中 : K、 别表示目前条件下的渗透率、储层压力 ; 别表示原始条件下的渗透率、储层压力 ;α k 表示渗透率变化系数。由于煤岩比其它岩石更易受到压缩 ,因此 ,煤岩储层的渗透率随煤层水压力下降的幅度可能更大。实验室模拟煤层实际情况 ,采用不同围限应力条件测试煤岩物性 ,结果也证实了渗透率随围压增加而呈非线性急剧下降趋势 (图 3) 。在开采煤层气的过程中 ,特别要注意保持井筒周围煤岩储层一定的孔隙度、渗透率 ,以形成大面积图 2  孔隙度随围压变化曲线注 :曲线 1 表示砂岩 ;曲线 2 表示煤岩图 3  渗透率随围压变化曲线的降压区。在排水采气初期 ,必须建立合理的排采工作制度 ,确定一个合理的储层流体压力 ,以避免由于排水降压致使井筒周围应力过分集中而造成孔隙度、渗透率急剧下降。正确的做法是使煤岩储层压力逐渐降低到临界解吸压力之下 ,以取得较好的采气效果。参  考  文  献1   黄景诚主编 . 煤层气译文集 . 郑州 :河南科学技术出版社 ,19902   秦勇 ,曾勇主编 . 煤层甲烷储层评价及生产技术 . 北京 :中国矿业大学出版社 ,19963   钱凯编著 . 煤层甲烷勘探开发理论与实验测试技术 . 北京 :石油工业出版社 ,1996(收稿日期   1998 - 04 - 06  编辑   居维清 )·52·第 19 卷第 4 期               天 然 气 工 业                 勘探与开发F N . v. 19 , 4 ,19~ 22 ,7/ 25/ 99. ( 00020976 ; it is of in In C2 ,to of of of in an of of In 2 (, of to a of s in C2 , to an in of is is of of ,is is ,964 ,in he is of in on of of of of 57062) , (0546) 8392411…………………………19993F N F v. 19 ,4 ,23~ 25 ,7/25/ 99. ( 00020976 ; of of is in an in of is a a a of a of of be to a In of of is an an of to of to s v. 18 ,4 ,1998. 197 , 50006) , (0371) 8611590 — 216…………………………F F N . v. 19 , 4 , 26~ 29 , 7/ 25/ 99. ( 00020976 ; of of in of to is ishanyao
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