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煤层气藏现今地应力评价及应用

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煤层气 现今 应力 评价 应用
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地应力对煤层气勘探开发的影响  李 亭  摘要:地应力不仅影响煤层气藏的成藏和储层的发育情况,而且影响煤层气从勘探到开发的整个过程。 本文主要介绍地应力对于勘探开发井位部署、水力压裂和排水降压生产的影响,对于地应力影响有一个基本认识。 关键词:地应力;煤层气;勘探开发 ;水力压裂;排水降压 地应力是指存在于地壳中的内应力, 主要由重力应力、 构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。地应力在煤层气的勘探开发、井位部署以及水力压裂增产和排水降压生产中起着至关重要的作用。 本文试图总结前人在这些方面的研究成果和认识,以提高煤层气开发的水平。 1 地应力在煤层气勘探中的应用 煤层气藏的成藏要素主要包括煤层条件、压力封闭和保存条件。构造应力场可能是控制煤层气成藏所 有地质因素中最重要的因素, 往往直接或间接地控制着含煤地层形成至煤层气生成、 聚集的每个环节。在聚煤期,古构造应力场控制着沉积盆地的形成和演化.从而影响着煤层的厚度、分布和赋存状态,控制着煤层气生、储、盖的潜势。聚煤期后,构造应力场及其演化控制着煤储层的埋藏史、热演化史、生气史、压力史、圈闭史。对煤层气生、储、盖、运、聚、保产生不同性质的影响。 地应力是储层压力的主要来源之一,随着地应力的增大,储层压力增大,煤层对甲烷的吸附量增大。地应力一方面可以为煤层气的吸附提供能量,另一方面维持能量平衡,如古构造应力导致的地层抬升可以使地应力下降, 煤层气发生解吸、 扩散, 不利于煤层气藏的形成。 地应力对煤层气储层的渗透率影响也较大。 997) 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系,998)通过对美国皮申斯、圣胡安和黑勇士盆地煤层渗透率与埋藏深度关 系的研究发现, 随着煤层埋藏深度和有效应力增加, 煤层割 理缝的宽度减小,渗透率呈指数降低。 根据上述地应力对煤层气储层的影响, 可以测量煤层气勘探区块的地应力大小,部署安排探井位置。另外,根据研究发现,以往寻找有利煤层气区块,主要以煤层气含量作为评价标准,但由于地应力对煤层渗透率有较大的影响,煤层气含量高的区块,如果地应力较高,其渗透率会较高,不利于煤层气的开采。这样,可以去寻找煤层气含量不是很高,但地应力较低的区块,如果煤层气渗透率较高,反而会成为煤层气开发的有利区块。 2 地应力在煤层气生产中的应用 由于煤岩的渗透率和孔隙度对压力较为敏感, 因此地应力对两者的影响也较大。在煤层气生产中主要 涉及三个方面:开发井部署、煤层气水力压裂和排水降压采气管理。 开发井部署的影响 对比煤层气开发区块现代构造应力场主应力差、 地下水动力学以及煤储层埋深的具体情况,可以确定 煤层渗透率较高的方位,进而安排部署生产井。 以我国沁水盆地煤层气生产为例, 说明地应力对井位部署的影响。沁水盆地最小主应力与单井日平均稳产气量的 统计结果表明,产气量随最小主应力值的增大而减小,总体 上呈负相关关系。产井仅占25%左右。 从最小主应力的梯度值与产气量大小关系来看,00大于该值的区域高产井仅占22%左右。可以说高产井 主要分布在最小主应力相对较小的区域。 水力压裂的影响 煤层气井压裂是指使用专门的压裂车组把压裂液和支撑剂压入煤层,在煤层中人为地造成裂缝, 使井筒与煤层的天然裂缝更有效地连通,扩大煤层的连通性,加速煤层 压力降低,提高产气量。水力压裂作用下裂缝间的几何形状,主要由地 层应力和岩石力学性质等条件所决定。 根据地层应力和岩石力学性质, 煤储层压裂裂缝形态概括起来有水平裂缝、垂直裂缝和复杂裂缝类。当垂直应力为最小主应力且垂直抗张强度较小时,压裂产生水平裂缝; 当水平应力为最小主应力且水平抗张强度较小时,压裂产生垂直裂缝。 如沁水盆地南部地应力状态在纵向上 发生转化,压裂裂缝形态,除在地表附近产生水平裂缝外,在650 此压裂后主要形成垂直裂缝。在650储层地应力状态转化为垂直应力、 最大水平应力和最小水平应力三者比较接近,因此, 在煤层中有可能形成复合裂缝(垂直缝和水平缝均有,或称由于断层、褶皱和天然裂缝等构造对地应力大小有很大影响,有可 能对裂缝的形态也产生影响,也可能形成斜向裂缝(高角度的垂直缝)。 另外,煤岩层和顶底板之间的应力差 ,也控制着水力压裂裂缝在垂向上的延伸情况。如果应力差足够 大,裂缝将被控制在煤层内,而不会突进到顶底板层。如果煤岩层和顶板应力差较大,而与底板应力差较小,裂缝将会突进到底板,发生压窜的现象,降低压裂液效率。同时, 煤岩层本身的地应力大小, 也决定压裂施工的难易程度。 往往,地应力高的煤层,水力压裂施工压力也较高,而且容易出现砂堵或压不开的现象。 排水降压的影响 由于煤层对应力较为敏感,因此在排水降压生产阶段,应控制压降速度,以防对煤层渗透率和孔隙度有损害。 研究表明,储层渗透性在开发过程中呈不对称“U”型变化规律,开发初期应力敏感性占主导地位,储 层渗透性显著降低,随着开发进程深入,基质收缩效应逐步增强,储层渗透性逐渐恢复。 当有效压力增加,其气相渗透率降低。有效应力降 低以后,煤岩渗透率有所恢复,但均不能恢复到原始水平。开发过程中 煤储层物性先降低后增大,至降压结束,渗透率增至初始渗透率的2-8倍。煤储层渗透性动态变化对煤层气井产能产生明显的不利影响。在排采过 程中,尽可能使得渗透率变化曲线“缓下凹、稳抬升、抬升快、扬起 高”,使压降漏斗最大程度扩展开,而不能快速降低井底压力。 3结论与认识 地应力对煤层气成藏有较大影响,研究地应力的分布情况,可以寻找有利勘探区块,并合理部署勘探井位。 地应力对煤层渗透率和孔隙度也有较大影响, 因此在煤层气的整个开发生产过程中,都要考虑地应力的影响,如部署生产井位、合理控制排采速度等。 地应力决定着水力压裂裂缝的方位和延伸, 因此在煤层气进行压裂设计时,要充分考虑地应力的大小分布情况。 参考文献 [1] 孟召平,田永东等. 沁水盆地南部地应力场特征及其研究意义[J] 煤炭学报 2010,35(6):975[2] 刘洪林,王 勃. 沁水盆地南部地应力特征及高产区带预测[J] 天然气地球科学 2007, 18(5):875‐880. [3] 杨万斌,付跃升 万年煤矿地应力测量与分析[J] 河北建筑科技学院学报 1999,16(1)52[4] 唐书恒,朱宝存 地应力对煤层气井水力压裂裂缝发育的影响[J] 煤炭学报 2011,36(1):65[5] 何伟钢, ] 辽宁工程技术大学学报(自然科学版)2000,19(4):353[6] 吴国代 桑树勋等. 地应力影响煤层勘探开发的研究现状与展望[J] 中国煤炭地质 2009,21(4):31[7] 陈振宏, 陈艳鹏等. 高煤阶煤层气储层动态渗透率特征及其对煤层气产量的影响[J] 石油学报 2010,31(6):965[8] 刘大锰, 姚艳斌等. 煤层气储层地质与动态评价研究进展[J] 煤炭科学技术 2010,38(11):10[9] D. P. T. H. 995. [10] . to is ey a 5684, 2002. [11] . 2002.
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