郭帥鋒

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

煤礦區(qū)煤層氣抽采地應(yīng)力條件及其對煤層氣井產(chǎn)能影響

郭帥鋒

中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司

近年來，煤礦區(qū)煤層氣如何抽采，特別是受煤層開挖擾動作用下，煤層氣開和煤炭開采卸壓都會引起地應(yīng)力重分布，地應(yīng)力的變化控制著裂隙的擴展方向和范圍，從而影響與煤層氣井的導(dǎo)流能力，對煤層氣井產(chǎn)能產(chǎn)生影響，是目前煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。因此從煤巖石力學(xué)特征出發(fā)，開展煤礦區(qū)煤層氣抽采的地應(yīng)力條件研究，以揭示煤儲層滲透性的動態(tài)變化規(guī)律，對于煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)具有理論和實際意義。

抽采地應(yīng)力；煤層氣井；產(chǎn)能影響

1 煤巖基本力學(xué)特征

煤、巖石的力學(xué)性質(zhì)主要指的是煤、巖石在受到各種作用時發(fā)生的變形與強度特性，主要由力學(xué)參數(shù)來體現(xiàn)。通常情況下，煤、巖石力學(xué)參數(shù)則主要通過實驗室試驗或現(xiàn)場儀器設(shè)備測得。其中，實驗室研究煤巖石變形和破壞過程主要是利用剛性試驗機或伺服試驗機對煤巖石試樣進行單軸或三軸壓縮試驗，來獲取煤巖石的各種力學(xué)參數(shù)及變形破壞特征。

2 區(qū)煤儲層地應(yīng)力條件

地殼深部巖體中存在天然的地應(yīng)力場，地應(yīng)力成分復(fù)雜，以自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力為主，地應(yīng)力的大小取決于深度、孔隙壓力以及各種不同時間和空間尺度上地質(zhì)構(gòu)造運動的作用。地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層是影響深部地應(yīng)力場分布的重要地質(zhì)因素，地應(yīng)力的大小通常受到斷層摩擦強度的控制。煤層氣開發(fā)、地下巖體工程和煤炭開采中應(yīng)力擾動都可能會誘發(fā)斷層滑動，造成煤層氣生產(chǎn)井套管損壞、頂板冒落、工作面突水等礦井動力地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，已成為影響煤與煤層氣安全生產(chǎn)的重大關(guān)鍵問題之一。

2.1 煤儲層現(xiàn)今地應(yīng)力條件

地應(yīng)力對水力裂縫的擴展和煤儲層滲透性有重要的影響，也是影響煤層氣產(chǎn)能的主要因素。目前獲得地應(yīng)力資料的主要途徑是現(xiàn)場實測，而水力壓裂法是現(xiàn)場測量地應(yīng)力最常用的方法之一。

利用水壓致裂法，通過地面垂直鉆孔對地應(yīng)力進行測量：最小水平主應(yīng)力σh的表達式為

最大水平主應(yīng)力σH的表達式為：

式中：T為巖層抗拉強度，MPa；Pc為閉合壓力，MPa；P0為巖石孔隙壓力，MPa；Pf為巖石破裂壓裂，MPa。

垂直主應(yīng)力可通過上覆巖層的重量進行估算：

式中：γ為上覆巖層的容重，kN/m3；h為上覆巖層的厚度(或埋深)，m。

2.2 最小水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力和儲層壓力之間的關(guān)系

最小水平主應(yīng)力的大小由水力壓裂中的閉合壓力測得，其大小控制著破裂梯度，并限制水力裂縫的擴展延伸。因此，在煤層氣開發(fā)鉆井設(shè)計時，最小水平主應(yīng)力是必須考慮的主要參數(shù)。

3 現(xiàn)今地應(yīng)力對煤層氣井產(chǎn)能影響

3.1 煤層氣氣井產(chǎn)能模型

煤層氣抽采過程中，隨著煤層中水、氣的排出，受抽采的影響煤儲層壓力逐漸下降，煤儲層有效應(yīng)力增加，內(nèi)部孔裂隙逐漸壓密閉合，使得滲透率明顯降低，表現(xiàn)出較為顯著的應(yīng)力敏感特性，該特性對煤層氣井開發(fā)效果影響很大。

煤層氣抽采過程中的煤儲層無因次滲透率與有效應(yīng)力之間呈負指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即隨有效應(yīng)力的增加，煤儲層滲透率呈負指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降，表達式為：

式中：K為煤儲層某一應(yīng)力狀態(tài)下的滲透率，10-3μm2；K0為煤儲層初始滲透率，10-3μm2；△σe為從初始到某一應(yīng)力狀態(tài)時有效應(yīng)力的變化值，MPa；a為應(yīng)力敏感回歸系數(shù)，MPa-1；σe為有效應(yīng)力，MPa；σ為初始地應(yīng)力，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)，取α=1；p為儲層壓力，MPa；b0為比例系數(shù)，取值為1。

從上式可以得出以下結(jié)論：1)隨著煤儲層壓力的降低，煤儲層中受到的有效應(yīng)力呈增大趨勢，而滲透率隨有效應(yīng)力的增大而降低，排采初期儲層壓力梯度變化劇烈，隨后趨于平緩；2)有效應(yīng)力降低時，滲透率有所恢復(fù)，但因有效應(yīng)力增大導(dǎo)致的煤層孔隙-裂隙被壓密閉合，對滲透率造成嚴重損害，因此滲透率即便有所恢復(fù)但不能恢復(fù)到原始水平，因此，在整個煤層氣排采過程中煤儲層表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力敏感性。

實際上，煤儲層處于大地構(gòu)造當中，由于煤儲層不同區(qū)域受到大地原巖應(yīng)力的作用不同，所處的地應(yīng)力和煤儲層壓力差異很大，有效應(yīng)力變化范圍為σ-p1-σ-p2，且隨著煤儲層埋藏深度的增大，有效應(yīng)力變化越大。在較低地應(yīng)力條件下，煤儲層隨有效應(yīng)力的增加，發(fā)生壓密、閉合的塑性形變，使得滲透率明顯降低；在較高地應(yīng)力條件下，應(yīng)力敏感性將會減弱。

滲透率的變化主要受有效應(yīng)力的控制，即滲透率K與有效應(yīng)力σe之間關(guān)系，同時反映了滲透率K與生產(chǎn)壓差△p之間的相關(guān)關(guān)系。

3.2 煤層氣井產(chǎn)能影響因素

(1)應(yīng)力敏感性的影響。煤儲層應(yīng)力敏感性對煤層氣井產(chǎn)能的影響顯著，在其他條件相同的情況下，考慮煤儲層應(yīng)力敏感性的氣井產(chǎn)量明顯小于不考慮其作用時的氣井產(chǎn)量；同時，兩者之間的氣井產(chǎn)量差距隨著生產(chǎn)壓差的增大逐漸增加。

(2)井底流壓的影響。井底流壓是指煤層氣井生產(chǎn)時的井底壓力，也是在生產(chǎn)過程中控制著氣井產(chǎn)產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。通常情況下，生產(chǎn)壓差隨著井底流壓的增加而減小，從而對氣井產(chǎn)能產(chǎn)生不利影響。煤層氣排采過程中，井底流壓反映了氣井內(nèi)的動液面高度，因此，一般通過人為調(diào)整井底壓力的方法來控制動液面高度和套壓的大小。井底流壓對氣井產(chǎn)氣量有重要的影響，所以制定合理的井底流壓有利于氣井產(chǎn)能。不論井底流壓過高還是過低，都不利于煤層氣的高效產(chǎn)出。當井底流壓過高時，降低了生產(chǎn)壓差，對于煤層氣的產(chǎn)出相當不利；當井底壓力過低，生產(chǎn)壓差過大，引起煤儲層產(chǎn)生明顯的應(yīng)力敏感性，同樣會影響煤層氣井的產(chǎn)能。

結(jié)語

煤儲層滲透性及其煤層氣井開發(fā)效果與地應(yīng)力具有非常密切的關(guān)系。地應(yīng)力較小的地區(qū)，滲透率較高，煤儲層產(chǎn)氣量也高；在地應(yīng)力高的地區(qū)，煤儲層滲透率較低，導(dǎo)致煤儲層產(chǎn)氣困難。煤儲層地應(yīng)力是控制煤層氣井產(chǎn)能的重要地質(zhì)因素，因此研究煤儲層的地應(yīng)力條件對于確定煤儲層高滲區(qū)帶和采用合理的開發(fā)方式具有重要的理論和實際意義。

[1]顏志豐，琚宜文，唐書恒，侯泉林，朱寶存，王國昌.沁水盆地南部煤層氣儲層壓裂過程數(shù)值模擬研究[J].地球物理學(xué)報，2013，05：1734-1744.

[2]侯金玲.煤礦區(qū)煤層氣地面井抽采技術(shù)適用性評價[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2017，02：102-106+110.