快速排采過程中地應力對煤儲層滲透性的影響淺析

劉賀++王靜

摘 要：煤層氣井的生產是通過抽排煤層中的地下水，從而降低煤層壓力使煤層中吸附的甲烷氣釋放出來的過程。需要長期、連續、穩定的排水降壓。然而在實際生產過程中，排采速率過快會使儲層中的裂縫所受有效應力快速增加，進而快速閉合，大大降低滲透率，而地應力又是影響煤儲層滲透率中最主要的因素，這將嚴重影響煤層氣井的產能。文章通過對快速排采過程中地應力對煤儲層滲透性的影響的研究，在前人研究成果的基礎上，結合實際排采情況，總結了排采初期排采強度的確定方法，為煤層氣井的排采提供了理論依據。

關鍵詞：煤層氣 快速排采 地應力 煤儲層 滲透性 應力敏感

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0079-02

煤層滲透率的影響因素十分復雜，分為地質因素和工程因素，地質構造、應力狀態、煤層埋深、煤體結構、煤巖煤質特征、煤級及天然裂隙都不同程度地影響煤層滲透率[1]。其中兩個因素起主要作用，一個是裂隙發育程度，一個是現今地應力[2]。裂隙發育程度前期受煤的變質程度影響，屬于成煤作用的范疇，而后期煤層氣排采作用過程中裂隙的發育程度主要受地應力的影響，因而地應力的大小和應力狀態對煤儲層滲透性起著至關重要的作用。煤層氣排采過程中，由于排水降壓而使煤層氣井周圍地層有效應力重新分布，排水降壓強度直接關系到壓降的傳播程度和范圍，壓降不僅影響煤層氣的解吸過程，也改造了煤儲層的有效應力及滲透性指標。

1 煤層氣快速排采機理

煤層段地層含水為承壓水，煤層氣井排采前，井中液面的高度即為煤層中地下水的水頭高度，此時不存在壓力差，地下水系統基本平衡，沒有地下水的流動。當煤層氣井開始排采后，井筒中的液面下降，在煤層氣井筒和煤層中形成壓力差，地下水從壓力高的地方流向壓力低的地方，因此煤層中的地下水就源源不斷地流向井筒中，使得煤層中的壓力不斷下降，并逐漸向遠方擴展，最終在以井筒為中心的煤層段形成一個水頭壓降漏斗，并隨著抽水的延續該壓降漏斗不斷擴大和加深。當煤層的出水量和井口產水相平衡時，形成穩定的壓力降落漏斗，降落漏斗不再繼續延伸和擴大，煤層各點儲層壓力也就不能得以進一步降低，解吸停止，產氣也就終止[3]。

但是，排采階段如果排采速率過快， 井筒附近的流體就會以較高的速度和較大流體壓差流向井筒，煤層裂隙中流體壓力被降低，上覆地層的壓力保持恒定，所以導致作用在煤骨架上的有效應力增大。由于煤相對于其他巖石的可壓縮性更大，如表1所示。

所以煤層更易變形，從而導致煤層中的割理、裂縫急劇閉合，使煤層的滲透率降低，特別是對中高煤階的煤層，降壓排采時煤層滲透率降低的效應更為明顯[4]。有效應力快速增加，裂縫過早閉合，煤層無法將壓力傳遞到更遠處，造成降壓漏斗得不到充分擴展，排采半徑得不到有效延伸.只有井筒附近很小范圍內的煤層得到了有效降壓，有效排采半徑變得很小，氣井產氣量在達到高峰后，由于氣源的供應不足而急劇下降，無法長期持續生產，甚至停產[5]。

2 地應力與滲透率之間的關系

煤儲層的滲透性是指在一定壓力差下，允許流體通過其連通孔隙的性質。滲透率作為衡量多孔介質允許流體通過能力的一項指標，是影響煤層氣產生量高低的關鍵參數[6]。前面已經指出地應力是影響煤儲層滲透性的關鍵因素，隨著應力的增加，煤層滲透率降低。Enever通過對澳大利亞煤層滲透率與有效應力的相關研究發現，煤層滲透率與地應力增加呈指數關系降低。孟召平[1] [7]，何偉鋼[8]等也得出煤儲層的滲透率隨著地應力的增加呈指數降低的關系。

通過對沁水盆地南部煤儲層試井滲透率與地應力進行相關統計分析發現， 煤儲層試井滲透率與地應力具有相關性， 隨著地應力的增加煤儲層試井滲透率降低。

通過前人回歸分析結果表明， 煤儲層滲透率與地應力之間具有如下指數關系：

（1）

（2）

式中：式中：、為滲透率、初始滲透率，10-3μm2；為從初始到某一應力狀態時有效應力的變化值，MPa；為應力敏感系數（或滲透率模量），MPa-1；為有效應力，MPa；為原巖應力或初始地應力，MPa；為有效應力系數，取=1；為儲層壓力，MPa，為比例系數。

由公式（2）可得有效應力變化值可以表示為：

（3）

由式（1）、（2）、（3）可以看出，在煤儲層壓力不斷降低的過程中，煤儲層有效應力不斷增大，滲透率隨之降低，初期表現劇烈，后期比較平緩；當有效應力降低以后，煤儲層滲透率有所恢復，但是由于有效應力增大的過程中，煤中孔隙-裂隙壓密閉合，造成滲透率損害，滲透率不能恢復到原始水平，整個變化過程中煤儲層表現出明顯的應力敏感性。應力敏感性的強弱可以通過滲透率應力敏感系數（或滲透率模量）來表示，值越大，表明煤儲層應力敏感性越強。同時，我們根據煤層中主應力的狀況就能推測出滲透率的大小，這為我們定量研究二者之間的關系提供了理論依據。

3 實例分析

在沁水盆地煤層氣排采井中，有很多井前期由于排水速度過快，導致有效應力迅速增加，滲透率下降過快，對儲層造成了不可逆的傷害，我們稱其為儲層的應力敏感性。大部分井或多或少地表現出應力敏感的特點。應力敏感主要發生在排水期，之后隨著壓降漏斗的擴大，產氣量逐漸增大。當排采到一定程度，壓降漏斗不再擴大，泄氣范圍內的儲層壓力持續不斷的降低，產氣量進入遞減期，但氣井累計解吸量不斷增加。

TS-145井位于沁水盆地南部柿莊南區塊，于2012年2月19日開始排采，開始排采時排采速度過大，動液面下降速度很快，產水量很大，產生了極強的應力敏感，導致氣井不出氣，氣井日產氣量為零。隨著排采的進行，有效解吸區域增大，雖然產水量在增加，但動液面趨于平緩，氣井開始產氣，最大值可以達280 m3/d，產氣效果依然不理想，主要原因在于排采開始時，排水降壓速度快，導致煤層出現極強的應力敏感性，煤儲層在應力作用下發生壓密的塑性變形，造成滲透率傷害，致使排采穩定后，產氣量很低。應力敏感性依然表現出階段性和多周期性的特征。無論從理論分析還是氣井排采實例分析，都說明煤儲層存在應力敏感性，在實際生產中不容忽視（圖1）。endprint

4 解決方法

為解決快速排采對煤儲層滲透率造成的傷害，合理的排采制度和精細的排采控制是非常重要的兩個方面。排采制度中的定壓排采制度和排采控制中的降液面階段又是非常重要的兩個方面，饒孟余[9]等對排采工藝做過非常詳細的研究，指出合理的排采制度和精細的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關鍵因素。曹立剛等[10]對排采過程中各排采參數間關系做過深入的探討，排采中產氣量、排水量、井口壓力和液面深度間的關系，提出了井底壓力的作用及估算方法，將有利于煤層氣井生產過程的認識和合理開發。

排水降壓過程初期是定流量排水階段，因此康永尚等[11]建立的排采定量數學模型，根據數值模擬的方法，通過試算來確定合理的降壓制度，并給出相應制度的定量解非常必要。倪小明、王延斌等[12]根據煤層氣井排采特點，結合達西定律建立的煤層氣井初期排采強度數學模型可以通過不同的煤儲層參數，得出合理的排采強度，為確定其他地區煤層氣井初期排采強度提供了理論指導，具有較好的應用前景。

在具體模擬時，分級降低煤層氣井的井底流壓，這樣能使每一級降壓保證足夠長的時間，使壓力波傳播到盡可能遠處，從而使降壓漏斗得到充分的擴展，煤層氣的解析范圍得到擴大，煤層氣的產量也會增加。雖然在每一級降壓過程中，不可避免的會造成裂隙、割理發生一定程度的閉合，但是由于降壓的幅度很小，割理、裂隙的閉合也很小，對煤儲層滲透率的影響也不會很大，單井的采收率也會得到提高。

5 結語

（1）煤層氣井排采初期過快的排采速度會使井筒附近煤儲層的壓力迅速降低，與之對應的是地應力的快速升高，由于排采速度過快，煤層氣井的降壓漏斗得不到充分的擴展，使煤層氣解析的范圍變小，同時，地應力的升高對儲層造成了不可逆的傷害，加速了裂隙的閉合，降低了煤儲層的滲透率，雖然初期煤層氣井能夠在很短的時間內達到一個很高的產量，但氣源有限，不能持續高產，對煤層氣的開發產生了嚴重的負面影響。

（2）地應力與滲透率之間具有一定的相關性，煤儲層滲透率與地應力的增加呈指數函數關系降低，其實質是地應力對滲透率的控制，這就為定量研究快速排采過程中地應力與煤儲層滲透率之間的關系提供了理論依據。

（3）為解決快速排采過程中地應力對煤儲層滲透率造成的傷害，確定合理的排采強度是關鍵，前人在詳細研究排采工藝以及排采過程中各排采參數之間關系的基礎上，建立了排采定量以及排采強度的數學模型，通過數值模擬，分級降壓對煤儲層滲透率的影響最小，能夠使煤層氣井達到長時間穩定的產氣量。

參考文獻

[1] 孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部煤儲層滲透性與地應力之間關系和控制機理[J].自然科學進展，2009，19（10）：1142-1148.

[2] 李仰民，王立龍，劉國偉，等.煤層氣井排采過程中的儲層傷害機理研究[J].中國煤層氣，2010，7（6）：39-43.

[3] 李國富，田永東.煤層氣井排水采氣機理淺探[J].中國煤炭，2002（7）.

[4] 趙群，王紅巖，李景明，等.快速排采對低滲透煤層氣井產能傷害的機理研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2008，27（3）：27-31.

[5] 李金海，蘇現波，林曉英，等.煤層氣井排采速率與產能的關系[J].煤炭學報，2009，34（3）：376-380.

[6] 孟召平，田永東，李國富.煤層氣開發地質學理論與方法[M].北京：科學出版社，2010.

[7] 孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部地應力場特征及其研究意義[J].煤炭學報，2010，35（6）：975-981.

[8] 何偉鋼，唐書恒，謝曉東.地應力對煤層滲透性的影響[J].遼寧工程技術大學學報，2000，19（4）：353-355.

[9] 饒孟余，江舒華.煤層氣井排采技術分析[J].中國煤層氣，2010，7（1）：22-25.

[10] 曹立剛，郭海林，顧謙隆.煤層氣井排采過程中各排采參數間關系的探討[J].中國煤田地質，2000，12（1）：31-35.

[11] 康永尚，趙群，王紅巖.煤層氣井開發效率及排采制度的研究[J].天然氣工業，2007，27（7）：79-82.

[12] 倪小明，王延斌，接銘訓，等.煤層氣井排采初期合理排采強度的確定方法[J].西南石油大學學報，2007，29（6）：101-104.endprint

4 解決方法

為解決快速排采對煤儲層滲透率造成的傷害，合理的排采制度和精細的排采控制是非常重要的兩個方面。排采制度中的定壓排采制度和排采控制中的降液面階段又是非常重要的兩個方面，饒孟余[9]等對排采工藝做過非常詳細的研究，指出合理的排采制度和精細的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關鍵因素。曹立剛等[10]對排采過程中各排采參數間關系做過深入的探討，排采中產氣量、排水量、井口壓力和液面深度間的關系，提出了井底壓力的作用及估算方法，將有利于煤層氣井生產過程的認識和合理開發。

排水降壓過程初期是定流量排水階段，因此康永尚等[11]建立的排采定量數學模型，根據數值模擬的方法，通過試算來確定合理的降壓制度，并給出相應制度的定量解非常必要。倪小明、王延斌等[12]根據煤層氣井排采特點，結合達西定律建立的煤層氣井初期排采強度數學模型可以通過不同的煤儲層參數，得出合理的排采強度，為確定其他地區煤層氣井初期排采強度提供了理論指導，具有較好的應用前景。

在具體模擬時，分級降低煤層氣井的井底流壓，這樣能使每一級降壓保證足夠長的時間，使壓力波傳播到盡可能遠處，從而使降壓漏斗得到充分的擴展，煤層氣的解析范圍得到擴大，煤層氣的產量也會增加。雖然在每一級降壓過程中，不可避免的會造成裂隙、割理發生一定程度的閉合，但是由于降壓的幅度很小，割理、裂隙的閉合也很小，對煤儲層滲透率的影響也不會很大，單井的采收率也會得到提高。

5 結語

（1）煤層氣井排采初期過快的排采速度會使井筒附近煤儲層的壓力迅速降低，與之對應的是地應力的快速升高，由于排采速度過快，煤層氣井的降壓漏斗得不到充分的擴展，使煤層氣解析的范圍變小，同時，地應力的升高對儲層造成了不可逆的傷害，加速了裂隙的閉合，降低了煤儲層的滲透率，雖然初期煤層氣井能夠在很短的時間內達到一個很高的產量，但氣源有限，不能持續高產，對煤層氣的開發產生了嚴重的負面影響。

（2）地應力與滲透率之間具有一定的相關性，煤儲層滲透率與地應力的增加呈指數函數關系降低，其實質是地應力對滲透率的控制，這就為定量研究快速排采過程中地應力與煤儲層滲透率之間的關系提供了理論依據。

（3）為解決快速排采過程中地應力對煤儲層滲透率造成的傷害，確定合理的排采強度是關鍵，前人在詳細研究排采工藝以及排采過程中各排采參數之間關系的基礎上，建立了排采定量以及排采強度的數學模型，通過數值模擬，分級降壓對煤儲層滲透率的影響最小，能夠使煤層氣井達到長時間穩定的產氣量。

參考文獻

[1] 孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部煤儲層滲透性與地應力之間關系和控制機理[J].自然科學進展，2009，19（10）：1142-1148.

[2] 李仰民，王立龍，劉國偉，等.煤層氣井排采過程中的儲層傷害機理研究[J].中國煤層氣，2010，7（6）：39-43.

[3] 李國富，田永東.煤層氣井排水采氣機理淺探[J].中國煤炭，2002（7）.

[4] 趙群，王紅巖，李景明，等.快速排采對低滲透煤層氣井產能傷害的機理研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2008，27（3）：27-31.

[5] 李金海，蘇現波，林曉英，等.煤層氣井排采速率與產能的關系[J].煤炭學報，2009，34（3）：376-380.

[6] 孟召平，田永東，李國富.煤層氣開發地質學理論與方法[M].北京：科學出版社，2010.

[7] 孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部地應力場特征及其研究意義[J].煤炭學報，2010，35（6）：975-981.

[8] 何偉鋼，唐書恒，謝曉東.地應力對煤層滲透性的影響[J].遼寧工程技術大學學報，2000，19（4）：353-355.

[9] 饒孟余，江舒華.煤層氣井排采技術分析[J].中國煤層氣，2010，7（1）：22-25.

[10] 曹立剛，郭海林，顧謙隆.煤層氣井排采過程中各排采參數間關系的探討[J].中國煤田地質，2000，12（1）：31-35.

[11] 康永尚，趙群，王紅巖.煤層氣井開發效率及排采制度的研究[J].天然氣工業，2007，27（7）：79-82.

[12] 倪小明，王延斌，接銘訓，等.煤層氣井排采初期合理排采強度的確定方法[J].西南石油大學學報，2007，29（6）：101-104.endprint

4 解決方法

為解決快速排采對煤儲層滲透率造成的傷害，合理的排采制度和精細的排采控制是非常重要的兩個方面。排采制度中的定壓排采制度和排采控制中的降液面階段又是非常重要的兩個方面，饒孟余[9]等對排采工藝做過非常詳細的研究，指出合理的排采制度和精細的排采控制是保證煤層氣井排采成功的關鍵因素。曹立剛等[10]對排采過程中各排采參數間關系做過深入的探討，排采中產氣量、排水量、井口壓力和液面深度間的關系，提出了井底壓力的作用及估算方法，將有利于煤層氣井生產過程的認識和合理開發。

排水降壓過程初期是定流量排水階段，因此康永尚等[11]建立的排采定量數學模型，根據數值模擬的方法，通過試算來確定合理的降壓制度，并給出相應制度的定量解非常必要。倪小明、王延斌等[12]根據煤層氣井排采特點，結合達西定律建立的煤層氣井初期排采強度數學模型可以通過不同的煤儲層參數，得出合理的排采強度，為確定其他地區煤層氣井初期排采強度提供了理論指導，具有較好的應用前景。

在具體模擬時，分級降低煤層氣井的井底流壓，這樣能使每一級降壓保證足夠長的時間，使壓力波傳播到盡可能遠處，從而使降壓漏斗得到充分的擴展，煤層氣的解析范圍得到擴大，煤層氣的產量也會增加。雖然在每一級降壓過程中，不可避免的會造成裂隙、割理發生一定程度的閉合，但是由于降壓的幅度很小，割理、裂隙的閉合也很小，對煤儲層滲透率的影響也不會很大，單井的采收率也會得到提高。

5 結語

（1）煤層氣井排采初期過快的排采速度會使井筒附近煤儲層的壓力迅速降低，與之對應的是地應力的快速升高，由于排采速度過快，煤層氣井的降壓漏斗得不到充分的擴展，使煤層氣解析的范圍變小，同時，地應力的升高對儲層造成了不可逆的傷害，加速了裂隙的閉合，降低了煤儲層的滲透率，雖然初期煤層氣井能夠在很短的時間內達到一個很高的產量，但氣源有限，不能持續高產，對煤層氣的開發產生了嚴重的負面影響。

（2）地應力與滲透率之間具有一定的相關性，煤儲層滲透率與地應力的增加呈指數函數關系降低，其實質是地應力對滲透率的控制，這就為定量研究快速排采過程中地應力與煤儲層滲透率之間的關系提供了理論依據。

（3）為解決快速排采過程中地應力對煤儲層滲透率造成的傷害，確定合理的排采強度是關鍵，前人在詳細研究排采工藝以及排采過程中各排采參數之間關系的基礎上，建立了排采定量以及排采強度的數學模型，通過數值模擬，分級降壓對煤儲層滲透率的影響最小，能夠使煤層氣井達到長時間穩定的產氣量。

參考文獻

[1] 孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部煤儲層滲透性與地應力之間關系和控制機理[J].自然科學進展，2009，19（10）：1142-1148.

[2] 李仰民，王立龍，劉國偉，等.煤層氣井排采過程中的儲層傷害機理研究[J].中國煤層氣，2010，7（6）：39-43.

[3] 李國富，田永東.煤層氣井排水采氣機理淺探[J].中國煤炭，2002（7）.

[4] 趙群，王紅巖，李景明，等.快速排采對低滲透煤層氣井產能傷害的機理研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2008，27（3）：27-31.

[5] 李金海，蘇現波，林曉英，等.煤層氣井排采速率與產能的關系[J].煤炭學報，2009，34（3）：376-380.

[6] 孟召平，田永東，李國富.煤層氣開發地質學理論與方法[M].北京：科學出版社，2010.

[7] 孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部地應力場特征及其研究意義[J].煤炭學報，2010，35（6）：975-981.

[8] 何偉鋼，唐書恒，謝曉東.地應力對煤層滲透性的影響[J].遼寧工程技術大學學報，2000，19（4）：353-355.

[9] 饒孟余，江舒華.煤層氣井排采技術分析[J].中國煤層氣，2010，7（1）：22-25.

[10] 曹立剛，郭海林，顧謙隆.煤層氣井排采過程中各排采參數間關系的探討[J].中國煤田地質，2000，12（1）：31-35.

[11] 康永尚，趙群，王紅巖.煤層氣井開發效率及排采制度的研究[J].天然氣工業，2007，27（7）：79-82.

[12] 倪小明，王延斌，接銘訓，等.煤層氣井排采初期合理排采強度的確定方法[J].西南石油大學學報，2007，29（6）：101-104.endprint