煤巖儲層應力敏感性及其對氣井開發的影響

周來誠

（中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西晉城 048000）

在油氣田開發過程中，隨著孔隙壓力不斷下降，儲層有效應力不斷增加，導致地應力分布不均、巖石被壓縮，引起孔隙度、滲透率等儲層物性參數降低，即發生應力敏感效應[1，2]。煤巖儲層屬于低孔低滲儲層，比常規儲層更容易產生應力敏感損害。

近年來，國內外學者對煤巖儲層應力敏感性進行了大量的研究。Clarkson（2007）等指出煤巖儲層比其他儲層更易受到滲透率敏感性損害[3]。Harpalani等（1984）進行了煤的常規滲透率實驗[4]。Somerton等（1975）研究了有效應力對煤巖滲透率的影響[5]。Yu等（2012）研究了應力敏感性對煤層氣井產能的影響[6]。Ostensen（1983）研究表明低滲氣藏的應力敏感性可致使氣井的實際產能減少多達30%，同時指出，應用不考慮應力敏感的常規產能模型來分析應力敏感性氣藏的穩定試井資料時，會產生較大偏差[7]。國內關于應力敏感的研究也比較多，李相臣等（2009）研究了應力敏感對煤樣裂縫寬度及滲透率的影響[8]。陳振宏等（2008）則通過實驗研究了干煤樣和濕煤樣的應力敏感性[9]。鄧江明等（2007）研究了低滲氣藏應力敏感性對合理產能的影響[10]。郭肖等（2007）研究了應力敏感效應對低滲透氣藏水平井產能的影響[11]。鄭維師等研究結果表明井底壓力下降10 MPa，產量下降可達30%左右[12]。

目前，國內外多以低有效應力為基準點對煤巖儲層應力敏感性進行研究，其結構性質的變化并不能真實反映原地應力條件。實際上，巖心被取到地面后，應力得到了釋放，只有在接近原地應力條件下測試時才能更真實地反映應力改變對煤巖結構性質的影響。為此，以原地有效應力為基準點，找出了有效應力與無因次滲透率之間的關系，并理論計算了基于原地有效應力的滲透率應力敏感性對煤層氣井開發的影響。

1 應力敏感性特征研究

實驗選取3塊天然柱狀煤樣進行應力敏感性測試，取樣深度1 000 m左右，樣品孔隙度和滲透率值（見表1），測試時有效應力上限取25MPa，下限取3MPa。

表1 煤樣孔滲參數

根據滲透率敏感性評價方法[13]，將不同有效應力下的滲透率無因次化，以3 MPa有效應力為起始點的無因次滲透率與有效應力關系曲線（見圖1），K為不同有效應力下的滲透率，K3為有效應力為3 MPa時的滲透率。

圖1 無因次滲透率與有效應力關系曲線（起始點為3 MPa）

結果顯示，有效應力低于16 MPa時，煤樣滲透率隨有效應力的增加大幅降低，儲層應力敏感性較強；有效應力超過16 MPa后，滲透率遞減趨緩。有效應力達到25 MPa時，滲透率最小可降低到初始滲透率的3%，滲透率損害嚴重。主要原因是：相比于原地煤巖儲層應力條件，實驗用煤樣處于完全的應力釋放狀態，上覆巖層壓力和孔隙壓力的缺失致使煤樣釋放骨架應力，應力狀態和大小的變化致使煤樣的孔隙結構發生變化，進而造成部分小喉道和微裂隙增大或開啟。以較低有效應力為起點進行應力敏感性評價時，隨著有效應力的增加，煤樣逐漸恢復到原地煤巖儲層應力條件，應力恢復過程中滲透率的變化并不能真實體現煤巖儲層滲透率應力敏感程度。

為了真實反映煤巖儲層應力敏感性，以原地有效應力為起點評價煤巖儲層應力敏感程度。煤樣儲層埋深約1 000 m，儲層壓力梯度約0.95 MPa/100m，原地有效應力16 MPa左右，以16 MPa的原地有效應力為起始點的無因次滲透率與有效應力關系曲線（見圖2）。在煤巖儲層原始有效應力條件下，隨著有效應力的增加，滲透率逐漸減小，達到最大有效應力時，煤樣1滲透率損失為54.3%，煤樣2滲透率損失為62%，煤樣3滲透率損失為63.8%。

圖2 無因次滲透率與有效應力關系曲線（起始點為16 MPa）

根據實驗結果，有效應力與無因次滲透率之間符合二次多項式關系，即

式中：K-不同有效應力下的滲透率，mD；Keffo-原地有效應力下的滲透率，mD；Peff=Pover-P-有效應力，MPa；Pover-上覆巖層壓力，MPa；P-孔隙壓力，MPa；c0、c1、c2-二項式擬合系數。

根據二項式關系擬合的曲線相關系數（見表2），R2都接近于1，說明曲線可以較好地反映滲透率應力敏感性規律。

2 應力敏感性機理分析

煤巖儲層發生滲透率應力敏感的主要原因是應力狀態的改變導致承載巖石骨架顆粒與孔喉結構間的原始關系發生了變化，進而導致滲流通道發生變化。巖石的孔隙結構由孔隙和喉道兩部分組成，由孔喉變形理論可知，致密巖石受壓時，首先被壓縮的是喉道，而非孔隙[14]，巖石的滲透率主要受喉道制約。

由于煤巖儲層屬于孔隙-裂隙雙重孔隙介質[15，16]，因此，除了孔隙結構的變化外，裂隙系統應力狀態的改變同樣會造成煤巖儲層滲透率應力敏感。

2.1 孔隙結構分析

2.1.1 微觀孔隙結構分析 為了直觀反映孔隙結構對煤巖應力敏感性的影響，對煤樣進行了SEM微觀分析（見圖3）。結果顯示，煤巖儲層孔隙以粒間孔為主，填隙物含量較少，孔壁較平滑，孔隙呈不規則多邊形，抗壓能力較強，受應力作用影響較小。喉道多呈片狀、反拱狀結構，且喉道表面多有膠結物分布。有效應力增加時，其結構及表面膠結物很容易被壓縮，造成滲透率大幅降低。

表2 二項式擬合系數

圖3 煤樣孔喉結構

圖4 滲透率與孔喉半徑的關系曲線

2.1.2 恒速壓汞喉道分析 恒速壓汞測試煤巖滲透率與孔喉均值半徑之間的關系（見圖4），從中可以看出，煤樣孔喉均值半徑與滲透率之間具有一定的正相關關系，隨滲透率增加，孔喉均值半徑相應增大。儲層壓力降低時，滲透率變化較敏感的是相對較小的喉道，小喉道所占的比例越大，喉道減小或閉合的數量就越多，滲透率下降的幅度也越大。隨著儲層壓力的進一步降低，煤巖骨架顆粒不斷被壓實，未閉合的喉道越來越少，且多數為不易閉合的喉道，因此滲透率降低的趨勢會逐漸減小。

2.2 微裂隙開度分析

煤巖儲層微裂隙發育，是溝通儲層內部的直接通道（見圖5）。在煤層氣開采中，裂隙系統內流體壓力下降，儲層巖石有效應力增加，微裂隙被壓縮造成開度下降，甚至閉合，而且這些微裂隙閉合后即使卸壓也很難再張開，尤其是水平層間微裂隙的閉合影響更為嚴重[17]。因此，微裂隙的閉合會造成儲層滲透率大幅度降低，表現為煤巖儲層具有較強的應力敏感性。

圖5 煤樣微裂隙

3 應力敏感對煤層氣井開發的影響

在煤層氣開采的過程中，隨著排水進行，儲層壓力逐漸下降，煤巖發生彈塑性變形[18-20]，引起應力敏感，進而造成滲透率降低，影響煤層氣的開發效果。為了提高煤層氣產能，需要盡可能降低井底流壓，但井底流壓的降低會使井底附近壓降漏斗逐漸擴大，產生應力敏感效應，反而會降低煤層氣產能。

3.1 應力敏感對滲透率的影響

由圓形定壓邊界平面徑向流壓力分布和公式（1），可得考慮應力敏感效應的滲透率分布近似為：

式中：Pe-原始煤層壓力，MPa；Peffo-原始煤層有效應力，MPa；re-邊界距離，m；rw-氣井半徑，m；r-任意位置到氣井的距離，m。

圖6 應力敏感對滲透率的影響

不同滲透率煤樣受應力敏感效應影響滲透率變化規律（見圖6）。從中可以看出，受應力敏感效應的影響，儲層滲透率呈漏斗形分布：距離井筒越近的儲層，滲透率變化越大；在遠離井筒的區域，滲透率變化較小。對于同一煤樣，井底流壓越小，滲透率變化越大；對于不同煤樣，初始滲透率越大，同一井底流壓下，滲透率變化越小。

3.2 應力敏感對氣井產能的影響

由平面徑向流氣井理論產量和公式（1），可得到考慮應力敏感效應時氣井產能與理論產能之間的比例關系：

式中：Q-考慮應力敏感效應時氣井產量，m3/d；Qeffo-平面徑向流理論產量，m3/d。

井底流壓發生變化時應力敏感效應對氣井產能的影響（見圖7）。可以看出：在井底流壓下降過程中，3條曲線產量損失不斷增大，且差距不斷增大，當井底流壓達到5 MPa時，煤樣1產量降低了約33.2%，煤樣2產量降低了約42.2%，煤樣3產量降低了約45.6%。計算結果表明，應力敏感性嚴重影響煤層氣井產能，且初始滲透率越小，產能降低越嚴重，應根據實際情況確定煤層氣井合理的井底流壓。

圖7 應力敏感對氣井產能的影響

4 結論

（1）以原始煤巖儲層有效應力為有效應力基準點的應力敏感效應評價方法計算的應力與實際儲層的應力狀態比較接近，能更真實地反映由儲層流體壓力下降而產生的應力敏感。

（2）以原地有效應力為基準的無因次滲透率與有效應力關系曲線滿足二次多項式關系，擬合程度較好。

（3）掃描電鏡和恒速壓汞分析表明，煤巖儲層孔隙大小對應力敏感性影響較小，喉道大小和形狀以及微裂隙的張開程度是影響煤巖儲層應力敏感性的主要原因。

（4）理論計算結果表明，應力敏感效應對煤層氣井開發有一定的影響。應力敏感效應使氣井井底附近儲層形成滲透率漏斗，井壁附近滲透率損失嚴重。井底流壓下降到5 MPa時，產量最大損失可達45.6%，且初始滲透率越小，產能降低越嚴重。應根據實際情況，確定合理井底流壓，實現高效開發煤層氣目的。

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