趙莊井田3號煤層滲透性實驗研究

李進強

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司 勘探分公司, 山西 晉城 048204)

煤層滲透性反映煤儲層的滲流能力,是煤儲層評價及有利靶區(qū)優(yōu)選,評價煤層氣可采性,預測氣井產(chǎn)能、采收率及可采資源量等的關鍵煤儲層物性參數(shù)之一[1-4],在煤層氣勘探開發(fā)及瓦斯抽采防治方面尤為重視其研究。長期以來,前人在煤層滲透性研究方法及實驗手段[5-6]、控制或影響因素[7-8]、分級方案劃分[9-10]、對氣井產(chǎn)能和資源采收率控制關系[11-12]等方面開展了大量研究,對煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到積極助推作用。煤層既是烴源巖又是儲集巖,具有雙重孔隙結構,我國含煤盆地成煤環(huán)境類型多樣,成煤期后歷經(jīng)了多期次構造變動及其演化作用,成煤地質條件復雜,煤層非均質性強[13],并表現(xiàn)出典型的“三低一高”(即“低壓、低滲、低飽和度及高含氣量”)特征及明顯的各向異性[14],使得煤層氣抽采、開發(fā)技術要求及成本高,區(qū)域適配性差,單井產(chǎn)量低等[15]. 因此,針對研究區(qū)煤儲層特點,系統(tǒng)深入開展煤層滲透性研究是提高煤層氣開發(fā)成效的關鍵舉措和重要途徑。

以趙莊井田3號煤層為例,借助PDP-200型壓力脈沖滲透率儀,采用非穩(wěn)態(tài)法的壓力脈沖衰減法對煤層滲透率進行了測定,基于滲透率數(shù)據(jù)對煤層滲透性進行分級評價研究,以便于高效精準開發(fā)煤層氣。

1 煤層氣地質概況

趙莊井田位于沁水煤田東南部,行政區(qū)劃隸屬于長治縣、高平市所轄,總面積約144 km2. 井田地層相對平緩(平均傾角6°),受區(qū)域構造控制,井田主體構造與區(qū)域構造展布方向保持一致,總體為走向北北東、傾向北西的單斜構造。單斜構造之上發(fā)育系列北北東、北東向及少量近東西向展布波幅不大寬緩的次級褶曲,斷裂構造發(fā)育一般,以小型斷層構造為主,多呈北北東、北東向展布,少量呈北西向及近東西向。陷落柱稀少,未見巖漿侵入現(xiàn)象,構造復雜程度總體為簡單型。

井田含煤地層多,煤層發(fā)育,其中,石炭系上統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組為主要含煤地層,兩條主含煤地層共含煤15層,煤層平均總厚12.80 m,含煤系數(shù)8.36%. 其中,山西組3號煤層及太原組15號煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層,其余為較穩(wěn)定～不穩(wěn)定的局部可采～不可采煤層。研究的3號煤層為厚煤層,煤層結構簡單,一般含1～2層炭泥質夾矸。煤體破壞相對嚴重,構造煤較為發(fā)育。煤層氣賦存條件好、含氣量總體較高,且具有煤與瓦斯突出危險性[16],為煤炭批采和煤層氣重點開發(fā)目標層位之一。

2 煤層孔滲性實驗研究

2.1 實驗方法及原理

目前,煤巖滲透率測試方法較多[5],壓力脈沖衰減法(或非穩(wěn)態(tài)法)作為煤巖滲透率測定方法之一,具有測定時間短、數(shù)據(jù)精度高、可操作性強、測試費用低等特點,常被用于低滲、超低滲透煤巖滲透率的測定[17-18]. 為此,采用壓力脈沖衰減法(或非穩(wěn)態(tài)法),并借助PDP-200型壓力脈沖滲透率儀(圖1)對趙莊井田3號煤層滲透率進行了測定研究。測定時煤芯樣品裝在一個煤芯夾持器中,然后將夾持器與控制模塊連接,用手動液壓泵加上圍壓和給煤芯柱狀樣品施加一個孔隙壓力,然后通過煤芯柱狀樣品傳遞一個壓差脈沖,隨著壓力瞬間傳遞通過煤芯柱狀樣品,計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄煤芯柱狀樣品兩端的壓力差、下游壓力和時間等參數(shù),并在電腦上利用專門配套軟件繪制出壓差和平均壓力與時間的對數(shù)曲線,軟件通過對壓力和時間數(shù)據(jù)的線性回歸計算煤芯柱狀樣品的滲透率,并把測量結果存儲到數(shù)據(jù)文件中。

圖1 PDP-200型壓力脈沖滲透率儀圖

2.2 儀器構成及主要性能參數(shù)

1) 儀器構成。

PDP-200型壓力脈沖滲透率儀主要由氣體滲透率測量儀主機、巖芯夾持器及計算機控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3大部分構成。氣體滲透率測量儀主機主要是對測量樣品滲透率的全自動控制;巖芯夾持器配有閥門,壓力表和快速連接管線及一臺手動液壓圍壓泵,用于夾持實驗樣品;計算機控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由控制及數(shù)據(jù)采集硬件、系列軟件構成,是對各種閥門及測定過程的自動控制,數(shù)據(jù)實時采集、計算及顯示測量結果,并把數(shù)據(jù)進行存儲和導出。

2) 儀器主要性能參數(shù)。

PDP-200型壓力脈沖滲透率儀工作電壓為單相220 V,測試溫度為室溫,工作介質為氮氣,其對煤巖滲透率的測定范圍廣,測定范圍為0.000 01～10 mD,特別適合低滲、超低滲透煤巖滲透率的測定;壓力傳感器精度高,精度可達滿量程0.1%;測定穩(wěn)定時間短、速度快;采用煤巖芯夾持器,最大覆壓可達70 MPa,可以模擬大埋深油氣開發(fā)井地層上覆壓力;測定過程自動化程度高,所有閥門開啟關閉均由電腦自動控制,實驗數(shù)據(jù)由計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集、記錄數(shù)據(jù),自動計算煤巖滲透率。

2.3 樣品采集與制作

實驗樣品采集于趙莊井田1310綜采工作面距離切眼160 m處煤巷,在煤巷的同一垂直剖面上不同位置采集了多件大塊狀新鮮純凈煤樣(圖2),再用新鮮膜對已采集的塊狀煤樣進行包裹密封,防止煤體風化,然后錄入煤樣采集時間、地點、煤層編號、層位等信息。樣品搬運和存放過程中不能有拋、摔、拖、壓等行為,破壞煤樣原有的結構和構造,影響煤層滲透率實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2 測試樣品采集圖

實驗前,利用巖芯制樣機把煤樣制作成柱狀煤芯,為了盡可能貼近煤儲層客觀實際,沿著平行于煤的割理方向進行切割制樣。按照實驗儀器要求煤芯尺寸直徑2.5 cm,高度2～20 cm. 該次實驗樣品尺寸為直徑2.5 cm,長度4.32～6.37 cm.

2.4 實驗結果分析

煤層滲透性系指氣、水等流體在壓力差作用下,通過煤層的容易程度,常采用滲透率定量表征[1]. 趙莊井田3號煤層滲透率實驗測定結果見表1,3號煤層因在成煤期后受多期復雜構造變動及其演化作用,煤體破壞較為嚴重,煤層原生結構及構造遭受到一定程度破壞,構造煤相對發(fā)育。受擠壓構造應力作用,裂口多呈緊閉狀態(tài),同時,孔裂隙多被粒狀碎屑物、方解石脈等充填,裂隙的連通性差,進而致使研究煤層的滲透性普遍較差、滲透率低下,煤層滲透率一般為0.021 397～0.231 943 mD,平均0.083 929 mD. 滲透率大小與煤體破壞程度相關,原生結構煤的滲透率整體高于碎裂煤的滲透率。同時,受煤變質、地應力、煤體、煤層賦存條件及其差異性影響[19],煤層滲透率具有顯著的各向異性[20],兩極值相差近10倍。

表1 3號煤層滲透率測定結果表

針對我國煤儲層特點,前人根據(jù)煤層滲透率下限、滲透率分布值域范圍及煤層氣開發(fā)井的產(chǎn)氣狀況等,對煤層滲透性進行分級研究(表2)[9-10,21-24],為定量評價和表征煤層滲流能力,科學精準評價煤儲層,提高煤層氣開發(fā)成效等提供了重要理論支撐和指導依據(jù)。基于趙莊井田3號煤層滲透率實驗數(shù)據(jù)和前人對煤層滲透性分級研究成果可知,井田3號煤層基本屬于中滲透性～非滲透性煤儲層,并以低滲透性～非滲透性煤儲層為主。據(jù)研究區(qū)3號煤層井上下煤層氣抽采數(shù)據(jù)來看,井上下煤層氣抽采效果極不理想[25],證實了煤層滲透性差是制約煤層氣抽采效果的重要因素[26-27].

表2 前人對煤層滲透性分級方案表

2.5 煤層孔滲性對煤層氣生產(chǎn)實踐影響

1) 煤層孔滲性對開發(fā)工藝影響。

煤為固體有機巖類,普遍具有低孔、低滲、強非均質、物性差等特點,原始煤儲層開發(fā)煤層氣難以實現(xiàn)其經(jīng)濟性和開發(fā)成效。從孔滲性實驗結果來看,趙莊井田3號煤的孔隙度低、滲透率差,多以低滲透性～非滲透性煤儲層為主。因此,要實現(xiàn)煤層中煤層氣高效產(chǎn)出,提高煤層氣井產(chǎn)量,需優(yōu)選增透增滲煤儲層壓裂改造技術。鑒于研究煤層構造煤相對發(fā)育,煤體相對碎軟,可以采用沿煤層頂板水平鉆進定向射孔分段壓裂技術,解決低孔低滲、構造煤發(fā)育、碎軟煤層成孔率低、煤體改造效率低、井壁坍塌及固井質量差等問題。該技術已在淮南潘一東煤礦及沁水盆地趙莊井田低孔低滲、構造煤發(fā)育、碎軟煤層煤層氣開發(fā)中初步探索應用,工程應用效果較好。也可采用空氣欠平衡鉆井,融合滑套式水力噴射分段壓裂技術實現(xiàn)煤層氣高效開發(fā)。

2) 煤層孔滲性對煤層氣排采影響。

煤層孔隙度及滲透率對有效應力具有極強的敏感性,若煤層氣排采管控制度不合理,極易造成煤儲層井下工程事故、滲透率及產(chǎn)氣量急劇降低等問題[28],因此,煤層氣排采是煤層氣開發(fā)核心環(huán)節(jié)之一。研究區(qū)目的煤體破壞相對嚴重,構造煤相對發(fā)育,煤體相對碎軟,高強度排采容易造成煤粉大量產(chǎn)出堵塞滲流通道、埋泵卡泵,同時造成有效應力急劇變化,煤基質收縮/膨脹作用和滑脫效應等,煤層滲透率及產(chǎn)氣量將會大幅降低。因此,煤層氣排采要精細化管控,嚴格遵循“緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定、長期”原則,按照“一井一策”管理思路,制定科學、靈活、合理的生產(chǎn)制度,確保煤層氣井高產(chǎn)高效。

3) 煤層孔滲性對煤層氣井產(chǎn)量及采收率影響。

煤層氣產(chǎn)出是“排水→降壓→采氣”過程,煤層氣井通過舉升設備排采地下水降低煤儲層壓力,促使煤內(nèi)表面吸附態(tài)煤層氣開始解吸,隨著煤儲層壓力的持續(xù)下降和解吸氣的不斷解吸,在濃度差作用下煤層氣在煤微孔裂隙中發(fā)生擴散,隨著煤儲層壓力和水飽和度進一步降低,水的相對滲透率不斷下降,而氣的相對滲透率逐漸升高,煤層氣便以達西流方式在煤大裂隙系統(tǒng)中滲流連續(xù)產(chǎn)出。煤層孔滲性影響著流體(煤層氣、地下水)產(chǎn)出速度和效率,進而表現(xiàn)為產(chǎn)水量及壓降漏斗擴展范圍大小、產(chǎn)氣量及采收率高低[28]. 趙莊井田3號煤層低孔隙度、低滲透率,在一定程度上影響了煤層氣、地下水的高效產(chǎn)出,排水壓降漏斗擴展范圍有限,氣井產(chǎn)氣量和采收率難以實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。為實現(xiàn)煤層增透增滲、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),往往采取科學有效的人工儲層改造和精細化排采管控等措施。

3 結 論

1) 井田3號煤層破壞較為嚴重,構造煤相對發(fā)育,加之裂口多呈緊閉狀態(tài)和被充填現(xiàn)象嚴重,降低了煤層滲透性,滲透率整體較低,煤層滲透性為中滲透性～非滲透性,并以低滲透性～非滲透性煤儲層為主,嚴重制約了井上下煤層氣抽采效果。

2) 受煤極強非均質性影響,煤層滲透率及孔隙度具有顯著的各向異性。煤體對煤層滲透性影響最為顯著,煤體破壞越嚴重,煤層有效孔隙度及滲透率越低,反之亦然。

3) 煤層孔滲性對煤層氣生產(chǎn)實踐具有重要影響,煤層氣開發(fā)應基于煤層孔滲性特征按照“一井一策”思路,制定科學的工程方案及措施,提高煤層氣開發(fā)成效。