郭帥鋒

中石油煤層氣有限責(zé)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(duì)煤層氣井產(chǎn)能影響

郭帥鋒

中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城分公司

近年來(lái)，煤礦區(qū)煤層氣如何抽采，特別是受煤層開挖擾動(dòng)作用下，煤層氣開和煤炭開采卸壓都會(huì)引起地應(yīng)力重分布，地應(yīng)力的變化控制著裂隙的擴(kuò)展方向和范圍，從而影響與煤層氣井的導(dǎo)流能力，對(duì)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(wèn)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(chǔ)層滲透性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)于煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)具有理論和實(shí)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(shí)發(fā)生的變形與強(qiáng)度特性，主要由力學(xué)參數(shù)來(lái)體現(xiàn)。通常情況下，煤、巖石力學(xué)參數(shù)則主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備測(cè)得。其中，實(shí)驗(yàn)室研究煤巖石變形和破壞過(guò)程主要是利用剛性試驗(yàn)機(jī)或伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤巖石試樣進(jìn)行單軸或三軸壓縮試驗(yàn)，來(lái)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(chǔ)層地應(yīng)力條件

地殼深部巖體中存在天然的地應(yīng)力場(chǎng)，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(shí)間和空間尺度上地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用。地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層是影響深部地應(yīng)力場(chǎng)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(qiáng)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(dòng)都可能會(huì)誘發(fā)斷層滑動(dòng)，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(dòng)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(wèn)題之一。

2.1 煤儲(chǔ)層現(xiàn)今地應(yīng)力條件

地應(yīng)力對(duì)水力裂縫的擴(kuò)展和煤儲(chǔ)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(chǎng)實(shí)測(cè)，而水力壓裂法是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量地應(yīng)力最常用的方法之一。

利用水壓致裂法，通過(guò)地面垂直鉆孔對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量：最小水平主應(yīng)力σh的表達(dá)式為

最大水平主應(yīng)力σH的表達(dá)式為：

式中：T為巖層抗拉強(qiáng)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(guò)上覆巖層的重量進(jìn)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(chǔ)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(cè)得，其大小控制著破裂梯度，并限制水力裂縫的擴(kuò)展延伸。因此，在煤層氣開發(fā)鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)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(guò)程中，隨著煤層中水、氣的排出，受抽采的影響煤儲(chǔ)層壓力逐漸下降，煤儲(chǔ)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(duì)煤層氣井開發(fā)效果影響很大。

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

式中：K為煤儲(chǔ)層某一應(yīng)力狀態(tài)下的滲透率，10-3μm2；K0為煤儲(chǔ)層初始滲透率，10-3μm2；△σe為從初始到某一應(yīng)力狀態(tài)時(shí)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(chǔ)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(chǔ)層壓力的降低，煤儲(chǔ)層中受到的有效應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，而滲透率隨有效應(yīng)力的增大而降低，排采初期儲(chǔ)層壓力梯度變化劇烈，隨后趨于平緩；2)有效應(yīng)力降低時(shí)，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(duì)滲透率造成嚴(yán)重?fù)p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(gè)煤層氣排采過(guò)程中煤儲(chǔ)層表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力敏感性。

實(shí)際上，煤儲(chǔ)層處于大地構(gòu)造當(dāng)中，由于煤儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(huì)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(shí)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(chǔ)層應(yīng)力敏感性對(duì)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(chǔ)層應(yīng)力敏感性的氣井產(chǎn)量明顯小于不考慮其作用時(shí)的氣井產(chǎn)量；同時(shí)，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(shí)的井底壓力，也是在生產(chǎn)過(guò)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(duì)氣井產(chǎn)能產(chǎn)生不利影響。煤層氣排采過(guò)程中，井底流壓反映了氣井內(nèi)的動(dòng)液面高度，因此，一般通過(guò)人為調(diào)整井底壓力的方法來(lái)控制動(dòng)液面高度和套壓的大小。井底流壓對(duì)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(guò)高還是過(guò)低，都不利于煤層氣的高效產(chǎn)出。當(dāng)井底流壓過(guò)高時(shí)，降低了生產(chǎn)壓差，對(duì)于煤層氣的產(chǎn)出相當(dāng)不利；當(dāng)井底壓力過(guò)低，生產(chǎn)壓差過(guò)大，引起煤儲(chǔ)層產(chǎn)生明顯的應(yīng)力敏感性，同樣會(huì)影響煤層氣井的產(chǎn)能。

結(jié)語(yǔ)

煤儲(chǔ)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(chǔ)層產(chǎn)氣量也高；在地應(yīng)力高的地區(qū)，煤儲(chǔ)層滲透率較低，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣困難。煤儲(chǔ)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(chǔ)層的地應(yīng)力條件對(duì)于確定煤儲(chǔ)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(shí)際意義。

[1]顏志豐，琚宜文，唐書恒，侯泉林，朱寶存，王國(guó)昌.沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層壓裂過(guò)程數(shù)值模擬研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，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(píng)價(jià)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2017，02：102-106+110.