应力场_地温场_压力场对煤层气储层渗透率影响研究_以山西沁水盆地为例

应力场、地温场、压力场对煤层气储层渗透率影响研究———以山西沁水盆地为例孙立东1,2,赵永军2,蔡东梅3(1.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江大庆163453;2.中国石油大学(华东)地球资源与信息学院,山东东营257061;3.中国石油大学(北京)资源与信息学院,北京102249)摘　要:为了确定煤层气储层渗透率的变化规律,从岩石力学性质分析入手,以山西沁水盆地上古生界煤层气储层的实际地质情况为例,探讨了构造应力场、地温场、压力场对煤储层渗透率分布的控制机理。

研究表明,构造应力场的应力2应变控制着储层裂隙的发育规律,地温场通过控制煤岩的力学性质而改变应力场的作用效果,而随着压力场作用增强,渗透率降低。

关键词:应力场;地温场;压力场;煤储层;渗透率中图分类号:P618.11 文献标识码:A 文章编号:167223767(2007)0320012203R esearch on E ffect of Pressure ,G eo 2temperature and Stress Fields on Permeabilityof Coalbed 2gas 2bearing Seams in Q inshui B asinSUN Li 2dong 1,2,ZHAO Y o ng 2jun 2,CA I Dong 2mei 3(1.The Exploration and Development Research Institution ,Daqing Qilfield Limited liability company ,Daqing ,Heilongjiang 163453,China ;2.Institute of G eo 2resource and Information ,China University of Petroleum ,Dongying ,Shandong 257061,China ;3.Institute of G eo 2resource and Information ,China University of Petroleum ,Beijing 102249,China )Abstract :In order to determine the change law of permeability of coalbed 2gas 2bearing seam ,the paper discusses the control mechanism of tectonic stress field ,geo 2temperature field ,and pressure field on permeability distribution of coalbed 2gas 2bearing seam starting f rom the analysis of rock mechanics and taking the actual geological condition of coalbed 2gas 2bearing seams in Upper Palaeozo Erathem of Qinshui Basin as a sample.The research shows that the stress 2strain field controls the f racture development of coal seams while geo 2temperature field changes the action effect of stress 2strain field by dominating the mechanical properties of coals and rocks.The permeability decreases as increase of pressure field action.K ey w ords :stress field ;geo 2temperature field ;pressure field ;coalbed 2gas 2bearing seam ;permeability收稿日期:2007204205基金项目:973国家重点基础研究发展规划项目(2002CBll700)作者简介:孙立东(19812),男,吉林白城人,助理工程师,主要从事油气资源评价方面的研究. 山西沁水盆地为我国煤层气最为富集的地区,但煤储层渗透率低[1],非均质性强[223],而且煤层气储集层有别于常规天然气储层[4],它具有基质孔隙和裂隙的双孔隙,其渗透率的分布受到众多因素的影响:地质构造、应力状态、煤层埋深、煤体结构、煤岩煤质特征、储层压力及煤阶等[527],寻找低渗透率煤储层的高渗区,成了制约煤层气勘探部署的瓶颈。

为了解决煤储层渗透率预测的难题,本文分析了煤岩力学性质的变化规律,明确了构造应力场对煤储层渗流作用的贡献作用,探讨了温度场、压力场对于煤储层渗透率的控制机理,并提出了煤储层定性或半定量的评价标准。

1　煤岩力学性质研究煤储层为赋存在地下一定深度、复杂地质环境下的三维地质体,分析其力学性质的变化直接影响着地应力的作用效果。

对于应力特别敏感的煤层气储层而言,力学性质的变化规律的研究将有助于揭示岩石裂隙系统的发育规律,并从本质上阐述煤储层渗透率的发育机理。

据此,选取弹性模量、泊松比、体积模量和剪切模量等描述煤岩物质抗变形能力的物理参数,分析它们在不同地层温度和煤岩演化程度情况下的变化规律。

通过试验数据分析,温度控制着各种岩石力学参数的变化,对同一演化阶段的煤样,随着温度的升高,弹性模量、剪切模量逐渐升高且变化幅度明显,泊松比呈现逐渐降低的趋势,而体积模量也随着呈现先降后增的变化趋势,随着温度的升高,煤岩的形变能力逐渐降低(表1)。

温度通过控制煤岩的力学性质而影响其渗流场分布,在相同应力环境下,高地层温度增大了煤岩弹性模量、剪切模量,降低了泊松比,使煤储层不易在应力作用下产生形变。

表1　煤岩力学参数表Tab.1　Mechanical parameterlist of coals 注:据参考文献[3]修改2　应力场、地温场、压力场与渗透率耦合分析2.1　应力场与渗透率耦合分析构造应力场是控制煤储层渗透率的重要参数。

应力场通过对煤储层的孔隙结构的形变使其发生渗透率的变化,应力2应变条件变化对储层的渗透率起着改造作用[8]。

低应力地区渗透率高,相反,高应力地区渗透率较低。

选取沁水盆地14个煤层气试井渗透率资料进行分析,发现煤储层的渗透率与有效应力之间具有较好的耦合关系,并且随有效应力的增加呈指数关系降低(图1)。

有效应力与渗透率的耦合关系表明,有效应力控制了渗透率的发育,随着有效应力的不断增大,裂隙面受到挤压作用逐渐增强,裂隙壁距降低甚至闭合,渗透率降低,但二者的相关性不明显,这可能是由于温度等因素的影响。

煤储层渗透率具有控制作用的有效应力可划分为3个区间:①低有效应力差,Δσ<5MPa ,K >1×10-3μm 2;②中有效应力差,5MPa <Δσ<10MPa ,011×10-3μm 2<K<1×10-3μm 2;③高有效应力差,Δσ>10MPa ,K <011×10-3μm 2。

其中:在Δσ<5MPa 的有效应力状态下,应力对于渗透率的控制作用明显;5MPa <Δσ<10MPa 有效应力区间内次之;而有效应力Δσ>10MPa对于渗透率的控制不明显。

2.2　地温场与渗透率耦合分析图1　有效应力与渗透率耦合关系图Fig.1　Coupling relationship between effective stress and permeability煤储层的地层温度控制着煤岩力学性质,从而影响应力场对于煤储层渗透率改造的作用效果,可见地温场是影响应力场作用效果的重要因素,选取相近的应力环境,对上述应力的三分方案进行逐一分析,研究结果发现渗透率随着温度升高呈现逐渐降低的趋势,且均呈指数关系(图2)。

从回归的关系式中可得煤储层渗透率的变化受到地应力的明显控制。

在低地应力的情况下,地层温度对于渗透率的改造作用明显;相反,高地应力环境下,地层温度对于渗透率的改造作用并不明显。

在应力场的控制作用下,地层温度影响着煤储层渗透率发育,地层温度对于渗透率的影响较地应力为次要因素,随着温度的升高,增大了煤岩弹性模量、剪切模量,降低了泊松比,使煤储层不易在应力作用下产生形变,降低了煤储层的渗流能力。

山东科技大学学报自然科学版14　第26卷第3期2007年8月Vol.26No.3Aug.2007图2　不同应力环境下渗透率与地层温度耦合关系图(Δσ为有效应力)Fig.2　Coupling relationship between ground temperatureand permeability under different stresscircumstances(Δσ2effective stress)2.3　压力场与渗透率耦合分析压力场对煤储层渗透率的影响前人研究较少,其影响规律和作用机理还不清楚。

文献[9]通过分析全国20多个煤层气试验区的试井实测资料,发现随着原始储层压力的增大,煤层渗透率具有降低的趋势,规律性并不强,这是由于前人探讨的原始储层压力并非压力场作用效果的体现。

理想情况下,煤层气在储层裂隙系统中的渗流满足达西定律,即q=KAΔp zμL式中:q—气体流速,m3/s;K—渗透率,10-3μm2;A—砂层的横截面积,m2;Δp Z—储层压差(井底压力与平均储层压力差值的绝对值),M Pa;μ—液体的粘度,Pa・s;L—两个渗流截面间的距离,m。

通过分析达西定律可知,储层压差是气体在裂隙系统中快速流动的原始动力,对于固定的煤岩样品,渗透率越差,需要越强的流动动力。

所以,储层压差并非是煤储层渗透率大小的控制因素,而是决定储层渗流能力的必要因素,即不同的储层压力差作用下,煤层气储层的渗流能力亦不同。

研究区内实测渗透率与储层压差的耦合关系进一步证明上述观点,随着储层压差的增大,煤储层渗透率具有相对降低趋势,但二者的相关性不强(图3)。

3　煤储层渗透率评价综合上述分析表明,三场对于煤储层渗透率分布规律的影响程度存在着较大差异。

应力场为煤储层渗透率分布规律的主要控制因素;地温场是通过控制煤岩的力学性质来实现对应力的作用,进而影响煤储层渗透率的发育,为次要因素;而压力场对煤储层渗透率的影响并不明显,为相关因素。