（油气田开发工程专业论文）煤层气储层敏感性实验研究.pdf

成都理工大学硕士学位论文 关键词：煤层气储层；渗透率损害；应力敏感；速敏；水敏：表面活性剂 水锁效应 i i 作者签名： 成都理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ns e n s i t i v i t yo f g a sb e a r i n gc o a l b e d i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：z h e n gj a n ，w a sb o mo na p r i l2 2 ，19 8 0 u n d e r t h eg u i d a n c eo fp r o f f e n gw e n - g u a n gh ew a sg r a d u a t e df r o mo i l & g a sf i e l d s e x p l o i t a t i o ne n g i n e e r i n ga tc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a b s t r c t 、斫t l lt h ei n c r e a s i n gd e c r e a s eo fn o r m a ln a t u r a lg a sr e s o u r c ea n dt h es h a r p i n c r e a s eo fn a t u r a lg a sd e m a n d ，c o a l b e dg a sa sak i n do fn o n n o r m a ln a t u r a lg a s r e s o u r c ei sv a l u e db ym o r ea n dm o r ep e o p l e i no r d e rt od e c r e a s et h ed a m a g et oc o n v e n t i o n a lr e s e r v o i r s ，g r e a tm a n ys t u d i e s h a v ed o n eo nt h es t r e s ss e n s i t i v i t y 、f l o wr a t es e n s i t i v i t y 、w a t e rs e n s i t i v i t y 、a c i d s e n s i t i v i t y 、a l k a l is e n s i t i v i t y a n dd i v e r s i f i e dc h e m i cs u b s t a n c e s e n s i t i v i t y c o m p a r i n gw i t ho i lf i e l d ，t h ee x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o a l b e dw e l li sq u i t e n e wa n dt h er e s e a r c hw o r ka b o u tp r o t e c t i n gt h ec o a l b e ds e a j l 3 f r o md a m a g eh a sn o t b e e nd o n ei no u rc o u n t r y b e c a u s eo fs p e c i a l p h y s i c a lp r o p e r t y 、s p e c i a lc h e m i s t r y p r o p e r t ya n ds p e c i a lp o r es t r u c t u r e ，t h ep e r m e a b i l i t yo ft h ec o a l b e ds e a mi se a s i e r r e d u c e dt h a no i lf i e l dw h e ns t r e s si sc h a n g e do ro u t e rl i q u i df l o w e di n c o n s i d e r i n g t h a tc o r i n gi nc o a l b e dg a sw e l la r ed i f f i c u l t ，p o w d e r e dc o a lp a c k sa r eu s u a l l y c h o o s e dt od of l o w i n ge x p e r i m e n t ，a p p a r e n t l yt h i sp a c k s8 j eq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h e t r u ec o a l b e dc o r e si np o r es t r u c t u r e m o r e o v e r , t h em a j o r i t yo fs e n s i t i v i t ys t u d y h a v eb ed o n eo nt h es t r e s ss e n s i t i v i t ya n dt h ep e r m e a b i l i t yd a m a g ew h i c hc a u s e db y d r i l l i n gf l u i da n df r a c t u r i n gf l u i d t h i sl 【i n do fr e p o r t si no u t s i d ei sa l s oq u i t e l i m i t e d ，t h es t u d i e sa l s oo n l yh a v ed o n eo nt h es t r e s ss e n s i t i v i t ya n dt h ep o l y m e r s e n s i t i v i t y t h em a j o r i t yo fg a s b e a r i n gc o a l b e di no u rc o u n t r yh a v el o wp o r o s i t yr 中 l o ) 、l o wp e r m e a b i l i t y ( k 1x1 0 。“m 2 ) a n dl o wp r e s s u r e ( b u r i e dn o tv e r y d e e p ) s ot h ec o m m o n l yu s e dm e t h o do fd e v e l o p m e n to fc o a l b e dm e t h a n ew e l l i s h y d r a u l i cf r a c t u r i n g f o rp r o v i d i n gt h eb a s i so fh o wt op r e p a r el o wd a m a g ef o a m f r a c t u r i n gf l u i d w eh a v ed o n et h i sc o a l b e d s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t s b l i n dc o a lf r o m j i n c h e n ga n ds o f t c o a lf r o mh a n c h e n ga r eu s e da n dc o r e sa r ep r e p a r e di n t h i s e x p e r i m e n t c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fg a s b e a r i n gc o a l b e d ，w ep u t f o r w a r dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d st h a ts u i tg a s b e a r i n gc o a l b e dw i t hr e f e r e n c et o t h em e t h o d so fn o r m a ls a n d s t o n es t a t a s w eh a v ed o n es y s t e m i cs t u d i e so fc o a l b e d s e a mo nt h es t r e s ss e n s i t i v i t y 、f l o wr a t es e n s i t i v i t y 、w a t e rs e n s i t i v i t ya n dw o r k i n g i i i 成都理工大学硕士学位论文 f l u i d s e n s i t i v i t y a tw o r k i n gf l u i ds e n s i t i v i t y a s p e c t ，w e h a v es t u d i e dt h e p e r m e a b i l i t yd a m a g ew h i c hc a u s e db yt h eb a s ef l u i do ff r a c t u r i n gf l u i d - i n c l u d et a p w a t e ra n dt 1 1 ew a t e rf r o mr i v e rw h i c hb ed e a l e dw i t hd i f f e r e n t l y a tt h es a m et i m e t h er e s e a r c hw o r ka b o u td a m a g eb e t w e e nt h ec o a l b e ds e a m a n df r a c t u r i n gf l u i d c o n t a i n i n gs u r f a c t a n t sh a sb e e nd o n e i n c l u d es u r f a c t a n t ss e n s i t i v i t ya n dt h ew a t e r b l o c kc a u s e db ys u r f a c t a n t s b e s i d e s t h ed a m a g em e c h a n i s mh a sb e e na n a l y s e d t h e r e s u l tw eh a v er e a c h e df r o me x p e r i m e n t sc a nn o to n l yo f f e ru sb a s i so fh o wt om a k e t h ew a t e r - b a s ef o a mf r a c t u r i n gf l u i db u ta l s oh o wt op r o t e c tt h ec o n b e ds e a mf r o m p e r m e a b i l i t yd a m a g ei nt h ed i f f e r e n tp h a s e so fc o a l b e dg a sm i n i n g k e yw o r d s ：g a sb e a r i n gc o n b e d ；p e r m e a b i l i t yd a m a g e ；s t r e s ss e n s i t i v i t y ；f l o wr a t e s e n s i t i v i t y ；w a t e rs e n s i t i v i t y ；s u r f a c t a n t ；w a t e rb l o c k i v s i g n a t u r e ： 第1 章引言 1 1 本文的研究背景1 】 第1 章引言 煤层气是一种由煤层生成并主要以吸附状态储集于煤层中的非常规天然 气，它的主要成分是甲烷，甲烷一般占9 5 9 8 ，故称之为煤层甲烷，在煤 矿中又俗称为瓦斯，它是近一、二十年来崛起的优质洁净新能源，逐渐从研究 走向开发利用阶段。我国煤层气资源极为丰富，据测算，其资源量约4 3 万亿 一，与天然气的资源量大约相等，依据迄今为止最完整的煤炭资源勘探成果和 煤层含气量实测资料，含气量4 m 3 t 以上、埋深小于2 0 0 0 m 的煤层气资源总量 1 4 3 4 万亿n 1 3 ，其中：含气量大于8 m 3 t 的富甲烷煤层气资源量1 2 4 4 万亿m 3 ， 含气量介于4 8m 3 t 之间的含甲烷的资源量1 9 0 万亿m 3 ；埋藏深度小于1 5 0 0 m 的浅层的煤层气资源量9 2 6 万亿m 3 ，深度为1 5 0 0 2 0 0 0 m 的较深层煤层气资 源量5 0 8 万亿m 3 ，且大部分分布于西气东输管运沿线，开发利用前景巨大【2 。 煤层气将成为我国继煤炭和石油天然气之后中国的战略性的接替能源，它 的开发和利用既能解决我国天然气的不足，又能从根本上消除了煤炭开采中造 成的瓦斯爆炸、瓦斯突出等灾害，还可以减少大量瓦斯排放到大气中造成的环 境污染以及改善我国的能源结构，加速我国以煤为主的能源系统逐渐向环境无 害化的可持续发展模式的转化过程，树立遵守国际公约和减少大气污染以及保 护国际环境的良好国际形象，均具有重要的战略意义。 随着我国经济的快速发展，能源短缺的矛盾进一步加剧，国家对天然气的 需求日益增加，近年来煤层气受到我国政府和有关工业部门的高度重视口】。1 9 8 2 年国家就将煤层气利用工程引入国家节能基本建设投资计划。1 9 8 9 年国务院规 定的关于当前产业政策要点的决定中，把煤层气开发列为“当前的产业发 展系列目录”中“重点支持基本建设的产业和产品”。1 9 9 6 年3 月，经国务院 批准，组建了中联煤层气有限责任公司，实行国家计划单列，并给予包括科研 项目在内的一些特殊扶持政策，以集中力量，加快煤层气开发利用。1 9 9 6 年， 国家经贸委在修订国家资源综合利用目录时，把煤层气开发和煤层气发电 引入该目录。1 9 9 7 年1 0 月，国家政府发文通知：将煤层气勘查、开采登记比 照石油、天然气管理的规定，实行国家一级规划管理。随后几年，国家又相继 出台一些优惠政策。同时，还颁布了关于外国石油公司参与煤层气开采适用 税收政策问题的通知等一系列特殊优惠政策。鼓励外商积极参与开发中国陆 上煤层气资源。2 0 0 1 年6 月，国家经贸委发布的国家石油工业“十五”规划 的“十五”发展目标“油气探明储量”一条中，明确要求：“探明煤层气可开发 成都理工大学硕士学位论文 地质储量约1 0 0 0 1 0 s m ”。在“油气产量”一条中，虽未明确要求煤层气的产 量，但要求“天然气( 含煤层气) 产量达到5 0 0 0 1 0 8 m 3 以上”。“十五”规划 在安排“十五”发展重点“( 二) 抓住西气东输、油气登陆机遇，实现天然气工 业快速发展”一条中明确指出：“同时要加快发展煤层气产业，重点是加快沁水 盆地、河东煤田、两淮地区、韩城及六盘水地区等含煤盆地的煤层气勘探开发， 建成3 5 个煤层气开发利用示范基地”。“十五”规划在提出“十五”期间 的主要措施政策时，关于煤层气产业提出了两条：“优先发展关系石油工业 可持续发展的关键技术”，“在煤层气勘探开发方面包括：开展高、低煤阶煤层 气基础理论及评价研究，煤层气勘探开发技术研究，煤层气技术规范和经济评 价方法研究”。“加大煤层气勘探开发资金投入，减免税种和降低税率，促进 我国煤层气产业的快速发展”。最近获悉，国家法委宣布要成立煤层气研究中，t l , ， 同时，国家教委也把煤层气气藏工程专业定为今年十大新兴专业之一。国家对 开发煤层气新能源的高度重视和对发展新兴产业的支持，为发展我国煤层气产 业创造了极有利的政策环境和条件。 美国是首先在地面钻井开发煤层气技术方面获得重大突破并进入商业化开 采的国家，1 9 5 3 年美国圣胡安盆地第一口煤层气试验井开始投产，1 9 7 8 年美国 能源部开始实施甲烷回收计划，1 9 8 0 年美国黑勇士盆地煤层气开发区建成投 产，1 9 9 6 年美国煤层气产量极高的圣胡安盆地的1 1 0 口煤层气井，日产量达6 6 0 多万r f l 3 ，2 0 0 0 年美国年煤层气产量占天然气总量的1 5 。这些事实说明煤层 气井的产量相当高，因此世界各国对煤层气资源的研究日益加深，煤层气在能 源中的地位日益提高。 我国从6 0 年代新星石油公司华北石油局开始从事煤层气地质方面的研究， 7 0 年代对煤层气资源开始进行初步评价研究，8 0 年代至9 0 年代初期，煤炭、 地矿、石油系统及地方政府有关单位先后独立或与联合国及国外石油公司合作 开展了煤层气的开发试点工作，据不完全统计，已施工了约2 0 0 口煤层气实验 井，部分钻井进行了煤层压裂、排水产气试验，在煤层气勘探开发理论与技术 等方面取得了重要进展。2 0 0 5 年，大中型煤矿瓦斯利用量达到当年抽放量的8 0 ，建成了2 3 个煤层气地面开发及利用示范基地，煤层气产量达到3 0 亿 4 0 亿立方米。积极支持煤层气产业发展，使其成为煤炭工业新的经济增长点【4 5 1 。但迄今为止，从全国总的试验情况看，除沁水煤田产气量达到商业产气要 求外，绝大多数煤层气试井产量低、产量递减快，难以形成稳定的工业性气流。 其主要原因1 】： n 1 我国煤层气储层的自身特性限制，即：煤层气藏的渗透率低、吸附强、 开采浅层煤层气的原始压力不高、解吸速度慢，这就使得煤层气解吸及其在煤 2 第1 章引言 层中的运移十分困难。 ( 2 ) 适合于我国复杂地质条件下煤储层特征的储层评价技术和方法以及钻 井、完井、压裂和排采等核心技术不够完善。 ( 3 ) 适合我国煤层气储层特性的煤层气开采理论和提高低渗透煤层气产量 措旄不够完善，因为煤矿专家不完全熟悉天然气开采，天然气专家不完全熟悉 煤层气的开采( 常规天然气主要是游离气，而煤层气是以甲烷为主的吸附气) ， 外国专家又不完全熟悉中国致密低渗透储层特征，目前我国关于煤层气的绝大 部分基础理论主要是从常规的天然气开采中引进的，不能完全适应我国煤层气 的开采。 以上原因严重制约了我国煤层气资源的商业化大规模开采。所以，油气专 家在对我国煤层气勘探开发的基础理论和技术手段上，都还需要做大量的工作。 本文就煤层气储层损害保护方面，做了一些尝试性研究。 1 2 研究意义及国内外研究现状 1 2 i 常规油气储层的敏感性研究 油气储层是在漫长的地质年代中形成的，可以认为整个体系基本上处于力 学和热力学平衡状态，油气层被钻开后，地层受到外力的作用，并由于油、气 向外流动以及外来流体和固体颗粒的侵入，原有的平衡状态遭到破坏，使油、 气的渗流性质变坏，造成储层损害。 储层损害发生在对地下油气开采的各个过程中，包括采油、钻井、水力压 裂、修井操作等各个阶段，严重影响了油气的勘探开发效果。因此，为了有效 地对油气储层进行开采，提出了以地层伤害评价、控制和预防为中心的保护储 集层技术。保护储集层技术是项多因素多学科的综合配套技术，是一项系统 工程。而储层的敏感性及其机理研究是保护油气储层技术的重要基础工作。储 集层敏感性伤害是最主要和最常见的油气层伤害因素，储集层敏感性( 属于储集 层的固有特征) 主要包括流速敏感性、水敏感性、盐度敏感性、碱敏感性、酸敏 感性、以及应力敏感性和对工作液的敏感性。其主要的研究程序就是通过与地 下渗流过程相似的流动实验确定伤害类型和程度，结合对储集产层物性特征、 岩矿特征以及孑l 隙结构特征的分析，研究微观伤害机理和宏观伤害规律，为油 气开发各个环节避免和减轻储层损害提供依据【i2 ” 。 我国工作者早在5 0 年代就开始注意到储集层保护问题，川中会战时就提出 钻井液密度不宣过高，以免压死油气层。6 0 年代大庆会战时，为了减少对近并 地带的油气损害，对钻开油气层钻井液的密度和滤失量也提出了严格要求。 成都理工大学硕士学位论文 7 0 年代，国外开始从分析油气层岩一i i , 敏感性入手来研究油气损害的机理和 预防措施，并将实验室研究成果应用于油气田钻井、完井和开发方案的设计及 生产实践中，形成了保护油气层的系列技术。 大庆油田在7 0 年代开始进行了岩心分析和敏感性分析，但由于受到仪器与 技术条件限制，再进一步深入下去有困难。8 0 年代末期胜利油田在储层敏感性 分析方面已经形成了系列分析技术。并且国家在1 9 8 6 年制定了砂岩储层敏感 性评价一岩心流动实验程序标准，后来随着认识的深入和实验条件的改进，对 这个行业标准进行了多次更新。 进入9 0 年代以来，由于油气层保护工作在油气勘探开发实践中发挥了越来 越重要的作用，油气层保护室内研究技术和分析手段也得到迅速发展，从最初 的单一研究，发展到目前的动态实验研究为主，各项静态分析技术综合，与现 场实践紧密结合的配套研究技术；在普遍应用扫描电镜、x 衍射等分析方法和 测试手段的基础上，还充分应用了具有国际先进水平的岩石力学系统、c t 岩 石层析系统、电予探针、激光粒度仪、c m s 一3 0 0 岩石覆压孔渗系统等仪器。 1 2 - 2 煤层气储层的敏感性研究 我国煤层气勘探起步较晚，相对常规油气田，无论是勘探还是开发都存在 一定的差距，就煤层气储层损害与保护这样重要的研究领域，研究才刚刚起步。 由于煤质松软和煤的脆性，使得煤的井筒取芯和钻取适合室内实验用的小岩心 相当困难，国内煤层气储层敏感性研究大多采用一定粒度的煤粒压制的模拟岩 心，这显然与煤层实际孑l 隙结构相差甚远，而且敏感性室内实验内容大多集中 在应力敏感和钻井液、压裂液对煤层渗透率的损害上，对其它敏感性研究鲜有 报道【i ”】：贾军等( 1 4 ( 1 9 9 5 ) 通过实验得出碱性大的钻井液对酸性地层水的煤层 气储层有较大损害；赵庆波等【27 1 ( 1 9 9 9 ) 研究了煤层在钻井过程中的损害机理， 认为钻井液中固相颗粒侵入、钻井液中高分子聚合物的滞留、煤基质吸附液体 后膨胀以及在钻进过程中应力加大是造成煤层气储层损害的主要因素。丛连铸 等【l5 1 6 j ( 2 0 0 ) 在煤粉充填的煤心上考察了水基压裂液对煤层的损害，认为线性 胶和冻胶破胶液对煤层有较强的损害，活性水压裂液的损害较小，并认为加入 k c l 后能抑制煤基质的膨胀，减小损害；杨胜来等 1 “( 2 0 0 4 ) 通过对真实煤样和 煤粉样的应力敏感性和压裂液对煤岩的损害的研究表明，煤样渗透率随围压升 高而下降的平均速率是砂岩的5 7 倍，并通过实验得出活性水压裂液对煤层损 害并不十分明显的结论。国外对煤层气储层敏感性的研究报道也较少，主要也 是集中在对压裂液的敏感性和对应力场的敏感性上，主要结论也是煤岩应力敏 感性损害强，以及钻井液和压裂液中的高分子聚合物对煤层气储层的堵塞损害 4 第l 章引言 比对砂岩要大的多【2 2 。这些关于煤层气储层敏感性的有限研究都表明，煤层气 储层比常规砂岩、碳酸盐岩储气层更易受钻井泥浆、固井液、酸化压裂液等工 作液的侵入和地层应力场的变化而使其渗透率产生损害。然而，关于工作液盐 度、流速对煤层渗透性的影晌以及表面活性剂在煤岩中的作用情况等都未见报 道。因此，继续深入对煤层气储层的损害保护工作有着非常重要的实际意义。 1 3 本文研究内容、方法和技术路线 1 3 1 研究内容 我国煤层气储层大多低孔( o 1 0 ) 、低渗( k 2 x 1 0 乇i - t m ) ，中孔( r = 2 x 1 0 。1 t m 2 x 1 0 2 “m ) 和微孔( r 2 x1 0 之um ) 组成，面割理可长达几 百米，端割理仅发育在两条面割理之间，纵横交错的割理构成了甲烷气的渗流 通道( 见图2 - 1 ) 。 端割理 客檄孔辕的基岩块体 图2 - 1 煤的割理系统和孔隙系统u q 压汞法毛细管压力曲线可以反映样品中不同孑l 喉直径下所对应的孔隙体积 分布持征。图2 2 为煤的典型样品的压汞毛细管分布曲线【2 ”。q 1 、q 9 煤的特 点是在0 1 m p a 之前约有5 0 8 0 的孔隙进汞，之后到2 0 m p a 左右为过渡段， 接着又有第二个高潮，反映了煤的双重孔隙待征。低压( 0 1 4 7 m p a ) 进汞反映 的是割理及大孔发育过程，大孔占绝大多数，而中孔( 相应1 4 7 1 4 7 m p a ) 所占 7 成都理工大学硕士学位论文 份额很少。小孔( 相应1 4 7 1 4 7 m p a ) ：l 例有上升趋势，微j r l ( 1 4 7 m p a 以上) 比例 又有所降低。 、1 1 l 鼬 j s 一 、 1 2 0蛐8 04 0 o 也翱鹰( ) 图2 - 2 煤典型毛管压力分布曲线 0 加口3 5 0 0 5 o7 3 5 7 3 ， 设孔隙为圆柱形毛管，半径为r ，则其比表面积s ，的计算公式为： 0 s ，= 二( 2 - 1 ) ， 按p o i s e u i l l e 公式，渗透率的计算式为： r 2 k = j ( 2 2 ) 由此计算出，半径r 为2 x 1 0 。3 u 1 7 1 和2 1 0 。2 u m 的毛管的比表面积分别为 1 x 1 0 9 和l x l 0 8 m 2 m 3 ，渗透率分别为5 x 1 0 5 u m 2 和5 1 0 3 u m 2 。结果表明， 煤的表面积主要取决于微孔，渗透率主要取决于连通好、孔径大的割理。因为 外来流体只能进入割理，不能进入基质孔隙，所以将外来流体损害归咎于割理 的认识是正确的【2 8 】。煤岩比砂岩易受损害的原因，还主要与煤质的化学性质有 关。 2 2 煤的化学结构口9 】 煤气储层与砂岩储层的差异，尤其是损害性质的差异，主要是化学成分的 差异造成的。 煤是由许多相似结构单元构成的高分子化合物，分子骨架结构如图2 3 所 示。结构单元为一些缩聚芳环、氢化芳环或含氧、氮、硫的各种杂环。结构单 元之间由醚键( o 一) ，次甲基( 一c h 2 - ) ，硫键( - s ) 和芳香碳键( c c - ) 等联结为三维 空间大分子。 煤分子表面上既有酸性( 阴离子) 基团，如羧基，又有碱性( 阳离子) 基团，如 彻 m ， 咖 一j掌2)r出孵婶 0 第2 章煤层气储层有关基本特征及认识 胺基，它们既可同阳离子表面活性剂结合，又可同阴离子表面活性剂结合，还 可通过极性基团同非离子表面活性剂结合。煤还含有带有这些基团的解聚的低 分子化合物( 如煤焦油) ，上述作用是造成煤对外来流体敏感的一个最根本的原 因。 咖一瓤 。鞲 2 3 煤的内表面积 图2 - 3 煤分子结构示意图 煤是一种孔隙度低但较小孔隙极发育的储集体，内表面积非常大，1 9 煤的 内表面积可达1 0 0 4 0 0 m 2 。煤的内表面积大小与变质程度有关，与d , t l 和微孔 的发育程度关系密切，由于煤具有较大的内表面积，因此有利于瓦斯在煤层气 储层中的聚集。 煤比表面积的测定方法有多种，如润湿热法、b e t 法、气相色谱法和微孑l 体积法等。最常用测定比表面积的方法是润湿热法，该方法基于任何物理吸附 都是放热反应的基本原理。 q29wm(2-3) 式中，q 为吸附时放出的热量；g w m 为lc m 2 表面浸润至湿时放出的热，即固 体在某中性液体中的润热法；为固体的比表面积。 通常固体的比表面积用单位体积内的总面积或单位重量总面积来表示。煤 的比表面积非常大，采用c 0 2 做介质测得煤的比表面积大体为1 0 0 4 0 0 m 2 g ， 这也正是煤对煤层气有着强烈吸附能力的原因。 9 成都理工大学硕士学位论文 2 4 煤的润湿性【3 0 】 煤表面为一非均相结构，其中无机物与有机物非常复杂地结合在一起，共 同影响着煤的润湿性。煤表面的有机质由带不同极性官能团的小的、成簇状的 芳香单元组成，它们难润湿于水，而易润湿于油。煤的润湿性取决于煤阶。在 褐煤阶段，由于表面极性官能团较多，因而对水的润湿性较好，接触角较小。 随着煤阶的增高，表面极性官能团的数量逐渐减少，芳香度增加，对水的润湿 性下降。在烟煤阶段，对于芳香环少的烟煤，随芳香环的增多，煤的疏水性增 强；而对于芳香环多的烟煤，随连接芳香环的脂肪族碳氢链的减少，煤的疏水 性反而减弱。 接触角值是煤表面各表面位上性质的宏观平均，碳氧比反映了这种表面性 质的平衡度量。随着碳氧比增加，煤的临界界面张力增加，界面更容易被一些 低极性的有机液体润湿口“”l 。煤表面的含氧官能团，包括醇、醚、酚、酯等一 般存在于煤表面上，它们易形成氢键而亲水。煤氧化导致醚键和酚、羧基官能 团的形成，这些含氧宫能团在煤中是最重要的。村田逞诠详细地研究了接触角 值与含氧官能团之间的关系【3 2 j ，认为：羧基含量是影响煤表面润湿性最主要的 因素，如从水悬浮液角度考虑，褐煤表面化学性质由羧基官能团控制。羟基对 润湿性的影响仅次于羧基对于羰基、醚基，从化学结构上可以看出，它们对润 湿性的影响甚微，与接触角之间不存在相关性。因此，煤的含氧量及含氧官能 团不同，它们的表面润湿性也不同。 2 5 煤对气体的吸附吲 煤是含有多种矿物质并被裂隙切割的多孔有机岩石，是一种天然的吸附剂。 煤对甲烷有很强的吸附能力，已有的资料表明煤层9 0 o 以上的瓦斯以吸附态形 式存在于煤过度孔和微孔的内表面。煤的吸附特征是由其大分子结构和孔隙结 构所决定的，煤发生吸附后，其结构和性质将发生变化。 同种煤在相同压力下对不同气体的吸附量不同，这是因为各气体的临界温 度不同所致。气体压力增大时，煤对气体( h e 除外) 的吸附量增大；煤对瓦斯中 单一纯组分吸附的活性为：h e h 2 n 2 a r c h 4 r 。一般情况下，固体分子间作用力大于固体与气体之间的作用力，所以r 2 r 。 这样，当煤基质孔隙吸附煤层气后，煤的孔隙表面层厚度增3 1 1 ( r z r 1 ) 。另一方 面，由于瓦斯压力p 的作用，孔隙气体抵抗煤基质沿孔隙表面外法线方向发生 变形，使孔隙体积的减少受阻，从而力求使变形朝本体相内部方向发生，即游 第2 章煤层气储层有关基本特征及认识 离瓦斯力求使孔隙体积扩大。因此吸附气体后使煤体发生膨胀变形。反之，吸 附气体解吸后使煤基质发生收缩变形。 ( a ) 盎 体 相 煤 分 子 瓤 ooooo 图2 - 5 煤体吸附瓦斯前、后表面层结构 ( b ) 当孔隙气体的压力增大时，吸附气体量增加，引力增大，r 2 增大，煤基质 的表面能降低。另一方面，压力p 越大，变形越不易朝孔隙内部方向发生。因 而在宏观上表现为：随着孔隙气体压力的增高，煤基质体积增大；反之，随着 压力降低，煤基质体积减小。 煤基质对气体的吸附性越强，即意味着该种气体分子对表面层中煤物质分 子的引力越大，吸附瓦斯后表面层煤物质分子与本体相中相邻分子间的距离r 2 越大，因而煤体膨胀变形量越大。反之，当吸附瓦斯的煤基质在压力降低后， 瓦斯气体解吸，煤基质就收缩，压力越低，煤基质收缩变形量越大。 2 7 煤层气储层渗透性影响因素 由于基质孔隙渗透率极低，因此通常所说的煤储层渗透率实际上是指煤中 裂隙渗透率，在不考虑煤基质孔隙有渗透能力前提下，m c k o e 和h a n s o n ( 1 9 7 5 ) 将裂缝的c a r m a n - k o z e n g 渗透率方程推导为： 如南 亿。、 式中，t 是曲折系数 n 是单位面积的裂缝数， w 是裂缝高度。 计算裂缝渗透率用的单位模型见图2 - 6 。 因孔隙度可表示为： 矿5f 2 w ( 2 5 ) 罩州 t；i；，tt 弋、7 成都理工大学硕士学位论文 因此 足：壁 1 2 r ( 2 6 ) 7 。夕。 一a 夕 4 第2 章煤层气储层有关基本特征及认识 a o 有效应力的增量，m p a ； 。p 孔隙体积压缩系数，m p a 一。 由( 2 8 ) 式可知，随应力增量的增加，渗透率相应的减小。 据h a r p a l a n i 【3 6 j 的实验室研究结果证明，在高压阶段，有效应力的影响起主 导作用，随着压力的下降，在有效应力的作用下，煤储层裂隙闭合，使煤层气 储层的渗透率下降。 叶建平”( 1 9 9 9 ) 在实验室利用煤岩芯柱在围压下测定煤的渗透率，结果也 反映出煤渗透率对应力极为敏感，煤岩渗透率随围压增大而急剧减少，压力增 高1 0 倍，渗透率降低2 3 个数量级，而且像暗淡煤等裂隙割理不发育的煤， 当压力达4 m p a 以上，则渗透率比初始值减少9 5 以上( 见图2 7 ) 。对割理较发 育煤样渗透率降低幅度较小，到6 6 i o m p a 围压，渗透率才降到初始值的9 0 以上，这也说明在有一定裂缝存在时，随围压增大，渗透率降低速率较慢，保 持较好。 2 7 2 煤基质收缩 圈压f p t 图2 7 实验室围压下测定煤的渗透率变化 实验表明，煤基质在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀和收缩。煤 层气开发过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气便开始解吸。随 煤层气解吸量的增加，煤基质就开始了收缩进程。由于煤基质在侧向上是受围 压限制的，因此煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变，只能沿裂隙发 生局部侧向应变。基质的收缩造成裂缝宽度增加，渗透率增高，如图2 - 8 所示。 乍6-口静稍磐 成都理工大学硕士学位论文 j 鱼 ； 鐾 。 帅 + ，3 5 慝 r3 0 甚。 甚 和 。 1 5 。 5 【悻压力巾即l 煤割理 厂 煤基质 p 0 c o w o c o h c d 1 r w o c 。 f p o f c w o 图2 - 8 煤层气生产过程中渗透率的变化 原始状态 由于压力 衰减割理 收缩 由于气体 解吸割理 扩张 在煤层气刚开始开采时，裂隙排水降压，裂隙的有效应力处于统治地位， 裂隙在有效应力的作用下，裂隙宽度变小，导致渗透率降低；随着煤层气进 步的解吸，煤层气解吸引起煤基质收缩开始渐渐的处于统治地位，使裂隙的宽 度有增加，渗透率也相应的增加。有效应力和煤层气解吸对割理宽度的影响见 图2 - 9 【3 7 】。 煤层基质 上部负荷 - f ：二：匿二：二噩： 醋悝壁 基彗礁 t 解吸 上 图2 - 9 有效应力和煤层气解吸对割理宽度的影响” 由于煤钵自身的性质不同，其收缩率也不尽相同，有些几乎没有收缩，而 有的收缩率却相当高。关于煤体因解吸或吸附引起应变的实验数据极少，这是 由于实验的难度和涉足的研究较少所致。煤体基质收缩的测试是通过测试不同 气体压力下煤基质的线性或体积应变来实现的。l e v i n e 将煤储层理想化为图 2 - 1 0 所示的模型，该模型是煤基质收缩效应对煤储层渗透性影响定量研究的一 第2 章煤层气储层有关基本特征及认识 种尝试，过多的假设使得模型的实用性受到限制，但它却为进一步的研究提供 了一种思路。s a w y e r ，p a l m e r 和m a n s o o r i ，s e i d l e 等人1 3 4 】基于岩石力学理论也 分别建立了煤基质收缩对裂隙孔隙度和渗透率影响的模型，这三个模型计算渗 透率的精度强烈地取决于煤体收缩系数和弹性模量的准确性，并且没有考虑多 元气体吸附的情况。 f 1 ! 。裂棼煤警质块攀艨a ， 脚口h 。 一 l 。 一_ l 巧v ov o ” 卜一s 叫 o j 盏接罄拦成力，d ，f 4 ，箍鼹承节癣力， f ： 镌造摩蠢，a l s ) 蒸殿彀辅事，s 。 0 ) 流体褒力，段 f 6 孔涨惩耀枣，墨 口霸l 基壤姨鼍j 流体充填裂隙麓蝌j 警 2 7 3 克林伯格效应 图2 1 0 煤储层力学模型示意图【2 7 】 当气体在多孔介质中流动时，由于流体的粘滞性，造成接近固体表面的层 流速度近于零。但对有些气体不存在这种现象，而是存在分子滑移现象，由 k l i n k e n b e r g 效应所致。k l i n k e n b e r g 于1 9 4 1 年提出的，可由下式进行定量描述 k = k o ( 1 + b p 。)( 2 - 9 ) 式中，绝对渗透率，x 1 0 。u 1 1 2 2 ； ，平均气体压力，m p a ； k 视渗透率，1 0 3 u m 2 ； b k l i n k e n b e r g 系数，m p a l 。 b ：1 6 c z f 2 1 0 ) w 式中，c 常数( 多取o 9 ) ； _ 1 羞 嚷 燎 、秘，t，；j 麓唾罐黎瀵 成都理工大学硕士学位论文 u 气体粘度，m p a s ； m 气体分子量，k g ； w 气体通道宽度，i n ； r 普适气体常数，m p a 1 3 1 3 ( k m o l k ) ； t 绝对温度，k 。 由式( 2 1 0 ) 可见b 不仅与气体的性质有关，而且与储层特性和温度有关。 由式( 2 9 ) 可知由k l i n k e n b e r g 效应造成渗透率的增量为 点，滑移2 k o b p 。 ( 2 1 1 ) 在常规砂岩和碳酸盐岩中，不同气体的k l i n k e n b e r g 效应实验所得出的b 值可能不同，但都会得到相同的绝对渗透率值k o 。但在煤岩中，不同气体实验 所得到的b 值和绝对渗透率值均可能不同( 见图2 1 1 ) ，这是由于煤岩对气体 有较强的吸附能力，吸附气体后使煤基质收缩造成的对渗透率的影响o 8 1 。 j 丑 聱 士i m i 毡- i k 图2 - i i h e 和c h 4 渗透率与平均 玉, j j 倒数的关系口9 】 本次实验用氮气测定的煤样k l i n k e n b e r g 效应如图2 - 1 2 和表2 - 1 所示。 表2 1 煤样滑脱效应实验结果 l 煤样克氏渗透率k d l 0 。3um 2 br 2 样本数n h 3 】 0 2 2 40 。0 6 10 9 5 29 | w 10 8 0 70 1 3 20 9 9 58 j 2 10 3 7 00 3 5 40 9 9 05 j 1 10 4 3 60 4 4 40 9 6 85 神：窖舔拈釉躬船驺 o o o o o o o o a 第2 章煤层气储层有关基本特征及认识 0 0 3 5 3 ，o ；2 5 叩 22 0 ： 糌i 5 蝌 塑1 0 雕 l r - 0 5 o 0 l 5 写1 t 2 f 兰o9 蒿 翳 蒂蚴 0 0 r 。掣名： ， k 厂厂 0 05 01 0 01 5 02 0 0 平均压力的倒数m p a 。1 ( a ) 2o 。2 i 0 ：6 8 n x 。+ o ，8 0 6 6 1 一 ， 0 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 平均压力的倒数m p a l r o ；”h + 0 3 7 0 3 r “0 9 8 9 8 。 0 01 0 2 03 0 40 506 07 0 平均压力的倒数m p a 1 1 9 6 5 4 3 2 l 0 0 0 0 o 0 nn。iu)i讲蝌蠛磊扩 成都理工大学硕士学位论文 l _ 8 。l5 e 毫 = z09 婷 鏊叫 嚣 f03 oo 0 01 o2 o3o4 05 06 07 0 平均压力的倒数岬a q ( d ) 图2 1 2 煤样滑脱效应 ( 编号一煤样：“h 3 一i ：b w l ：c j 2 - 1 ：d j 1 1 ) 以上三种因素对煤储层渗透率的影响程度，因煤自身的性质不同而不同。 对低收缩率或不收缩的煤层，主要受有效应力影响，随有效应力增加渗透率下 降；而高收缩率煤储层，基质收缩占主导地位，随着气体解吸量的增加收缩量 也相应的增加，裂隙的孔隙度和渗透率也就增加。各种因素对煤岩渗透性的综 合影响见图2 1 3 。 图2 ，1 3 渗透率随压力的变化 l a p l a t a 煤样，温度= 4 4 4 ，有效应力= 5 3 8 m p a 水分= 4 8 ，p = o ，2 o 2 8 m p a 2 0 第2 章煤层气储层有关基本特征及认识 2 8 煤储气层与常规储气层对比 煤层气的勘探与开发技术是在常规油气的勘探与开发技术基础上发展起来 的。常规油气的勘探开发技术大部分也能成功运用于煤层气勘探开发中，给煤 层气的勘探与开发工作带来了很大的经济效益。但是，煤气储层与常规储油气 层有着很大的不同之处，我们在借鉴以往常规油气储层的研究方法时应充分考 虑到它们的差异，而不能全部照搬。 图2 1 4 和表2 - 2 为常规砂岩储气层与煤储层物性的对比： 寸p 立 裱气的l 障 端割壤 禽微孔默的纂卷块体 图2 1 4 常规储屡孔隙结构与煤层f l 隙结构 表2 - 2 常规砂岩储气层和煤储气层的不同点h 0 1 对比项目常规砂岩煤储层 岩石成份矿物质有机质 生气能力无有 气源外源的本层的 储气方式圈闭吸附 储气能力( 相对) 较低较高 好和很好1 5 2 5 孔隙度中等1 0 1 5 除最低煤阶的煤以外，一般小于1 0 差5 1