地应力地温场中煤层气富集区力学分析

地应力地温场中煤层气富集区力学分析

原油富集预测是目前基于油气富集规律的研究中面临的主要科学问题之一。这也是油气勘探和开发中必须解决的技术问题之一。具体而言,富集区含气性的定量空间展布形态是研究煤层气富集规律的必要依据,是寻找煤层气富集主控地质因素及其控气机制的前提,富集区位置的定量准确预测更是煤层气开发有利区块选择和井网布置的主要根据。目前直接预测煤层气富集区的研究较少,从勘探开发时间进程来看,可分为找气和探气两个阶段。找气阶段主要是寻找开发有利区块,在勘探早期,为寻找国内富气区块,赵庆波等以选区评价为目标,提出了大区—区块—目标区3级找气思路;叶建平等以资源评价为目标,将全国煤层气大区划分为东北、华北、西北、华南、滇藏等5类聚气区,并进一步以资源丰度为指标,划分为大、中、小3级富气带;张建博等在综合选区的基础上,从储层物性、工艺技术角度提出了直接意义上的高产富集区预测的标准和流程,将富集区缩小到区块级别;之后张新民等将富集区划分进一步缩小到气田级别;赵靖舟等将煤层气富集单元划分为含气区、盆地、富气区、富气带、气藏(田)。找气阶段的研究服务于勘探评价,方法多是粗略定性的。探气阶段,随着煤层气开发的深入和井下瓦斯区域抽采的发展,富集区精细化探测要求被逐步提上日程,地球物理探气方法被引入,代表性的研究有:彭苏萍等采用AVO探测淮南煤田瓦斯富集区;崔若飞、刘最亮等用地震P波等地震属性探测瓦斯富集区;南鹏等利用热红外遥感探测焦作煤层气富集区。但由于缺乏含气(尤其是吸附气)与不含气煤的波震信号区别的物理实验支持,使得地球物理探气方法的理论基础不足,再加上小构造带、围岩、构造煤等杂质信号的干扰,使得这一方法很难区分真正的富集区。尽管如此,随着更多的实验支持和精度的提高,地球物理探气方法仍是具有积极意义的探测方法,这一阶段的预测仍处于定性阶段。与富集区预测间接有关的研究大致可分为以下3类:①煤层气高产富集因素的研究,这类研究多数通过煤层气富集要素的分布间接定性的推测富集区;②煤层气富集成藏模式的研究,这类研究从煤层气成藏角度认为具备一定气藏条件的区域为煤层气富集区;③其他富集区推测方法,除以上3类研究外,还有煤岩学、统计学等富集区间接预测方法。总结前人的研究可以发现,当前煤层气富集区预测仍存在一些不足,表现在:①富集区预测位置不准,预测范围模糊,预测仍处于定性描述阶段,定量化的非均质含气性空间展布形态难以展现;②预测尺度偏重于大区研究,小尺度空间的预测研究不足,精细化刻画程度不够,无法为地面煤层气井网布置和井下煤气共采提供定量化依据;③大多采用经验性的统计模型,反映预测模型与探测对象本质联系的实验支持和理论强度不足;④统计模型数据由大量钻探工程获得,成本较高。这当然与我国煤层气开发进度有关,前期研究积累了宝贵经验和数据,具有积极的意义。随着开发进程的推进,地面煤层气井网布置和井下规模化煤气共采钻孔布置对小尺度空间富集区预测的精细化要求越来越迫切,同时反映本质关系的定量化预测已成必然趋势。在这一背景下,本文提出矿区内地应力、地温场中煤层气富集区定量预测的力学方法,以期能够从矿区尺度上定量预测煤层气富集区,为地面煤层气井网布置和井下煤气共采钻孔布置提供科学依据。1煤中甲烷压力煤层气的富集程度根据煤层甲烷含气性(含量、资源丰度、富气强度、含气质量)来进行评价,其中最主要的指标为甲烷含量,一般将煤层甲烷含量相对高值区称为煤层气富集区。根据以上富集区预测约定,通过计算研究区内煤层甲烷含气量的分布规律,即可划定煤层气富集区。煤层中的甲烷含量由吸附、游离和水溶解甲烷3部分组成,其中,水溶解甲烷含量甚微,故此,本文只计算吸附和游离甲烷量。地质历史上,煤层中的甲烷压力由煤生气时形成的膨胀压力和地应力压缩孔隙引起的压力构成。前苏联B.A.乌斯别斯基对煤的人工热模拟实验表明,从褐煤到无烟煤至少生成了400m3/t以上的气量,但现今的煤层气含量不足生气量的1/10,绝大部分因构造变动和亿万年的运移而逸散掉,因而,现今煤层气含量主要由其保存条件决定。根据这一认识,生气时形成的压力绝大部分因构造变动和运移而散失,现今煤层气压力主要为构造应力和上覆岩层自重应力压缩孔隙所致,生气形成的压力甚微。根据这一理论假设,在计算煤层气压力时作适当力学简化,主要考虑孔隙压缩压力这一主要因素,忽略生气压力。由于地应力压缩煤层孔隙引起甲烷压力升高,进而影响吸附量和游离量,同时地温增加引起应力压缩下的孔隙额外变形,进而影响甲烷压力和游离量,温度升高还引起吸附量的降低,因而本文计算地应力地温场共同影响下的甲烷含量。1.1含甲烷煤体应力分析计算的角度游离甲烷赋存于煤中大孔及裂隙中,设地应力、地温场中煤的孔隙率为φ,当煤层气压力为p时,单位体积煤体中游离甲烷的体积即为φ,换算到标准状况下的单位质量煤体中的游离甲烷量为Q1,可表示为Q1=φpΤaΤpaρARDΖ(1)Q1=φpTaTpaρARDZ(1)其中,φ为应力、温度影响下原始煤体孔隙率;p为游离甲烷压力,MPa;Ta为标准状况下热力学温标,273K;T为煤层温度对应的热力学温标,K;pa为标准状况下的压力,0.1MPa;ρARD为煤层视密度,g/cm3;Z为气体压缩系数。式(1)中孔隙率由式(2)确定,即φ=1-(1-φ0)exp(β1Δσef-β2Δt)(2)φ=1−(1−φ0)exp(β1Δσef−β2Δt)(2)式中,φ0为地面实验室室温下测定的无外载时煤体孔隙率;β1为含甲烷煤体体积压缩系数;β2为含甲烷煤体的热膨胀系数;Δσef为从地面算起到地下某埋深处的有效应力改变量,MPa;Δt为从地面到地下某埋深处的煤体温度改变量,℃。根据有效应力的定义,σef可写成σef=ˉσ-αp‚ˉσ=σ1+σ2+σ33(3)σef=σ¯−αp‚σ¯=σ1+σ2+σ33(3)其中,ˉσσ¯为平均应力,MPa;α为有效应力系数;σ1,σ2,σ3为3个主应力值,MPa。根据式(3),由地面算起时,Δσef可由式(4)计算获得,即Δσef=Δˉσ-α(p-pa)(4)Δσef=Δσ¯−α(p−pa)(4)式中,ΔˉσΔσ¯为平均应力改变量。根据地应力梯度和地温梯度的定义,有:Δˉσ=DΗ(5)Δt=GΗ(6)Δσ¯=DH(5)Δt=GH(6)式中,D为地应力梯度,MPa/m;H为计算点埋深,m;G为地温梯度,℃/m。将式(5)代入式(4),计算后,再将式(4)代入式(2),同时将式(6)也代入式(2),整理后得φ=1-Κ′(1-φ0)exp[(β2G-β1D)Η](7)φ=1−K′(1−φ0)exp[(β2G−β1D)H](7)式中,K′=eαβ1(0.1-p)。同时在实验中观察到,式(7)中的φ0与埋深H具有:φ0=a′exp(b′Η+c′)(8)φ0=a′exp(b′H+c′)(8)式中,a′,b′,c′为实验拟合系数。将式(7)代入式(1)可得到地应力、地温场中煤体的游离甲烷含量计算式为Q1=[1-Κ′(1-φ0)exp[(β2G-β1D)Η]]pΤaΤpaρARDΖ(9)Q1=[1−K′(1−φ0)exp[(β2G−β1D)H]]pTaTpaρARDZ(9)1.2影响煤化合物吸附量的因素从力学角度分析,地应力对煤的吸附空间影响甚微,地质营力虽可引起煤的动力变质作用,改变孔隙结构和比表面积,这在构造煤中有所体现,但这种动力变质作用相比温度引起的热变质作用是极其微小的,在外部温压条件相同时,煤的吸附能力主要决定于煤质,地质营力引起的动力变质可统一归入煤质特征中,动力变质和原生变质对吸附能力的影响可由吸附常数a,b值综合反映。地应力主要通过影响甲烷压力间接地影响煤层气吸附能力。温度除通过影响煤层气压力进而影响吸附量以外,还通过影响吸附常数来影响吸附量。此外,吸附量还受到煤化度、灰分和水分的影响,前苏联学者В.В.Xодот提出了一个考虑水分影响时计算吸附甲烷量的经验公式,即as=ag1+kWq(10)as=ag1+kWq(10)式中,as和ag分别为湿煤和干煤的甲烷吸附量,cm3/g;k和q为实验常数,k=0.20～0.45,一般取0.31,煤质为湿煤时,k=0.27,q=0.5～1.0,一般为1.0;W为煤的水分质量分数,%。В.В.Xодот还采用式(10)和(1-A/100)来计算水分和灰分对煤层吸附量的影响,A为原煤中灰分质量分数,%。В.В.Xодот的实验值与计算结果十分吻合,因而本文采用这一关系来计算灰分与水分影响下的煤层甲烷吸附量,有Q2=(1-0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(11)b(t)=A′-Bt(12)Q2=(1−0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(11)b(t)=A′−Bt(12)式中,Q2为含有灰分和水分的单位质量自然煤的甲烷吸附量,cm3/g;b(t)为与温度有关的吸附常数,MPa-1;A′,B为实验拟合系数;t为温度,℃。1.3g/1d2e主要表达为将式(9),(11)相加得到地应力、地温场中煤层气含量,即Q=Q1+Q2=[1-Κ′(1-φ0)exp[(β2G-β1D)Η]]pΤaΤpaρARDΖ+(1-0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(13)Q=Q1+Q2=[1−K′(1−φ0)exp[(β2G−β1D)H]]pTaTpaρARDZ+(1−0.01A)1+kWqap1/b(t)+p(13)1.4压力-c当煤层无露头时,式(13)中的煤层气压力可用下式计算:pΗ=pc+D(Η-Ηc)-1β1×[2-√4-2β2G(Η-Ηc)](14)pH=pc+D(H−Hc)−1β1×[2−4−2β2G(H−Hc)−−−−−−−−−−−−−−−√](14)式中,pH为埋深为H时温度应力影响下的煤层气压力,MPa,等价于式(9),(11)中的p(暂不考虑水压);pc为埋深为Hc时实测煤层气压力,MPa;Hc为实际测压点埋深,m。2气运富集区预测以重庆沥鼻峡背斜盐井矿区为研究目标区,该矿区为一狭长不对称梳状背斜,走向N43°～54°E,长14km,其中,南东翼岩层倾角30°～50°,倾向SE,倾斜宽平均为738m,北西翼岩层倾角60°～88°,倾向NW。矿区二叠系上统龙潭组为煤系地层,龙潭组一段含煤4层(K1～K4),K2为主力煤层;龙潭组三段含煤10层(K5～K14),K7为主力煤层。背斜轴部及北西翼断层密集,南东翼稀疏,多为逆掩断层,封闭性好。煤层顶底板为泥岩,上下均为水网络状弱含水层,煤层气封存条件极好。研究区煤阶均为贫瘦煤,主力煤层K2,K7煤层稳定,均厚2.8m,地勘实测K2煤层最大瓦斯含量27.27m3/t,K7煤层最大瓦斯含量15.76m3/t。前期煤层气普查表明,该区含气量高,资源丰富,位居全国煤层气富气区前列。现以煤层(气)赋存较好的背斜南东翼K2煤层(单斜)为研究区,定量预测矿区煤层气富集区展布。按式(1)～(14)的方法预测富集区,需要进行以下实验。2.1向反方向北西方方向在矿区地勘期间,从勘探钻孔中分别提取埋深为149,368,417m三段岩芯,取芯时,现场标定走向北东方向为x方向,倾向反方向北西方向为y方向,铅垂方向(垂直向上)为z方向。将岩芯送实验室,以现场标定的坐标系,分别在x,y,z,xy45°,yz45°,xz45°六个方向取样,将每个方向的岩样加工成30mm×30mm×60mm的试件。将加工成的试件在MTS815岩石加载系统上进行单轴压缩,同时由AE21C声发射系统同步采集信号。实验获得3个取样段的主应力值,见表1。2.2温度对b值的影响将地勘钻孔中取得的煤芯,送实验室做不同温度下的等温吸附实验(执行标准GB/T19560—2004)。实验表明:a值随温度变化不明显;b值随温度升高而降低,如图1所示。按式(12)拟合图1(b)中吸附常数b与温度的关系,得到b(t)=1.23-0.01t(15)2.3实验测定指标从地勘钻孔中提取不同埋深的煤样,测定煤的真密度(ρTRD)与视密度(ρARD),计算得到不同埋深煤的实验孔隙率,并按式(8)拟合得到式(16)。φ0=9.97exp(-0.00494Η+2.47)(16)体积压缩系数通过煤的压缩实验获得;热膨胀系数通过煤的热膨胀实验测定;地应力梯度由表1中的原岩平均应力实验测定;地温t由井下测温获得;煤层气初始起算压力pc由地勘实测煤层气压力获得。主要实验计算参数见表2。3煤气富集区及区区划分将以上实验参数代入式(1)～(16),按50m×50m布点,计算研究区内不同地点、不同埋深处的煤层气含量值,同时在地质地形图上标定对应点的大地坐标,通过插值计算可得到高精度的煤层气含量等值线(图2)。预测结果经与地勘精查实测含量和煤巷接露部分实测数据对比,含气量分布趋势一致,数值预测准确率为89%。煤层气富集区的判断标准目前尚无统一认识,按照前期大区勘探的评价标准,大多数研究者认为高阶煤含气量在8m3/t以上的区块具备开发价值,15m3/t以上具有高产优势。因而,无论是大区还是大区内的矿区煤层气富集区的划定,含气量均在8m3/t以上进行。从图2可看出,重庆沥鼻峡背斜盐井矿区含气量在15m3/t以上,具备高产富集优势。通过计算,得到全区7层可采煤层的平均含气量为17.5m3/t。为使后期开发能够确定优先抽采区块,故将17.5m3/t作为富集区判别标准,即>17.5m3/t的区域定为高富集区,并将本区富集区划分为17.5～20.0,>20.0m3/t两个级别,相应的埋深范围为600～1000,>1000m。两类煤层气富集区如图2阴影部分所示。井下瓦斯抽采钻孔与地面煤层气井网可优先选择在两类富集区提前布置。4预测区范围内的精细刻画需要指出的是,煤层气富集的影响因素极为复杂,不仅有区域性地质因素影响,外部温压条件影响,还有煤质本身的影响。此外,评价尺度不同,采用方法及适用范围也不同。本文是在前期煤层气含气区普查、富气区带明确、气藏详查的基础上进行的煤矿区级别气藏范围内的进一步精细刻画。预测区范围内取得了较为详细的地质、煤岩资料,并参照了邻近已生产矿井的生产资料。在进行力学计算和实验测定时,仅考虑主控影响因素,忽略了次要因素,作了适当简化。主要为