影響煤儲層滲透率因素的分析

影響煤儲層滲透率因素的分析

0煤儲層滲透率研究滲透率的降低是限制油氣勘探開發(fā)的重要因素。可是,由于煤層滲透率的作用因素十分復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖煤質(zhì)特征、煤階及天然裂隙等都不同程度地影響著煤層滲透率,而且有時是多因素綜合作用結(jié)果,有時是某一因素起主要作用,所以,研究起來非常復(fù)雜。結(jié)合前人研究和本人在分析滲透率與原地應(yīng)力、煤層埋深、裂隙、有效應(yīng)力和煤階等數(shù)據(jù)資料和相互關(guān)系的基礎(chǔ)上進行了進一步的研究。研究認(rèn)為,影響本區(qū)煤儲層滲透率的主控因素是地應(yīng)力和埋深,其他因素對滲透率也起著一定的作用。這和秦勇、傅雪海等研究結(jié)果基本一致。文中以沁水盆地中南部為主要研究區(qū),進行滲透率數(shù)值模擬研究。首先是對單個因素對滲透率的影響進行數(shù)值模擬,然后,分析影響因素的相關(guān)性,建立相關(guān)影響因素之間的數(shù)值關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,研究建立滲透率預(yù)測的復(fù)合因素數(shù)值模型。1滲透率與煤的關(guān)系一般來說,煤層割理、裂縫等內(nèi)在因素對滲透率起主導(dǎo)作用,但是在沁水盆地復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景下,原地應(yīng)力、有效應(yīng)力等外在因素對煤層滲透率影響尤為顯著。Enever等(1997)通過對澳大利亞煤層滲透率與有效應(yīng)力的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),煤層滲透率變化值與地應(yīng)力的變化呈指數(shù)關(guān)系,而將煤層氣儲層的原地應(yīng)力減去原始儲層壓力,即得到煤層的有效應(yīng)力。滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系式為K/K0=e3cΔσ(1)式中K/K0為給定應(yīng)力條件下的滲透率與初始滲透率的比值;C為煤的孔隙壓縮系數(shù);Δσ為從初始到某一應(yīng)力狀態(tài)下有效應(yīng)力的變化值。而對本研究區(qū)的數(shù)據(jù)資料進行整理研究,在單獨考慮有效應(yīng)力和滲透率的情況下,發(fā)現(xiàn)二者之間也具有良好的負(fù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.87。然后,對其進行數(shù)學(xué)線性估計分析,得到該地區(qū)的滲透率與有效應(yīng)力的數(shù)值關(guān)系為K=-3.935+7.818/lnσH(2)式中σH為有效應(yīng)力,MPa;K為預(yù)測滲透率。由關(guān)系式可知當(dāng)有效應(yīng)力超過某一程度時,滲透率將失去實際的研究意義。對沁水盆地屯留、樊莊等礦區(qū)煤層氣井的試井實測滲透率(K)與原地應(yīng)力(σ)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),煤層滲透率與煤層原地應(yīng)力也為指數(shù)關(guān)系K=4169.1e-1.072σ(圖1)。并且相關(guān)曲線的趨勢很明顯,隨著地應(yīng)力的增加,滲透率逐漸減小。如果煤層的原地最小主應(yīng)力大于11.0MPa,其滲透性一般都較差;而如果煤層的原地最小主應(yīng)力小于11.0MPa,滲透率具有逐漸增大的趨勢。由此,可知煤儲層的滲透率與有效應(yīng)力及原地應(yīng)力具有較好的相關(guān)性。2合并深度、裂縫和滲透之間的關(guān)系2.1相似埋深的滲透率由煤層試井?dāng)?shù)據(jù)分析來看,主煤儲層試井滲透率具有隨埋深加大呈指數(shù)規(guī)律減小的趨勢(圖2)。由已知的煤儲層試井?dāng)?shù)據(jù),可得出其關(guān)系式為KWH=5133.74e-0.17H(3)式中KWH為一定埋深下的滲透率,10-3μm2;H為儲層埋深,m。并可得出一般公式為KWH=C0eC1H(4)式中C0,C1為待定系數(shù)。然而,在相似埋深條件下滲透率的變化也可高出一個數(shù)量級。例如,南部潘莊—樊莊地區(qū)與東部的屯留地區(qū),己施工煤層氣井的主煤層埋深都在300～800m之間,但潘莊—樊莊地區(qū)的井孔滲透率多大于1.0×10-3μm2/h,而屯留地區(qū)的幾口井的滲透率幾乎全在0.1×10-3μm2/h以下。這一差異揭示,在總體受埋深控制的情況下,還存在著其他影響因素,也就是說,在埋深相當(dāng)?shù)臈l件下,其他影響因素對滲透率起著更為重要的控制作用。2.2主煤層埋深與有效應(yīng)力計算煤儲層的有效應(yīng)力可由有效應(yīng)力原理公式,在忽略溫度應(yīng)力、煤基質(zhì)收縮應(yīng)力的情況下得出。而本文中根據(jù)屯留3號主煤層數(shù)據(jù)資料,利用線性擬合的方法,擬合得出煤層埋深與有效應(yīng)力的數(shù)學(xué)關(guān)系式(圖3)。σH=-3.473+0.019H-9.5×10-9H3(5)式中σH為有效應(yīng)力,MPa;H為煤儲層埋深,m。由圖3可以看出,隨著埋深的增加,有效應(yīng)力增大,即埋深對有效應(yīng)力具有一定影響關(guān)系,但是,在研究時還要考慮其他因素的影響。2.3煤儲層裂隙寬度由秦勇、傅雪海等對沁水盆地中南部不同地區(qū)的煤樣測得的裂隙寬度數(shù)據(jù)(表1)可知,煤儲層裂隙寬度隨埋深的增加呈減小趨勢,并通過回歸分析可知兩者之間呈一定的數(shù)值關(guān)系。2.4素相關(guān)關(guān)系上世紀(jì)80年代以前只定性地研究了煤巖、煤質(zhì)、煤結(jié)構(gòu)、煤化作用史、構(gòu)造演化史、埋深及地下水活動對煤儲層滲透率的影響。隨著研究的深入,才逐步建立了煤儲層滲透率與天然裂隙間距和縫寬之間的單因素相關(guān)關(guān)系,Levine(1996)得出的經(jīng)驗公式為K=(1.013×109)W312S(6)Κ=(1.013×109)W312S(6)式中W為割理縫寬,mm;S為割理間距,mm;K為絕對滲透率,m-3。將煤巖體當(dāng)作線彈性體或彈塑性體,連續(xù)或非連續(xù)體,單一多孔隙介質(zhì)或雙重孔隙介質(zhì),各向同性或各向異性體,均質(zhì)或非均質(zhì)體,并分別進行單一條件或多種復(fù)合條件的數(shù)值模擬,通過分析煤巖體的受力狀態(tài),估算煤割理的張開度和滲透率,或通過電阻率和微電極測井資料獲得煤儲層滲透率的相對大小,或由測井流量與壓降聯(lián)系起來的單位涌水量來估算滲透率,或由縱橫波速來求算滲透率等。3復(fù)合模型的建立及應(yīng)用在對滲透率與地應(yīng)力及埋深等研究的基礎(chǔ)上,可以建立滲透率與影響復(fù)合因素的基礎(chǔ)模型。下面對滲透率主要影響因素的模型進行研究。因為,影響本區(qū)煤儲層滲透率的主控因素是地應(yīng)力和埋深,并且,其他一些相關(guān)影響因素與埋深具有較好相關(guān)性,所以,利用回歸分析的方法,并通過加權(quán)、修正和檢驗,對滲透率與主要影響因素進行研究并建立復(fù)合因素模型(圖4)。由沁水盆地中南部3號主煤層的試井?dāng)?shù)據(jù)可以得出其關(guān)系式為K=1.749-0.002H-0.015σ(7)其一般形式為K=A-bσ-cH(8)其中A,b,c為待定系數(shù)。由復(fù)合模型計算得到的預(yù)測滲透率(表2),可知文中建立的煤儲層滲透率復(fù)合模型在預(yù)測滲透率上的擬合度較好,對預(yù)測煤儲層滲透率的發(fā)育趨勢有一定的借鑒作用,對煤儲層的研究和煤層氣的開采有一定的指導(dǎo)意義。雖然不同煤儲層的滲透率預(yù)測值誤差會變得較大,但是,還是可以明顯的看出預(yù)測值在整體上符合實際滲透率的變化趨勢。所以,建立的模型可以預(yù)測煤儲層滲透率的整體分布情況。4煤儲層滲透率模型研究的意義1)煤儲層的影響因素是復(fù)雜而多樣的,并且許多都是各種因素綜合作用的結(jié)果,通過數(shù)據(jù)的分析和數(shù)值擬合,得出影響沁水盆地中南部煤儲層滲透率的主控因素就是地應(yīng)力和埋深的結(jié)論。并且在滲透率的影響因素間也存在著良好的相關(guān)性,例如,埋深和裂隙、埋深與有效應(yīng)力等。因此,在建立數(shù)值模型時可以合并相關(guān)性好的數(shù)據(jù),達到簡化模型的目的。2)各種滲透率的影響因素間具有緊密的聯(lián)系,所以通過對研究區(qū)的滲透率與各種影響因素綜合分析,得到影響因素與滲透率之間的關(guān)系,并找出其主要影響因素。在模擬研究中對主要因素進行重點分析和模擬,即可對滲透率分布和發(fā)育情況有一個合理的認(rèn)識和預(yù)測。3)滲透率的實際分布情況因各個地區(qū)的滲透率影響因素不同而不同,在找出主要作用因素之后,才能對某一地區(qū)進行滲透率模型的分析和建立,來預(yù)測滲透率。通過滲透率影響因素復(fù)合模型的建立,來指導(dǎo)滲透率的研究,尋找良好的煤層氣儲層,對于解決目前煤層滲透率數(shù)據(jù)匱