方朝強, 李新, 王建功, 蔡長波, 蔡成定

(中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077)

0　引　言

巖石物理實驗分析是研究煤層氣[1]儲層巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)以及建立測井解釋模型的重要手段,與其他資料相比,巖心實驗數(shù)據(jù)更為客觀準(zhǔn)確,可作為測井資料向地質(zhì)參數(shù)轉(zhuǎn)換的刻度工具[2-4]。李瓊等[1]利用液氮冷凍法取心通過MTS巖石物理測試系統(tǒng)分析了煤巖樣縱橫波速度、動靜彈性參數(shù)、品質(zhì)因子、縱橫波振幅、頻率與儲層物性、地層壓力的關(guān)系及變化規(guī)律。郭德勇,孟雅等[5-6]通過實驗室?guī)r心實驗研究了覆壓條件下煤的孔隙度和滲透率特征,認(rèn)為隨圍壓增加煤的孔隙度和滲透率降低,不同煤質(zhì)和不同類型煤有不同的變化規(guī)律;建立了煤孔隙度、滲透性與有效應(yīng)力之間的相關(guān)關(guān)系和模型,采用滲透率損害率和應(yīng)力敏感系數(shù)分析了煤儲層的應(yīng)力敏感性。尹帥等[7]通過巖心薄片、電鏡、壓汞、力學(xué)等實驗研究評價了煤儲層特征,認(rèn)為沁水盆地東北部煤層氣儲層達到了Ⅰ類煤儲層的評價標(biāo)準(zhǔn),有利于煤層氣開發(fā)。

傳統(tǒng)的巖石物理實驗所用的柱塞巖心多為液氮冷凍法取心,趙富貞等[8]認(rèn)為冷凍工藝對巖心孔隙度、滲透率以及孔隙結(jié)構(gòu)等實驗參數(shù)有影響。本文采用了線切割法加工技術(shù)獲取煤儲層柱塞巖心用于實驗研究,基于巖石物理實驗數(shù)據(jù),同時結(jié)合前人研究成果,分析了沁水盆地南部煤層氣儲層各參數(shù)巖心實驗特征,建立并分析了各巖石物理參數(shù)之間的關(guān)系,總結(jié)了煤儲層巖石物理特征,初步建立了一套系統(tǒng)性的煤巖巖石物理實驗技術(shù)體系,為巖石物理模型的數(shù)值模擬和測井解釋模型的建立提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1　研究區(qū)煤層氣儲層特征

研究區(qū)位于沁水盆地南部地區(qū),以山西組3號煤層為主要研究載體。3號煤層厚度0.6～7.0 m,總體變化趨勢表現(xiàn)為由南向北由東向西煤層厚度逐漸變薄,不同地區(qū)厚度差別較大。盆地南部有燕山期的閃長巖、花崗斑巖等巖體侵入,使該區(qū)相對于盆地其他地區(qū),其煤的變質(zhì)程度更高,鏡質(zhì)組反射率達2.75%～3.99%,屬高級無煙煤,并有由北向南變質(zhì)程度增高的趨勢。3號煤層宏觀煤巖類型好,以光亮型煤和半光亮型煤為主;灰分含量變化在3%～23%,平均11%左右,屬中、低灰分煤層;顯微煤巖組分中鏡質(zhì)組含量較高,一般80%～90%,也反映煤巖煤質(zhì)好的特征。這種低灰分、高鏡質(zhì)組含量的煤層其吸附甲烷氣體能力一般較強,有利于煤層含氣量的提高[9]。

2　煤層氣儲層巖石物理實驗研究

本文根據(jù)煤層氣儲層研究需要,在研究區(qū)選取大塊井下煤巖樣20塊。由于煤強度低,相對較軟易破碎,且煤層節(jié)理發(fā)育,各種微孔隙、裂隙較多,呈明顯的非均質(zhì)特性[1],獲得實驗室用柱塞巖心比較困難。研究采用線切割法加工煤儲層柱塞巖心,該方法以金剛石線作為切割工具,利用金剛石線表面涂抹的金剛砂的銳利棱角和金剛石線的上下高速往復(fù)運動以及高速自旋轉(zhuǎn)與巖樣表面高速磨削獲得標(biāo)準(zhǔn)柱塞狀巖心,該方法能夠有效克服傳統(tǒng)水冷卻鉆取法易導(dǎo)致巖心破碎以及液氮冷凍法取心破壞巖心內(nèi)部孔、縫結(jié)構(gòu)影響物性參數(shù)的缺陷。利用該方法最終獲得24塊標(biāo)準(zhǔn)柱塞巖心(長度3～6 cm,直徑1.5 in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.308 4 m,下同)用于實驗研究。

2.1　孔隙度、滲透率實驗

為最大程度減少水分對孔隙度、滲透率的影響,通過調(diào)研以及對比不同烘干條件下巖心質(zhì)量、孔隙度以及顆粒密度的變化規(guī)律(見圖1),得出使煤儲層巖心達到最佳測試狀態(tài)的烘干實驗方案:恒溫箱中116 ℃烘干33 h。

常溫常壓下的物性實驗表明,煤層氣儲層密度分布1.32～1.63 g/cm3,平均密度為1.39 g/cm3;孔隙度分布范圍2.2%～9.8%,平均孔隙度為5.9%,主峰值分布在5%～7%,占比最高達55.56%。滲透率分布(0.001～3.99)×10-3μm2,變化范圍比較大,平均滲透率1.028×10-3μm2,滲透率小于0.5×10-3μm2占比達50%。

根據(jù)煤層氣儲層參數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn),孔隙度大于5%、滲透率大于0.5 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4μm2,下同的儲層即為優(yōu)良儲層[10-11],相比之下沁水盆地南部煤層氣儲層孔隙度與滲透率均達到了I類儲層評價標(biāo)準(zhǔn),但強非均質(zhì)性導(dǎo)致滲透率變化范圍較大,使得部分區(qū)域具有低滲透率—特低滲透率特征,給煤層氣開發(fā)帶來一定難度,但整體而言該區(qū)域煤層氣儲層仍具有較好的儲層條件。

為了解煤層氣儲層應(yīng)力對孔隙度滲透率的影響,采用增加煤儲層巖心凈圍壓模擬地層有效應(yīng)力的變化,并測量孔隙度滲透率隨凈圍壓變化的情況,分析煤層氣儲層孔隙度滲透性與應(yīng)力之間的關(guān)系。

圖1　烘干實驗過程中煤儲層巖心質(zhì)量、顆粒密度及孔隙度變化

圖2　覆壓孔隙度與圍壓關(guān)系圖

根據(jù)煤儲層埋深情況,進行了不同覆壓條件下(分別為3.5、4、6、8、10 MPa和11 MPa等6個壓力點)的煤層氣儲層孔隙度與滲透率實驗研究。實驗結(jié)果表明,覆壓條件下煤層氣儲層孔隙度、滲透率都隨著圍壓的增大而顯著降低,而且在圍壓達到某一值之前孔隙度滲透率降低較快,而圍壓達到一定值后煤巖孔隙度滲透率變化速度變慢,總體呈負(fù)相關(guān)。空氣滲透率與克氏滲透率變化趨勢一致,隨著圍壓增加煤儲層產(chǎn)生法向壓縮變形,滲透率急劇下降;而煤層氣儲層覆壓孔隙度隨圍壓增大呈現(xiàn)3類變化趨勢(見圖2):第1類為孔隙度自始至終減小趨勢緩慢;第2類為圍壓較小時,孔隙度減小趨勢緩慢,隨著圍壓增大,孔隙度減小趨勢加快;第3類為圍壓較小時,孔隙度減小趨勢較快,隨著圍壓增大,孔隙度減小趨勢趨于平緩。

通過實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,建立研究區(qū)內(nèi)煤層氣儲層常壓條件下與覆壓條件下巖心孔隙度與聲波時差的對應(yīng)關(guān)系。覆壓條件下巖心孔隙度與縱波時差關(guān)系好于常壓條件下巖心孔隙度與縱波時差關(guān)系,這說明相對于常規(guī)砂巖,煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)隨壓力變化很大;覆壓條件模擬了地層條件,而測井得到的也是地層條件下的聲波時差,由此可推論測井縱波時差與煤層孔隙度相關(guān),可以作為評價煤層氣儲層孔隙度的物理量。

2.2　孔隙結(jié)構(gòu)實驗

煤儲層孔隙特征通常用孔體積、比表面積、孔徑分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)來表征。本文通過低溫氮吸附實驗法研究煤儲層孔隙結(jié)構(gòu),依據(jù)實驗數(shù)據(jù),分析研究區(qū)煤層氣儲層孔徑結(jié)構(gòu)分布特征(見圖3)。將孔隙按照孔徑大小劃分為微孔(<10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm)、大孔(>1 000 nm)。

低溫氮吸附實驗結(jié)果表明,煤層氣儲層比表面積分布0.01～14.76 m2/g,均值0.82 m2/g;孔直徑分布范圍2.33～215.32 nm,均值37.42 nm。圖3顯示煤層氣儲層孔隙峰值分布范圍為9.48～10.72 nm,小于10 nm的孔隙占有一定比例,在此范圍內(nèi),均有一定值的表面積與孔體積增量;10～50 nm的孔隙占有較大比例,在此范圍內(nèi),累積比表面積與累積孔體積持續(xù)上升;此外煤層氣儲層中還有極個別的中孔,但占比很小。

總之,煤層氣儲層孔隙以小于50 nm的微孔隙與小孔隙為主,二者貢獻了煤層氣儲層主要的比表面積與孔體積,從而保障了煤層氣儲層較高的吸附能力與聚氣能力。

2.3　聲學(xué)參數(shù)實驗

圖3　煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)分布特征

對煤層氣儲層進行了干巖樣(恒溫箱中116 ℃烘干33 h)與飽和巖樣(飽和2 000 mg/L的NaCl溶液)的常溫常壓彈性實驗,得到了彈性模量、剪切模量、體積模量、拉梅系數(shù)、泊松比和縱橫波速比等彈性參數(shù)。

實驗表明,干巖樣平均彈性常數(shù)明顯小于飽和巖樣平均彈性常數(shù);干樣狀態(tài)下,煤層氣儲層縱波幅度變化較大,橫波速度變化幅度比較小,而飽和狀態(tài)下煤巖縱、橫波速度變化幅度都不大;煤層氣儲層縱波速度干樣與飽和狀態(tài)下相差較大,而橫波速度干樣與飽和狀態(tài)下相差較小(見圖4)。

圖4　煤層氣儲層干巖樣與飽和樣縱、橫波速度分布圖

干巖樣與飽和巖樣的縱波速度與橫波速度都呈正相關(guān),但干樣狀態(tài)下的縱波速度與橫波速度相關(guān)性明顯好于飽和狀態(tài)下的縱波速度與橫波速度相關(guān)性(見圖5)。通過對實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析建立研究區(qū)內(nèi)煤層縱波速度與密度的關(guān)系(見圖6)以及縱波速度與橫波速度的關(guān)系。在已知煤巖儲層縱波速度的情況下,通過縱橫波速度之間的關(guān)系可以預(yù)測煤層氣儲層的橫波速度,同時利用波速與密度之間的關(guān)系以及縱橫波速度之間關(guān)系可以研究巖性變化和預(yù)測含氣性。

圖5　煤儲層巖心干樣狀態(tài)與飽和狀態(tài)下縱橫波速度關(guān)系

圖6　煤儲層密度與縱波速度關(guān)系

高溫高壓聲學(xué)參數(shù)實驗表明,煤樣從常壓變化到30 MPa壓力,煤的動態(tài)彈性模量、動態(tài)剪切模量、動態(tài)體積模量都隨著圍壓的增加而增大,它們與有效壓力之間有著良好的二次多項式關(guān)系,相關(guān)系數(shù)都在0.9以上。整體上煤巖的動態(tài)泊松比、縱橫波速比都隨著圍壓的增大而增大,但少部分煤樣在低圍壓階段先變小而后變大,變化較為復(fù)雜,規(guī)律性較差(見圖7)。當(dāng)壓力達到30 MPa時,煤樣的彈性模量、剪切模量、體積模量以及泊松比、縱橫波速度比分別增加1.17、0.31、1.93 GPa以及0.10、0.37,增大幅度分別為29.96%、29.96%、39.54%以及72.06%、20.96%,體積模量增幅最大,相較于其他彈性參數(shù)其對壓力的敏感性最強。因此,煤巖彈性參數(shù)對壓力敏感性:體積模量>泊松比>彈性模量>縱橫波速比>剪切模量。

3　結(jié)　論

(1) 煤層氣儲層更適用于線切割法加工技術(shù)獲得柱塞巖心,該方法能有效克服傳統(tǒng)水鉆方法易導(dǎo)致巖心破碎以及液氮冷凍法取心破壞巖心內(nèi)部孔縫結(jié)構(gòu)影響物性參數(shù)的不足。

(2) 沁水盆地南部地區(qū)煤層氣儲層總體具備良好的儲層條件,孔隙度與滲透率關(guān)系良好,覆壓條件下煤巖覆壓孔隙度、滲透率隨圍壓的增大而減小,覆壓條件下巖心孔隙度與縱波時差關(guān)系明顯好于常壓條件下巖心孔隙度與縱波時差關(guān)系,測井縱波時差可以作為評價煤層氣儲層孔隙度的物理量。

(3) 沁水盆地南部地區(qū)煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,以微孔和小孔為主,二者貢獻了煤層氣儲層主要的比表面積與孔體積,從而保障了煤層氣儲層較高的吸附能力與聚氣能力。

(4) 煤層氣儲層縱橫波速度之間具有良好的線性關(guān)系,同時利用波速與密度之間的關(guān)系以及縱橫波速度之間關(guān)系可以研究巖性變化和預(yù)測含氣性。煤層氣儲層彈性參數(shù)對壓力敏感性:體積模量>泊松比>彈性模量>縱橫波速比>剪切模量。

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