馮宏飛

摘 要：儲(chǔ)層改造是煤層氣井提高產(chǎn)能的重要措施，綜合評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可改造性是實(shí)施儲(chǔ)層改造前的一項(xiàng)重要工作。通過(guò)閱讀大量有關(guān)儲(chǔ)層改造方面的文獻(xiàn)，認(rèn)識(shí)了影響煤儲(chǔ)層可改造性的眾多因素，其中儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)參數(shù)與工程因素等是決定煤儲(chǔ)層可改造性的關(guān)鍵因素。評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層的可改造性可以提高工程的成功率進(jìn)而提高煤層氣的產(chǎn)能。

關(guān)鍵詞：煤儲(chǔ)層 可改造性 主控因素

中圖分類號(hào)：P618.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（a）-00-02

近年來(lái)，世界各國(guó)都大力開采煤層氣，但受煤儲(chǔ)層低壓、低滲、低含氣飽和度等因素影響，煤層氣井需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)層改造才能獲得理想的產(chǎn)能，針對(duì)儲(chǔ)層改造，要考慮儲(chǔ)層的地質(zhì)特點(diǎn)等因素，在環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)投資最小的基礎(chǔ)上做出適宜的儲(chǔ)層改造方案，因此改造儲(chǔ)層之前，有必要對(duì)煤儲(chǔ)層可改造性進(jìn)行評(píng)價(jià)。眾多學(xué)者對(duì)煤儲(chǔ)層可改造性影響因素進(jìn)行了研究，取得了不少研究成果，主要包括：顏志豐等研究證實(shí)天然隙的存在對(duì)儲(chǔ)層改造具有一定的影響[1]；馮晴等研究得到儲(chǔ)層改造除受地應(yīng)力影響外，還受局部構(gòu)造應(yīng)力及先存裂隙的控制[2]；鄭長(zhǎng)東、王青川等從煤體結(jié)構(gòu)及其圍巖特征研究了煤儲(chǔ)層可改造性，認(rèn)識(shí)到原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤比較適合改造，構(gòu)造煤不適合改造[3]。

該文在前期研究工作的基礎(chǔ)上，擬從煤儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)參數(shù)與工程因素方面對(duì)影響煤儲(chǔ)層可改造性的主控因素進(jìn)行綜述。以期為煤儲(chǔ)層可改造性評(píng)價(jià)提供參考。

1 影響煤儲(chǔ)層可改造性的主控因素

可改造性是煤儲(chǔ)層地質(zhì)特征的綜合反映，影響因素復(fù)雜，有儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)參數(shù)與工程因素等方面。

1.1 儲(chǔ)層物性

1.1.1 煤體結(jié)構(gòu)

原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂結(jié)構(gòu)煤特點(diǎn)是硬度高。原生結(jié)構(gòu)煤，割理裂隙不發(fā)育，滲透性差；碎裂煤割理裂隙發(fā)育，滲透性高。由于強(qiáng)度高，形成裂縫后，加入支撐劑能形成有效的人工裂縫，滲透率偏低利于造成長(zhǎng)裂縫。因此，原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤適合壓裂改造[1，2]。

碎粒煤和糜棱煤受破壞嚴(yán)重，強(qiáng)度低，堅(jiān)固性差，這些特點(diǎn)決定了在壓裂施工時(shí)破裂壓力較低，容易形成多裂縫，形成的人工裂縫的導(dǎo)流能力低。這些特點(diǎn)決定了壓裂時(shí)不能造出長(zhǎng)的人工裂縫。因此，構(gòu)造煤不適合壓裂改造[1，2]。

1.1.2 煤巖堅(jiān)固性系數(shù)

煤的堅(jiān)固性系數(shù)，是反映煤體破碎難易程度的指標(biāo)。煤儲(chǔ)層改造時(shí)壓力的設(shè)定要保證足夠的起裂壓力使煤體破壞，在對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行改造之前要了解該區(qū)煤儲(chǔ)層的堅(jiān)固性系數(shù)。秦義[3]等認(rèn)為煤巖堅(jiān)固性系數(shù)反映出煤巖抵抗外界破壞的能力，能夠量化表征煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征。

1.1.3 儲(chǔ)層脆性

脆性由儲(chǔ)層礦物組分中石英、長(zhǎng)石、方解石含量決定。石英含量增加將提高儲(chǔ)層的脆性，富含石英或者碳酸鹽等脆性物質(zhì)的儲(chǔ)層有利于產(chǎn)生縫網(wǎng)，而黏土礦物含量高的塑性地層則不易形成縫網(wǎng)。儲(chǔ)層脆性越高，人工壓裂時(shí)越容易產(chǎn)生裂縫，可改造性越好。

1.1.4 儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征

根據(jù)前人研究結(jié)果[4-6]，天然裂隙對(duì)儲(chǔ)層改造的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）天然裂隙是破裂面，壓裂改造過(guò)程中它能控制壓裂裂隙的傳播；（2）由壓裂所帶來(lái)的高壓會(huì)導(dǎo)致天然裂隙滑移，形成的裂隙會(huì)沿著天然裂隙網(wǎng)絡(luò)延伸，增加了天然裂隙網(wǎng)與井筒之間的連通。因此天然裂隙的存在更容易使儲(chǔ)層改造獲得成功，誘導(dǎo)形成縫網(wǎng)[6]。

1.1.5 儲(chǔ)層滲透率

對(duì)儲(chǔ)層滲透性測(cè)試并根據(jù)測(cè)試結(jié)果采取有效的壓裂方式來(lái)提高儲(chǔ)層滲透性是一項(xiàng)非常必要的工作。李全貴等針對(duì)低滲煤層瓦斯抽采率低，用水力壓裂技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，結(jié)果表明，通過(guò)水力壓裂煤層滲透率得到了提高，瓦斯抽采效果顯著[7]。

1.2 巖石力學(xué)參數(shù)

煤層的巖石力學(xué)參數(shù)反應(yīng)儲(chǔ)層破裂的難易程度。

1.2.1 抗壓強(qiáng)度

煤巖樣在單向受壓條件下整體破壞時(shí)的壓力為單軸抗壓強(qiáng)度，它是巖石力學(xué)試驗(yàn)中最基本的指標(biāo)之一，所得結(jié)果可以間接反映地層破裂強(qiáng)度，煤巖儲(chǔ)層的抗壓強(qiáng)度越大，巖石密度越大，破裂難度也越大[8]。

1.2.2 抗張強(qiáng)度

是指巖石在單向拉應(yīng)力作用下達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度。在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力，反應(yīng)煤巖的破裂難易程度，抗張斷裂時(shí)，基本上是沿層理面斷開的[9]。

1.2.3 楊氏模量

指其所受應(yīng)力與應(yīng)變的比，是描述巖石抵抗形變能力的物理量，煤巖具有高的楊氏模量意味著脆性大，鉆井或壓裂過(guò)程中越容易產(chǎn)生裂隙有利于煤層氣開采[4]。

1.2.4 泊松比

是在上覆巖石垂直重力作用下，煤巖水平側(cè)向應(yīng)力大小的依據(jù)，因而是決定裂縫產(chǎn)狀的參數(shù)之一，也是決定垂直縫破裂壓力計(jì)算參數(shù)之一。煤儲(chǔ)層的泊松比較高，脆性大，較砂巖更易受力壓縮[10]。

1.3 工程因素

1.3.1 速敏試驗(yàn)

流體流動(dòng)速度變化引起儲(chǔ)層巖石中微粒運(yùn)移堵塞吼道，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率發(fā)生變化的現(xiàn)象。評(píng)價(jià)速敏性用兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是臨界流速；另一個(gè)是發(fā)生微粒運(yùn)移后滲透率降低程度。實(shí)驗(yàn)表明，速敏造成的微粒運(yùn)移能使?jié)B透率降低11.76%～17.94%[4，9]。

1.3.2 水敏試驗(yàn)

水敏是指低礦化度的注入水進(jìn)入儲(chǔ)層后引起黏土膨脹、分散、運(yùn)移，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率發(fā)生變化的現(xiàn)象。即使富含低膨脹或非膨脹性黏土礦物的地層，在水介質(zhì)環(huán)境變化時(shí)，由于這類黏土礦物水化分解產(chǎn)生的微粒運(yùn)移也會(huì)造成地層損害[4，9]；儲(chǔ)層改造前期，必然要進(jìn)行敏感性評(píng)價(jià)工作。

1.3.3 水平應(yīng)力差異系數(shù)

水平應(yīng)力差異系數(shù)是指兩相水平主應(yīng)力差值與最小水平主應(yīng)力的比值。水平主應(yīng)力差越小，越有利于形成網(wǎng)狀裂縫，儲(chǔ)層越容易被壓裂，即可改造性越好[4]。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)得到了一些有意義的結(jié)論，可改造性評(píng)價(jià)需要綜合分析地質(zhì)條件、巖石力學(xué)特征和工程因素。

（1）構(gòu)造煤堅(jiān)固性系數(shù)小，易壓裂，但不易形成主裂縫，原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤壓裂后能形成有效的人工裂縫，適合壓裂改造；低滲儲(chǔ)層、天然裂隙存在的儲(chǔ)層、脆性高的儲(chǔ)層，更容易使儲(chǔ)層改造獲得成功。

（2）煤巖儲(chǔ)層的抗壓、抗張強(qiáng)度越大，壓裂改造難度也越大；楊氏模量越大壓裂改造過(guò)程中越容易產(chǎn)生裂隙，煤儲(chǔ)層的泊松比越高，越易受壓變形，可改造性越強(qiáng)。

（3）速敏、水敏會(huì)使儲(chǔ)層滲透率降低，儲(chǔ)層改造前，有必要對(duì)儲(chǔ)層敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)；水平主應(yīng)力差越小，越有利于形成網(wǎng)狀裂縫，可改造性越好。

參考文獻(xiàn)

[1] 顏志豐.沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層壓裂過(guò)程數(shù)值模擬研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（5）：1734-1744.

[2] 馮晴.沁水盆地煤巖力學(xué)特征及其壓裂裂縫的控制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（3）：100-103.

[3] 鄭長(zhǎng)東.黔北煤田長(zhǎng)崗向斜煤儲(chǔ)層特征與壓裂可改造性研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（9）：208-216.

[5] 琚宜文.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要特征及其對(duì)儲(chǔ)層改造的影響[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2014，29（4）：492-506.

[6] 顏青.比德-三塘盆地煤與巖石力學(xué)性質(zhì)及煤層壓裂可改造性[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

[7] 秦義.沁水盆地南部高煤階煤層氣井排采工藝研究與實(shí)踐[J].天然氣工業(yè)，2011，31（11）：22-25.

[8] 羅天雨.天然裂縫對(duì)水力壓裂的影響研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2007，29（5）：141-149.

[9] 陳勉.大尺寸真三軸水力壓裂模擬與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（6）：868-872.

[10] 李全貴.低透氣性煤層水力壓裂增透技術(shù)應(yīng)用[J].煤炭工程，2012（1）：31-36.