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        煤儲(chǔ)層可改造性主控因素研究

        2019-05-14 10:56:52馮宏飛
        科技資訊 2019年4期

        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(kāi)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(kāi)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(kāi)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)

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        [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.

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        [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.

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