logo
专注油气领域
与独立思考者同行

深部煤层气储层地质研究进展(下)

深部煤层气储层地质研究进展(下)

随着近年来煤层气勘探和开发技术的进步,国内能源需求量的增加,深部煤层气的开发成为可能且势在必行。深部煤层一般处在具有高地应力、高温和高压的环境中,对复杂地质条件耦合作用下煤层气储层物性差异演化的研究均处在探索阶段,这是深部煤层气迟迟达不到规模性开发的主要原因。煤层气储层物性是煤层孔隙性、含气性、渗透性和可改造性四者关系的耦合体现,受控于各类动力学条件之间的匹配关系,深部煤层气储层差异演化关键所在是深部应力场、地温场、压力场制约下煤岩孔裂隙结构的演化、煤储层吸附-解吸-扩散-渗流间平衡关系,以及煤层应力应变力学性质,解决这一科学问题,可以为深部煤层气有利区带的预测和勘探开发技术的突破提供理论指导。

3 深部煤储层渗透性及其影响因素

煤储层渗透性是制约煤层气勘探选区的重要参数,主要受地应力、流体压力和地层温度等因素的共同影响,而对于深部煤层来说,这些因素对渗透性的影响将更为复杂。古构造应力场作用控制了裂隙的生成,现代构造应力场控制裂隙开合,两者耦合控制着煤储层的渗透率,因此,地应力是决定煤储层渗透率的最关键因素。

随着埋藏深度的增加,地应力增强,其对煤层变形与破坏的影响将更加突出。美国黑勇士盆地地应力为1~6MPa,澳大利亚东部悉尼盆地、鲍恩盆地为1~10MPa;而中国煤矿区的地应力值变化很大,主要集中在8~17MPa。

与美国、澳大利亚相比,中国的煤储层所承受的原地应力大,因此我国煤层渗透率大多低于美国和澳大利亚煤盆地。一些学者通过对现场试井渗透率和地应力的统计分析,建立了煤层埋深、地应力与煤储层渗透性之间的关系,认为650m以浅煤储层地应力处于伸张带,最小水平主应力小于12MPa,煤储层渗透率平均大于1.0×10‾³μm²;650~1000m煤储层地应力处于由伸张带转化为压缩带的过渡带,最小水平主应力为12~20MPa,煤储层渗透率平均大于0.1×10‾³μm²;1000~1500m煤储层地应力处于压缩带,最小水平主应力大于20MPa,煤储层渗透率平均大于0.01×10‾³μm²。随着煤层埋藏深度的增大,有效应力增强,煤储层渗透率呈现出指数衰减的趋势。因此,深部煤层渗透率偏低成为目前对深部煤层气资源开发望而却步的重要原因。

但也有学者对此提出了质疑,认为煤岩渗透率并非随应力增加一直呈负指数规律降低;应力进入弹塑性阶段,煤体中会产生新的微裂隙,渗透率趋于增长。在越接近峰值应力时,产生的微裂隙越多,其中有裂隙互相交割而贯通,渗透率急剧增长,至峰值强度后,煤岩失去最大承载能力,渗透率仍继续增长,但增长减缓;最小渗透率出现在煤岩弹性变形发展到一定程度时,最大值则出现在煤岩软化阶段或塑性流动阶段。

由此可见,对于深部煤储层渗透率与地应力的关系到底如何,应力作用下的煤体结构变形及渗透率动态变化仍需不断研究求证。但有一点可以肯定,随埋深增加,垂向应力对于煤储层渗透率的影响将逐步增大,需要重点考虑。

Hoek和Brown依据全球不同地区现代地应力测量结果,拟合了平均水平主应力和垂直主应力的比值(侧压系数)与埋深之间的关系,提出在浅部侧压系数较高且其变化范围较大,而随着埋深的增加,侧压系数及其变化范围均呈逐渐减小的趋势,反映地壳浅部以水平应力为主,深部主应力方向则转换为垂向应力。

总体来说,地应力与深度的关系存在一个应力临界深度转换面,即在该界面之上,垂直主应力小于最大水平主应力;在该界面之下,垂直主应力大于最大水平主应力。垂向应力主导的深部煤层与水平应力主导的浅部煤层,其煤储层渗透率存在怎样的差异?不同应力状态下的煤岩应力应变差异特点、煤储层孔渗系统变化规律及其之间的互动过程将是深部煤储层渗透性的研究重点。

温压条件对煤层渗透性的控制作用,也是学者们一直以来关注的热点问题。一些学者通过实验手段分析了流体压力对煤层渗透率的影响,实验中保持上覆围压不变,调节气源压力测定不同气体压力下的煤岩渗透率,结果表明随着气体压力的降低,煤岩有效渗透率升高,这是由于煤岩的基质收缩效应产生了作用,即气体压力减小时,煤层气解吸,煤基质会收缩使得裂隙扩张,从而导致煤层渗透率的增大。

肖晓春等则从考虑滑脱效应的角度对煤层气开发过程中渗透率的动态变化进行了研究,认为千米深度下的煤储层由于受到高地应力作用,气体的滑脱效应会十分明显,通过实验分析了围压和孔隙压力对低渗煤样气体滑脱效应的影响,得出了低渗煤样气体滑脱效应的理论公式,并指出低渗透储层煤层气的运移过程中渗透率变化存在3个主导作用阶段效应,分别是开采初期的有效应力主导阶段、基质收缩主导阶段和滑脱效应主导阶段。

而地层温度对煤层渗透率的控制作用主要表现在两个方面:由于升温导致煤体骨架发生热膨胀,从而使甲烷通道缩小,使煤样甲烷渗透率也随之降低;另一方面,温度升高后,甲烷气体的黏度降低,从而使煤体中甲烷的渗透率升高。

还有学者指出在有效应力较低时,高温下的渗透率高于常温下的渗透率;但在应力较高时,高温下的渗透率往往低于常温下的渗透率。尽管前人对不同应力和温压条件下的煤岩渗透率开展了大量的研究,但他们的研究基本局限于单因素对煤储层渗透率的控制作用,多因素、综合地质条件耦合作用下的煤储层渗透率变化规律有待于进一步实验分析。

4 深部煤储层力学性质与可改造特征

深部煤层处在“三高”的地质条件下,煤岩力学性质与浅部煤层存在着明显的差异,因此深部煤储层可改造特征具有其特殊性。前人针对不同地质条件下的煤岩力学性质做了大量实验,分析不同应力和温压条件下的煤岩抗压强度和弹性模量,厘定了煤岩力学性质与应力、温度和压力的关系。

申建等通过煤岩力学性质模拟实验发现,无论煤级如何,应力均是影响煤岩力学性质最显著的因素。煤岩由于含有大量的孔隙和裂隙,随着应力的增大,孔裂隙受压闭合,煤岩刚性增强,弹性模量和抗压强度增大。

但随着应力持续增大,煤岩一旦发生破裂,煤储层力学强度开始减弱,弹性模量和抗压强度增大又呈现出变小的趋势。温度与煤岩弹性模量之间呈负指数关系,煤样弹性模量随温度的升高而急剧下降。

还有学者通过实验提出了不同的观点:煤的抗压强度与温度呈多项式关系,在25~100℃区间,煤的抗压强度和弹性模量呈减小趋势;在100~200℃区间,煤的抗压强度和弹性模量呈增加趋势;在200~300℃区间,煤的强度和弹性模量呈减小趋势。

储层内部流体压力对煤岩力学特性也会产生一定的影响,煤岩中的甲烷以游离和吸附两种状态存在,因此煤岩的力学特征同时受到这两种甲烷状态的影响。煤岩的弹性模量和力学强度随煤岩内部气体压力的增加而降低,游离甲烷的力学作用阻碍了裂隙的收缩,促进其扩展,减弱了宏观裂缝面间的摩擦系数,使得煤岩的强度降低;同时吸附甲烷的非力学作用减少了煤岩内部裂隙表面的张力,导致煤颗粒之间的作用力减弱,被破坏时所需要的表面能减小,也削弱了煤岩的强度。

针对深部煤储层的可改造特征,国内外学者对高温和高压下的煤岩变形特征做了大量的实验研究。一些学者首先考虑了煤级对煤岩变形特征的影响,煤的塑性变形程度随着煤级的增高而降低并逐渐消失;煤构造变形的韧性机制主要发生在煤级较低阶段,而在煤级较高阶段则以脆性机制为主导。

在不同的实验条件下,温度效应和压力效应对煤岩强度的影响存在显著差异。一些学者在温度200~700℃、围压250~650MPa条件下对不同煤级煤的应力应变曲线及超微变形构造特征进行了分析,结果表明:在中煤级阶段,虽然围压的增大可在一定程度上提高煤的强度,但温度的影响更为重要;较高煤级在小应变阶段,温度起主导作用,而到了大变形阶段,围压的作用又逐渐上升到主导地位。

沁水盆地不同地区不同煤级的煤样高温高压变形实验表明:实验条件下煤岩的脆-韧性转变出现在200℃/200MPa和300℃/300MPa之间;低温低压条件下煤岩发育脆性破裂并贯穿不同的煤岩成分单元,而高温高压条件下煤岩的塑性变形主要发育于惰质组分内。

煤岩是一种有机岩石,其力学强度低,塑性变形强,因此对煤层气的开采必须重视煤岩变形作用对产量造成的影响,尤其是深部煤储层,地质环境更为复杂,高地应力、高温和高压条件下的煤层力学性质与浅部煤层存在显著的差异,深部煤层气的煤岩力学性质给深部煤层气的开发提出了更高的要求。

5 结语与展望

我国深部煤层气预测资源量大,但普遍地质条件复杂,煤储层渗透率低,地质与工程理论支撑不足,开发方式和工程技术受限,严重阻碍了深部煤层气规模开发。

深部煤层处于高地应力、高地层温度和高流体压力“三高”地质环境下,高地应力极大地降低了煤储层的孔隙度和渗透率,使深部煤层气的可采条件变差;而高温高压条件会影响煤层气的吸附/解吸特性,对煤层气含气性产生巨大的影响;煤岩力学性质也在“三高”地质环境下趋于复杂,煤储层破裂压力和施工压力增高,压裂改造裂缝延伸范围受限,煤储层改造难度增大。

针对浅部煤层的实验手段和技术方法已很难适用到复杂地质条件下的深部煤层,因此开展高地应力、高温和高压耦合作用下的深部煤层气储层的地质理论研究,寻求深部煤层气勘探开发技术的突破,建立适合中国深部煤层气地质理论和选区评价技术,对实现我国深部煤层气勘探开发的突破和推进煤层气事业的发展具有重大意义。

版权声明|文章来自地学前沿,版权归原作者所有。

(本文系本网编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我们将在第一时间删除内容。)

未经允许,不得转载本站任何文章:

评论 抢沙发