地应力对煤储层渗透性影响及其控制机理研究

针对地应力对煤储层初始渗透性及水力压裂裂缝扩展研究,从煤储层地应力状态影响因素、地应力对渗透率的影响规律及控制机理方面进行分析,总结了国内外地应力对煤储层渗透性影响规律及机制研究的最新进展。研究结果表明:煤储层地应力状态影响因素包括构造作用、埋藏深度和煤岩类型3个方面,其中构造作用和埋藏深度占据主导地位。目前捕获地应力大小多利用水压致裂法和物理试验测试,当前主要研究了现代地应力场特征、实验室模拟、数值模拟不同地应力对煤储层渗透率影响,其实质是对煤储层孔隙-裂隙结构产生变形。区域应力场产生区域性的裂隙系统,控制着煤储层渗透性区域性分布,而局部构造地带控制着不同区块渗透率的非均质性分布。渗透率随着有效垂直应力、有效最大水平主应力和有效最小水平主应力增加均呈负指数减小。相对于地应力差,应力差系数才是影响水力裂缝沿着最大主应力方向扩展的主要因素。     

鄂尔多斯盆地东南缘地应力、储层压力及其耦合关系

采用水压致裂测量地应力方法,获得了鄂尔多斯盆地东南缘26口煤层气井地应力分布,通过统计分析,建立了二叠系山西组2煤储层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,揭示了现今地应力分布规律及受控机制。研究结果表明,本区二叠系山西组2煤层破裂压力梯度、闭合压力梯度和煤储层压力梯度的平均值分别为 1.96,1.69,0.71 MPa/100 m。煤储层最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力以及储层压力均随着煤层埋藏深度增大呈线性规律增高。在 1 000 m 以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin ,最小水平主应力小于16 MPa,现今地应力处于拉伸应力状态,煤储层有效应力系数K0 为0.48,且低于油气盆地页岩层中的有效应力系数值(K0 =0.80);在1 000 m以深煤储层地应力状态转化为σhmax ≥σv≥σhmin ,最小水平主应力大于16 MPa,现今地应力转化为挤压应力状态。本区现今地应力受华北区域构造应力场控制,最大水平主应力方向主要以NEE-SWW方向为特征。本区煤储层压力偏低,相同深度条件下鄂尔多斯盆地东南缘煤储层压力要比沁水盆地南部偏低0.73~0.93 MPa,且煤储层压力与地应力呈正相关关系,随着地应力的增加,煤储层压力增大。     

主成分分析法在煤层气选区评价中的应用

为了对黔西-滇东地区煤层气有利区块进行优选,以6个主要区块为研究对象,选取资源丰度、含气饱和度、平均含气量、含气面积、煤层总厚度、Ro,max、平均渗透率、兰氏体积、视储层压力和地应力10个评价指标,采用主成分分析法,在众多指标中提取3个主成分,分别为煤储层物性因素、煤储层能量因素、煤层气资源因素,依据主成分得分加权求和获得各区块的综合得分。研究表明:织纳矿区的煤储层物性条件较好,盘县矿区的资源条件和煤储层能量条件较好,属于煤层气开发的最优区块;水城矿区和六枝矿区的资源条件和煤储层能量条件较好,属于煤层气开发的较优区块;老厂矿区和恩洪矿区总体上也受煤储层能量因素和资源因素控制,但煤储层物性条件较差,符合"小而肥"的特点,是煤层气开发的一般区块。     

滇东黔西地区煤岩裂缝渗透率应力敏感性试验研究

滇东黔西地区煤岩渗透率普遍较低但地应力较高,煤层有效应力的变化会显著地影响储层渗透率,为了研究滇东黔西地区煤岩裂缝渗透率的应力敏感机制,针对该地区煤样开展了渗透率应力敏感性试验,并结合扫描电镜(SEM)技术分析了煤样裂缝结构特征。试验结果表明:煤岩裂缝渗透率与有效应力呈现负指数关系。当有效应力小于10 MPa时,随着有效应力增大,煤层裂缝渗透率急剧下降,渗透率损害主要发生在此阶段;当有效应力大于10 MPa时,裂缝越来越难被压缩,裂缝渗透率下降趋势减缓。煤岩天然和人工裂缝均具有很强的应力敏感性。扫描图片显示,天然裂缝表面粗糙度较小,缝内存在填充物可用来支撑裂缝闭合,人工裂缝的应力敏感程度强于天然裂缝。在煤层气开发过程中需要合理控制生产压差,以减轻应力对渗透率的伤害,确保煤层气井的高效生产。     

中国煤储层渗透率分级方案探讨

统计分析了国内外不同煤阶和地区的煤储层渗透率数据,显示国外相同煤阶煤储层的渗透率要比我国高1~2个数量级,且我国不同煤阶煤储层渗透率整体上差异不大。研究表明,煤储层的渗透性主要受现今地应力强度和构造史及与其伴随的流体活动史决定的煤体结构、割理发育程度和割理充填状况等因素控制,高应力、复杂煤体结构和割理充填,是中国低渗透煤储层的基本成因机理。基于我国煤储层渗透率分布特点和不同渗透率条件下单井产量的分析,将有效煤储层的渗透率下限定为0.01×10-15 m2,按渗透率将有效煤储层划分为低渗(k=0.01×10-15~0.1×10-15 m2)、中渗(k=0.1×10-15~0.5×10-15m2)、中高渗(k=0.5×10-15~1×10-15 m2)、高渗(k=1×10-15~5×10-15 m2)和超高渗(k>5×10-15 m2)5个等级,煤层气井的实际产量除受渗透率影响外,还受到煤层厚度、含气量、压裂参数、地质构造、煤系地层含水性和排采工作制度等其他因素的影响,随着我国煤层气开发技术的进步,低渗煤储层(k=0.01×10-15~0.1×10-15 m2)经合理配套的压裂技术和排采方案仍可获得理想的产气量。     

原位地应力约束下煤储层自封闭作用及其成藏效应

关于煤层气叠置成藏效应的研究通常注重煤系地层层序地层格架的时空配置,对于原位地应力制约下储层的"自封闭效应"关注不足,应力场垂向转换诱导的煤储层渗透性的非单调性变化及其对储层压力、含气性等成藏特征参数的调控作用常被忽视。系统分析了黔西地区煤储层地应力场的垂向分布规律及其构造控制效应,揭示了渗透率随埋深的非指数变化规律及其在沁水、鄂东等含煤盆地的普适性,探讨了储层压力、压力系数垂向差异性分布及其与地应力-渗透率的匹配关系。黔西地区煤储层水平主应力(200～1 300 m)是埋深和构造综合作用的结果,含煤向斜轴部是水平主应力最为集中的区域。根据应力梯度垂向演变规律可以将其划分为应力挤压区(200～500 m,水平构造应力主导)、应力释放区(500～750 m,垂直应力主导)、应力过渡区(750～1 000 m,近向斜轴部)和构造集中区(>1 000 m,向斜轴部低点部位,高应力区)。埋深中段的应力释放区有利于相对高渗储层的形成(平均0.2×10^-15 m²),在此深度区间上下(200～500 m,平均0.06×10^-15     

滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征研究

地应力特征是煤层气勘探开发,尤其是压裂设计的基础研究内容。为了探明滇东老厂矿区地应力分布特征,基于测井资料、岩石力学试验及水力压裂曲线,利用带附加构造应力项的Anderson模型,计算了滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征参数,分析了地应力分布规律及对储层渗透率的影响。结果表明:滇东老厂矿区煤储层地应力整体为10～30 MPa,属中高应力区。最大水平主应力σ_H,最小水平主应力σ_h和垂直主应力σ_V随埋深增加而增加,并且垂向上应力场随埋深增加逐渐由水平主应力主导变为垂直主应力主导,800 m为应力转换点,800 m以浅以σ_Hσ_Vσ_h为主,表明有利于走滑断层应力场活动,煤层处于压缩状态; 800 m以深以正断层应力场(σ_Vσ_Hσ_h)为主,垂直主应力σ_V为主控应力,煤层处于拉张应力状态。侧压系数整体上位于中国和Hoek-Brown内外包络线之内,且随埋深增加逐渐由大于1为主,减小到应力转换带深度下的普遍小于1。地应力通过埋深对渗透率起控制作用,煤层埋深在800 m内,孔隙在挤压应力作用下逐渐闭合,渗透率随埋深增加呈负指数减小,800 m以深垂直主应力为渗透率主控因素,储层处于拉张应力状态,且天然裂缝近乎垂直发育,天然裂缝在垂直主应力作用下开启,渗透率随埋深增加而增加,渗透率变化点与应力场变化点基本一致。     

沁南-郑庄区块深部煤层气“临界深度”探讨

基于沁南—郑庄区块35层次煤层气井注入/压降及地应力实测数据,系统分析了郑庄区块地应力垂向变化规律,并在此基础上探讨了煤储层渗透性、含气性、气水产出垂向差异性演化,揭示了郑庄地区深部煤层气界限。郑庄区块地应力状态在垂向上发生转换:575 m以浅,σHσvσh,表现为大地动力场,现今地应力状态为压缩状态;575 m~675 m,水平主应力较浅部有所降低(σH≈σvσh),表现为准静水压力场,现今地应力状态为过渡状态(由压缩状态过渡为拉张状态);675~825 m以深,σvσHσh,表现为大地静力场型,现今地应力状态为拉张状态;825 m以深,σHσvσh,现今地应力状态为压缩状态。煤储层试井渗透率随埋深的变化与地应力场状态的转变基本一致,其实质是地应力作用下煤体孔隙结构的变形与破坏;含气量与埋深之间存在一个"临界深度"范围(800~1 000 m),超过此埋深范围之后煤层含气量随埋深增大而趋于降低。整体来说,825m以深煤层气资源处于地应力转换状态和(或)含气量"临界深度"之下,其赋存和开发地质条件发生转换,气体采收率相对较低,属于深部煤层气范畴。该埋深(825 m)以下煤层气开发将面临"低渗透率、低含气量、高地应力"的挑战。     

黔西煤层气成藏特性空间分异及其对开发的启示

黔西地区煤层气资源丰富,但赋存条件复杂,开发难度较大。基于该区煤层气井注入-压降试井数据,重新厘定了本区煤储层渗透率划分方案,分析了地应力及其控制下渗透率、压力系统、气藏类型的空间分异特征,探讨了地应力的控藏效应及其对煤层气开发的启示:区域上,六盘水煤田地应力显著高于织纳煤田,煤储层渗透率为中低渗—低渗水平,异常超压发育,具有"应力封闭"特征,而织纳煤田煤储层渗透率为中渗—中低渗水平,以欠压状态为主,表现为"压力驱动"特点,可实现压降自由传递;垂向上,300 m和600 m为黔西地区地应力的转换深度,也是控制煤层气成藏特征的临界埋深线,300 m以浅以水平应力为主导,300~600 m水平应力与垂直应力共同作用,异常高压发育,600 m以深以垂直应力占主导。600 m以浅有利于统一流体压力系统的发育,以深有利于多层叠置流体压力系统的形成,并使气藏资源类型由"压力驱动型"向"应力封闭型"转变;基于成藏要素的台阶式跃变特征和多层次模糊综合评价,推测300~600 m为本区煤层气勘探开发的黄金带,织纳煤田高产井产层普遍位于该深度范围。     

煤层气储层地应力场宏观分布规律统计分析

基于鄂东、沁南、黔西-滇东及准南地区232层次煤层气井原位地应力实测数据,参照Hoek-Brown分析方法,系统分析了煤层气储层宏观地应力分布规律,回归建立了不同应力参数随深度的变化曲线,研究结果表明:我国煤储层表现为中-高应力区,应力场类型呈非均匀分布,σ_Hσ_vσ_h型和σ_vσ_Hσ_h型为主(94%),σ_Hσ_hσ_v型较少见且集中在浅部;煤储层侧压系数k均小于Hoek-Brown平均值,且88%实测数据较国内平均线偏低;σ_H/σ_v和k值随埋深变化均可用双曲线形态表征,整体表现为"浅部离散,深部收敛";水平主应力差与埋深具有一定的线性正相关性,而σ_H/σ_h变化不大,主要集中在1.015~1.915,平均为1.47。研究结果可为深部煤储层应力状态的判断、岩体参数的选取提供参考。     

黔西向斜西翼南段煤层气藏控气因素及其开发潜力研究

为探明黔西向斜西翼南段煤层气区块主采煤层煤层气的赋存特征及其主控气因素,基于黔西县定新整装勘查资料、煤矿样品测试以及试井数据,分析各煤层的煤级、煤岩特征以及埋深与含气量之间的关系,查明影响黔西向斜西翼南段区煤层气藏的主要控气因素。研究结果表明,黔西向斜西翼南段区构造、煤级、煤岩特征、埋深对含气性均有一定的影响,其中最为主要的控气因素为埋深和构造作用。结合黔西向斜西翼南段区储层压力梯度、渗透率、地应力等储层开发特征评价煤层气勘探开发潜力,表明研究区4号煤的煤层气开发潜力最大。     

有效应力对煤层渗透性影响的实验和模型研究

与常规储层相比,煤层气储层具有一些典型的特点:压缩性强,孔隙/裂隙结构复杂,孔隙度/渗透性低等,煤岩应力敏感机制和影响因素更加复杂。针对滇东黔西地区煤岩,采用非稳定压降法测定不同有效应力条件下不同方向的煤岩渗透率。并结合压汞,扫描电子显微镜(SEM)和微计算机断层扫描(micro-CT)手段来分析煤样孔隙/裂隙结构,评价其渗透率应力敏感性及损害规律,并揭示其应力敏感机理。结合实验结果,建立了改进的Walsh应力-渗透率模型。实验结果表明,垂直和平行于层理面的煤岩渗透率随有效应力均呈指数变化,初始阶段煤岩渗透率下降显著,最终趋于平缓。垂直和平行于层理面的煤渗透率有效应力敏感性均较强,初始渗透率越低,应力敏感性越强。利用改进的渗透率模型预测误差在15%以内,可以满足渗透率的工程要求。研究结果对煤层气产能预测和生产制度的优化具有一定意义。     

潞安矿区3号煤储层现代地应力特征及地质意义

基于潞安矿区19组注入压降试井数据,系统分析了该区现代地应力平面及垂向分布特征,探讨了现代地应力对煤储层渗透率的控制作用。研究结果表明:潞安矿区3号煤储层整体为中-低应力区,应力场类型在垂向上呈非均匀分布,埋深400～610 m区域为走滑断层应力场(σ_H>σ_v>σ_h);埋深610～800 m区域为正断层应力场(σ_v>σ_H>σ_h)。潞安地区现代地应力场测压系数与埋深关系的关系式为:131.67/H+0.165 9≤K≤544.72/H+0.238 0,整体表现为"浅部离散,深部收敛"的特征。煤储层渗透率与水平主应力、水平主应力差和有效应力密切相关。煤储层渗透率与最大/最小水平主应力及其应力梯度存有较好的幂函数关系,煤储层渗透率都随最大、最小水平主应力及其应力梯度的增加而快速减小。水平主应力差通过控制煤储层裂隙开合来影响渗透率,当矿区应力场最大主应力方向与煤储层优势裂隙组发育方向一致时,煤储层中的裂隙受拉张作用,煤储层渗透率提高;当矿区...     

云南老厂多煤层储层压力和含气量对开发层系优选

研究区位于滇东黔西地区,发育20～53套煤层,为了能优选主力开发层系,探讨了多煤层储层压力和含气量特征,主力煤层有4套,埋深在44.28～1 174.62 m,平均为736.70 m。煤层储层压力在1.21～12.41 MPa,平均为7.26 MPa;总体处于正常储层压力状态,为常压储层。各煤层含气量在0.70～24.20 m~3/t,平均为10.43 m~3/t。结果表明C_(7+8)、C_(13)煤为常压储层,C_(16)煤为高压储层,C_(19)煤为欠压储层;C_(13)煤含气量最高,C_(19)煤含气量相对最低,综合评价认为C_(7+8)、C_(13)、C_(16)煤层作为一个开发层系,C_(19)煤层作为接替层系。     

沁水盆地南部地应力场特征及其研究意义

采用水压致裂测量地应力方法,测得了沁水盆地南部45口煤层气井主采煤层地应力分布,通过统计分析,建立了主采煤层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系和模型,分析了地应力在煤储层渗透性及压裂研究中的意义。研究结果表明：沁水盆地南部最大水平主应力为642~4186 MPa,平均为1721 MPa;最大水平主应力梯度为117~479 MPa/100 m,平均为264 MPa/100 m;最小水平主应力330~2640 MPa,平均为11391 MPa;最小水平主应力梯度为099~285 MPa/100 m,平均为177 MPa/100 m。主应力均随着煤层埋藏深度的增大而增高,呈线性关系。在650 m以浅煤储层地应力状态主要表现为σv＞σhmax ＞σhmin,最小水平主应力小于12 MPa,现今地应力状态处于伸张带;在650~1 000 m煤储层地应力状态转化为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力为12~20 MPa,现今地应力状态由伸张带转化为压缩带的过渡;在1 000~1 500 m煤储层地应力状态为σhmax ≈σv≈σhmin,最小水平主应力大于20 MPa,现今地应力状态转化为压缩带。在地应力的作用下,裂缝逐渐趋于闭合,煤储层渗透率急剧下降。同时,地应力对煤储层水力压裂裂缝扩展产生重要影响,水力压裂裂缝均沿着最大主应力方向扩展。     

黔西地区煤储层物性差异及其成因机制分析

为了探究黔西地区煤层气勘探开发潜力,采用多种测试手段,系统分析了该地区2种典型区块(织纳和盘关)的煤储层在孔隙结构、吸附性、孔渗特征等方面的差异,并深入剖析了该差异的形成机制。结果表明:黔西地区煤储层物性差异的主控因素是煤的变质程度,而煤的变质程度又受控于煤层的沉积埋藏史和后期的构造热事件;沉积埋藏史决定了织纳和盘关两区之间的煤阶差异,而后期的构造热事件是织纳和盘关地区内部煤阶差异的主控因素。不同的沉积埋藏史及构造热事件产生了不同的煤化作用史,导致了煤岩在物理、化学结构上的差异,从而决定了黔西地区煤储层物性的差异。     

滇东恩洪区块地应力分布及深部煤层气临界深度预测

我国滇东恩洪区块二叠系煤层气资源丰富,该区块是今后煤层气开发的重点区域之一,地应力分布对于储层压裂改造等煤层气开发工程具有重要影响。在注入/压降试井方法实测地应力约束下,基于Anderson修正模型对恩洪区块地应力分布进行预测,总体上,水平最大主应力S_(H,max)、水平最小主应力S_(h,min)和垂向主应力S_v在不同深度段呈现不同应力机制类型,由浅至深依次表现为逆断型、走滑型和正断-走滑型。研究结果表明:在该区块二叠系宣威组内,地应力遵循S_(H,max)≥S_vS_(h,min)的关系,呈现正断-走滑型应力机制,而宣威组煤层地应力数值较其顶底板小,表现为正断型应力机制;岩石类型与埋藏深度影响地应力分布,水平主应力随埋藏深度的增加呈线性增大,杨氏模量小的煤岩,其水平地应力值最低;滇东恩洪区块深部煤层气临界深度约为700 m;研究结果可以为滇东恩洪区块煤层气开发提供新的地质参考。     

平顶山东北部矿区地应力发育特征及其对煤储层压力、渗透率的控制作用

为研究平顶山东北部区域地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用,依据煤层气井水力压裂和试井工程试验资料,采取水力致裂手段获取地应力的方法,研究了平顶山东北部矿区地应力发育特征,分析了地应力对煤储层压力、渗透率的控制作用。研究表明现今地应力场总体上以水平应力为主,属于典型的构造应力场类型,且总体应力场特征为高倾角断层或裂隙发育|最大水平主应力、最小水平主应力、侧压系数和侧压比均随埋深的增加而线性增加|埋深约在682m时,地应力类型发生转换,地应力类型在垂向的转变原因主要受平顶山矿区多期构造运动所引起的地应力叠加的结果|煤储层压力随着最小水平主应力、垂向应力、有效应力和主应力差的增加呈现增大趋势|渗透率随着主应力差、最大水平有效主应力和最小水平有效主应力关系以负指数形式呈现降低趋势。研究认为构造应力集中区域、低渗透率分布区域是煤层气压裂等储层改造和井下煤层增透卸压工程重点布置区域。     

黔西滇东区块储层物性制约下煤层气开发潜力评价

为研究煤储层物性对煤层气的可采性及开发潜力的影响,通过对黔西滇东的土城、恩洪、老厂3个区块煤储层物性的研究,阐明了这些区块煤储层物性方面的差异,并运用层次分析-模糊数学综合评判法划分了开发潜力评价等级。研究结果表明:该3个区块的可采煤层数及可采煤厚较为接近,煤层含气量层域分布规律较为复杂,煤储层渗透率普遍较低,属于特低渗~中渗储层。土城区块煤层处于超压状态,煤体结构最为完整;恩洪区块普遍欠压,煤体结构较完整,老厂区块属欠压~超压状态,煤体结构相对较为破碎。煤层气开发潜力评价等级为土城区块最有利,恩洪区块为较有利,老厂区块一般。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。