煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)形成與排采控制機(jī)理研究

項(xiàng)目基于煤層氣開發(fā)中儲(chǔ)層傷害問(wèn)題突出，賈敏效應(yīng)是主要傷害原因的研究背景，聚焦煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)形成的地質(zhì)、工程條件與排采控制機(jī)理這一科學(xué)問(wèn)題，以黔西土城區(qū)塊煤層氣開發(fā)工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用自主設(shè)計(jì)的非穩(wěn)態(tài)氣水兩相滲流裝置為主要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合氣水相滲影響下的儲(chǔ)層數(shù)值模擬，開展了兩相驅(qū)替下煤儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度、相滲及應(yīng)力敏感性，煤儲(chǔ)層氣水兩相滲流規(guī)律，賈敏效應(yīng)的排采表現(xiàn)與影響機(jī)理，賈敏效應(yīng)的排采控制及緩解賈敏效應(yīng)的排采制度優(yōu)化等內(nèi)容的研究。結(jié)果表明：由于氣阻、液阻共存，且氣、水粘度存在較大差異，賈敏指數(shù)（I=ΔPw/ΔPo）不適用于煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。含水飽和度、滲透率等對(duì)啟動(dòng)壓力梯度、相滲曲線及應(yīng)力敏感性的影響顯著，可用來(lái)表征煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)的強(qiáng)弱。水驅(qū)條件下，飽水煤樣啟動(dòng)壓力梯度最低；隨著自由水飽和度降低，克氏滲透率0.044mD的煤樣啟動(dòng)壓力梯度由0.67MPa/cm增大至0.89MPa/cm；氣驅(qū)條件下，含水飽和度對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。煤儲(chǔ)層滲透率越低，啟動(dòng)壓力梯度越大；干燥煤樣克氏滲透率由0.079mD降至0.044mD，水驅(qū)啟動(dòng)壓力梯度由0.37MPa/cm增大至0.89MPa/cm。水驅(qū)條件下，飽水煤樣具較高的初始水相滲透率，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性；氣驅(qū)條件下，飽水煤樣的初始?xì)庀酀B透率遠(yuǎn)低于干燥煤樣，同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。煤層氣井排采過(guò)程中，隨著游離氣增多、氣泡變大，水相滲流的啟動(dòng)壓力梯度增大，水相滲透率亦快速下降，賈敏效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；受此影響，壓裂液難以排出導(dǎo)致壓降漏斗擴(kuò)展困難，是氣井難以高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要原因。煤層氣井見套壓后持續(xù)憋壓，氣水產(chǎn)量大幅波動(dòng)，非連續(xù)性排采均可產(chǎn)生嚴(yán)重的賈敏效應(yīng)，導(dǎo)致“氣鎖”或“水鎖”傷害。合層開發(fā)煤層氣井上部產(chǎn)層暴露后，套壓回升導(dǎo)致氣體“反侵”入暴露產(chǎn)層，近井地帶形成液相低滲區(qū)，將導(dǎo)致上部暴露產(chǎn)層產(chǎn)水、產(chǎn)氣量快速下降。煤層氣井排采應(yīng)堅(jiān)持“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”的原則，見套壓前嚴(yán)格控制液面降幅以提高壓裂液返排率，憋壓階段限定最高套壓，保持氣水產(chǎn)量的相對(duì)穩(wěn)定。為了延長(zhǎng)合層開發(fā)煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，可在套壓＞0.5MPa時(shí)主動(dòng)暴露上部產(chǎn)層，并杜絕套壓后期大幅回升。本研究揭示了煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)的形成機(jī)理，提出了賈敏效應(yīng)排采控制措施及優(yōu)化的合層排采方案，為相似地質(zhì)條件下煤層氣開發(fā)工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 2100433B

基于原位煤層氣開發(fā)工程中煤儲(chǔ)層傷害問(wèn)題突出，煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)是儲(chǔ)層傷害重要原因的研究背景，聚焦煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)形成地質(zhì)、工程條件與排采控制機(jī)理這一科學(xué)問(wèn)題，以沁水盆地南部煤層氣田煤層氣開發(fā)工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用自主設(shè)計(jì)的非穩(wěn)態(tài)兩相驅(qū)替、穩(wěn)態(tài)兩相滲流裝置為主要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合煤儲(chǔ)層氣-水兩相滲流數(shù)學(xué)建模與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，開展煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)的工程表現(xiàn)特征與生產(chǎn)影響、煤儲(chǔ)層開發(fā)地質(zhì)特征及煤層氣開發(fā)工藝與賈敏效應(yīng)的關(guān)系、煤層氣開發(fā)過(guò)程氣-水兩相滲流規(guī)律、煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)排采控制及緩解賈敏效應(yīng)工藝優(yōu)化等內(nèi)容的研究，以期建立煤儲(chǔ)層賈敏效應(yīng)評(píng)價(jià)方法體系，揭示煤儲(chǔ)層液-液、氣-液不相混溶兩相滲流賈敏效應(yīng)形成及煤層氣井排采控制機(jī)理，形成優(yōu)化的原位煤層氣開發(fā)施工工藝及排采作業(yè)制度，為提高煤層氣井產(chǎn)能及資源采收率提供科學(xué)依據(jù)。

裂縫性儲(chǔ)層國(guó)外研究現(xiàn)狀

1968年，G.H. Murry將構(gòu)造橫剖面看作彎曲的“梁”，用幾何方法導(dǎo)出了剖面曲率值與裂縫孔隙度之間的計(jì)算公式，對(duì)裂縫作了初步定量研究。1971年，他進(jìn)行了關(guān)于構(gòu)造主曲率和裂縫發(fā)育的關(guān)系的研究。1982年日本的Masanobu Oda引進(jìn)裂隙張量來(lái)研究各向異性裂隙巖體的孔隙性指數(shù)。80年代初，美國(guó)的范.高爾夫─拉特才寫成了關(guān)于裂縫油藏工程的專著，基本形成了裂縫型儲(chǔ)層研究的理論和方法，但專著卻不是針對(duì)裂縫本身的研究。

上世紀(jì)70年代，隨著分形幾何學(xué)概念的提出，國(guó)外學(xué)者逐漸把這一理論引入儲(chǔ)層裂縫研究領(lǐng)域。 1980年P(guān).L.Gong Dilland從理論上證明分形理論可用于碳酸鹽巖地區(qū)裂縫的研究，并介紹了用分形理論建立裂縫分布的實(shí)際模型。隨后Barton C.C. (1985)、Hirata(1989)、Thomas and Blin-lacroix(1989)、Velde B. and Duboes J (1990)、Main(1990)等人又把這一理論用于其他巖石裂縫的研究，并在斷層幾何形態(tài)的描述、裂縫數(shù)與裂縫長(zhǎng)度、裂縫寬度和密度、裂縫平面分布的研究方面取得了較大進(jìn)展。到1995年，Barton C.C.通過(guò)研究認(rèn)為，當(dāng)裂縫的分維D大于1.34，裂縫就能構(gòu)成互相滲流的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

除了理論上的發(fā)展外，國(guó)外專家學(xué)者在儲(chǔ)層裂縫的識(shí)別上也作出了突出的貢獻(xiàn)。90年代后，國(guó)外在裂縫的測(cè)井識(shí)別、地震識(shí)別上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。測(cè)井方面新方法和新設(shè)備主要體現(xiàn)在：電磁測(cè)向儀、CT掃描儀、微Lambda測(cè)井、環(huán)形聲波測(cè)井、成像測(cè)井(FMI)、全井眼地層微電阻率成像(FMI)、DSI偶極橫波成像儀和井下電視儀(BHTV)等，這些方法和設(shè)備能測(cè)量出儲(chǔ)層裂縫的傾角、走向、寬度、長(zhǎng)度、視孔隙度，以及裂縫的充填與開啟程度，甚至能識(shí)別出微裂縫及亞微觀裂縫。

裂縫性儲(chǔ)層國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)儲(chǔ)層裂縫研究工作開展得較早，技術(shù)手段處于較先進(jìn)的水平，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）定性分析和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的預(yù)測(cè)裂縫方法

50年代后期開始，四川油氣田的地質(zhì)工作者根據(jù)構(gòu)造形態(tài)特征和斷層部位等構(gòu)造組合特征，提出尋找裂縫的“一占一沿”（即布置油氣井位置時(shí)要占褶皺構(gòu)造的高點(diǎn)，沿褶皺的長(zhǎng)軸，），“三占三沿”（占高點(diǎn)、沿長(zhǎng)軸，占鞍部、沿扭曲，占鼻突、沿?cái)嗔眩?，“三打三不打”（打凸不打凹，打拱不打彎，?duì)斷層打上盤不打下盤）等經(jīng)驗(yàn)方法。這種方法主要是基于構(gòu)造特征定性分析和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的預(yù)測(cè)裂縫方法。

（2）利用測(cè)井手段和地震信息識(shí)別和預(yù)測(cè)裂縫

80年代以來(lái)，由于國(guó)際交流與合作加劇，國(guó)內(nèi)大量引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的儀器和設(shè)備。在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的同時(shí)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也在數(shù)據(jù)的處理上有所發(fā)展，如在分析處理地震S波分析資料上，國(guó)外提出了旋轉(zhuǎn)方法(Ando,1983)、偏振法(Crampin,1985)、旋轉(zhuǎn)相關(guān)法(Bowman,1987)和縱橫比方法(Smith,1989)四種方法，而在國(guó)內(nèi)也相應(yīng)提出了四種方法，即最大似然法、最大特征向量法、波形算法和自適應(yīng)慢S波法。

利用測(cè)井和地震手段來(lái)識(shí)別裂縫，準(zhǔn)確地說(shuō)不能叫預(yù)測(cè)裂縫。同時(shí)測(cè)井與地震識(shí)別裂縫費(fèi)用也高，且存在多解性，很難對(duì)裂縫進(jìn)行準(zhǔn)確的定量預(yù)測(cè)。

（3）非線性理論方法檢測(cè)和識(shí)別地下裂縫

和國(guó)外一樣，非線性理論也主要應(yīng)用分形理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)方法對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，但總體來(lái)說(shuō)也不成熟。如1992年趙陽(yáng)升在研究煤巖體裂縫分布規(guī)律后指出，小尺寸巖體與大尺寸巖體裂縫數(shù)存在一種自相似性。1995年彭仕宓等利用分形理論對(duì)柴達(dá)木盆地南翼山E₃儲(chǔ)層裂縫進(jìn)行了預(yù)測(cè)，指出裂縫發(fā)育與構(gòu)造及斷層有著直接關(guān)系。

（4）據(jù)構(gòu)造應(yīng)力的分析研究預(yù)測(cè)裂縫

構(gòu)造應(yīng)力作用是裂縫形成的根本原因，根據(jù)對(duì)構(gòu)造應(yīng)力研究來(lái)預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)育分布，應(yīng)該是裂縫預(yù)測(cè)的主要方向。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)此問(wèn)題作過(guò)探索，但對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力的求解方式、構(gòu)造應(yīng)力與裂縫的關(guān)系問(wèn)題上，以及相關(guān)方法的適用性方面，也存在較大分歧或問(wèn)題。

1982年和1988年，成都理工大學(xué)曾錦光教授先后提出了“應(yīng)用構(gòu)造面主曲率研究油氣藏裂縫問(wèn)題”和“用屈曲薄板模擬縱彎褶皺的力學(xué)模型”，建立了分析褶皺應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算方法。隨后在1994年他建立了斷層古應(yīng)力場(chǎng)解析計(jì)算方法，從而提出了斷層裂縫系統(tǒng)分布的預(yù)測(cè)方法。這些工作，為用力學(xué)理論來(lái)解決裂縫預(yù)測(cè)問(wèn)題提供了一個(gè)良好的開端。但由于其基礎(chǔ)或理論依據(jù)過(guò)于理想化，所使用的解析計(jì)算方法在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，實(shí)際使用效果不太理想。

上世紀(jì)80年代末90年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)造應(yīng)力的研究和數(shù)值模擬計(jì)算取得了重大進(jìn)展，國(guó)內(nèi)的殷有泉、陳子光、安歐、宋惠珍、黃潤(rùn)秋、胡明和秦啟榮等人在這一領(lǐng)域里做了大量的工作，推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

90年代末至今，越來(lái)越多的人開始從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的角度應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究裂縫的定量預(yù)測(cè)，但這些工作大都是針對(duì)單個(gè)構(gòu)造進(jìn)行，或是僅為儲(chǔ)層滲流的目的來(lái)研究裂縫。而系統(tǒng)、全面地從理論角度研究應(yīng)用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域性裂縫預(yù)測(cè)卻很少，所以，今后主要要在這一方面進(jìn)行研究，進(jìn)而摸索出一套進(jìn)行區(qū)域性古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的帶規(guī)律性的理論與方法。

基于微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)綦煤1井區(qū)和合煤1井區(qū)煤層氣儲(chǔ)層壓裂改造研究，取得以下成果: （1）研究區(qū)的成煤地質(zhì)條件、地化特性、儲(chǔ)層物性與含氣性研究?？傮w而言，綦煤1井區(qū)和合煤1井區(qū)煤層氣含氣量隨煤層埋深增大而增高。綦煤1井區(qū)地層封閉性好，各煤層之間相互封閉性強(qiáng)；合煤1井區(qū)構(gòu)造較為復(fù)雜，裂縫較為發(fā)育，淺層氣因斷裂和裂縫系統(tǒng)溝通而有所損失。 （2）水力壓裂規(guī)模對(duì)煤體結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層頂?shù)装宓挠绊?。綦?-X1井和綦煤1-X2井水力壓裂裂縫在M6-2至M8之間；合煤1井頂、底板的滲透性差、含水性弱，壓裂時(shí)裂縫易順層向北西向延伸。3口井的壓裂裂縫均分布在煤系地層中，沒(méi)有溝通含水層，壓裂規(guī)模合理，壓裂工藝較為成功。 （3）壓裂裂縫展布特征和幾何特征。綦煤1-X1井壓裂裂縫縫長(zhǎng)139米，方向北偏東45°，縫寬35米；綦煤1-X2井壓裂裂縫縫長(zhǎng)155米，方向北偏東40°，縫寬34米；合煤1井壓裂裂縫縫長(zhǎng)155米，方向北偏東135°，縫寬34米，裂縫平行于地層傾向。,基于微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)綦煤1井區(qū)和合煤1井區(qū)煤層氣儲(chǔ)層壓裂改造研究，取得以下成果: （1）研究區(qū)的成煤地質(zhì)條件、地化特性、儲(chǔ)層物性與含氣性研究。總體而言，綦煤1井區(qū)和合煤1井區(qū)煤層氣含氣量隨煤層埋深增大而增高。綦煤1井區(qū)地層封閉性好，各煤層之間相互封閉性強(qiáng)；合煤1井區(qū)構(gòu)造較為復(fù)雜，裂縫較為發(fā)育，淺層氣因斷裂和裂縫系統(tǒng)溝通而有所損失。 （2）水力壓裂規(guī)模對(duì)煤體結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層頂?shù)装宓挠绊憽ｔ朊?-X1井和綦煤1-X2井水力壓裂裂縫在M6-2至M8之間；合煤1井頂、底板的滲透性差、含水性弱，壓裂時(shí)裂縫易順層向北西向延伸。3口井的壓裂裂縫均分布在煤系地層中，沒(méi)有溝通含水層，壓裂規(guī)模合理，壓裂工藝較為成功。 （3）壓裂裂縫展布特征和幾何特征。綦煤1-X1井壓裂裂縫縫長(zhǎng)139米，方向北偏東45°，縫寬35米；綦煤1-X2井壓裂裂縫縫長(zhǎng)155米，方向北偏東40°，縫寬34米；合煤1井壓裂裂縫縫長(zhǎng)155米，方向北偏東135°，縫寬34米，裂縫平行于地層傾向。