煤儲層賈敏效應形成與排采控制機理研究項目摘要

基于原位煤層氣開發(fā)工程中煤儲層傷害問題突出，煤儲層賈敏效應是儲層傷害重要原因的研究背景，聚焦煤儲層賈敏效應形成地質(zhì)、工程條件與排采控制機理這一科學問題，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，利用自主設計的非穩(wěn)態(tài)兩相驅(qū)替、穩(wěn)態(tài)兩相滲流裝置為主要實驗平臺，結(jié)合煤儲層氣-水兩相滲流數(shù)學建模與計算機數(shù)值模擬，開展煤儲層賈敏效應的工程表現(xiàn)特征與生產(chǎn)影響、煤儲層開發(fā)地質(zhì)特征及煤層氣開發(fā)工藝與賈敏效應的關系、煤層氣開發(fā)過程氣-水兩相滲流規(guī)律、煤儲層賈敏效應排采控制及緩解賈敏效應工藝優(yōu)化等內(nèi)容的研究，以期建立煤儲層賈敏效應評價方法體系，揭示煤儲層液-液、氣-液不相混溶兩相滲流賈敏效應形成及煤層氣井排采控制機理，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依據(jù)。

項目基于煤層氣開發(fā)中儲層傷害問題突出，賈敏效應是主要傷害原因的研究背景，聚焦煤儲層賈敏效應形成的地質(zhì)、工程條件與排采控制機理這一科學問題，以黔西土城區(qū)塊煤層氣開發(fā)工程數(shù)據(jù)為基礎，利用自主設計的非穩(wěn)態(tài)氣水兩相滲流裝置為主要實驗平臺，結(jié)合氣水相滲影響下的儲層數(shù)值模擬，開展了兩相驅(qū)替下煤儲層啟動壓力梯度、相滲及應力敏感性，煤儲層氣水兩相滲流規(guī)律，賈敏效應的排采表現(xiàn)與影響機理，賈敏效應的排采控制及緩解賈敏效應的排采制度優(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）不適用于煤儲層賈敏效應動態(tài)評價。含水飽和度、滲透率等對啟動壓力梯度、相滲曲線及應力敏感性的影響顯著，可用來表征煤儲層賈敏效應的強弱。水驅(qū)條件下，飽水煤樣啟動壓力梯度最低；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，含水飽和度對啟動壓力梯度的影響則表現(xiàn)出相反的趨勢。煤儲層滲透率越低，啟動壓力梯度越大；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)出較強的應力敏感性；氣驅(qū)條件下，飽水煤樣的初始氣相滲透率遠低于干燥煤樣，同樣表現(xiàn)出較強的應力敏感性。煤層氣井排采過程中，隨著游離氣增多、氣泡變大，水相滲流的啟動壓力梯度增大，水相滲透率亦快速下降，賈敏效應逐漸增強；受此影響，壓裂液難以排出導致壓降漏斗擴展困難，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，非連續(xù)性排采均可產(chǎn)生嚴重的賈敏效應，導致“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。煤層氣井排采應堅持“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”的原則，見套壓前嚴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)量的相對穩(wěn)定。為了延長合層開發(fā)煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)時間，可在套壓＞0.5MPa時主動暴露上部產(chǎn)層，并杜絕套壓后期大幅回升。本研究揭示了煤儲層賈敏效應的形成機理，提出了賈敏效應排采控制措施及優(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

裂縫性儲層國外研究現(xiàn)狀

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

上世紀70年代，隨著分形幾何學概念的提出，國外學者逐漸把這一理論引入儲層裂縫研究領域。 1980年P.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展。到1995年，Barton C.C.通過研究認為，當裂縫的分維D大于1.34，裂縫就能構(gòu)成互相滲流的裂縫網(wǎng)絡。

除了理論上的發(fā)展外，國外專家學者在儲層裂縫的識別上也作出了突出的貢獻。90年代后，國外在裂縫的測井識別、地震識別上取得了長足的進步。測井方面新方法和新設備主要體現(xiàn)在：電磁測向儀、CT掃描儀、微Lambda測井、環(huán)形聲波測井、成像測井(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，這些方法和設備能測量出儲層裂縫的傾角、走向、寬度、長度、視孔隙度，以及裂縫的充填與開啟程度，甚至能識別出微裂縫及亞微觀裂縫。

裂縫性儲層國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對儲層裂縫研究工作開展得較早，技術手段處于較先進的水平，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）定性分析和生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)的預測裂縫方法

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要占褶皺構(gòu)造的高點，沿褶皺的長軸，），“三占三沿”（占高點、沿長軸，占鞍部、沿扭曲，占鼻突、沿斷裂），“三打三不打”（打凸不打凹，打拱不打彎，對斷層打上盤不打下盤）等經(jīng)驗方法。這種方法主要是基于構(gòu)造特征定性分析和生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)的預測裂縫方法。

（2）利用測井手段和地震信息識別和預測裂縫

80年代以來，由于國際交流與合作加劇，國內(nèi)大量引進了國外先進的儀器和設備。在引進國外先進技術與設備的同時，國內(nèi)專家學者也在數(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，國外提出了旋轉(zhuǎn)方法(Ando,1983)、偏振法(Crampin,1985)、旋轉(zhuǎn)相關法(Bowman,1987)和縱橫比方法(Smith,1989)四種方法，而在國內(nèi)也相應提出了四種方法，即最大似然法、最大特征向量法、波形算法和自適應慢S波法。

利用測井和地震手段來識別裂縫，準確地說不能叫預測裂縫。同時測井與地震識別裂縫費用也高，且存在多解性，很難對裂縫進行準確的定量預測。

（3）非線性理論方法檢測和識別地下裂縫

和國外一樣，非線性理論也主要應用分形理論、神經(jīng)網(wǎng)絡等技術方法對裂縫進行檢測和識別，但總體來說也不成熟。如1992年趙陽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柴達木盆地南翼山E₃儲層裂縫進行了預測，指出裂縫發(fā)育與構(gòu)造及斷層有著直接關系。

（4）據(jù)構(gòu)造應力的分析研究預測裂縫

構(gòu)造應力作用是裂縫形成的根本原因，根據(jù)對構(gòu)造應力研究來預測裂縫的發(fā)育分布，應該是裂縫預測的主要方向。國內(nèi)不少學者對此問題作過探索，但對于構(gòu)造應力的求解方式、構(gòu)造應力與裂縫的關系問題上，以及相關方法的適用性方面，也存在較大分歧或問題。

1982年和1988年，成都理工大學曾錦光教授先后提出了“應用構(gòu)造面主曲率研究油氣藏裂縫問題”和“用屈曲薄板模擬縱彎褶皺的力學模型”，建立了分析褶皺應力場的計算方法。隨后在1994年他建立了斷層古應力場解析計算方法，從而提出了斷層裂縫系統(tǒng)分布的預測方法。這些工作，為用力學理論來解決裂縫預測問題提供了一個良好的開端。但由于其基礎或理論依據(jù)過于理想化，所使用的解析計算方法在實際應用中存在的問題，實際使用效果不太理想。

上世紀80年代末90年代初，隨著計算機技術的發(fā)展，構(gòu)造應力的研究和數(shù)值模擬計算取得了重大進展，國內(nèi)的殷有泉、陳子光、安歐、宋惠珍、黃潤秋、胡明和秦啟榮等人在這一領域里做了大量的工作，推動了相關學科的發(fā)展。

90年代末至今，越來越多的人開始從構(gòu)造應力場的角度應用數(shù)值模擬方法研究裂縫的定量預測，但這些工作大都是針對單個構(gòu)造進行，或是僅為儲層滲流的目的來研究裂縫。而系統(tǒng)、全面地從理論角度研究應用構(gòu)造應力場進行區(qū)域性裂縫預測卻很少，所以，今后主要要在這一方面進行研究，進而摸索出一套進行區(qū)域性古構(gòu)造應力場數(shù)值模擬的帶規(guī)律性的理論與方法。

基于微地震監(jiān)測技術，對綦煤1井區(qū)和合煤1井區(qū)煤層氣儲層壓裂改造研究，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；合煤1井區(qū)構(gòu)造較為復雜，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)模對煤體結(jié)構(gòu)和儲層頂?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139米，方向北偏東45°，縫寬35米；綦煤1-X2井壓裂裂縫縫長155米，方向北偏東40°，縫寬34米；合煤1井壓裂裂縫縫長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)測技術，對綦煤1井區(qū)和合煤1井區(qū)煤層氣儲層壓裂改造研究，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；合煤1井區(qū)構(gòu)造較為復雜，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)模對煤體結(jié)構(gòu)和儲層頂?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139米，方向北偏東45°，縫寬35米；綦煤1-X2井壓裂裂縫縫長155米，方向北偏東40°，縫寬34米；合煤1井壓裂裂縫縫長155米，方向北偏東135°，縫寬34米，裂縫平行于地層傾向。