气田开发
收稿日期:2010 01 06；修回日期:2010 03 19
基金项目：国家科技重大专项(编号:2008ZX05022 004 04H Z,2008ZX05045 003 01)；四川省杰出青年学科带头人培养基金项目(编号:
07ZQ026 113)；博士后基金项目(编号:20070411164,20090451422)联合资助.
作者简介：李相臣(1983 )，男，吉林辽源人，博士研究生，主要从事非常规天然气开发、储层保护理论与技术研究.E mail:li_xiangch en @
126.
李相臣，康毅力，罗平亚，游利军
(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500)
摘要：我国煤层气储层渗透率普遍偏低，为达到合理产能需进行压裂改造。煤层气储层裂隙发育导致压
裂液滤失严重，强吸附能力使流体得不到有效返排，造成储层损害降低了渗流能力，大大削弱了增产改造的效果。开展了煤岩水相自吸实验，系统研究了煤岩水相自吸特性及应力状态的影响。结果表明，煤样渗透率越高自吸速率越大，自吸曲线可以分为自吸和扩散吸附2段，考虑应力作用自吸速率降低近一个数量级，揭示了煤岩物性和应力条件是煤岩水相自吸的影响因素。通过煤吸附水机理和煤岩孔隙结构分析指出，煤表面与水的相互作用和毛细管压力决定了水的自吸特性。研究获得的认识对煤岩气藏水相圈闭评价、压裂方式优选和压裂液设计具有借鉴意义。关键词：煤岩；水；自吸；速率；应力；压裂 中图分类号:T E311 文献标识码:A 文章编号:1672 1926(2011)01 0171 05
引用格式：李相臣，康毅力，罗平亚，等.考虑应力作用的煤岩水相自吸实验研究[J].天然气地球科学,2011,22(1):171 175.价值工程
0 引言
压裂改造技术常作为一种增产措施用来提高煤层气生产能力。Olsen 等[1]
指出压裂液滤液侵入引起储层损害，降低煤层渗透率。在水力压裂作业中，煤层气储层损害机理包括：基质膨胀引起的渗透率降低和内生裂隙(割理)的堵塞。煤岩中通常含有一定量的粘土矿物，如蒙
脱石、伊利石、高岭石及绿泥石等，这些粘土矿物与不配伍的侵入滤液作用引起煤岩基质膨胀，导致渗透率显著降低。Puri 等[2]指出吸附/膨胀引起的渗透率损失不可逆。为了减弱基质膨胀对煤层渗透率的影响，压裂液中需加入具有稳定粘土作用的表面活性剂和盐类，通常选用KCl 作为备选盐类。
Chen 等[3]开展了系列实验，研究了不同浓度KCl 溶液对渗透率的影响。但是，无法了解这一过程中溶液的滤失情况，对解释滤失对储层影响机理带来困难。Chaturvedi 等[4]开展了煤岩水相自吸实验，得到了自吸水量和时间的关系。由于研究所用煤样是通过磨碎煤粉人工制备，破坏了煤样的孔隙
结构，反应煤岩自吸特征的真实性上有待改进。
本文在充分认识水在煤岩气藏开发中作用的基础上，深入探讨了煤岩水相自吸机理，开展了考虑应力作用的水相自吸实验，揭示了煤岩水相自吸规律及影响因素。该项研究对认清水在煤岩孔隙中的分布与赋存和水对气体运移产出机理具有推动作用，获得的认识对煤岩气藏水相圈闭评价、压裂方式优选和压裂液设计具有借鉴意义。由此可见，深入开展煤岩水相自吸机理研究，具有重大的理论意义和现实意义。
1 水对煤岩气藏开发的影响
Gosiew ska 等[5]指出煤本身的矿物特征影响煤表面和水的润湿性。从宏观尺度上看，碳表面亲油导
致水吸附量少。然而，氢键在水和煤表面形成强烈的作用力，造成润湿性改变使水的吸附量变大。因此，不同类型煤具有不同亲水性能。储层温度和压力条件下，煤的性质将受到水的影响。由于大部分气体吸附和存储于煤内表面，水扩散进入并吸附
第22卷第1期2011年2月
父亲的后车座
天然气地球科学
NATURAL GAS GEOSCIENCE Vo l.22No.1Feb. 2011
在煤内表面，必定对煤吸附和存储各种气体的能力产生影响，从而加剧了煤层甲烷开发的复杂程度。1.1 水对煤岩吸附气体能力的影响
由于水分子与煤表面的作用力比较强，煤中水的存在对气体吸附量影响较大。水的存在可能通过3方面影响煤对气体的吸附，一是部分自由水通过润湿作用和煤表面相结合，占据了表面上一定数量的吸附空位，相应减小了煤吸附气体的有效面积，导致吸附量的降低；二是在自由水不能达到的小孔隙内，水的蒸汽压作用使少量水分子以气体状态存在于小孔隙中，这些气态水分子将和甲烷在同一活性点中心展开竞争吸附，致使甲烷的吸附量减少；三是水的存在阻塞了甲烷分子进入微孔隙的通道。1.2 水对气体运移产出的影响
智能灯光控制系统
储层条件下，自由水存在于裂隙和大孔隙内，吸附水和含氧官能团通过氢键结合，结晶水附着在无机矿物和粘土上。由于水分子与煤表面的作用力比较强，煤中水的存在对煤层气解吸量影响较大。水的存在可能通过3方面影响煤层气的解吸，一是裂隙内含水饱和度增大降低了气相渗透率，渗流能力降低延长了气井排采时间；二是裂隙、大孔中的水通过润湿作用和煤表面相结合，在壁面形成了一层水膜，增大了基质中煤层气的扩散阻力，导致解吸量的降低；三是水的存在阻塞了微孔隙中的甲烷分子进
入大孔中。
2 考虑应力作用的煤岩水相自吸实验
2.1 实验装置
高温高压岩心毛细管自吸实验装置由高温高压夹持器、高压计量管、压力传感器、带刻度计量管、平流泵和阀门等组成，该装置可以模拟原地温度和有效应力，通过围压泵和加热圈为夹持器中岩心加围压和温度；高温高压橡胶套上安装的电极可以在实验过程中监测岩心电阻变化情况，还可以在橡胶套上安装几个压力传感器；高压计量管是计量自吸进入岩心的自吸液体的体积；带刻度计量管可计量自吸驱替出的非润湿相流体的体积。
2.2 实验方法
实验采用图1所示的实验装置，实验步骤如下:
选择实验的煤样; 关闭阀门A 和D，打开阀门B 和C，启动平流泵，使柱塞A 充满自吸流体; 关闭阀门B 和C，将岩心装入夹持器，并装入柱塞A; 施加所需的围压，将装有小水柱的细管和柱塞B 连接; 打开阀门A，调节氮气瓶减压阀到所需压力，或打开阀门D，使自吸液体压力为大气压力; 打开阀门C 和E，记录高压计量管中自吸液体进入岩心量和毛细管中小水柱随时间的变
化情况。
图1 高温高压平置毛细管自吸实验装置示意
2.3 实验煤样及流体
本次实验的主要目的是认识应力作用下的煤岩自吸特征，选取了编号为B 30(K =0.054 10-3
m 2
)、B 28(K =0.045 10-3
m 2
)和B 33(K =0.043 10-3 m 2)3块煤样，自吸流体选用3%KCl 溶液，有效应力为5MPa 。
3 结果与讨论
3.1 实验结果分析沈达人
现已开展的煤岩水相自吸实验研究，都是选取
一定数目煤粉人造成型的煤样，实验条件通常为常规条件。这样处理可以很好地避免煤样非均质性对实验的影响，大大提高了实验的成功机率。但是，煤岩的孔隙结构尤其是裂隙和大孔遭到了破坏，获得的结果和真实煤岩必然存在一定的差异。众所周知，煤岩对应力作用非常敏感，亦就是说应力是煤岩性质的影响因素。然而，关于应力作用下煤岩自吸特性还鲜有报道。本文钻取了直径为2.5cm 长度在3~5cm 范围内的煤样，在有效应力5M Pa 条件下，开展了煤岩自吸实验，获得了一些新认识。
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Vo l.22
图2为此次自吸实验结果，由于天然岩样的非均质性强导致实验曲线略有差异。可以看出，煤样渗透率越大，初始阶段自吸速率越大。初始阶段自吸的速率很快，水主要由毛细管压力作用进入煤岩并迅速充入裂隙和大孔中，自吸起主导作用，可以称为自吸段。随着时间的增长自吸速率逐渐下降，水以扩散的方式进入微孔，在煤岩表面分子和水分子之间作用力的作用下吸附于煤岩表面，扩散吸附起主导作用，可以称为扩散吸附段。
图3给出了B 27(K =0.045 10-3 m 2)、B 20(K =0.068 10-3 m 2)和B 35(K =0.033 10-3
m 2
)3块煤样，无应力作用下煤岩的自吸实验结果。同存在应力作用相同，煤样的渗透率越大自吸速率越大，也存在自吸段和扩散吸附段2部分。但是，自吸速率的大小存在一定的差异，有应力作用的自吸速率比无应力作用要低一个数量级。由此可见，在评价煤样的自吸特性时应该考虑环境的影响，尽可能地模拟原地应力条件,
这样能更真实地反映煤岩特性。
3.2 煤岩水相自吸机理
Allardice 和Evans [6]研究表明煤表面官能团的数目影响水的吸附能力，大多数官能团含有大量的氧原子，氧原子将对水中的氢原子产生较强的作用力，这种作用力将会引起水在煤表面的吸附。同时，指出毛细管压力升高是水在煤内表面吸附的另一个影响因素。
3.2.1 水与煤岩表面的相互作用
煤岩表面分子和水分子之间相互作用使水分子在煤表面上停留，引力越大煤对水的吸附量越大。作
用力主要包括分子间的吸引力(范德华力)和氢键。范德华力由取向力、诱导力和散力3部分组成[7]。3.2.2 毛细管压力
岩样的毛细管压力曲线可以完整地描述岩样的孔隙结构特征，不同孔隙结构的样品毛细管压力曲线形态是不同的，大量测试分析表明煤的孔隙结构不同于砂岩储集层，而和泥岩的孔隙结构特征类似。
图4中的煤岩样品毛细管压力曲线相对较集中，曲线形态大致相同，压力低于25MPa 时，基本为一斜线，某些曲线会出现几个小的平台，反映的是孔喉的
173 No.1 李相臣等：考虑应力作用的煤岩水相自吸实验研究
分级。与砂岩比较，其排驱压力点不明显，故有人将汞饱和度为50%对应的压力视为煤样的排驱压力。砂岩样存在一个宽缓的平台，是占优势的孔隙类型的集中表现；而煤样随压力的升高，进汞量也逐渐的增加，基本上是一个连续的过程，反映煤岩孔隙当R >0.03 m 时，过渡孔、中孔、大孔及微裂隙量相接近;R <0.03 m 以后，进汞量开始急剧增加，对应汞饱和度为30%~60%。
在毛细管压力的作用下水相自吸不断进行，裂隙、大孔等空间逐渐被水饱和后，水将在毛细管压力的作用下进入微孔中。微孔孔径越小毛细管压力越大，促使水不断地进入微孔隙中，进而吸附在微孔表面，由此可见，毛细管压力是煤岩水相自吸的另一个
影响因素。
图4 煤岩样品的毛细管压力曲线
3.3 应力作用影响煤岩水相自吸行为的机理分析煤岩内部发育有大量的内生裂隙(割理)，它们的李纳斯
宽度变化和连通性很大程度上决定了水相自吸特征。文献[8]研究了应力对煤岩裂缝宽度及渗透率的影响，指出煤岩裂缝宽度和渗透率都随有效应力的增大而减小,5MPa 应力下裂缝宽度降低至无应力条件的1/4、渗透率损失近90%。由此可见，应力作用下裂隙不同程度闭合，连通性大大降低，导致水相自吸的作用范围缩小，进而降低吸附水量和吸附速度。煤岩对水吸附能力的大小是由表面有效吸附点控制的[9 10]。煤岩基块是一个弹塑体，在应力作用下会产生应变，孔隙结构随之会改变，必将导致煤对水的有效吸附点位发生变化。本文实验结果表明研究煤岩水相自吸机理时，以静态的观点，将不同应力下
的孔隙结构看作是固定不变的，有失客观。
4 结论
(1)毛细管压力和水与煤岩表面的相互作用力是水相自吸的动力，可以将自吸曲线分为毛细管压力占主导作用的自吸段和水与煤岩表面相互作用力占主导作用的扩散吸附段。
(2)考虑应力作用的煤岩自吸速率较无应力作用低一个数量级，可见应力作用是除渗透率以外煤岩水相自吸的又一个影响因素。
(3)认清煤岩水相自吸机理及影响因素，可为压裂液滤液有效返排和降低基质膨胀损害提供依据，有利于压裂液体系的评价优选。
霍尔效应
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Stud y on Experiment of C oal S pontaneou s Imbibition C onsidering the Effective Stress
LI Xiang chen ,KANG Yi li ,LUO Ping ya,YOU Li jun
(Southwest Petroleum University ,State K ey Laborator y of Oil and Gas Reservoir Geology and Ex p loitation,Chengdu 610500,China)
A bstract:H ydraulic fracturing is generally applied to improve productivity for the low permeability of the coal seams in China.Fracture fluid has a serious leakoff for considerable nature fractures of coal and can not effectively flow back for strong adsorption capability of coal.The result of these performance leads to permeability impairment and reducing effectiveness of stimulation treatment.This paper studies characteristics and effective stress affecting of coal spontaneous imbibition through w ater imbibition experiment.The results show that imbibition rate will in crease w ith permeability increasing.Spontaneous imbibition curves can be divided into tow parts of spontaneous imbibition and diffusion adsorption.Imbibition rate will decrease nearly one order of mag nitude considering effec tive stress.It indicates that permeability and effective stress are factors
affecting water spontaneous imbibition.The paper points out that capillary pressure and attractions between water molecules and coal molecules determines the characteristics of w ater spontaneous imbibition by analyzing adsorption mechanism and pore structure.The conclusion has some reference significance for evaluation of aqueous phase trapping,optimization of hydraulic frac turing method and fracture fluid design.
Key w ords :Coal;Water;Spontaneous imbibition;Rate;Effective stress;H ydraulic fracturing.
会议消息
天然气地球化学：进展、应用和技术 国际会议将在北京举行
由美国石油地质学家协会(American Association of Petroleum Geologists,AAPG)主办，中国石油勘探与开发研究院、美国能源与环境研究所(Power Environmental Energy Research Institute,PEERI)承办的 天然气地球化学：进展、应用和技术 国际会议将于2011年5月9 12日在北京国家会议中心举行。此次会议为AAPG Hedberg 会议，会议将立足于天然气地球化学在不同领域的应用，共同探讨当前所面临的挑战、对策以及未来发展的方向等。此次会议的主题为：天然气碳氢同位素应用方面的新理论的技术进展；浅层生物气的分布与形成机制；高成熟天然气的分布与形成机制；页岩气和致密气地球化学评价及勘探潜力；非烃类气体的分布与形成机制，包括N 2、CO 2以及TSR 机制和H 2S 分布预测。
有关会议的详细情况，请咨询会议秘书处。联系人：倪云燕；电话:010 ********；传真:010 ********;E mail:niyy@petrochina.
(据会议一号通知)
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