一种考虑深层煤层气解吸能力的应力敏感预测方法

本发明涉及石油与天然气行业深层煤层气资源开发领域，特别涉及一种考虑深层煤层气解吸能力的应力敏感预测方法。

背景技术：

1、应力敏感程度预测是设计储层保护方案、制定合理工作制度的重要依据，尤其对于致密的深层煤岩储层来说有更重大的意义。深层煤岩储层中有机质含量高，存在大量吸附气，在衰竭式开采的过程中，地层压力大于临界解吸压力时，深层煤岩储层中的煤层气尚未解吸，吸附层厚度不发生变化，保持一个恒定值。地层压力下降到临界解吸压力时，吸附气开始从煤岩基质表面解吸出来，变成溶解气或游离气。此时，从大尺度的深层煤岩储层来看，煤层气解吸时吸附层厚度会变薄，有效裂缝宽度值产生一个增量，使深层煤岩储层渗透率增加。与此同时，储层有效应力也在不断增大，深层煤岩孔缝结构被压缩。当地层压力持续下降后，有效应力过大不仅会产生应力敏感损害，而且还可导致深层煤岩碎裂、粉化，进一步破坏储层孔缝结构、降低气体输运能力、降低储层渗透率、降低气井产能，产生不可逆的损失。

2、目前关于煤岩应力敏感性的研究方法主要基于渗透率或孔隙度的变化来评价，而深层煤岩储层相较浅层、中深层的应力敏感性更复杂，目前缺乏新的方法和指标体系。深层煤层气产出是经过多种尺度传质的复杂过程，在深层煤岩气藏开发中后期，基质中的吸附气将成为主要供气源，孔缝随有效应力增大而产生的形变将对气体高效产出造成显著影响。然而，目前鲜有评价方法用气体在固体表面的吸附层厚度表征储层的解吸能力，结合有效裂缝宽度对储层应力敏感程度进行预测。因此，确定深层煤层气排采过程中各阶段合理的井底压力下降幅度及速率，应充分考虑应力敏感性的影响，避免因生产压差快速增大而造成储层渗透率(尤其是近井区域)的损害。

3、本发明专利目的在于提供一种考虑深层煤层气原地情况下解吸能力的应力敏感预测方法，即地层压力下降到临界解吸压力后，气体在固体表面的吸附层厚度变化，从而反映深层煤岩储层有效裂缝宽度的变化，预测储层的应力敏感程度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑深层煤层气解吸能力的应力敏感预测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供的方案如下：

3、s1、制备煤岩碎粒样，使用磁悬浮天平高压等温吸附仪开展重量法甲烷吸附实验，获取等温吸附曲线、临界解吸压力pc、langmuir压力、langmuir体积；

4、所述步骤s1具体分为：

5、(1)将煤岩粉碎后分别过6目、10目的标准筛，取6-10目的煤岩碎粒样；

6、(2)在60℃烘箱中烘干至质量恒定，后放入真空干燥箱中，冷却至室温；

7、(3)使用分析天平称量10g冷却后的煤岩碎粒样；

8、(4)使用磁悬浮天平高压等温吸附仪开展重量法吸附/解吸实验；

9、(5)获取样品的等温吸附曲线、临界解吸压力pc、langmuir压力、langmuir体积。

10、s2、制备煤岩碎粒样，使用全自动比表面及孔隙度分析仪开展低压n2吸附实验，获取样品的比表面积s。

11、所述步骤s2具体分为：

12、(1)将煤岩粉碎后，分别过20目、40目的标准筛，取20-40目的煤岩碎粒样；

13、(2)将样品抽真空4h，并在温度为110℃条件下干燥12h，去除样品中的吸附气和水蒸气；

14、(3)使用分析天平称量10g煤岩碎粒样；

15、(4)使用全自动比表面及孔隙度分析仪开展低压n2吸附实验；

16、(5)获取样品的比表面积s。

17、s3、制备煤岩柱塞样，在60℃条件下烘干并冷却后测量岩心长度、直径；以氮气为流动介质，开展岩心渗流实验，获取不同压力梯度下的岩心渗透率k，及其对应的室内实验计算裂缝宽度e变化值。

18、所述步骤s3具体分为：

19、(1)制备煤岩柱塞样，在60℃条件下烘干并冷却后，测量岩心质量、长度、直径。

20、(2)以氮气为流动介质，开展岩心渗流实验，获取不同压力梯度下的岩心渗透率k，及其对应的裂缝宽度e变化值。

21、

22、式中，k—气测渗透率，10-3μm 2；

23、μ——测试条件下的流体黏度，mpa·s；

24、l——岩样长度，cm；

25、a——岩样横截面积，cm2；

26、pa——测试条件下的标准大气压，mpa；

27、q——一定时间内，气体通过岩样的体积，cm3/s；

28、p1——岩样入口压力，mpa；

29、po——岩样出口压力，mpa。

30、

31、式中，e——裂缝宽度，μm；

32、d——煤岩柱塞样直径，cm；

33、k——气测渗透率，10-3μm 2。

34、s4、建立公式，计算吸附层厚度，体现吸附层厚度与地层压力之间的关系：

35、

36、式中，h——吸附层厚度，μm；

37、ρst——地面标准状态吸附气体密度，0.717kg/m3；

38、vl——langmuir体积，m3/kg；

39、r——气体常数，8.314j/(mol·k)；

40、tc——甲烷的临界温度，k；

41、m——甲烷气体的分子量，16kg/mol；

42、s——煤岩比表面积，m2/kg；

43、pl——langmuir压力，mpa；

44、p——地层压力，mpa；

45、所述步骤s4具体分解为：

46、(1)假设吸附气体均匀吸附在孔缝壁面，则可以得到吸附厚度计算通式：

47、

48、式中，va——储层条件吸附气体体积，m3/kg。

49、(2)深层煤岩气藏的地层压力和地层温度都超过甲烷的临界值，属于超临界的一种吸附状态。因此，常用的气体状态方程不能计算va的值，运用质量守恒定律可以将气体解吸体积转化为地下吸附体积，即：

50、

51、式中，vst——地面标准状态吸附气体体积，m3/kg；

52、ρa——储层吸附状态气体密度，kg/m3。

53、(3)对于超临界状态下ρa的计算：

54、

55、式中，pc——临界解吸压力，mpa。

56、(4)langmuir吸附方程：

57、

58、(5)将公式(1-5)、(1-6)、(1-7)带入公式(1-4)中，即可得到s4中公式(1-3)的结果。当地层压力降低到深层煤岩临界解吸压力后，气体在固体表面的吸附层厚度逐渐降低，有效应力逐渐增大，应力敏感性逐渐增强。

59、s5、由于氮气在深层煤岩储层表面不产生吸附现象，所以s3中计算的裂缝宽度比实际有效裂缝宽度大，由此建立深层煤岩有效裂缝宽度计算式为：

60、w＝e-2h (1-8)

61、式中，w——有效裂缝宽度，μm；

62、e——室内实验计算裂缝宽度，μm；

63、h——吸附层厚度，μm。

64、s6、煤层气开采过程中，地层压力p下降，有效应力增大，判断应力敏感程度。

65、所述步骤s6具体分解为：

66、(1)当p＞pc(临界解吸压力)时，深层煤岩储层中的吸附气还未开始解吸，吸附层厚度h1为一个恒定值，室内实验计算裂缝宽度为e1，此时有效裂缝宽度w1为：

67、w1＝e1-2h1 (1-9)

68、(2)当p≤pc时，深层煤岩储层中的吸附气开始解吸，吸附层厚度h2为一个动态变化的值，室内实验计算裂缝宽度为e2，此时有效裂缝宽度w2为：

69、w2＝e2-2h2 (1-10)

70、(3)在矿场应用中，通过压力变化即可得到δw最大时，应力敏感程度最强。

71、δw＝w1-w2 (1-11)

72、本发明提供的一种考虑深层煤层气解吸能力的应力敏感预测方法，具有以下优点：

73、(1)预测方法新颖，操作过程简便。本发明将深层煤层气解吸能力与应力敏感程度联系起来，使用吸附层厚度和裂缝宽度，创新出一种新的应力敏感程度预测方法，能够反映深层煤岩地层原位条件下的应力敏感程度。其中实验操作简单，方便快捷，避免了制定大量地层压力梯度下的实验测试，用计算公式即可预测开采过程中不同地层压力梯度下的有效裂缝宽度，揭示不同地层压力梯度下应力敏感程度最强的地层压力点，可广泛用于深层煤层气开发领域。

74、(2)预测应力敏感，保护孔缝结构。本发明以实际的储层压力数据为基础，实现了对储层吸附层厚度、有效裂缝宽度的计算，进一步预测了在不同地层压力点的应力敏感程度。如此一来有助于制定合理的开采压差，保护深层煤岩储层中的孔缝结构和扩散渗流通道，助力深层煤岩基质中的吸附气高效产出。

75、(3)提高开采效率，控制开采压差。近年来，深层煤层气成为重要的非常规气潜在资源，合理的开采压差有利于深层煤层气井实现高产稳产，为此本发明建立了考虑深层煤层气解吸能力的应力敏感预测方法，用气体在固体表面的吸附层厚度表征储层的解吸能力，结合有效裂缝宽度对储层应力敏感程度进行预测，确定深层煤层气排采过程中各阶段合理的井底压力下降幅度及速率，避免因生产压差快速增大而造成储层渗透率的损害。