0 引 言
在煤层气开发过程中，储层有效应力的变化会显著影响煤岩渗透率。滇东黔西地区煤层气开发地质条件特殊，地应力高，煤体结构变化大，这使得该地区煤岩渗透率应力敏感机制更加复杂。煤岩是典型的孔隙-裂隙双重介质，裂隙渗透率远大于基质渗透率，因此煤岩裂缝渗透率应力敏感性对储层渗流特征有较大影响。目前，包括对数、幂律和多项式函数在内的许多经验关系被用于描述裂缝性储层的渗透率随应力的变化关系[1-3]。文献[4-5]利用数值模拟手段系统地研究了应力作用下裂缝渗透率及裂缝中的复杂流动规律。但目前有关裂缝的应力敏感性研究大多集中在致密砂岩储层与页岩储层[6-8]。李相臣等[9]以室内试验为手段，系统研究了变有效应力条件下煤岩裂缝宽度和渗透率的变化规律；赵伦[10]等对人造裂缝的非填充、半填充、全填充裂缝进行应力敏感性试验，分析了样品渗透率应力敏感机理及损害程度；杨延辉等[11]对沁水盆地南部高煤阶煤岩样进行了系统的压敏效应评价，研究发现该地区煤岩渗透率损害程度较大，主要表现为强压敏；刘大锰等[12]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；贾慧敏等[13]通过室内试验评价了裂缝对煤岩应力敏感性的影响，建立了定量表征煤岩应力敏感性对渗透率影响的数学模型；陈浩[14]等采用脉冲衰减方法开展了低渗透率煤岩样品渗透率应力敏感试验，并指出煤岩应力敏感机理主要受孔隙结构的影响。然而，笔者针对滇东黔西地区煤岩天然和人造裂缝开展应力敏感性试验，并结合微观结构分析对裂缝渗透率应力敏感进行研究。
1 应力敏感性试验
1.1 煤岩参数
试验煤样取自滇东黔西地区，煤块直接从矿井工作面采集，采用线切割的方法沿不同方向钻取标准圆柱煤心，煤岩显微组分以半暗煤和半亮煤为主，镜质组反射率在1.5%以上，为中高阶煤。将煤样分为2类，一类煤样具有明显贯穿的天然裂缝发育(初始渗透率在11×10-3 μm2以上)，另一类则规则且无明显裂隙，以备制作人造裂缝的样品(初始渗透率小于1×10-3 μm2)。利用巴西劈裂试验将表面无明显裂纹、均质完整煤样劈裂为2半进行人工造缝，如图1所示。试验时将裂缝面完整的2个半圆柱煤样合并，测定升降压过程中裂缝煤样在不同有效应力下的气测渗透率。由于完整煤样的初始渗透率较小，故认为煤样渗透率完全由裂缝贡献，测定值可视为煤岩人工裂缝的渗透率。
图1 原始煤样人工造缝过程示意
Fig.1 Schematic diagram of artificial fracture process of raw coal sample
1.2 试验方法
利用法国VINCI公司的COREVAL-700非稳态覆压孔渗仪进行渗透率的测定。气体渗透率的测量采用压力衰减法，气体从样品上端的储气罐注入样品，待稳定后，打开出口阀联通大气，连接在岩心夹持器上端管汇中的高精度压力传感器开始记录岩样内的压力随时间的变化。该设备的有效渗透率范围为0.001×10-3 ～20 μm2。具体试验流程如下：① 测量并记录待测煤样的长度、质量和直径，并将样品放入岩芯夹持器中；②对样品施加一定围压和轴压并对样品充气，使煤心饱和氮气至孔隙压力均化(1.7 MPa)且达到平衡状态；③打开出口阀与大气连通，软件连续监测记录样品孔隙压力随时间衰减数据。在饱和气体和压力衰减的过程中，围压在程序的控制下随之调节，以保证有效应力恒定，软件将自动测量渗透率的值；④有效应力从2 MPa逐步提高到目标值再降低至2 MPa，重复试验。
1.3 试验结果及讨论
试验结果表明，采用指数函数式能较好地拟合滇东黔西煤岩渗透率与有效应力的变化关系为
k=k0exp(-bσc)
(1)
式中：k为煤岩渗透率，10-3 μm2；k0为初始有效应力条件下的渗透率，10-3 μm2；b为指数型应力敏感关系中的参数，MPa-1，其反映了渗透率对有效应力的变化的敏感程度，此值越大，渗透率下降越明显，应力敏感越强；σc为有效应力，MPa。
天然裂缝和人工裂缝煤样的渗透率(k1、k2)试验数据的拟合结果如图2和图3所示。
图2 天然裂缝煤岩渗透率随有效应力变化的拟合曲线
Fig.2 Fitting curve of coal permeability of natural fracture with change of effective stress
图3 人工裂缝煤岩渗透率随有效应力变化的拟合曲线
Fig.3 Fitting curves of coal permeability of artificial fracture change with effective stress
由图2—图3可知，对于天然裂缝，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。人工裂缝的临界应力约为7 MPa，此值普遍低于天然裂缝。利用经典的指数关系对滇东黔西地区天然及人造裂缝煤岩渗透率数据进行拟合，其参数拟合结果见表1。
表1 试验渗透率参数拟合结果
Table 1 Parameter fitting results of experimental permeability
裂缝类型编号矿区煤层编号k0/(10-3μm2)升压过程降压过程abR2abR2人工裂缝SH-01SH-02HG-01HG-02TJ-01TJ-02松河15红果3天井31.571 68.1740.5490.999 31.7430.4810.993 01.783 312.8570.6590.999 11.0580.5000.996 59.391 253.2760.5790.998 52.4790.4400.996 88.752 248.1640.8531.000 01.2900.5960.997 3476.035 756.91.2470.999 8575.211.3030.999 354.5841 821.81.1700.999 927.5960.7430.999 6天然裂缝SH-01SH-02HG-01HG-02松河12松河15红果34.010 19.0290.4100.995 21.2970.1690.970 518.857 330.6740.1640.998 021.3420.2430.994 845.881 468.1220.2040.998 129.9940.1590.946 611.105 720.1710.3070.991 76.4110.2150.979 6
由表1可知，指数拟合的相关系数R2均在0.94以上。不同类型裂缝的渗透率随有效应力的变化趋势基本一致，但系数a和b差别较大。煤岩人造裂缝可以显著提高煤岩的渗透性，但人工裂缝的应力敏感性强于天然裂缝。
2 滇东黔西煤岩应力敏感性评价
依据储层敏感性试验评价方法(SY/T 5358—2010)及相关学者的研究， 不同的应力敏感评价标准来评价滇东黔西地区煤岩的应力敏感程度。①应力敏感引起的渗透率损害率Dk1，其反映了有效应力加载引起的储层渗透率的损害程度；②应力敏感引起的不可逆渗透率损害率Dk2，它反映当有效应力降低后，煤储层渗透率不能恢复的程度；③Jones F O和Owens W W提出的应力敏感性系数Ss。行业标准和相关学者给定的具体标准见表2和表3，其中渗透率损害率Dk取Dk1和Dk2中的最大值。
表2 应力敏感性评价标准
Table 2 Evaluation criterion of stress sensitivity
Dk取值范围Dk≤55
表3 应力敏感性系数评价标准
Table 3 Evaluation criteria of stress sensitivity coefficient
Ss取值范围Ss<0.050.05≤Ss<0.30.3≤Ss<0.50.5≤Ss<0.70.7≤Ss<1.0Ss≥1.0应力敏感程度无弱中等偏弱中等偏强强极强
据表4可知，造缝后煤样的初始渗透率得到了极大的提高，但裂缝对应力的敏感程度远高于完整煤样。升压后裂缝渗透率均会明显下降且降压后恢复不到初始值。天然裂缝的渗透率损害率均在85%以上，不可逆损害率均在49%以上；人工裂缝的渗透率损害率均高于90%，不可逆损害率均高于73%。人工裂缝的应力敏感性强于天然裂缝，应力引起的人工裂缝的渗透率损害和不可逆损害更加显著。
3 微观结构分析
对该地区煤样进行扫描电镜测试，选取具有代表性的裂隙扫描图片进行分析， 煤样裂隙的电镜扫描图像 (图4)。
图4 天然煤岩样品的扫描电镜
Fig.4 Scanning electron microscopy images
of natural coal samples
表4 裂缝煤岩的渗透率损害评价及应力敏感程度
Table 4 Permeability damage evaluation and stress sensitivity of fractured coal
类型煤样编号k0/(10-3μm2)kmin/(10-3μm2)kr/(10-3μm2)Dk1/%Dk2/%Ss应力敏感程度DkSs人工裂缝SH-011.57160.01780.411698.8673.811.2178极强极强SH-021.78330.00290.236799.8486.731.1344极强极强HG-019.39120.01790.663399.8192.941.1260极强极强HG-028.75220.00240.391899.9795.520.8977极强强TJ-01476.030.072945.5299.9891.071.0481极强极强TJ-0254.5840.01362.97690.8494.551.1089极强极强天然裂缝SH-014.01010.33320.767991.7071.040.8628极强强SH-0218.85730.315710.31785.9257.010.7672强强HG-0145.88146.25223.3586.3749.100.6238强中等偏强HG-0211.10570.63213.466794.3168.780.7281极强强
注：k0、kmin、kr分别表示样品初始渗透率，最大有效应力条件下的渗透率和降压过程中有效应力恢复到初始条件下的渗透率。
观察发现样品裂隙宽度在纳米-微米级别。由图4b、图4c可以发现天然裂缝表面粗糙度较小，缝内存在填充物。由于天然裂缝内有填充物、形态更加复杂，且长期受压结构稳定，从而导致天然裂缝抵抗应力变形的能力相对较强。而人造裂缝形态结构单一，稳定性差，承受相同应力时裂缝更容易闭合，渗透率下降更为剧烈，导致人造裂缝应力敏感性更强。因此，煤层气开发过程中需要合理控制生产压差，避免严重的渗透率损害，确保煤层气井的产量和经济效益最大化。
4 结 论
1)煤岩裂缝渗透率与有效应力之间呈指数关系。随着有效应力增大，煤层裂缝渗透率先急剧下降而后趋势减缓，最终趋于稳定。
2)天然裂缝的渗透率损害率均在85%以上，不可逆损害率均在49%以上；人工裂缝的渗透率损害率均高于90%，不可逆损害率均高于73%。人工裂缝的应力敏感性强于天然裂缝，应力引起的人工裂缝的渗透率损害和不可逆损害更加显著。
3)煤岩裂缝存在着很强的应力敏感性，煤层气开发过程中需要合理控制生产压差，将有效应力控制在7 MPa以内，避免严重的渗透率损害，确保煤层气井的产量和经济效益最大化。
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