煤層氣儲層陽離子交換容量及其對煤巖物性的影響

汪偉英

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室 (長江大學(xué)) , 湖北 434023)

自然界中的粘土, 具有吸附一價Na+, K+,H+以及二價Ca2+, Mg2+等可交換陽離子的能力,這種能力稱為陽離子交換容量, 陽離子交換容量的大小與粘土的水化、膨脹、帶電性等相關(guān), 是表征、判斷粘土性質(zhì)的重要指標。煤層氣儲層中亦含有一定量的粘土礦物, 為了研究煤層氣儲層陽離子交換容量對煤巖物性的影響, 本文借鑒石油系統(tǒng)推薦的氯化銨- 酒精分光光度法測定煤巖中的粘土礦物陽離子交換容量, 以了解煤巖的物性, 判斷地層潛在的水敏性及水敏性對煤層氣儲層造成的損害程度, 并通過水敏實驗進行了驗證。

1 煤層水和配置泥漿清水的化學(xué)性質(zhì)

煤層水性質(zhì)是引起煤儲層傷害的一個重要潛在因素。目前山西沁水煤層氣儲層多以清水 (地表水) 作為鉆井液,或采用清水配制鉆井液。經(jīng)檢測,煤層水礦化度在2000mg/L 左右, 水質(zhì)呈弱堿性,pH 值為7．91～8．82。地表水的礦化度僅有396．82～618．51mg/L, pH 值為6．92～8．0。煤層水和地表水中均含有成垢離子Ca2+、CO2-3、HCO-3、SO2-4等離子。

從煤層水和配置泥漿清水的化學(xué)性質(zhì)分析來看, 清水 (地表水) 的礦化度比煤層水的礦化度低的多, 當(dāng)以清水配置的鉆井液侵入煤層后, 粘土易發(fā)生膨脹, 因此儲層存在潛在的損害。

2 煤巖粘土陽離子交換容量特性研究

陽離子交換即陽離子交換性吸附, 是粘土的重要特性之一。粘土礦物中的某些陽離子常被低價陽離子所取代 (如硅被鐵, 鋁被鈣、鎂離子所取代) ,其表面常帶負電荷, 并吸附陽離子以達到電荷平衡。吸附在粘土礦物表面上的陽離子可以和溶液中的陽離子發(fā)生交換作用, 這種作用即為粘土的陽離子交換性吸附。粘土陽離子交換能力常用陽離子交換容量 (CEC) 表示, 定義為： 在pH 值為7 的條件下, 粘土表面所能交換的陽離子總量。它的單位是毫克當(dāng)量/100g 樣, 即每100g 干樣品中所能交換的陽離子的毫克當(dāng)量數(shù)。研究中測量粘土礦物的陽離子交換容量的目的在于了解煤巖的物性, 以判斷地層潛在的水敏性及水敏性對煤層氣儲層造成的損害程度。

目前粘土類礦物的陽離子交換容量測定方法有多種：電導(dǎo)法、pH 計指示電位滴定法、六氨合鈷離子交換法、NMR 法、吸藍量法、計算法等等。我國石油系統(tǒng)推薦作法是氯化銨- 酒精分光光度法。

氯化銨- 酒精分光光度法的基本方法是： 使粘土樣品與NH4Cl - 酒精溶液作用, NH+4便會進入粘土礦物層間并交換K+、Na+、Ca2+、Mg2+等交換性陽離子; 然后用高濃度K+溶液把交換到粘土上的NH+4交換下來。再用奈斯特試劑分光光度法測量交換下來的NH+4量。化學(xué)反應(yīng)式如下：

2．1 實驗方法

實驗中所用煤樣取自沁水煤田鳳凰山和寺河礦, 將煤樣經(jīng)過磨硯、烘干、過篩處理后, 采用氯化銨- 酒精分光光度法進行測試。

2．2 實驗結(jié)果及討論

沁水煤田鳳凰山和寺河礦煤樣的陽離子交換容量的實驗結(jié)果見表1。

表1 各區(qū)塊陽離子交換容量數(shù)據(jù)表

從實驗結(jié)果來看：

①鳳凰山和寺河礦的陽離子交換容量均不大,說明粘土的膨脹性不強, 根據(jù)《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》 (SY/T5329 - 94) 中的建議, 當(dāng)陽離子交換容量大于9mmol/100g 時, 就不能忽視粘土的水化膨脹。但從實驗室測定的滲透率來看, 鳳凰山和寺河礦的煤樣滲透率都非常低 (測定的煤樣中, 最大滲透率只有2．375 ×10-3μm2) ,因此, 雖然鳳凰山和寺河礦的陽離子交換容量不大, 但即使有輕微的粘土膨脹, 也可能造成煤層氣儲層滲透率的大幅度下降, 因此, 煤層氣儲層仍然存在因水敏產(chǎn)生的潛在損害性。

②寺河礦的陽離子交換容量明顯大于鳳凰山的陽離子交換容量, 說明寺河礦的煤樣潛在膨脹性大于鳳凰山, 即寺河礦因為水敏產(chǎn)生的煤層損害可能性大于鳳凰山。

③因為所取煤樣有限, 并不能代表整個鳳凰山和寺河礦的整體情況, 要判斷是否有水敏現(xiàn)象發(fā)生, 還需要做進一步的水敏實驗測試。

3 煤巖水敏性實驗研究

在煤層鉆井之前, 粘土礦物與地層水達到膨脹平衡, 在鉆井過程中, 侵入地層的外來流體可能在化學(xué)成份和礦化度上都與地層水不一致, 而使得煤巖中的粘土進一步膨脹而造成儲層的損害[10][11]。水敏就是指當(dāng)與地層不配伍的外來流體進入地層后引起粘土膨脹、分散、運移, 從而導(dǎo)致滲透率不同程度降低的現(xiàn)象。進行水敏性評價實驗的目的就是要了解這一膨脹、分散、運移的過程, 以及最終使煤儲層滲透率下降的程度。

3．1 實驗方法

本實驗采用地層鉆取的真實煤樣進行測定。用模擬地層水飽和巖樣并測定巖樣的滲透率值, 然后用次地層水測定巖樣的滲透率, 最后用淡水測定巖樣的滲透率, 從而確定淡水引起巖石中粘土礦物水化膨脹而造成的損害。考慮到煤巖的應(yīng)力敏感性,在實驗時保持圍壓和入口壓力不變, 通過測定流體流量來確定不同礦化度水的滲透率值。

水敏損害程度采用水敏指數(shù)評價, 水敏指數(shù)由下式計算：

式中 Iw——水敏指數(shù);

Ki——用地層水測定的巖樣滲透率, ×10-3μm2;

Kw——用蒸餾水測定的巖樣滲透率, ×10-3μm2。

表2 巖樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3．2 實驗結(jié)果及討論

煤樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2, 水敏評價實驗數(shù)據(jù)見表3 和圖1、2、3。從實驗數(shù)據(jù)可以看出, F- 1 - 28號煤樣無水敏損害, 而S- 1 - L3 號煤樣、S- 2 -L1 號煤樣具有強水敏性。這說明鳳凰山無水敏傷害, 而寺河礦存在較強的水敏傷害。

表3 水敏實驗數(shù)據(jù)

圖1 F- 1- 28 號煤樣水敏實驗曲線

圖2 S- 1- L3 號煤樣水敏實驗曲線

圖3 S- 2- L1 號煤粉樣水敏實驗曲線

對比陽離子交換實驗數(shù)據(jù)以及水敏實驗數(shù)據(jù),二者具有很好的吻合性, 這一結(jié)果說明：

①水敏傷害與陽離子交換量緊密相關(guān)。陽離子交換容量越大, 粘土的膨脹性就越強, 儲層潛在水敏性亦強, 煤層氣儲層損害的可能性就越大。

②由于煤巖的滲透率比較低, 衡量煤巖粘土陽離子交換容量的大小區(qū)別于常規(guī)的油藏, 即使陽離子交換容量小于9mmol/100g, 也不能忽視煤巖粘土的水化膨脹, 需要與水敏實驗相結(jié)合來判斷水化作用對儲層造成的傷害。

4 結(jié)論

(1) 沁水煤層水礦化度在2000mg/L 左右, 水質(zhì)呈弱堿性, pH 值為7．91～8．88。配制泥漿的淺層地表水礦化度僅有396．82～618．51mg/L, 比煤層水礦化度低的多, 當(dāng)以清水配置的鉆井液侵入煤層后, 粘土易發(fā)生膨脹, 儲層存在潛在的損害。

(2) 寺河礦和鳳凰山區(qū)塊煤樣陽離子交換容量的實驗結(jié)果表明, 鳳凰山和寺河礦的煤層氣儲層存在因水敏產(chǎn)生的潛在損害性。且寺河礦因水敏產(chǎn)生的煤層損害可能性大于鳳凰山。

(3) 煤巖水敏性實驗研究證明了鳳凰山無水敏傷害, 而寺河礦存在較強的水敏傷害。

(4) 水敏傷害與陽離子交換量緊密相關(guān)。陽離子交換容量越大, 粘土的膨脹性就越強, 儲層潛在水敏性亦強, 煤層氣儲層損害的可能性就越大。

(5) 由于煤巖的滲透率比較低, 衡量煤巖粘土陽離子交換容量的大小區(qū)別于常規(guī)的油藏, 即使陽離子交換容量小于9mmol/100g, 也不能忽視煤巖粘土的水化膨脹, 需要與水敏實驗相結(jié)合來判斷水化作用對儲層造成的傷害。

[1] 郭新鋒, 黎艷, 王娟芳, 王曉軍．幾種測定膨潤陽離子交換容量方法的比較 [J] ． 計量測試及檢定,2008, 18 (1) ．

[2] 李克向．保護油氣層鉆井完井技術(shù) [M] ．石油大學(xué)出版社, 1993： 61．

[3] 吳濤, 韓書華, 張春光, 侯萬國, 孫德軍, 等．電導(dǎo)法測定粘土礦物的陽離子交換容量 [J] ．油田化學(xué), 2002, 19 (3) ： 205- 207．

[4] 張秀紅．pH 計指示電位滴定法測定沸石的陽離子交換容量 [J] ．有色金屬礦產(chǎn)與勘察, 1999 (2) ： 120- 121．

[5] 胡秀榮, 呂光烈, 楊蕓, 等．六氨合鈷離子交換法測定粘土中陽離子交換容量 [J] ． 油田化學(xué)2000,28 (11) ： 1402- 1405．

[6] 陳守軍, 羅艷穎, 杜環(huán)虹, 等譯．用NMR 巖心實驗確定有效陽離子交換量Qv [J] ． 測井技術(shù)信息,2005, 18 (2) ： 9- 19．

[7] 夏宏泉, 張賢輝, 劉向君等．計算粘土束縛水含量和陽離子交換容量的新方法 [J] ．西南石油學(xué)院學(xué)報, 2000, 22 (1) ： 55- 58．

[8] 黎艷, 郭新鋒, 王曉軍, 王娟芳, 等．膨潤土吸藍量測定方法不確定度評價 [J ] ． 工業(yè)計量, 2007(增刊) ： 109- 111．

[9] 大慶石油學(xué)院．SY5359 - 91 粘土陽離子交換容量及鹽基分量測定方法 [S]. 北京： 中華人民共和國能源部, 1992．

[10 ] B．W．Gash, Amoco Production Co． Measurement of“Rock Properties”in Coal for Coaled Methane Production． SPE 22909．1991．

[11] 鄭秀華, 夏柏如．壓裂液對煤層氣井導(dǎo)流能力的損害與保護 [J] ．西部探礦工程, 2001．