煤巖儲(chǔ)層傷害機(jī)理及評(píng)價(jià)方法

崔思華 管保山 張遂安 伊向藝 梁 利 劉 萍

(1.中國(guó)石油大學(xué) (北京),北京 102249;2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院,河北 065007;3.成都理工大學(xué),四川 610059)

1 煤巖儲(chǔ)層傷害機(jī)理

為了達(dá)到較好的壓裂效果,需要對(duì)壓裂過(guò)程中可能產(chǎn)生的損害進(jìn)行評(píng)價(jià)。與常規(guī)油氣藏的油氣層敏感性損害和保護(hù)評(píng)價(jià)相似,壓裂過(guò)程中的煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)也是基于考慮外界環(huán)境作用于煤巖儲(chǔ)層后的滲透率變化特征為主要目的,在保護(hù)技術(shù)實(shí)施過(guò)程中需要考慮三個(gè)方面的內(nèi)容：(1)煤巖儲(chǔ)層潛在損害因素及敏感性程度評(píng)價(jià);(2)煤巖儲(chǔ)層壓裂液損害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià);(3)保護(hù)煤巖儲(chǔ)層的壓裂液體系的建立及應(yīng)用。

結(jié)合煤層氣開(kāi)發(fā)特征,進(jìn)行煤巖儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感、速敏、水敏等敏感性評(píng)價(jià),以及入井流體對(duì)煤巖儲(chǔ)層損害因素分析,能夠?yàn)槊簬r氣藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程中的儲(chǔ)層保護(hù)工作提供基礎(chǔ)參數(shù),對(duì)于提高煤層氣開(kāi)采產(chǎn)量,加大煤層氣開(kāi)采力度,有著積極的意義。

煤巖儲(chǔ)層的潛在敏感性損害與其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)特征、割理和微裂縫系統(tǒng)、敏感性礦物類(lèi)型以及潤(rùn)濕性等有關(guān)。針對(duì)煤巖儲(chǔ)層特征,結(jié)合開(kāi)發(fā)過(guò)程可能遇到的作業(yè)情況,對(duì)煤巖儲(chǔ)層潛在損害進(jìn)行分析。

煤巖裂縫發(fā)育具有平直的特征,是煤層甲烷滲流的通道,很容易在受外來(lái)流體和壓力的情況下,發(fā)生堵塞與閉合,造成滲透率降低,產(chǎn)能下降,嚴(yán)重影響煤層氣產(chǎn)量。煤巖基塊微孔隙發(fā)育,比表面積大,具較強(qiáng)的吸附能力,它的這些特性容易引起工作液及添加劑的吸附與滯留,加重了損害的嚴(yán)重性和防治難度。在煤層壓裂造縫的過(guò)程中,壓裂液體系對(duì)煤層具有一定的正壓差作用,在壓裂液正壓差作用下,壓裂液部分固、液相會(huì)沿裂縫通道向煤層基質(zhì)孔隙中濾失,煤巖儲(chǔ)層孔徑微小使得其具有高的毛管壓力作用特征,進(jìn)入基質(zhì)孔隙中的壓裂液組分在高的毛管壓力作用下也很難被返排出來(lái),滯留在中等孔隙及微孔隙中的固相和液相組分會(huì)造成孔隙體積的減小、增加儲(chǔ)層的致密程度,從而影響儲(chǔ)層的滲透能力。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究認(rèn)為壓裂液對(duì)煤巖儲(chǔ)層的傷害機(jī)理主要以下幾點(diǎn)：

(1)煤巖儲(chǔ)層主要由有機(jī)高分子組成,比表面積大,吸附性強(qiáng),因吸附造成的儲(chǔ)層損害嚴(yán)重。壓裂液吸附在煤表面形成滲透率近似于為零的致密帶,使甲烷氣體很難從內(nèi)部孔隙中擴(kuò)散出來(lái),降低煤層氣的滲流能力;

(2)煤巖低孔低滲,毛管力作用強(qiáng),引起壓裂液滯留在煤層,形成水相圈閉,造成對(duì)儲(chǔ)層的傷害韓城區(qū)塊煤巖基質(zhì)孔隙以粒內(nèi)孔和植物組織孔為主,孔隙直徑為5～15μm,平均孔隙度 4.872%,滲透率為0.009～190.115×10-3μm2,低于1×10-3μm2占57%;低孔、低滲透、含水飽和度高,非均質(zhì)性強(qiáng)煤層氣藏的喉道半徑小,毛細(xì)管壓力大,產(chǎn)生的自吸和滯留作用明顯;

(3)煤巖是孔隙和裂隙都極其發(fā)育的雙重孔隙結(jié)構(gòu),固相侵入是造成滲透率損害的主要因素,易發(fā)生堵塞與閉合,嚴(yán)重影響煤層氣產(chǎn)量。韓城地區(qū)煤巖裂隙平均寬0.5～17mm,裂隙密度0.2～2.6條/m,發(fā)育密度最大在45條/m左右,平行組割理和正交產(chǎn)狀裂縫組均有出現(xiàn);

(4)煤巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性強(qiáng),塑性特征明顯使得更易產(chǎn)生煤粉發(fā)生運(yùn)移、堵塞,降低裂縫導(dǎo)流能力,影響煤層氣產(chǎn)量。

2 傷害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

針對(duì)上述主要傷害機(jī)理,設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方法,正確評(píng)價(jià)各種壓裂液對(duì)煤巖儲(chǔ)層的傷害,為優(yōu)化壓裂液配方提供重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(1)煤巖吸附傷害實(shí)驗(yàn)

煤巖儲(chǔ)層主要由有機(jī)高分子組成,比表面積大,吸附壓裂液中的有機(jī)組分,在毛管壓力作用下產(chǎn)生“滯留效應(yīng)”,增加儲(chǔ)層的致密程度,對(duì)儲(chǔ)層的滲透能力造成損害,使甲烷氣體很難從內(nèi)部孔隙中擴(kuò)散出來(lái),降低煤層氣的滲流能力。實(shí)驗(yàn)室采用人工煤心柱,利用壓裂液動(dòng)態(tài)濾失傷害儀進(jìn)行吸附傷害評(píng)價(jià)。取小于100目的煤粉40g(在105℃下烘4小時(shí)),裝入膠筒中,在一定的壓力下制成煤心柱待實(shí)驗(yàn),該情況下擴(kuò)大了與液體接觸的煤粉的表面積,能更好的反應(yīng)由于吸附而造成的傷害。將充填好的動(dòng)態(tài)濾失儀膠筒安裝在動(dòng)態(tài)濾失儀上測(cè)其通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鹽水的滲透率;再將待測(cè)液 (活性水、線(xiàn)性膠、凍膠壓裂液以及清潔壓裂液)反向注入煤心中,密閉數(shù)小時(shí);然后再注入標(biāo)準(zhǔn)鹽水,測(cè)其滲透率,直至滲透率平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)在儲(chǔ)層溫度下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)液體用活性水、清潔壓裂液濾液、植物膠壓裂液濾液,實(shí)驗(yàn)用煤樣為韓城3#煤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1及圖1～3。

表1 煤芯柱傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,不含有機(jī)物的活性水壓裂液由于吸附對(duì)煤巖造成的傷害小于含有機(jī)物的清潔壓裂液和植物膠壓裂液。在選用壓裂液時(shí),要充分考慮其中的有機(jī)質(zhì)由于吸附對(duì)煤儲(chǔ)層造成的傷害。

圖1 清潔壓裂液濾液傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 活性水傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 植物膠壓裂液濾液傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 毛細(xì)管自吸實(shí)驗(yàn)

在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中,煤巖與工作液接觸,引起的毛細(xì)管自吸會(huì)導(dǎo)致水相圈閉傷害,造成氣相滲透率下降,嚴(yán)重影響煤層氣產(chǎn)量。實(shí)驗(yàn)用煤為晉城3#煤。

(1)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)利用精度為0.1mg的電子天平懸吊測(cè)量自吸巖樣重量變化,用智能LCR測(cè)量?jī)x測(cè)量自吸過(guò)程中巖樣電阻率。首先模擬地層水建立初始含水飽和度;在LCR儀器上進(jìn)行試驗(yàn),記錄巖樣吸水前重量和電阻。

(2)毛細(xì)管自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)研究區(qū)水相圈閉傷害的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),主要采用氣驅(qū)水獲得束縛水飽和度與殘余水飽和度,對(duì)應(yīng)測(cè)量束縛水飽和度與殘余水飽和度條件下的氣測(cè)滲透率。其評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。由評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出,束縛水飽和度范圍在19.26%～35.25%左右,在束縛水飽和度條件下,巖心的水相圈閉傷害指數(shù)為0.435～0.556?？梢钥闯雒旱淖晕芰﹄S自吸時(shí)間的延長(zhǎng),而逐漸減弱。在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中,煤與工作液接觸,引起的毛細(xì)管自吸會(huì)導(dǎo)致水相圈閉傷害,造成氣相滲透率下降,嚴(yán)重影響煤層氣產(chǎn)量。

圖4 不同煤樣的水相圈閉傷害圖

(3)氣相滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)方法是將準(zhǔn)備好的巖樣緊夾于煤心夾持器中,密封樣品。改變進(jìn)口壓力,待其穩(wěn)定后,讀出該壓力下的流量,計(jì)算滲透率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表如表2所示。

表2 氣相滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著壓差的增加,巖心的滲透率不斷的變大,最大滲透率恢復(fù)率在47.72%,最小滲透率恢復(fù)率在32.47%,恢復(fù)率在30%至50%之間,平均恢復(fù)率為36.98%。

4 壓裂液動(dòng)濾失實(shí)驗(yàn)

圖5 壓裂液動(dòng)濾失實(shí)驗(yàn)

煤巖是孔隙和裂隙都極其發(fā)育的雙重孔隙結(jié)構(gòu),固相侵入是造成滲透率損害的主要因素,易發(fā)生堵塞與閉合,嚴(yán)重影響煤層氣產(chǎn)量。由于煤巖滲透率極低,利用常規(guī)砂巖傷害評(píng)價(jià)方法難以完成壓裂液對(duì)割理裂縫的傷害實(shí)驗(yàn)。利用自主研發(fā)的儲(chǔ)層動(dòng)濾失分析儀,給巖芯夾持器加載對(duì)應(yīng)埋深的有效應(yīng)力,使壓裂液以一定流速流過(guò)巖芯前部端面,給液體加壓,使巖芯前后兩端形成一定的壓差,測(cè)取巖芯出口端濾液的濾失量和對(duì)應(yīng)的濾失時(shí)間,模擬壓裂液在井下壓力和剪切條件下壓裂液的濾失情況,測(cè)定壓裂液在地層條件下的濾失特性。

測(cè)得巖心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示：從結(jié)果可以看出,不論是什么濾液類(lèi)型,煤巖的濾失量偏大,濾失系數(shù)范圍為8.3～1.1×10-4cm/濾失系數(shù)值偏大,其中 KCl溶液的濾失系數(shù)1.1×10-3清潔壓裂液為1.22×10-4cm/初始濾失量：清潔壓裂液為0.6677cm3/cm2。活性水0.3773cm3/cm2實(shí)驗(yàn),相差不大,測(cè)得煤巖動(dòng)濾失實(shí)驗(yàn)有別于常規(guī)石油類(lèi)儲(chǔ)層巖石動(dòng)濾失實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分段情況,實(shí)驗(yàn)過(guò)程前期濾失量沒(méi)有明顯大于后期濾失量,這是由于無(wú)論用活性水、KCl溶液、清潔壓裂液溶液,動(dòng)濾失過(guò)程中煤巖端面都不易于形成濾餅,導(dǎo)致濾失實(shí)驗(yàn)前后濾失量差別不大。

KCl溶液的初始濾失量為負(fù)值可能與壓裂過(guò)程中裂縫張開(kāi)有關(guān),煤巖屬于裂隙性?xún)?chǔ)層,不同于孔隙性?xún)?chǔ)層,當(dāng)外來(lái)工作流體進(jìn)入煤巖裂隙中時(shí),流體的滲入使得煤巖節(jié)理面的有效應(yīng)力減小,節(jié)理張開(kāi)區(qū)域和距離變大,導(dǎo)致煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變的疏松,容易受到更多外來(lái)流體的沖刷,最終使得煤巖裂隙增大和疏松 (鄧金根,2008)。故隨著時(shí)間的變化單位時(shí)間內(nèi)的濾失量不降反增,與常規(guī)的孔隙性?xún)?chǔ)層濾失趨勢(shì)有所差異。所以會(huì)出現(xiàn)初始濾失量為負(fù)值的現(xiàn)象,如活性水壓裂液。

5 結(jié)論

(1)煤巖儲(chǔ)層比表面積大、吸附性強(qiáng),割理裂隙發(fā)育、固相侵入堵塞,低孔低滲、易發(fā)生水相圈閉和液相滯留,是煤巖儲(chǔ)層主要傷害機(jī)理;

(2)不同體系壓裂液對(duì)煤巖儲(chǔ)層的傷害機(jī)理不同,根據(jù)主要傷害機(jī)理選擇不同的傷害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法,對(duì)優(yōu)化壓裂液配方具有重要的指導(dǎo)意義;

(3)毛管自吸實(shí)驗(yàn)表明,煤與工作液接觸后煤巖的含水飽和度會(huì)增加,最終含水飽和度能達(dá)到90%左右,氣測(cè)滲透率傷害率也達(dá)到90%左右。隨著返排壓差的增加;煤巖氣測(cè)滲透率不斷提高,最終能恢復(fù)到初始狀態(tài)的70左右;

(4)自主開(kāi)發(fā)研制的煤層壓裂液動(dòng)濾失試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法,能真實(shí)模擬煤層增產(chǎn)過(guò)程中壓裂液濾失情況,為壓裂液優(yōu)選提供技術(shù)支持。

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