沁南地區(qū)高煤階煤儲層水敏效應(yīng)及其控制因素

左銀卿，張學英，周 叡，李 松

（1.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘062552；2.中國地質(zhì)大學（北京）煤層氣國家工程中心煤儲層實驗室，北京100083）

沁南地區(qū)高煤階煤儲層水敏效應(yīng)及其控制因素

左銀卿1，張學英1，周 叡1，李 松2

（1.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘062552；2.中國地質(zhì)大學（北京）煤層氣國家工程中心煤儲層實驗室，北京100083）

在煤層氣開發(fā)過程中，工作液與煤儲層不匹配時會造成水敏效應(yīng)，導致煤儲層滲透率降低，影響煤層氣井產(chǎn)能。對煤儲層進行水敏效應(yīng)評價并探討其主控因素，對提高煤層氣開發(fā)效率具有重要意義。沁南地區(qū)高煤階煤儲層具有低孔低滲透特征，常規(guī)水敏實驗方法已不適用，因此研究提出了煤儲層水敏評價的新方法，采用氣測滲透率取代傳統(tǒng)的水測滲透率來表征煤巖水敏損害程度，并對沁南地區(qū)典型煤巖樣品進行了測試。結(jié)果表明：沁南地區(qū)煤儲層水敏損害率介于弱敏感到中等偏強之間，且以弱敏感為主；制約水敏效應(yīng)的因素有煤儲層滲透率、粘土礦物含量和粘土礦物賦存方式；煤儲層滲透率越低，粘土礦物含量越高，水敏損害率越大。煤儲層中粘土礦物的賦存方式有2種：煤巖裂隙填充與煤巖基質(zhì)中植物細胞腔填充，且粘土礦物填充于煤巖裂隙的水敏損害程度高于填充于煤巖基質(zhì)的水敏損害程度。

高煤階煤儲層水敏效應(yīng)滲透率粘土礦物沁南地區(qū)

在油氣勘探開發(fā)過程中，儲層會與外來流體接觸，由于這些流體與粘土、碳酸鹽巖等儲層礦物性質(zhì)不相匹配，往往發(fā)生物理和化學反應(yīng)產(chǎn)生水敏效應(yīng)，導致儲層滲流能力下降，從而在不同程度上降低了儲層的生產(chǎn)能力［1-2］。尹先清等對于水敏效應(yīng)的研究大多集中在常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖儲層［3-6］。汪偉英等通過巖心流動實驗研究了注入流體鹽度及鹽度遞減速率、pH值對巖石水敏性的影響［7］。朱玉雙等利用真實的砂巖模型進行了單、雙及組合模型3種類型的水驅(qū)油實驗，并對有、無水敏2種條件下的驅(qū)油效果進行了評價［8］。賈忠偉等通過天然巖心注水傷害實驗，總結(jié)出了低滲透率油層條件下，注入水中懸浮物粒徑、懸浮物含量、含油量、硫酸還原菌含量與巖心滲透率下降幅度的關(guān)系［9］。劉大偉等通過碳酸鹽巖水敏性實驗評價，發(fā)現(xiàn)隨著流體礦化度的逐漸降低，巖心滲透率持續(xù)下降，且當流體礦化度急劇降低時，巖樣水敏性損害加?。?0］。鄭軍等指出煤巖在不含水敏性粘土礦物時為無或弱水敏［11］。由于前人對煤儲層水敏效應(yīng)研究薄弱，筆者選擇沁水盆地南部（簡稱沁南）地區(qū)的高煤階樣品進行煤巖水敏效應(yīng)評價，分析了煤儲層中礦物遇淡水后引起煤儲層滲透率的變化程度，同時對樣品進行了X衍射分析和掃描電鏡觀察，探討了煤儲層水敏效應(yīng)的主控因素，以期為煤層氣開發(fā)工作液的配制以及避免儲層損害的發(fā)生提供依據(jù)。

1 水敏產(chǎn)生機理

常規(guī)儲層的水敏現(xiàn)象主要歸因于低礦化度條件下粘土礦物的膨脹，以及流體作用下的顆粒運移堵塞孔道［12］。在常見粘土礦物中，蒙脫石是最主要的水敏礦物，由于其遇水后體積會膨脹數(shù)十倍，造成孔隙堵塞，加上水化后其表面薄膜會松散解體乃至破碎，造成顆粒運移而使?jié)B透率下降，但是顆粒膨脹還是其水敏性最主要的表現(xiàn)形式。伊利石的膨脹能力相對較弱，主要呈橋塞狀在孔隙中交織分布，使原始的粒間孔隙變成許多微孔隙，滲流通道變得迂回曲折，伊利石晶體遇水容易破碎，并運移到孔隙的喉道處形成顆粒堵塞。綠泥石膨脹性很小，且晶體結(jié)合力及顆粒的附著力均較強，一般不會表現(xiàn)出顆粒的運移性。高嶺石則無膨脹性，在孔隙中多呈分散質(zhì)點分布，其集合體彼此之間的附著力以及對碎屑顆粒的附著力都很差，因而在高速流體的剪切力作用下極易形成松散的顆粒碎屑，隨流體移動而堵塞孔隙，高嶺石是顆粒運移水敏性的主要貢獻者［13-17］。不同粘土礦物引起的水敏效應(yīng)強弱不同，蒙脫石和伊利石可同時導致靜態(tài)（顆粒膨脹水敏性）和動態(tài)（顆粒運移水敏性）滲透率下降，且蒙脫石引起的靜態(tài)滲透率下降幅度比伊利石要高得多，綠泥石引起的靜態(tài)和動態(tài)滲透率下降均較小，而高嶺石僅能引起動態(tài)滲透率的下降。

2 樣品制備與實驗方法

2.1 樣品采集與制備

實驗樣品取自沁南地區(qū)山西組3號煤層，均為高煤階樣品，采樣地點為唐安、永安、天戶、臥莊、宇昌、皇聯(lián)、義城、趙莊和伯方等9個煤礦，編號分別為TA，YA，TH，WZ，YC，HL，YCH，ZZ和BF。首先將原煤制作成長度為3～6cm、直徑約為2.5cm的圓柱，然后對圓柱樣品進行干燥處理，將其放入溫度控制在100～105℃的控溫箱中，烘8h后放入干燥器中待用。沁南地區(qū)高煤階煤儲層具有低孔、低滲透特征，9個煤巖樣品的原始孔隙度為2.11%～5.49%，原始滲透率為0.015×10-3～0.54×10-3μm2（表1）。

表1 沁南地區(qū)煤巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 實驗方法

由于煤儲層滲透率極低，常規(guī)水敏實驗方法利用水為流體介質(zhì)測定煤巖滲透率耗時長且精確度低，有時甚至無法得到實驗數(shù)據(jù)，因此，筆者采用氮氣作為流體介質(zhì)測定煤巖滲透率，從而獲得煤巖樣品的敏感性評價數(shù)據(jù)。實驗方法如下：①將待測樣品在質(zhì)量分數(shù)為8%的標準鹽水中浸泡48h，使其飽和鹽水；②將飽和鹽水后的樣品放入LDY32-300型巖心流動儀的夾持器中，緩慢將圍壓加至4MPa，模擬地層上覆巖層壓力；③把氣閥打開，在驅(qū)替壓差分別為0.5，1和1.5MPa的條件下向巖心夾持器通入氮氣，依次測定相應(yīng)的滲透率；④關(guān)閉氣閥，將圍壓降至0.1MPa，然后將樣品從巖心夾持器中取出；⑤將樣品置于蒸餾水中浸泡48h，抽真空，使其飽和蒸餾水；⑥依照步驟②和步驟③，分別測定0.5，1.0 和1.5MPa驅(qū)替壓差下的樣品滲透率；⑦關(guān)閉氣閥，結(jié)束實驗。

對比相同驅(qū)替壓差標準鹽水條件下與蒸餾水條件下的滲透率，可計算得到3種驅(qū)替壓差條件下的水敏損害率，水敏損害率的計算式為

式中：DW為樣品水敏損害率，%；Ki為標準鹽水條件下的滲透率，10-3μm2；Kw為蒸餾水條件下的滲透率，10-3μm2。

煤巖樣品的水敏損害率取3種驅(qū)替壓差下的水敏損害率最大值，按照文獻［18］的水敏損害率評價指標進行水敏效應(yīng)評價：當水敏損害率小于等于5%時，為無水敏；當水敏損害率為5%～40%時，為弱水敏；當水敏損害率為40%～70%時，為中等偏強水敏；當水敏損害率為70%～90%時，為強水敏。

3 結(jié)果與討論

3.1 水敏效應(yīng)評價

沁南地區(qū)9塊煤巖樣品的水敏測試結(jié)果（圖1）表明，其水敏損害率為5.60%～63.63%，平均值為23.69%，臥莊煤巖樣品水敏最大損害率最低，為5.60%，皇聯(lián)煤巖樣品水敏最大損害率最高，為63.63%。9塊煤巖樣品的水敏損害程度從弱水敏—中等偏強，其中唐安煤礦和皇聯(lián)煤礦水敏損害程度為中等偏強，其他7個煤巖樣品均為弱水敏，占總樣品的77.8%，未出現(xiàn)強水敏。

圖1 沁南地區(qū)煤巖樣品水敏損害程度評價結(jié)果

3.2 水敏控制因素

3.2.1 煤儲層滲透率

在煤巖水敏實驗中，當驅(qū)替壓力為1.5MPa時，煤巖樣品發(fā)生相應(yīng)的水敏損害，且煤巖樣品中的氣水關(guān)系基本穩(wěn)定，因此選取驅(qū)替壓力為1.5MPa時的氣測滲透率、氣體流量與水敏損害率進行相關(guān)性分析。分析結(jié)果（圖2）表明：氣測滲透率和氣體流量越大，其水敏損害率越小，說明水敏損害率與氣測滲透率和氣體流量均成負相關(guān)關(guān)系。這是由于在相同的驅(qū)替壓力下，煤巖樣品的滲透率越高，其通過的氣體流量越大，說明煤巖孔裂隙中的粘土含量越少，且煤巖孔裂隙有效寬度較寬，粘土礦物的膨脹對煤儲層滲透率影響較小，導致煤巖的水敏損害率相應(yīng)降低。

圖2 氣測滲透率和氣體流量與水敏損害率的相關(guān)性

3.2.2 礦物成分及含量

沁南地區(qū)9塊煤巖樣品的X衍射結(jié)果表明：其粘土礦物含量為11.9%～89.2%，白云石含量為0～62.2%，方解石含量為0～47.4%（表2）。

表2 沁南地區(qū)煤巖樣品礦物含量 %

通過粘土礦物含量、碳酸鹽巖礦物含量與水敏損害率相關(guān)性（圖3）分析可知：隨著粘土礦物含量的增加，煤巖樣品水敏損害率也增大；而隨著碳酸鹽巖礦物含量的增加，裂縫中的粘土礦物含量相應(yīng)減小，煤巖樣品水敏損害率相應(yīng)降低，說明水敏損害率與粘土礦物含量成線性正相關(guān)，與方解石和白云石2種碳酸鹽巖礦物的總含量成負相關(guān)關(guān)系。

圖3 礦物成分及含量與水敏損害率的相關(guān)性

3.2.3 粘土礦物賦存方式

圖4 沁南地區(qū)煤巖樣品中粘土礦物賦存方式

利用掃描電鏡觀察煤巖樣品中粘土礦物的賦存形態(tài)，探討不同粘土礦物賦存方式對水敏效應(yīng)的影響。掃描電鏡觀察結(jié)果表明，沁南地區(qū)煤巖樣品中的粘土礦物賦存方式分為2種：①以層狀或似層狀充填于裂隙中，②以團窩狀、分散顆粒狀和粗條帶狀充填于植物細胞腔中。不同的賦存方式對煤儲層水敏效應(yīng)影響較大。當粘土礦物以層狀或似層狀充填于裂隙中時，導致的水敏損害程度較嚴重（圖4a，圖4b，圖4c）。這是因為：一方面由于伊利石和蒙脫石等粘土礦物遇水膨脹，導致滲透率降低，形成靜態(tài)滲透率損害；另一方面由于裂隙中賦存的高嶺石和綠泥石等粘土礦物在流體剪切作用下，易產(chǎn)生顆粒脫落、運移，形成動態(tài)滲透率損害；兩者疊加導致煤儲層水敏損害加劇。當粘土礦物以團窩狀、分散顆粒狀和粗條帶狀充填于植物細胞腔中時，導致的水敏損害程度相對較?。▓D4d，圖4e，圖4f）。原因是：該賦存方式導致的水敏損害主要是由于細胞腔內(nèi)的粘土礦物遇水膨脹，煤巖基質(zhì)膨脹，致使煤巖裂隙相對擠壓，煤巖樣品滲透率降低。

4 結(jié)論

煤儲層水敏效應(yīng)是與儲層不匹配的外來流體進入煤儲層引起粘土膨脹、分散、運移，堵塞孔裂隙系統(tǒng)，導致儲層滲透率降低的現(xiàn)象，包括靜態(tài)（顆粒膨脹水敏性）和動態(tài)（顆粒運移水敏性）的滲透率下降2種形式。沁南地區(qū)煤巖樣品水敏損害率為5.6%～63.63%，平均值為23.69%，水敏損害程度以弱敏感為主，占總樣品的77.8%，其余22.2%的煤巖樣品水敏損害程度為中等偏強，未出現(xiàn)強水敏。

水敏效應(yīng)的控制因素有煤層滲透率、粘土礦物含量和粘土礦物賦存方式。煤儲層滲透率越低，裂隙寬度越窄，粘土膨脹導致滲透率降低的程度越大，水敏損害程度越強。粘土礦物含量與水敏損害率成線性正相關(guān)，粘土礦物含量越高，水敏損害程度越強。水敏損害以粘土遇水膨脹損害為主，顆粒運移損害為輔，煤儲層中的粘土礦物存在煤巖裂隙填充與煤巖基質(zhì)中植物細胞腔填充2種賦存方式，且粘土礦物填充于煤巖裂隙的水敏損害程度高于填充于煤巖基質(zhì)的水敏損害程度。

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編輯常迎梅

TE353.3

：A

1009-9603（2014）05-0107-04

2014-07-03。

左銀卿，女，高級工程師，從事煤層氣勘探與開發(fā)研究。聯(lián)系電話：（0355）5550519，E-mail：yjy_zyq@petrochina.com.cn。

國家自然科學基金資助項目“中高煤階煤儲層煤層氣產(chǎn)出的煤巖學控制機理研究”（41272175），國家科技重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（2011ZX05061），教育部博士點基金“高煤階煤儲層物性綜合敏感性及產(chǎn)能響應(yīng)”（20130022110010）。