煤巖水敏性機(jī)理研究及防治

崔金榜，汪偉英，張承洲，喻 鵬，胡振華，劉建偉

(1.華北油田分公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部，山西長(zhǎng)治 046000；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)基地，河北任丘 062552; 3.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北武漢 430100；4.華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北任丘 062552)

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煤巖水敏性機(jī)理研究及防治

崔金榜1，2，汪偉英3，張承洲3，喻 鵬2，4，胡振華3，劉建偉2，4

(1.華北油田分公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部，山西長(zhǎng)治 046000；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)基地，河北任丘 062552; 3.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北武漢 430100；4.華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北任丘 062552)

通過(guò)靜態(tài)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)以及巖心動(dòng)態(tài)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，研究了煤巖吸水膨脹對(duì)儲(chǔ)層的影響，揭示了煤巖水敏機(jī)理，提出了防治煤巖水敏的方法。水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤巖很容易發(fā)生水敏，對(duì)地層產(chǎn)生較大傷害。膨脹實(shí)驗(yàn)顯示，煤粉在低礦化度的流體中更易發(fā)生膨脹。對(duì)煤粉充填壓實(shí)巖心進(jìn)行的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黏土礦物水化膨脹，產(chǎn)生微粒運(yùn)移，使?jié)B透率下降，對(duì)儲(chǔ)層的傷害具有不可逆性，而KCl對(duì)抑制煤巖膨脹具有很好的效果。

煤巖； 水敏； 膨脹； 微粒運(yùn)移； 入井液； 防膨劑

煤是由高度交連的大分子網(wǎng)和其它互不交連的大分子鏈組成。因此與砂巖不同，煤具有很強(qiáng)的吸附或吸收各種液體和氣體的能力。煤吸收液體和氣體的結(jié)果之一是煤體膨脹，其膨脹程度取決于液體和氣體的化學(xué)性質(zhì)。由于煤中割理的孔隙度很低，且只有它才與煤層的滲透率有關(guān)，并作為煤基質(zhì)中所含氣體的流通通道。所以，煤吸收液體后，即使煤基質(zhì)有輕微膨脹，也會(huì)引起割理孔隙度和滲透率的大幅度降低[1-3]。本文采用山西沁水盆地鄭莊、長(zhǎng)治、安澤3號(hào)煤層煤樣進(jìn)行煤巖水敏性靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，研究煤巖水敏性對(duì)儲(chǔ)層的傷害機(jī)理。

1 煤巖的巖石學(xué)特征

1.1 煤巖中黏土礦物組成

黏土礦物具有不穩(wěn)定性的機(jī)制，會(huì)產(chǎn)生遇水膨脹、分散或絮凝等不穩(wěn)定現(xiàn)象。采用X射線(xiàn)衍射分析方法，對(duì)煤層的煤巖進(jìn)行了黏土礦物分析。

鄭莊區(qū)塊的黏土礦物組成：鄭莊3#煤黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%～25.7%，其中伊利石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%～66%，高嶺石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～15%，綠泥石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～20%，伊蒙混層相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%～40%。

長(zhǎng)治區(qū)塊的黏土礦物組成：長(zhǎng)治區(qū)塊煤巖中伊利石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，高嶺石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，方解石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，長(zhǎng)石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，非晶質(zhì)的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71%。

安澤區(qū)塊的黏土礦物組成：安澤區(qū)塊煤層中高嶺石的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%，非晶質(zhì)的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%。

由以上測(cè)試結(jié)果可知，鄭莊、長(zhǎng)治、安澤3個(gè)區(qū)塊均有產(chǎn)生水敏的可能。

1.2 煤巖的孔滲特征

煤層氣儲(chǔ)層作為一種非常規(guī)儲(chǔ)氣層，具有雙重孔隙系統(tǒng)的孔隙-裂隙型儲(chǔ)層。不同區(qū)塊煤巖的發(fā)育特征不同將導(dǎo)致其孔隙度有較大差異，鄭莊區(qū)塊的煤層最大孔隙度為9.46%，最小為0.68%；長(zhǎng)治區(qū)塊3#煤層的孔隙度最小為1.73%，最大為7.83%，平均4.25%。

煤層滲透率是影響煤層氣高產(chǎn)的主要因素，煤層的滲透率主要取決于煤質(zhì)、煤巖壓實(shí)程度及煤巖中裂隙(割理)系統(tǒng)的發(fā)育程度。由于基質(zhì)孔隙平均直徑通常小于2 nm，滲透率很低，為10-6～10-9μm2，可視為0；而割理系統(tǒng)的滲透率一般在(0.1～50)×10-3μm2。從煤層氣排水降壓采氣的原理出發(fā)，依據(jù)現(xiàn)代煤層氣技術(shù)理論，可以用割理系統(tǒng)的滲透率來(lái)評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層的滲透性。

2 水敏性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

中黏土礦物水化膨脹或分散運(yùn)移堵塞孔隙喉道, 使地層滲透率降低的現(xiàn)象叫做水敏。水敏性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私饷簩訉?duì)所接觸流體礦化度變化的敏感性程度，找出鹽度遞減條件下滲透率明顯下降的臨界礦化度。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)借鑒石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》中敏感性的評(píng)價(jià)方法，對(duì)鄭莊、長(zhǎng)治和安澤3個(gè)區(qū)塊的煤巖水敏性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[4]。試驗(yàn)用巖心均取自天然煤巖，試驗(yàn)用鹽水礦化度為3個(gè)區(qū)塊的地層水礦化度。由于煤巖心是孔隙—裂縫型雙重介質(zhì)，應(yīng)力敏感性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持煤巖心圍壓不變。采用恒速法測(cè)定不同礦化度水的滲透率，驅(qū)替速度小于臨界流速，且每換一種水必須驅(qū)替10～15倍孔隙體積，然后停泵浸泡12 h以上，再測(cè)定滲透率。水敏損害程度采用水敏指數(shù)評(píng)價(jià)，水敏指數(shù)Iw=(Ki-Kw)/Ki，其中，Ki為用地層水測(cè)定的巖樣滲透率，Kw為用蒸餾水測(cè)定的巖樣滲透率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)采用天然煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[5]。樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和鹽敏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖1所示。由圖1分析可知，鄭莊區(qū)塊的臨界礦化度為500～2 000 mg/L，長(zhǎng)治區(qū)塊的臨界礦化度為1 500 mg/L以上，安澤區(qū)塊臨界礦化度為900 mg/L以上。鄭莊區(qū)塊的水敏傷害程度為中等偏弱傷害，長(zhǎng)治區(qū)塊的水敏傷害程度為中等偏弱到極強(qiáng)水敏，安澤區(qū)塊的水敏傷害程度為中等偏弱到中等偏強(qiáng)。

表1 水敏評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 水敏性傷害機(jī)理研究

山西沁水盆地煤層氣井壓裂施工中多使用地表水作為清水壓裂液體系[6]，而地表水礦化度比煤層水礦化度低很多，因此，壓裂液的侵入有可能與煤巖發(fā)生反應(yīng)，使煤巖膨脹。本項(xiàng)研究主要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試增產(chǎn)入井液與煤巖接觸膨脹后煤巖的滲透率損害情況[7-8]。

圖1 水敏性實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

Fig.1 Water-sensitive experimental curve

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

外加離子對(duì)水敏性影響的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)原理為：比較不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl溶液通過(guò)煤樣的滲透率，確定KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)煤樣的損害作用。實(shí)驗(yàn)采用的注入速度低于臨界流速，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：

(1) 選取研究區(qū)塊的煤塊磨成煤粉并過(guò)100目篩，將煤粉裝填到填砂管中壓實(shí)制成填砂模型，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% KCl溶液抽空飽和。

(2) 將實(shí)驗(yàn)流體正向從巖心夾持器注入到煤樣中。注入量為10倍孔隙體積，若此時(shí)出口端流量沒(méi)有穩(wěn)定則繼續(xù)注入，若流量穩(wěn)定則停止注入，換用下一種實(shí)驗(yàn)流體。所用實(shí)驗(yàn)流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為為3%、2%、1%的KCl溶液、地表水和蒸餾水。

(3) 將質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%KCl溶液從出口端以相同的流速反向巖心，注入量至少為10倍孔隙體積，直至流量穩(wěn)定。

(4) 關(guān)閉驅(qū)替泵，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

用煤粉充填樣做水敏實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用恒速法測(cè)定滲透率，速度為0.2 mL/min，以防煤粉發(fā)生運(yùn)移影響測(cè)定值，且每換一種水必須驅(qū)替10～15倍孔隙體積，然后停泵浸泡12 h以上，再測(cè)定滲透率[9-10]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用長(zhǎng)治區(qū)塊的煤樣制成填砂模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2和圖2所示。通過(guò)對(duì)煤粉填砂模型進(jìn)行不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3%降到1%時(shí)，巖心的滲透率變化很小，當(dāng)用地表水、蒸餾水進(jìn)行驅(qū)替時(shí)，滲透率損害程度明顯上升。由此可知當(dāng)用地表水、蒸餾水進(jìn)行驅(qū)替時(shí)，煤粉中含有的黏土礦物水化膨脹，使?jié)B透率下降。當(dāng)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的KCl反向驅(qū)替時(shí)，滲透率繼續(xù)下降，而沒(méi)有恢復(fù)。說(shuō)明煤巖基質(zhì)膨脹引起的滲透率損害是不可逆的，同時(shí)也表明在煤巖膨脹的同時(shí)發(fā)生了微粒脫落分散運(yùn)移，導(dǎo)致滲透率的進(jìn)一步損害。

表2 水敏傷害機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖2 水敏性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

Fig.2 Water-sensitive evaluation of the experimental curve

4 煤巖水敏性防治

研究表明，煤吸收液體并隨之引起的基質(zhì)膨脹和滲透率下降，這個(gè)過(guò)程幾乎是不可逆的。通過(guò)在入井液中加入不同量的防膨劑(KCl)，比較不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl溶液通過(guò)煤樣的滲透率，可知， KCl有抑制煤巖膨脹的作用，KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，煤巖滲透率損害最小，防膨效果越好。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)論和經(jīng)濟(jì)情況，加入適量的KCl可以有效降低煤巖水化膨脹造成的滲透率損害，保護(hù)儲(chǔ)層，提高生產(chǎn)效益。

5 結(jié)論

(1) 鄭莊、長(zhǎng)治和安澤3個(gè)區(qū)塊的水敏傷害程度均為中等偏弱以上，因此，在煤層氣開(kāi)采過(guò)程中必須保持入井液礦化度在臨界礦化度以上，避免煤層黏土吸水膨脹，對(duì)地層產(chǎn)生傷害。

(2) 研究發(fā)現(xiàn)，低礦化度的地表水和蒸餾水使煤巖中含有的黏土礦物水化膨脹，產(chǎn)生微粒運(yùn)移，使?jié)B透率下降，且具有不可逆性。KCl對(duì)抑制煤巖膨脹具有很好的效果。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，可以把KCl作為有效的防膨劑。

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(編輯 王亞新)

Research and Prevention of Coal Water-Sensitive Mechanism

Cui Jinbang1,2， Wang Weiying3，Zhang Chengzhou3, Yu Peng2,4， Hu Zhenhua3， Liu Jianwei2,4

(1.CBM Exploration and Development in Huabei Oilfield Company Division, Changzhi Shanxi 046000，China;2.ChinaNationalPetroleumCorporationCBMPilotTestBase,RenqiuHebei062552，China; 3.KeyLaboratoryofExplorationTechnologiesforOilandGasResources(YangtzeUniversity)，MinistryofEducation，WuhanHubei430100，China; 4.HuabeiOilfieldExplorationandDevelopmentResearchInstitute,RenqiuHebei062552，China)

The influence of water swelling of coal rock on reservoir was studied by means of static observation experiments and core dynamic flow experiments. The water sensitive mechanism of coal was revealed, and the control methods of the coal rock water sensitive was proposed. The experiment results show that water sensitivity of coal rock is easily happened, which damages the strata a lot. Core flow of compacted coal powder is studied, which shows that particle migration is caused by clay mineral hydration swellingand causes the drop of permeability. The damage on reservoir is irreversible, while KCl has a good effect on control of coal rock expansion.

Coal rock； Water sensitivity； Swell； Particle migration； Working fluid； Anti-swelling agent

1006-396X(2015)02-0054-04

2014-05-13

2014-09-16

大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題“山西沁水盆地煤層氣水平井開(kāi)發(fā)示范工程”資助項(xiàng)目(2011ZX05061)。

崔金榜(1967-)，男，高級(jí)工程師，從事煤層氣鉆采技術(shù)研究和管理工作；E-mail：zhb_cjb@petrochina.com.cn。

汪偉英(1959-)， 女，碩士，教授，從事采油工程和油層物理方面研究；E-mail：wwy59@163.com。

TE122

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.02.011