趙莊區(qū)塊松軟低滲煤層煤層氣低產(chǎn)機(jī)理研究

季長(zhǎng)江，信 凱，楊昌永，常會(huì)珍，田慶玲，賈晉生

（1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城048000；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作454000；3.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 晉城048000；4.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城048000）

我國(guó)在成煤環(huán)境過(guò)程中，煤體結(jié)構(gòu)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響顯著，松軟低滲煤層普遍發(fā)育。導(dǎo)致煤層滲透率多數(shù)介于0.1～0.001×10-3μm2間[1]，嚴(yán)重制約了我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)效率。影響煤層氣產(chǎn)能的主要因素可大致分為地質(zhì)構(gòu)造[2-4]、儲(chǔ)層物性[5-6]、工程施工[7-8]等幾類(lèi)。而地質(zhì)構(gòu)造和儲(chǔ)層物性條件是煤層氣開(kāi)發(fā)的先決性、基礎(chǔ)性條件。目前，已有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。王勃等分析了構(gòu)造在提高生氣能力，改善物性和煤層氣富集等方面的作用[9]?？涤郎械葟拿后w結(jié)構(gòu)、宏觀裂隙、割理/裂隙系統(tǒng)充填狀況等方面，分析了我國(guó)煤儲(chǔ)層滲透率的影響因素[10]。許耀波等探討了孔隙結(jié)構(gòu)特征、臨儲(chǔ)比、含氣飽和度和力學(xué)性質(zhì)等儲(chǔ)層物性對(duì)趙莊井田煤層氣產(chǎn)出特征的影響[11]。降文萍等探究了構(gòu)造煤的孔隙系統(tǒng)對(duì)煤層氣儲(chǔ)集、運(yùn)移的影響[12]。沁水盆地南部趙莊區(qū)塊3 號(hào)煤層雖為無(wú)煙煤，但其受構(gòu)造影響顯著，煤層頂?shù)撞棵后w結(jié)構(gòu)較為破碎，屬典型的松軟低滲煤層，區(qū)塊內(nèi)煤層氣井產(chǎn)量顯著低于臨近區(qū)塊的煤層氣井。因此，針對(duì)該區(qū)塊3 號(hào)煤層，從微觀尺度深入研究煤層氣低產(chǎn)的機(jī)理，為松軟低滲儲(chǔ)層煤層氣開(kāi)發(fā)及低產(chǎn)井改造提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

趙莊區(qū)塊地處山西省高平市北12 km 處，地層總體走向北北東，傾向北西，傾角5°～10°，區(qū)塊整體形態(tài)上為一正斷層和陷落柱發(fā)育的單斜構(gòu)造，并在此基礎(chǔ)上發(fā)育了一系列北北東向的寬緩褶曲。區(qū)塊內(nèi)主要發(fā)育3 號(hào)、15 號(hào)煤層，但多數(shù)煤層氣井主要開(kāi)采3 號(hào)煤層。3 號(hào)煤層厚度一般在5 m 左右，煤層瓦斯含量一般在10～16 m3/t，西北部瓦斯含量較高。3 號(hào)煤軟煤分層較為發(fā)育，局部由上到下呈現(xiàn)出軟-硬-軟的3 層結(jié)構(gòu)，軟分層厚度在0.2～0.3 m 左右。

2 煤層孔隙發(fā)育特征

2.1 煤儲(chǔ)層孔徑分布特征

煤層氣作為一種典型的自生自?xún)?chǔ)型氣藏，孔隙是煤層氣的主要儲(chǔ)集場(chǎng)所，宏觀裂隙是煤層氣的運(yùn)移通道，顯微裂隙則是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁與中間通道，其中宏觀裂隙與顯微裂隙對(duì)滲透率影響最大[13]。采用液氮法對(duì)趙莊3 號(hào)煤層的孔隙發(fā)育情況進(jìn)行測(cè)試。依據(jù)常用的煤儲(chǔ)層孔隙分類(lèi)方法，孔隙可分為4 大類(lèi)：大孔（孔徑＞1 000 nm）、中孔（孔徑100～1 000 nm）、過(guò)渡孔或小孔（孔徑10～100 nm）和微孔（孔徑＜10 nm）[14]。趙莊3 號(hào)煤層孔隙度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，煤樣孔容比和比表面積比情況如圖1，煤樣孔徑分布圖如圖2。

表1 3 號(hào)煤層孔隙度測(cè)試結(jié)果Table 1 Porosity test results of No.3 coal seam

圖1 煤樣孔容比和比表面積比情況Fig.1 Pore volume ratio and specific surface area ratio of coal samples

由圖1、圖2 及表1 可知，3 號(hào)煤孔隙的孔徑集中在30～80 nm，大于100 nm 的中孔也占了較大的部分，對(duì)煤樣總孔容的貢獻(xiàn)僅次于小孔。在孔徑80～125 nm 間，孔體積隨孔徑增大而急劇上升，表明煤樣中該孔徑分布極不均勻。因此，3 號(hào)煤孔隙以中孔、小孔為主，儲(chǔ)層吸附能力強(qiáng)，氣含量高，且絕大多數(shù)為吸附孔中的吸附氣，少量含有一定的游離氣。

2.2 孔隙類(lèi)型

圖2 煤樣孔徑分布圖Fig.2 Pore size distribution of coal samples

依據(jù)吸附和凝聚理論，液氮在煤的吸附中常會(huì)出現(xiàn)吸附線(xiàn)與脫附線(xiàn)分離現(xiàn)象，從而形成吸附回線(xiàn)。煤的孔隙大小與形狀不同，造成液氮低溫吸附曲線(xiàn)形狀差異性較大。因此，煤的吸附回線(xiàn)特征不僅可以反映儲(chǔ)層的吸附解吸性，還可以用以分析孔隙形態(tài)的發(fā)育情況。趙莊3 號(hào)煤層煤樣液氮吸附解吸曲線(xiàn)如圖3。相對(duì)壓力為氮?dú)夥謮号c液氮溫度下氮?dú)獾娘柡驼魵鈮褐取?/p>

圖3 煤樣液氮吸附解吸曲線(xiàn)Fig.3 Liquid nitrogen adsorption-desorption curves of coal samples

依據(jù)前人對(duì)吸附解吸曲線(xiàn)的研究成果，結(jié)合de Boer 對(duì)滯后環(huán)形態(tài)的分類(lèi)方法[15]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：趙莊3 號(hào)煤層具有吸附回線(xiàn)，說(shuō)明在該煤中存在一定數(shù)量的不透氣型Ⅱ類(lèi)孔[16]，如一端封閉的圓筒形孔、一端封閉的平行板狀孔、一端封閉的楔形孔以及一端封閉的錐形孔。低壓區(qū)吸附線(xiàn)平穩(wěn)上升，說(shuō)明開(kāi)放孔的直徑較小。在相對(duì)壓力為0.8 以后，吸附線(xiàn)顯著上升，超過(guò)0.9 后吸附量急劇增加，發(fā)生顯著的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象，孔隙直徑較大。在解吸時(shí)，壓力稍微下降，解吸量急劇增加，毛細(xì)蒸發(fā)明顯，進(jìn)一步說(shuō)明大量存在直徑較大的開(kāi)放型板狀孔、圓筒狀孔。隨后壓力降低，解吸量也緩慢下降，當(dāng)相對(duì)壓力降到0.5 時(shí)，解吸量突然下降，說(shuō)明煤中也發(fā)育一定程度的“墨水瓶”狀孔。

所以，趙莊3 號(hào)煤中孔隙系統(tǒng)復(fù)雜，絕大多數(shù)為開(kāi)放型孔，少量發(fā)育不透氣性Ⅱ類(lèi)孔和瓶狀孔，且開(kāi)放型孔所占比例較高。

2.3 煤儲(chǔ)顯微特征掃描

為進(jìn)一步更深入、直觀地分析趙莊3 號(hào)煤層孔隙、裂隙系統(tǒng)特征，借助掃描電鏡對(duì)樣品微觀孔、裂隙進(jìn)行觀察，煤層孔裂隙發(fā)育情況如圖4。

圖4 煤層孔裂隙發(fā)育情況Fig.4 Pore-fracture system development of coal seam

趙莊3 號(hào)煤層孔隙與微裂隙系統(tǒng)較為發(fā)育。中、小孔隙較為密集，中孔以上的孔也分布較多。微裂隙相對(duì)較寬，延伸距離較遠(yuǎn)，但裂隙密度小，不利于眾多孔隙的溝通和氣體的運(yùn)移產(chǎn)出。

3 煤樣礦物成分差異性

煤層氣產(chǎn)能不僅受微觀孔隙、裂隙系統(tǒng)發(fā)育情況影響，還與煤層礦物組分有很大關(guān)系。由掃描電鏡觀察結(jié)果可以看出，趙莊3 號(hào)煤層孔隙和裂隙中均有一定程度的礦物填充，不僅降低了煤層孔隙間的連通性，造成原始滲透率下降。同時(shí)，若孔隙內(nèi)充填的礦物為水敏性黏土礦物，還可能引起煤層發(fā)生不同程度的水敏感性，從而降低煤層后期水力壓裂的改造效果。因此，采用D8 DWASCOVER 型X 射線(xiàn)衍射儀，對(duì)煤層的黏土礦物成分進(jìn)行測(cè)試，3 號(hào)煤層黏土礦物成分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3 號(hào)煤層黏土礦物成分測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of clay mineral composition in No.3 coal seam

由全巖定量分析測(cè)試結(jié)果得出，煤樣的主要礦物成分是黏土礦物，而黏土礦物成分全部為銨伊利石/蒙皂石間層，伊蒙混層中蒙皂石層的含量為30%，未見(jiàn)高嶺石和伊利石。

在常見(jiàn)黏土礦物中，膨脹能力最強(qiáng)的為蒙皂石，伊利石/蒙皂石和綠泥石/蒙皂石間層礦物次之，綠泥石的膨脹力較弱，伊利石很弱，而高嶺石則無(wú)膨脹性。儲(chǔ)層中蒙皂石（尤其是鈉蒙皂石）含量越多，則水敏強(qiáng)度越大[17]。趙莊3 號(hào)煤層中全部為銨伊利石/蒙皂石間層，這種礦物具有較強(qiáng)的水敏性。所以，綜合判斷趙莊3 號(hào)煤層水敏性強(qiáng)，給水力壓裂改造帶來(lái)不利影響。

4 水敏性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

采用LSY-IA 型壓裂液傷害儀，進(jìn)行水敏性傷害實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)分別為1 000、500 mg/L 濃度的氯化鉀（KCl）溶液和蒸餾水，采用恒壓方式，持續(xù)注入，3 號(hào)煤層水敏性實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。不同介質(zhì)水敏性測(cè)試結(jié)果如圖5。

測(cè)試結(jié)果顯示，在相同的注入壓力和圍壓條件下，趙莊3 號(hào)煤樣的滲透率隨著KCl 濃度的降低，下降顯著，降幅在30%以上。因此，趙莊3 號(hào)煤層的水敏性明顯，很大程度上影響煤層氣井的產(chǎn)能。

表3 3 號(hào)煤層水敏性實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters of water sensitivity for No.3 coal seam

圖5 不同介質(zhì)水敏性測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of water sensitivity in different mediums

5 結(jié) 論

1）趙莊3 號(hào)煤多數(shù)孔隙直徑集中在30～80 nm，大于100 nm 的中孔含量也較多?？紫督^大多數(shù)為開(kāi)放型孔，少量發(fā)育不透氣性Ⅱ類(lèi)孔和瓶狀孔，儲(chǔ)層吸附能力強(qiáng)，氣含量高。大量中孔、開(kāi)放型孔的存在可能造成煤層氣井見(jiàn)氣速率快，但產(chǎn)氣量也下降迅速，難以穩(wěn)產(chǎn)，這與趙莊井田絕大多數(shù)煤層氣井的實(shí)際生產(chǎn)曲線(xiàn)相符。

2）趙莊3 號(hào)煤中孔、大孔發(fā)育，微裂隙相對(duì)較寬，延伸距離遠(yuǎn)，但發(fā)育密度低，且孔、裂隙中均有不同程度的礦物充填，造成孔隙系統(tǒng)的連通性降低。

3）趙莊3 號(hào)煤層黏土礦物為銨伊利石/蒙皂石間層，水敏性強(qiáng)。因此，趙莊3 號(hào)煤層雖然具有孔隙直徑大，分布密集，微裂隙寬度大，延伸遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。但由于儲(chǔ)層所含黏土礦物的水敏性強(qiáng)，礦物膨脹易堵塞原始孔隙與裂隙系統(tǒng)，導(dǎo)致改造后儲(chǔ)層滲透率下降明顯，反而造成煤層氣產(chǎn)能差，難以取得理想的改造增透效果。

4）在趙莊3 號(hào)或與之具有相似特性的松軟低滲煤層中進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)或改造中，要對(duì)壓裂增透層位進(jìn)行優(yōu)選，避開(kāi)局部構(gòu)造煤發(fā)育的軟分層，可嘗試頂、底板虛擬儲(chǔ)層作為改造層。在壓裂增透介質(zhì)的選擇上，盡量選擇低水敏性的介質(zhì)，可嘗試液氮、二氧化碳等介質(zhì)進(jìn)行改造。