YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層損害機(jī)理及保護(hù)措施研究

蔣永平，于雪峰

(中國(guó)石油化工股份有限公司臨汾煤層氣分公司，山西 臨汾 041000)

煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，具有清潔、高效、優(yōu)質(zhì)等特點(diǎn)，將成為未來常規(guī)能源的一種重要補(bǔ)充[1-3]。在煤層氣開采過程中外部環(huán)境的變化以及外來工作流體的侵入容易對(duì)煤層造成損害，影響煤層氣的合理高效開發(fā)[4-7]。

研究煤層氣儲(chǔ)層損害機(jī)理需要考慮以下幾方面：(1)煤層氣儲(chǔ)層一般具有低孔、低滲的特點(diǎn)，外來工作流體中的固相顆粒或液相侵入容易對(duì)儲(chǔ)層造成堵塞；(2)煤層氣儲(chǔ)層易破碎、易壓縮，通常具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性；(3)煤層氣儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定性較差，容易在鉆完井及生產(chǎn)過程中發(fā)生井壁垮塌、煤粉堵塞孔隙等現(xiàn)象；(4)外來工作流體與地層水配伍性差，容易產(chǎn)生沉淀堵塞儲(chǔ)層[8-13]。作者以鄂爾多斯盆地東部的YCN區(qū)塊為研究對(duì)象，對(duì)其煤層氣儲(chǔ)層特征，包括巖性特征、物性特征以及地層水特征進(jìn)行研究，通過儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)探討儲(chǔ)層損害機(jī)理，并有針對(duì)性地提出相應(yīng)的儲(chǔ)層保護(hù)措施，為YCN區(qū)塊煤層氣的高效合理開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 煤層氣儲(chǔ)層特征

1.1 巖性特征

YCN區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東部，含煤儲(chǔ)層段為二疊系下統(tǒng)的山西組，煤層平均總厚為145.28 m；可采煤層為15#煤層，總厚為13.52 m。15#煤層鏡質(zhì)組平均反射率為3.54%，屬于高變質(zhì)階段無煙煤。煤層頂板巖性多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，較為松軟；頂板上部為中細(xì)粒砂巖，較為穩(wěn)定；底板巖性多為砂質(zhì)泥巖、黑色泥巖或粉質(zhì)砂巖，并夾雜有細(xì)粒砂巖。

煤層氣儲(chǔ)層含有多種礦物成分，其中粘土礦物含量為2.8%～16.5%(蒙脫石相對(duì)含量為35%～62%，高嶺石相對(duì)含量為9%～16%，伊利石相對(duì)含量為18%～32%，綠泥石相對(duì)含量為5%～13%，伊/蒙混層相對(duì)含量為13%～35%)，氧化物類礦物含量為0.5%～0.9%，碳酸巖類礦物含量為0.6%～2.4%。煤層氣儲(chǔ)層中粘土礦物含量較高，存在潛在敏感性損害。

1.2 物性特征

采用密度法和壓降試井法分別測(cè)定YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率。當(dāng)取樣深度分別為584.5 m、591.2 m、643.4 m、751.5 m、819.8 m、892.5 m時(shí)，孔隙度分別為4.38%、1.95%、5.26%、3.98%、8.24%、6.17%，滲透率(×10-3μm2)分別為1.02、0.58、1.65、1.29、1.86、1.94。可以看出，YCN區(qū)塊內(nèi)同一煤層的孔隙度和滲透率差異較大，儲(chǔ)層的孔隙度在1.95%～8.24%之間，滲透率在0.58×10-3～1.94×10-3μm2之間，屬于低孔、低滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)層物性較差。

1.3 地層水特征

在煤層氣儲(chǔ)層鉆井過程及生產(chǎn)過程中，外來工作流體會(huì)不可避免地與地層水接觸，如果存在不配伍現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致煤層氣儲(chǔ)層損害。YCN區(qū)塊地層水的含量相對(duì)較少，對(duì)YCN區(qū)塊內(nèi)兩口井儲(chǔ)層段地層水進(jìn)行取樣和分析，結(jié)果見表1。

由表1可以看出，YCN區(qū)塊內(nèi)兩口井儲(chǔ)層段地層水的總礦化度分別為2 979.7 mg·L-1和2 715.1 mg·L-1，水型均為NaHCO3型。

表1 地層水的離子組成

2 煤層氣儲(chǔ)層損害機(jī)理探討

基于以上儲(chǔ)層特征分析，YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特點(diǎn)，粘土礦物含量較高，且以蒙脫石、伊利石和伊/蒙混層為主，可能存在潛在水敏性、速敏性或其它敏感性損害。因此，參照SY/T 5358-2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》對(duì)YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層開展敏感性評(píng)價(jià)。

2.1 應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)

以氮?dú)鉃轵?qū)替介質(zhì)，保持煤巖進(jìn)口端的壓力恒定，改變凈圍壓，考察煤巖滲透率隨凈圍壓的變化情況，結(jié)果如圖1所示。

圖1 應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1可以看出，在升壓過程中，隨著凈圍壓的升高，煤巖滲透率急劇下降，當(dāng)凈圍壓升至15 MPa時(shí)，煤巖滲透率降至0.03×10-3μm2，較初始滲透率下降了97.6%，應(yīng)力敏損害程度為極強(qiáng)；而在降壓過程中，隨著凈圍壓的下降，煤巖滲透率有所恢復(fù)，但并不能恢復(fù)至初始狀態(tài)，當(dāng)凈圍壓為1 MPa時(shí)，煤巖滲透率恢復(fù)至0.52×10-3μm2，較初始滲透率下降了58.4%。這是由于，在升壓階段，煤巖中的孔隙和裂縫被壓縮而發(fā)生閉合，使煤巖滲透率下降；而在降壓階段，閉合的孔隙和裂縫不能完全恢復(fù)至初始狀態(tài)，對(duì)儲(chǔ)層造成不可逆損害。所以，在煤層氣開發(fā)過程中應(yīng)控制合理的生產(chǎn)壓差，防止發(fā)生應(yīng)力敏損害。

2.2 水敏性評(píng)價(jià)

室內(nèi)選取YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層段1#、2#煤樣為研究對(duì)象。根據(jù)地層水離子組成分析結(jié)果，配制礦化度為2 979.7 mg·L-1的模擬地層水，以其為驅(qū)替流體，改變模擬地層水的礦化度，考察煤巖滲透率隨礦化度的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 水敏性評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖2可以看出，隨著驅(qū)替流體礦化度的下降，煤巖滲透率逐漸下降。當(dāng)以礦化度為0的蒸餾水驅(qū)替時(shí)，1#和2#煤樣的滲透率損害率分別為78.03%和81.42%，水敏損害程度為強(qiáng)，臨界礦化度為744.9 mg·L-1。這是由于，YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層含有較多的粘土礦物，且蒙脫石和伊/蒙混層的相對(duì)含量較高，當(dāng)驅(qū)替流體的礦化度降低時(shí)，會(huì)引起粘土礦物的水化膨脹，從而堵塞煤巖滲流通道，造成煤巖滲透率下降。所以，在煤層氣開發(fā)過程中應(yīng)注意控制入井驅(qū)替流體的礦化度高于臨界礦化度，或者添加粘土穩(wěn)定劑等化學(xué)處理劑來避免水敏損害。

2.3 速敏性評(píng)價(jià)

室內(nèi)選取YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層段3#、4#煤樣為研究對(duì)象，以模擬地層水為驅(qū)替流體，改變驅(qū)替流體流速，考察煤巖滲透率隨流速的變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 速敏性評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖3可以看出，隨著驅(qū)替流體流速的加快，煤巖滲透率逐漸下降，3#和4#煤樣的滲透率損害率分別為41.06%和41.80%，速敏損害程度為中等偏弱，臨界流速為0.75 mL·min-1。在煤層氣開發(fā)壓裂施工過程中會(huì)因壓裂液對(duì)煤層的不斷沖刷而產(chǎn)生煤粉，從而使微粒運(yùn)移導(dǎo)致的速敏損害加劇。所以，在煤層氣的壓裂或排采過程中應(yīng)注意選擇合理的施工工藝，控制返排速度，避免速敏損害。

2.4 堿敏性評(píng)價(jià)

室內(nèi)選取YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層段5#、6#煤樣為研究對(duì)象，以模擬地層水為驅(qū)替流體，改變驅(qū)替流體pH值，考察煤巖滲透率隨驅(qū)替流體pH值的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 堿敏性評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖4可以看出，隨著驅(qū)替流體pH值的增大，煤巖滲透率逐漸下降，5#和6#煤樣的滲透率損害率分別為25.52%和29.66%，堿敏損害程度為弱，臨界pH值為11。這是由于，YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層粘土礦物中的高嶺石相對(duì)含量較低，雖然該煤層氣儲(chǔ)層為弱堿敏儲(chǔ)層，在煤層氣開發(fā)過程中，仍應(yīng)該避免使用高pH值的驅(qū)替流體，避免堿敏損害。

3 煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)措施

3.1 粘土穩(wěn)定劑的優(yōu)選

參照SY/T 5971-2002《注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》對(duì)YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層段煤巖開展粘土穩(wěn)定劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 粘土穩(wěn)定劑優(yōu)選結(jié)果

由表2可以看出，加入粘土穩(wěn)定劑后，煤巖16 h膨脹高度較清水明顯下降，說明粘土穩(wěn)定劑具有較好的抑制粘土水化膨脹作用。其中粘土穩(wěn)定劑NWD-2的效果最好，當(dāng)其加量為2.0%時(shí)，防膨率達(dá)到98.05%，可防止煤層氣開發(fā)過程中出現(xiàn)水敏損害。

3.2 煤層氣鉆井液體系儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

根據(jù)YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層特征及儲(chǔ)層損害機(jī)理分析結(jié)果，在優(yōu)選出性能優(yōu)良的粘土穩(wěn)定劑的基礎(chǔ)上，通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了一套適合YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的鉆井液體系，具體配方為：淡水+0.3%ZNJ-1+1.0%FT-3+2.0%NWD-2+KCl加重至密度為1.05 g·cm-3。室內(nèi)使用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其儲(chǔ)層保護(hù)性能，結(jié)果見表3。

表3 煤層氣鉆井液體系儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

由表3可以看出，切除巖心端面5 mm后，煤巖在鉆井液污染后的滲透率恢復(fù)值均能達(dá)到92%以上，說明鉆井液對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害能夠通過后期的射孔作業(yè)來解除。該鉆井液體系具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，可應(yīng)用于目標(biāo)區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的鉆井施工作業(yè)。

4 結(jié)論

(1)YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層粘土礦物含量較高，達(dá)到2.8%～16.5%；儲(chǔ)層物性較差，儲(chǔ)層的孔隙度在1.95%～8.24%之間，滲透率在0.58×10-3～1.94×10-3μm2之間；儲(chǔ)層地層水含量較少，水型為NaHCO3型。

(2)儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，YCN區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的應(yīng)力敏損害程度為極強(qiáng)，水敏損害程度為強(qiáng)，速敏損害程度為中等偏弱，堿敏損害程度為弱。

(3)根據(jù)儲(chǔ)層特征及儲(chǔ)層損害機(jī)理分析提出了相應(yīng)的儲(chǔ)層保護(hù)措施，優(yōu)選到性能優(yōu)良的粘土穩(wěn)定劑NWD-2，并研究了一套適合目標(biāo)區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)的鉆井液體系，能夠滿足該區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層鉆井施工要求。