呂開河 喬偉剛 孫晗森 周衛(wèi)東

(1.中國(guó)石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院,山東 266555;2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

在鉆井施工過程中,往往會(huì)鉆遇煤層而引起井 壁失穩(wěn),煤巖的坍塌一方面造成起下鉆遇阻、遇卡、接單跟困難等事故或井下復(fù)雜情況,降低鉆井速度和效率,另一方面造成井眼直徑擴(kuò)大,煤層局部形成“大肚子”和“糖葫蘆”井眼,井身質(zhì)量差,難以保證固井質(zhì)量;對(duì)于煤層氣儲(chǔ)層,煤層既是儲(chǔ)集層又是烴源巖,在鉆井過程中尤其應(yīng)避免井壁失穩(wěn)情況的發(fā)生,另外,由于我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層滲透率普遍偏低,90%的儲(chǔ)層滲透率低于3×10-3,鉆井過程中造成的儲(chǔ)層污染也應(yīng)引起足夠的重視。筆者采用山西晉城3#煤層的煤樣為研究對(duì)象,進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),研究了煤巖的化學(xué)性質(zhì),分析了其對(duì)煤層井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)造成的影響,為煤層鉆井施工的設(shè)計(jì)提供必要的參考依據(jù)。

1 煤巖化學(xué)成分分析

煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)與煤化程度密切相關(guān),隨著煤化程度的增加,煤大分子結(jié)構(gòu)的芳香性和縮聚程度增大,含氧基團(tuán)逐漸減少,親水能力減弱,煤中鏡質(zhì)體含量上升而絲質(zhì)體含量下降,密度增大。對(duì)煤巖化學(xué)成分進(jìn)行分析,可以對(duì)煤巖的強(qiáng)度、親水性、密度等有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。

對(duì)3#煤層煤樣化學(xué)成分分析表明,煤鏡質(zhì)體含量15%～80%,一般在50%～65%,絲質(zhì)體半絲質(zhì)體含量20%～85%,一般在35%～50%;存在少量惰質(zhì)體。三組煤樣元素分析結(jié)果見表1所示。

表1 煤巖樣品元素含量 (%)

以上分析表明,該區(qū)煤層的煤化程度均不高,煤以絲碳為主,強(qiáng)度、燃點(diǎn)較低,煤中有較多含氧基團(tuán),親水性強(qiáng),易吸附水。親水性的干煤層或者高礦化度的濕煤層會(huì)表現(xiàn)出顯著的水敏性或水鎖損害。

2 煤儲(chǔ)層裂縫特征分析

煤中孔隙系統(tǒng)的發(fā)育特征對(duì)煤儲(chǔ)層的吸附性和滲透性有著重要的控制作用,對(duì)煤層氣的開采有很大影響,因此在煤層氣勘探過程中對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)發(fā)育特征的研究就顯得至關(guān)重要。

煤層氣儲(chǔ)層是包含基質(zhì)孔隙和裂隙孔隙 (割離)的雙孔隙結(jié)構(gòu),煤層氣主要賦存于基質(zhì)孔隙中,而割離作為煤層氣的運(yùn)輸通道,與儲(chǔ)層的滲透率有重要關(guān)系。

圖1 儲(chǔ)層割離系統(tǒng)示意圖

掃描電鏡分析表明基質(zhì)孔隙大小從幾微米到幾百微米不等,分布不均勻,連通性差。割離分為面割離、端割離和構(gòu)造裂縫,裂縫寬度在幾微米到幾百微米不等。圖1為4#煤樣在低倍顯微鏡下觀察的結(jié)果,可以明顯看到煤巖高度發(fā)育的割離系統(tǒng),孔隙和割離往往被粘土礦物和有機(jī)質(zhì)的混合物所填充;圖2為7#煤樣在高倍顯微鏡下觀察的結(jié)果,可以看到在掃描電鏡下呈片狀和蜂窩狀形態(tài)的伊蒙混層粘土礦物。

X-射線衍射分析也表明裂縫中充填有粘土礦物,部分裂縫充填有方解石和含鐵的白云石 (含碳酸鹽礦物)。

圖2 粘土充填孔隙裂縫示意圖

由于煤巖裂縫割離高度發(fā)育,破壞了煤巖的完整性,使得巖石脆性大、強(qiáng)度低,導(dǎo)致在鉆井過程中各種地應(yīng)力和外界因素所用下的井壁不穩(wěn)定問題;裂縫中充填的粘土礦物遇水膨脹對(duì)煤巖強(qiáng)度的影響不可忽視,另一方面堵塞作為煤層氣運(yùn)輸通道的割離系統(tǒng),給儲(chǔ)層造成傷害。cm3,平均值為1.5301g/cm3;煤密度較低,表明其煤化程度較低,相應(yīng)的,煤的強(qiáng)度也較低。

4 煤巖分散實(shí)驗(yàn)

3 煤巖密度測(cè)定

按ZB/TE11001-89標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定煤巖回收率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

煤巖在水中的滾動(dòng)回收率都很高,與泥頁(yè)巖因水化分散而造成井壁坍塌不同,煤巖水化分散性很弱,水化分散不是造成煤層井壁坍塌的主要原因。

將煤樣 (過100目)在105℃下烘干4h,用李氏比重瓶測(cè)定其密度,測(cè)定數(shù)據(jù)見表2。

因?yàn)槊簬r本身的不均勻性,煤塊之間密度值有較大差異,3#煤層的密度范圍為1.460～1.788g/

5 陽(yáng)離子交換容量實(shí)驗(yàn)

按照Z(yǔ)B/TE13004標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定煤巖陽(yáng)離子交換容量,確定煤樣中的粘土含量,測(cè)定結(jié)果見表4。

表2 煤巖密度測(cè)定結(jié)果

表3 煤巖分散實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 煤樣所含粘土當(dāng)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,煤巖含有一定量的粘土礦物,結(jié)合掃描電鏡實(shí)驗(yàn),這些粘土礦物充填于煤巖的基質(zhì)孔隙或者裂縫中,對(duì)煤巖起到一定的膠結(jié)作用,若粘土礦物遇水膨脹,一方面堵塞裂縫,造成儲(chǔ)層滲透率降低,另一方面對(duì)煤巖的強(qiáng)度造成一定的不利影響。

6 煤巖可溶性鹽的測(cè)定

按ZB/TE13004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行煤巖可溶性鹽含量的測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可以看出,煤巖中可溶鹽總體含量較低,根據(jù)煤成因研究,結(jié)合X射線衍射分析,認(rèn)為煤巖中的可溶鹽主要以碳酸鹽等形式存在,這些可溶鹽主要充填于裂縫中,對(duì)煤巖起到膠結(jié)作用,一旦鉆井液侵入儲(chǔ)層造成可溶性鹽溶解,造成煤巖強(qiáng)度的下降。

表5 煤巖可溶性鹽含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7 煤巖吸水量的測(cè)定

稱取一定量的烘干煤樣 (過100目篩),放入烘干的稱量瓶中,將稱量瓶放入裝有飽和硫酸銨溶液的干燥器中,控制溫度在24℃,靜置6天后稱重。

吸水量 (%)= (m1-m2) ÷m1×100

式中,m1—干煤樣重;m2—6天后煤樣重量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

實(shí)驗(yàn)表明,煤巖吸水量接近于泥頁(yè)巖,說明煤巖有一定的親水表面,水進(jìn)入到煤巖后,導(dǎo)致煤巖的膨脹和膠結(jié)物的溶解,孔隙和裂縫中的粘土礦物也會(huì)發(fā)生膨脹,使煤巖強(qiáng)度和儲(chǔ)層滲透率降低。

表6 煤巖吸水量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

8 煤巖對(duì)液體吸著量的測(cè)定

取10～20克的煤樣在105℃下烘干4h,在不同pH和礦化度的介質(zhì)中浸泡24小時(shí),取出用濾紙擦凈,測(cè)定其對(duì)液體吸著的量,現(xiàn)場(chǎng)水樣的pH為6.5,礦化度為384mg/L,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 不同PH下煤樣對(duì)液體吸著量示意圖

圖4 不同礦化度下煤樣對(duì)液體吸著量示意圖

數(shù)據(jù)較分散主要是由于煤巖的不均質(zhì)性造成的,由圖3、4可以看出,煤巖在不同介質(zhì)中均有較強(qiáng)的吸附液體的能力,最高竟達(dá)到10.3%,煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)使其含有親水的表面 (主要是絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體中的裂縫和微裂縫),同時(shí)煤巖裂隙中的粘土礦物也會(huì)吸水,使煤表現(xiàn)出較強(qiáng)吸水的能力。

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