敬軍淇 何志君

摘 要：我國(guó)的煤層氣資源豐富，開(kāi)發(fā)潛力巨大。然而，煤巖儲(chǔ)層巖性致密且?guī)r石強(qiáng)度低，敏感性礦物含量高，在鉆完井、水力壓裂和后期的生產(chǎn)過(guò)程均極易產(chǎn)生儲(chǔ)層損害。為了保護(hù)儲(chǔ)層，提高和維持氣井產(chǎn)能，文章從黏土礦物、非黏土敏感性礦物、外來(lái)流體與儲(chǔ)層的相互作用三方面系統(tǒng)地總結(jié)了煤巖儲(chǔ)層的潛在損害類型。并解釋了相應(yīng)的損害機(jī)理，為后期的儲(chǔ)層保護(hù)工作作出了有益的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：煤層氣；儲(chǔ)層損害；黏土礦物；非黏土敏感性礦物

前言

煤層氣（coalbed methane）是一種煤層本身自生自儲(chǔ)式的非常規(guī)天然氣資源，主要成分是甲烷。我國(guó)煤層氣資源豐富，近年來(lái)的勘探開(kāi)發(fā)取得了重要進(jìn)展，但也存在諸多亟待解決的難題，如何預(yù)防和控制煤巖儲(chǔ)層損害便是其中之一。

煤巖儲(chǔ)層節(jié)理發(fā)育，巖石強(qiáng)度低，在鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井漏，同時(shí)大規(guī)模的水力壓裂也有大量流體侵入，這是儲(chǔ)層潛在損害的外來(lái)物源。同時(shí)，煤巖儲(chǔ)層黏土礦物等敏感性含量高，在儲(chǔ)層溫度壓力條件改變或與儲(chǔ)層流體、外來(lái)流體相互作用之后，也極易誘發(fā)儲(chǔ)層損害[1-2]。因此，有必要對(duì)煤巖儲(chǔ)層的潛在損害因素做出梳理和分類，明確損害類型和機(jī)理，為鉆井完井、壓裂改造和氣田開(kāi)發(fā)中的保護(hù)技術(shù)工作提供技術(shù)支持。

1 煤巖儲(chǔ)層分類概述

煤巖的主要成分為有機(jī)碳，黏土礦物含量在10%左右，此外還含有一定量的石英、長(zhǎng)石等礦物。煤巖儲(chǔ)層的巖性致密，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理縫、微裂縫是主要的滲流通道，煤巖基質(zhì)中大量發(fā)育納米級(jí)孔隙，甲烷在其中主要以擴(kuò)散方式運(yùn)移。針對(duì)煤巖儲(chǔ)層的上述特點(diǎn)，其潛在儲(chǔ)層損害類型可分為三大類：黏土礦物、非黏土礦物和外來(lái)流體與儲(chǔ)層相互作用三大類型。

2 黏土礦物及潛在損害

2.1 黏土礦物類型及產(chǎn)狀

煤巖儲(chǔ)層黏土礦物中，非膨脹型黏土礦物高嶺石、綠泥石和伊利石含量很高，而膨脹型黏土礦物伊/蒙混層含量較少，甚至不含。

高嶺石：?jiǎn)误w呈六方片狀，集合體呈書頁(yè)狀、蠕蟲狀、手風(fēng)琴狀。其晶間孔孔徑太小，較大的毛管力為外來(lái)流體進(jìn)入儲(chǔ)層提供了足夠大的動(dòng)力，加之巖石的比表面積大，因此外來(lái)水相易于在高嶺石集合體中形成水相圈閉。所以，高嶺石對(duì)儲(chǔ)層潛在的損害為水相圈閉、堿敏、酸敏和速敏。

伊利石：晶體細(xì)小，掃描電鏡下呈不規(guī)則片狀、蜂窩狀。集合體形態(tài)為鱗片狀、板條狀、羽毛狀等。伊利石的這些產(chǎn)狀將儲(chǔ)層中大孔道分割成小孔道，造成儲(chǔ)層高含水飽和度，形成水相圈閉；同時(shí)，毛發(fā)狀或絲狀的伊利石微晶集合體可能會(huì)進(jìn)一步分散，造成微粒運(yùn)移，堵塞孔道。因此伊利石對(duì)儲(chǔ)層的潛在損害是強(qiáng)水相圈閉、速敏、堿敏，其次是鹽敏/水敏、酸敏等。

綠泥石：多為自生成因，在掃描電鏡下單體形態(tài)為針葉狀、玫瑰花朵狀、絨球狀；集合體呈薄片狀、鱗片狀可形成孔隙襯邊。綠泥石主要為層狀構(gòu)造，損害方式包括鹽酸酸敏和速敏。

伊/蒙間層：掃描電鏡下粒表呈絲狀、蜂窩狀。形態(tài)與伊利石相似，膨脹性微弱，損害方式主要有水敏、堿敏和速敏。

2.2 黏土礦物物理化學(xué)性質(zhì)

與儲(chǔ)層損害相關(guān)的常見(jiàn)黏土礦物理化特性參數(shù)主要包括以下三個(gè)方面。（1）陽(yáng)離子交換性質(zhì)：通常黏土礦物離子交換能力依次降低的順序是蒙脫石-伊利石-綠泥石-高嶺石。由于本研究區(qū)是以高嶺石含量為主，高嶺石的離子交換能力很低，研究區(qū)離子交換能力很低。（2）膨脹性：大部分黏土礦物都具有膨脹性，常見(jiàn)的黏土礦物中，膨脹性由高到低的次序是：蒙脫石-間層礦物-綠泥石-伊利石-高嶺石，這是由礦物的結(jié)構(gòu)所決定的。由于本研究區(qū)是以高嶺石為主，高嶺石的膨脹性較低，研究區(qū)總的膨脹性也不會(huì)高。（3）比表面：比表面指單位體積的煤樣內(nèi)所有顆粒的總表面積，顆粒愈細(xì)，比表面愈大，愈容易與外來(lái)流體發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)成分的差異與流體的反應(yīng)亦不同。

3 非黏土敏感性礦物及其潛在損害

除黏土礦物之外，儲(chǔ)層中還存在一定量的非黏土敏感性礦物，包括碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫化物和氧化物礦物等。碳酸鹽礦物主要是指充填次生粒間孔、粒內(nèi)溶孔及包裹有濁沸石溶蝕殘余的含鐵方解石、鐵方解石和鐵白云石。鐵方解石、鐵白云石等為鹽酸敏感性礦物，與HCl反應(yīng)釋放出Fe2+、Fe3+。在富氧流體中，F(xiàn)e2+還會(huì)轉(zhuǎn)化為Fe3+。當(dāng)液體pH值升高到一定程度時(shí)，會(huì)生成鐵絮狀沉淀而堵塞喉道，造成儲(chǔ)層損害。

一些高含鈣和鎂的礦物對(duì)HF較為敏感，如方解石、白云石等與氫氟酸反應(yīng)后，礦物溶解釋放出離子作用生成不溶解的氟化物，滯留在孔隙中。同時(shí)一些硅酸鹽礦物，如石英、長(zhǎng)石等，與氫氟酸作用后，在一定條件下可形成氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽及硅凝膠沉淀物，堵塞喉道，降低滲透率。

4 外來(lái)流體與儲(chǔ)層相互作用后的潛在損害

4.1 無(wú)機(jī)垢

煤巖儲(chǔ)層結(jié)垢類型主要為無(wú)機(jī)垢。研究區(qū)地層水中富含Ca2+、Mg2+等二價(jià)離子，煤巖氣藏主要結(jié)CaSO4、CaCO3垢，對(duì)煤巖氣藏開(kāi)發(fā)滲透率影響較大。高pH值工作液進(jìn)入儲(chǔ)層，易于與Ca2+、Mg2+結(jié)合形成沉淀，堵塞孔喉，這類離子的存在致使儲(chǔ)層潛伏著強(qiáng)堿敏，壓裂作業(yè)過(guò)程中也會(huì)誘發(fā)無(wú)機(jī)垢沉積。

4.2 相圈閉損害

鉆井完井、增產(chǎn)改造作業(yè)中，工作液濾液侵入使近井地帶儲(chǔ)層含水飽和度增加，形成水相圈閉，氣相滲透率降低。并且，由于煤巖比表面積較大、吸附性強(qiáng)、微裂隙發(fā)育，低孔低滲和毛管壓力高等特點(diǎn)導(dǎo)致侵入流體難以返排，造成嚴(yán)重的水相圈閉損害[3]。

4.3 應(yīng)力敏感與固相侵入損害

由于儲(chǔ)層裂縫一定程度發(fā)育，欠平衡鉆井、測(cè)試、生產(chǎn)等過(guò)程中壓力降低及波動(dòng)易引起扁平狀的喉道閉合，發(fā)生應(yīng)力敏感性損害[4-5]。正壓差作業(yè)時(shí)開(kāi)容易發(fā)生滲透性漏失，漏失進(jìn)入儲(chǔ)層的液相可以弱化巖石強(qiáng)度，加劇儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性，而侵入的固相則可能堵塞流通通道，造成滲透率降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章從煤巖儲(chǔ)層的基本特征出發(fā)，考慮外來(lái)流體對(duì)儲(chǔ)層潛在影響，系統(tǒng)總結(jié)分析了煤巖儲(chǔ)層潛在的儲(chǔ)層損害類型：黏土礦物、非黏土礦物和外來(lái)流體與儲(chǔ)層相互作用。并解釋了相應(yīng)的儲(chǔ)層損害機(jī)理，為后期煤巖儲(chǔ)層保護(hù)工作奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：敬軍淇（1988-），男，漢族，四川成都人，石油工程專業(yè)本科生，主要從事煤層氣相關(guān)工藝與技術(shù)研究。