王慧博，龔福華

(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，常規(guī)能源日趨緊張。煤層氣的開采對于緩解能源危機(jī)具有十分重要的意義。與常規(guī)油氣儲層不同，煤層氣儲層往往具有獨(dú)特的儲層特征，在勘探開發(fā)過程中也比常規(guī)油氣儲層更容易出現(xiàn)儲層損害現(xiàn)象[1-5]。因此，在開發(fā)煤層氣過程中必須要先了解其儲層特征，并對其進(jìn)行敏感性評價(jià)，找出可能造成儲層損害的各種因素，為后期煤層氣井的鉆完井及開發(fā)生產(chǎn)提供必要的技術(shù)支持[6-9]。

沁水盆地煤層氣資源豐富，具有良好的產(chǎn)能潛質(zhì)。北部某礦區(qū)是沁水盆地內(nèi)最具勘探開發(fā)潛力的區(qū)塊之一，該區(qū)塊屬于新開發(fā)區(qū)塊，有關(guān)其儲層特征及損害因素方面的研究報(bào)道較少[10-12]。因此，作者以沁水盆地北部某礦區(qū)為研究對象，對其煤層氣儲層特征進(jìn)行研究，并采用天然煤巖心進(jìn)行儲層敏感性評價(jià)，明確煤層氣儲層的潛在損害因素，為沁水盆地北部地區(qū)類似煤層氣儲層的高效合理開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

1 儲層特征

1.1 煤巖顯微組分分析

煤巖的顯微組分特征影響著煤層氣儲層的吸附能力以及含氣量。根據(jù)GB/T 15589-2013《顯微煤巖類型分類》，煤巖顯微組分分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組。對目標(biāo)礦區(qū)內(nèi)的煤巖樣品進(jìn)行顯微組分分析，結(jié)果見表1。

表1 目標(biāo)礦區(qū)煤巖樣品的顯微組分/%

Tab.1 Macerals of coal rock samples from target mining area/%

井號鏡質(zhì)組惰質(zhì)組殼質(zhì)組Y-175.224.80Y-287.112.90Y-371.528.50Y-483.416.60

由表1可知，目標(biāo)礦區(qū)煤巖樣品的顯微組分以鏡質(zhì)組為主(71.5%～87.1%)，其次為惰質(zhì)組(12.9%～28.5%)，由于煤化程度比較高，基本檢測不到殼質(zhì)組，這將有利于煤層氣的生成。

1.2 粘土礦物組分分析

目標(biāo)礦區(qū)煤巖中的主要礦物組分為炭，還含有少量的石英、方解石、粘土礦物等，其中粘土礦物的含量在5%左右。研究粘土礦物組成對儲層敏感性評價(jià)具有十分重要的意義。使用X-射線衍射儀分析目標(biāo)礦區(qū)煤巖樣品中粘土礦物的組分，結(jié)果見表2。

表2 目標(biāo)礦區(qū)煤巖樣品中粘土礦物組分/%

Tab.2 Components of clay minerals in coal rock samples from target mining area/%

樣品編號高嶺石綠泥石蒙脫石伊利石伊/蒙混層113.0011.0050.008.0018.0029.0028.0060.003.000.00310.0019.0066.005.000.0045.0010.0038.0015.0032.00平均9.2517.0053.507.7512.50

由表2可知，目標(biāo)礦區(qū)煤巖樣品中粘土礦物以蒙脫石(53.50%)為主，其次為綠泥石(17.00%)和伊/蒙混層(12.50%)，高嶺石(9.25%)和伊利石(7.75%)的含量相對較少。

1.3 物性特征

煤層氣儲層的孔隙度、滲透率及孔隙直徑是煤層氣儲層物性特征研究的主要內(nèi)容。通過煤巖心物性分析和壓汞實(shí)驗(yàn)對目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層進(jìn)行物性特征研究，結(jié)果見表3。

表3 目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層的物性特征

Tab.3 Physical properties of coalbed methane reservoirs in target mining area

井號樣品個數(shù)平均孔隙度/%平均滲透率/mD平均孔隙直徑/nmY-1103.951.538.5Y-2154.072.849.3Y-3214.012.650.2Y-4183.891.643.6

由表3可知，目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層平均孔隙度在3.89%～4.07%之間，平均滲透率在1.5～2.8 mD之間，平均孔隙直徑在38.5～50.2 nm之間。煤層氣儲層孔隙度和滲透率均較低，孔隙直徑較小，整體物性較差。

1.4 含氣量

目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層中含氣量的平面分布特征與煤層氣的埋藏深度有關(guān)，整體表現(xiàn)為隨著埋藏深度的增加，含氣量逐漸增大。目標(biāo)礦區(qū)內(nèi)煤層氣埋藏深度在500 m以內(nèi)的含氣量一般低于10 m3·t-1；埋藏深度在500～1 000 m之間的含氣量一般為12～15 m3·t-1；埋藏深度在1 000～1 500 m之間的含氣量一般為15～21 m3·t-1；埋藏深度在1 500～2 000 m之間的含氣量一般為21～28 m3·t-1。

2 敏感性評價(jià)

采用多功能巖心驅(qū)替裝置，參照SY/T 5336-2006《巖心分析方法》和SY/T 5358-2010《儲層敏感性流動實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》，評價(jià)目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層的敏感性(速敏、水敏、酸敏、堿敏、應(yīng)力敏)，找出煤層氣儲層潛在的損害因素。

2.1 速敏性評價(jià)

室內(nèi)選取目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層巖樣1#、2#，將其處理成柱狀巖心。以標(biāo)準(zhǔn)鹽水作為驅(qū)替介質(zhì)，測定煤巖心滲透率隨驅(qū)替流速的變化情況，結(jié)果見圖1。

圖1 速敏性評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1可以看出，煤巖心滲透率隨著驅(qū)替流速的加快逐漸下降。1#和2#煤巖心的速敏損害率分別為22.9%和25.3%，速敏損害程度均為弱，臨界驅(qū)替流速均為1.0 mL·min-1。這是由于，目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層段粘土礦物中速敏性礦物高嶺石的相對含量較少所致。在煤層氣儲層開發(fā)過程中，速敏損害程度相對較弱，但仍需控制合理的生產(chǎn)速度，選擇合適的施工工藝，最大限度降低速敏損害。

2.2 水敏性評價(jià)

室內(nèi)選取目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層巖樣3#、4#，將其處理成柱狀巖心。配制不同礦化度的標(biāo)準(zhǔn)鹽水作為驅(qū)替介質(zhì)，測定煤巖心滲透率，結(jié)果見圖2。

圖2 水敏性評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，煤巖心滲透率隨著驅(qū)替介質(zhì)礦化度的下降逐漸降低。3#和4#煤巖心的水敏損害率分別為81.1%和75.1%，水敏損害程度均為強(qiáng)，臨界礦化度均為5 000 mg·L-1。這是由于，目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層段粘土礦物含量較高，且蒙脫石的相對含量較高，所以，當(dāng)驅(qū)替介質(zhì)礦化度下降時，會引起粘土礦物的水化膨脹，堵塞煤巖心中的滲流通道，造成煤巖心滲透率下降。因此，在煤層氣開采過程中，應(yīng)注意控制入井驅(qū)替介質(zhì)礦化度始終高于臨界礦化度，避免水敏損害。

2.3 酸敏性評價(jià)

室內(nèi)選取目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層巖樣5#、6#，將其處理成柱狀巖心。使用標(biāo)準(zhǔn)鹽水測定煤巖心的初始滲透率，然后注入一定PV(孔隙體積)的鹽酸或土酸，測定煤巖心滲透率，結(jié)果見表4。

表4 酸敏性評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Results of acid sensitivity evaluation experiments

煤巖心注入酸液初始滲透率10-3 μm2注酸后滲透率10-3 μm2滲透率損害率%酸敏程度5#15%HCl1.710.8450.9中等偏強(qiáng)6#12%HCl+3%HF1.821.0144.5中等偏弱

由表4可知，5#煤巖心的鹽酸敏損害率為50.9%，損害程度為中等偏強(qiáng)；6#煤巖心的土酸敏損害率為44.5%，損害程度為中等偏弱。這是由于，目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層段粘土礦物中含有較多的酸敏性礦物綠泥石，且煤層氣儲層填隙物以黃鐵礦和方解石為主，這些礦物遇酸反應(yīng)生成沉淀或凝膠，造成煤層氣儲層滲透率下降。因此，在煤層氣儲層酸化施工過程中，應(yīng)注意防范酸敏損害。

2.4 堿敏性評價(jià)

室內(nèi)選取目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層巖樣7#、8#，將其處理成柱狀巖心。配制不同pH值的標(biāo)準(zhǔn)鹽水作為驅(qū)替介質(zhì)，測定煤巖心滲透率，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，煤巖心的滲透率隨著驅(qū)替介質(zhì)pH值的增大逐漸降低。7#和8#煤巖心的堿敏損害率分別為24.4%和20.5%，堿敏損害程度均為弱，臨界pH值均為12。因此，在煤層氣儲層開采過程中應(yīng)注意控制入井驅(qū)替介質(zhì)的pH值在12以下。

2.5 應(yīng)力敏性評價(jià)

室內(nèi)選取目標(biāo)礦區(qū)煤層氣儲層巖樣9#、10#，將其處理成柱狀巖心。以氮?dú)庾鳛轵?qū)替介質(zhì)，保證煤巖心進(jìn)口端驅(qū)替壓力恒定，不斷改變圍壓，測定煤巖心滲透率，結(jié)果見表5。

圖3 堿敏性評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 應(yīng)力敏性評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Results of stress sensitivity evaluation experiments

圍壓/MPa9#煤巖心滲透率10-3 μm2滲透率損害率%10#煤巖心滲透率10-3 μm2滲透率損害率%1.002.180.001.690.003.002.017.801.577.105.001.5927.061.3221.89升壓過程7.001.3737.161.0537.879.000.8561.010.7356.8011.000.6271.560.5269.2313.000.5475.230.3579.2915.000.4280.730.2883.4313.000.5077.060.3181.6611.000.5873.390.4275.159.000.6769.270.5865.68降壓過程7.000.7963.760.6362.725.000.9257.800.7853.853.001.1447.710.8450.301.001.2841.280.9543.79

由表5可知，升壓過程中，煤巖心滲透率隨著圍壓的升高逐漸下降，當(dāng)圍壓升至15.00 MPa時，9#和10#煤巖心的滲透率損害率分別為80.73%和83.43%，應(yīng)力敏損害程度為強(qiáng)；降壓過程中，煤巖心滲透率隨著圍壓的降低逐漸升高，但最終滲透率仍不能恢復(fù)至初始狀態(tài)，當(dāng)圍壓降至初始狀態(tài)(1.00 MPa)時，9#和10#煤巖心的滲透率損害率仍在40%以上。這是因?yàn)?，目?biāo)礦區(qū)煤層氣儲層物性較差，儲層原始孔隙度和滲透率均較低，且孔隙較小，容易受到外部壓力的影響，當(dāng)壓力變化時，儲層平衡狀態(tài)被打破，儲層孔隙受到外力的擠壓變得更小，儲層孔隙度和滲透率同樣下降，且具有一定的不可逆性。因此，在煤層氣開采過程中應(yīng)注意控制合理的施工壓差和生產(chǎn)壓差，降低應(yīng)力敏損害。

3 結(jié)論

對沁水盆地北部某礦區(qū)的煤層氣儲層特征和敏感性評價(jià)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，目標(biāo)礦區(qū)煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組，不含殼質(zhì)組；粘土礦物的含量在5%左右，以蒙脫石為主；儲層平均孔隙度在3.89%～4.07%之間，平均滲透率在1.5～2.8 mD之間，平均孔隙直徑在38.5～50.2 nm之間，整體物性較差；含氣量隨埋藏深度的增加而增大。煤層氣儲層的速敏損害程度為弱，水敏損害程度為強(qiáng)，鹽酸敏損害程度為中等偏強(qiáng)，土酸敏損害程度為中等偏弱，堿敏損害程度為弱，應(yīng)力敏損害程度為強(qiáng)。

根據(jù)以上儲層特征及敏感性研究結(jié)果，在沁水盆地北部某礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)過程中應(yīng)注意采取一定的儲層保護(hù)措施，如：控制入井驅(qū)替介質(zhì)的礦化度大于臨界礦化度，避免水敏損害；選擇合適的壓裂施工工藝，控制合理的生產(chǎn)壓差，降低應(yīng)力敏損害；選擇合適的酸化液體系，避免酸化措施造成的二次損害；控制合理的生產(chǎn)速度以及入井驅(qū)替介質(zhì)的pH值，避免速敏損害和堿敏損害。