煤層氣儲層煤巖性質及其對煤層氣開發的影響研究

呂開河 喬偉剛 孫晗森 周衛東

(1.中國石油大學 (華東)石油工程學院,山東 266555;2.中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011)

在鉆井施工過程中,往往會鉆遇煤層而引起井 壁失穩,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雜情況,降低鉆井速度和效率,另一方面造成井眼直徑擴大,煤層局部形成“大肚子”和“糖葫蘆”井眼,井身質量差,難以保證固井質量;對于煤層氣儲層,煤層既是儲集層又是烴源巖,在鉆井過程中尤其應避免井壁失穩情況的發生,另外,由于我國煤層氣儲層滲透率普遍偏低,90%的儲層滲透率低于3×10-3,鉆井過程中造成的儲層污染也應引起足夠的重視。筆者采用山西晉城3#煤層的煤樣為研究對象,進行了大量實驗,研究了煤巖的化學性質,分析了其對煤層井壁穩定和儲層保護造成的影響,為煤層鉆井施工的設計提供必要的參考依據。

1 煤巖化學成分分析

煤的化學結構和物理化學性質與煤化程度密切相關,隨著煤化程度的增加,煤大分子結構的芳香性和縮聚程度增大,含氧基團逐漸減少,親水能力減弱,煤中鏡質體含量上升而絲質體含量下降,密度增大。對煤巖化學成分進行分析,可以對煤巖的強度、親水性、密度等有一個基本的認識。

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

表1 煤巖樣品元素含量 (%)

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

2 煤儲層裂縫特征分析

煤中孔隙系統的發育特征對煤儲層的吸附性和滲透性有著重要的控制作用,對煤層氣的開采有很大影響,因此在煤層氣勘探過程中對煤儲層孔隙系統發育特征的研究就顯得至關重要。

煤層氣儲層是包含基質孔隙和裂隙孔隙 (割離)的雙孔隙結構,煤層氣主要賦存于基質孔隙中,而割離作為煤層氣的運輸通道,與儲層的滲透率有重要關系。

圖1 儲層割離系統示意圖

掃描電鏡分析表明基質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果,可以明顯看到煤巖高度發育的割離系統,孔隙和割離往往被粘土礦物和有機質的混合物所填充;圖2為7#煤樣在高倍顯微鏡下觀察的結果,可以看到在掃描電鏡下呈片狀和蜂窩狀形態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育,破壞了煤巖的完整性,使得巖石脆性大、強度低,導致在鉆井過程中各種地應力和外界因素所用下的井壁不穩定問題;裂縫中充填的粘土礦物遇水膨脹對煤巖強度的影響不可忽視,另一方面堵塞作為煤層氣運輸通道的割離系統,給儲層造成傷害。cm3,平均值為1.5301g/cm3;煤密度較低,表明其煤化程度較低,相應的,煤的強度也較低。

4 煤巖分散實驗

3 煤巖密度測定

按ZB/TE11001-89標準測定煤巖回收率,實驗結果見表3。

煤巖在水中的滾動回收率都很高,與泥頁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,用李氏比重瓶測定其密度,測定數據見表2。

因為煤巖本身的不均勻性,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 陽離子交換容量實驗

按照ZB/TE13004標準測定煤巖陽離子交換容量,確定煤樣中的粘土含量,測定結果見表4。

表2 煤巖密度測定結果

表3 煤巖分散實驗結果

表4 煤樣所含粘土當量實驗結果

由實驗結果可以看出,煤巖含有一定量的粘土礦物,結合掃描電鏡實驗,這些粘土礦物充填于煤巖的基質孔隙或者裂縫中,對煤巖起到一定的膠結作用,若粘土礦物遇水膨脹,一方面堵塞裂縫,造成儲層滲透率降低,另一方面對煤巖的強度造成一定的不利影響。

6 煤巖可溶性鹽的測定

按ZB/TE13004標準進行煤巖可溶性鹽含量的測定,實驗結果見表5。

由表5可以看出,煤巖中可溶鹽總體含量較低,根據煤成因研究,結合X射線衍射分析,認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,對煤巖起到膠結作用,一旦鉆井液侵入儲層造成可溶性鹽溶解,造成煤巖強度的下降。

表5 煤巖可溶性鹽含量實驗結果

7 煤巖吸水量的測定

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。實驗結果見表6。

實驗表明,煤巖吸水量接近于泥頁巖,說明煤巖有一定的親水表面,水進入到煤巖后,導致煤巖的膨脹和膠結物的溶解,孔隙和裂縫中的粘土礦物也會發生膨脹,使煤巖強度和儲層滲透率降低。

表6 煤巖吸水量實驗結果

8 煤巖對液體吸著量的測定

取10～20克的煤樣在105℃下烘干4h,在不同pH和礦化度的介質中浸泡24小時,取出用濾紙擦凈,測定其對液體吸著的量,現場水樣的pH為6.5,礦化度為384mg/L,實驗結果見圖3和圖4。

圖3 不同PH下煤樣對液體吸著量示意圖

圖4 不同礦化度下煤樣對液體吸著量示意圖

數據較分散主要是由于煤巖的不均質性造成的,由圖3、4可以看出,煤巖在不同介質中均有較強的吸附液體的能力,最高竟達到10.3%,煤的化學結構使其含有親水的表面 (主要是絲質體、半絲質體中的裂縫和微裂縫),同時煤巖裂隙中的粘土礦物也會吸水,使煤表現出較強吸水的能力。

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