寺河井田煤儲(chǔ)層潛在敏感性傷害識(shí)別

武 杰

（1．煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012；2．易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048012）

儲(chǔ)層敏感性是指儲(chǔ)層巖石的物性參數(shù)隨環(huán)境條件和流動(dòng)條件變化的性質(zhì)。寺河井田3 號(hào)煤屬典型的高變質(zhì)無煙煤，非常致密，這種低孔、低滲的特性，導(dǎo)致其在進(jìn)行煤層氣開發(fā)施工時(shí)容易產(chǎn)生不同程度的傷害，所以，研究煤儲(chǔ)層潛在的敏感性傷害，對煤層氣開采的各個(gè)環(huán)節(jié)避免和減輕儲(chǔ)層傷害有著非常重要的實(shí)際意義。

1 煤儲(chǔ)層孔滲性特征

1.1 孔隙類型

煤是一種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，是由煤基質(zhì)、孔隙和喉道組成的非均質(zhì)體，孔隙和喉道的填充情況對儲(chǔ)層敏感性非常重要。通過掃描電鏡對寺河3 號(hào)煤中孔隙觀察發(fā)現(xiàn)，3 號(hào)煤中的孔隙類型大多為礦物顆粒間的粒間孔（圖1），而且這些孔隙大多被礦物充填，孔隙被充填變小，直接增加了儲(chǔ)層敏感性傷害的可能，而且，充填顆粒會(huì)在后期排水采氣時(shí)發(fā)生運(yùn)移、堵塞孔喉通道而產(chǎn)生速敏性傷害。

圖1 掃描電鏡下的煤中孔隙

1.2 孔隙度和滲透率

煤的孔隙度是指煤中孔隙與裂隙的總體積與煤總體積的百分比，根據(jù)實(shí)測結(jié)果（表1），寺河3號(hào)煤的孔隙度介于4.58%~6.29%之間，平均孔隙度為5.22%，屬于低孔。滲透率用于表征多孔介質(zhì)允許流體通過的能力，是決定煤層氣井產(chǎn)氣情況的關(guān)鍵因素之一，據(jù)表1，寺河3 號(hào)煤的滲透率介于0.00781×10-3μm2~0.0824×10-3μm2之間，平均滲透率為0.0578×10-3μm2，屬于超低滲儲(chǔ)層。實(shí)踐表明，不同滲透率儲(chǔ)層的敏感程度不同，滲透率越低的煤儲(chǔ)層，其敏感性傷害表現(xiàn)的越突出。對于高滲儲(chǔ)層，正常的工作液對儲(chǔ)層造成的傷害可以被容忍，而對于像煤層這樣的超低滲儲(chǔ)層，輕微的傷害也會(huì)表現(xiàn)的十分突出，甚至是致命的。

表1 寺河3 號(hào)煤的孔隙度和滲透率

1.3 孔徑結(jié)構(gòu)

孔徑結(jié)構(gòu)是孔隙和喉道的大小、形態(tài)、分布及連通性。理論上，不同煤級(jí)煤的孔徑結(jié)構(gòu)不同，褐煤和低煤級(jí)煙煤以大孔為主，高煤級(jí)煙煤和無煙煤以微孔為主，中煤級(jí)煙煤以小孔為主，部分為中孔和微孔。根據(jù)8 組試驗(yàn)樣品的測試結(jié)果（表2），寺河3 號(hào)煤的平均孔徑介于2.300nm~5.872nm 之間，平均為3.789nm，屬微孔級(jí)。孔徑越小，越容易被速敏性礦物顆粒運(yùn)移堵塞通道而引起儲(chǔ)層傷害；另外，孔徑越小，儲(chǔ)層濾液造成的賈敏效應(yīng)、水鎖傷害越嚴(yán)重。所以，寺河3 號(hào)煤在排水采氣過程中很容易出現(xiàn)速敏和水鎖效應(yīng)，從而對儲(chǔ)層造成傷害。

表2 寺河3 號(hào)煤的孔隙數(shù)據(jù)

2 敏感性礦物分析

2.1 敏感性礦物類型分析

根據(jù)儲(chǔ)層敏感性將敏感性礦物分為5 種類型：速敏性礦物、水敏性礦物、鹽敏性礦物、酸敏性礦物和堿敏性礦物，而且同一種礦物可能同時(shí)具有多種不同的敏感性。煤中含有多種礦物質(zhì)，主要為黏土礦物、硫化物、氧化物和碳酸巖類礦物，根據(jù)敏感性機(jī)理可知黏土礦物是最重要的敏感性礦物。

高嶺石，結(jié)構(gòu)比較松，容易隨流體移動(dòng)，堵塞、分割孔隙和喉道，尤其對細(xì)喉道影響很大，是重要的速敏礦物。伊利石，片狀的把孔隙分割成許多小孔隙，增加迂回度，絲發(fā)狀的容易被水沖移，堵塞孔隙和喉道，容易引起速敏。伊/蒙混層，是蒙皂石向伊利石過渡的礦物，呈蜂窩狀、棉絮狀等，有較強(qiáng)的水敏性。綠泥石，一般富含高價(jià)鐵離子，與酸性溶液作用容易產(chǎn)生沉淀，是酸敏性礦物。

2.2 X射線衍射敏感性礦物含量分析

X 射線衍射分析是定性、定量分析黏土礦物最重要的手段，它可以定量分析出煤中高嶺石、蒙皂石、伊利石等黏土礦物的相對含量和絕對含量。通過X 射線衍射礦物分析結(jié)果（表3），寺河3 號(hào)煤中的礦物主要為黏土礦物，其占煤中礦物總量的78.9%~92.3%，平均為85.5%。從黏土礦物相對含量可看出，煤中主要含伊利石、伊/蒙混層和少量高嶺石，伊利石和高嶺石是重要的速敏性礦物，伊/蒙混層是較強(qiáng)的水敏性礦物，所以3 號(hào)煤存在潛在的速敏性和水敏性傷害。

表3 寺河3 號(hào)煤的黏土礦物含量

2.3 掃描電鏡敏感性礦物產(chǎn)狀分析

掃描電鏡可以觀察儲(chǔ)層巖石的孔隙、孔徑結(jié)構(gòu)以及黏土礦物的類型、產(chǎn)狀和分布，對識(shí)別速敏、水敏等儲(chǔ)層敏感性非常重要。圖2 為寺河3 號(hào)煤中孔隙充填礦物的掃描電鏡分析結(jié)果，從圖中看出，3 號(hào)煤中充填的礦物基本都是黏土礦物，而且產(chǎn)狀多呈微粒狀或薄層狀散布在基質(zhì)或充填在細(xì)胞腔中，這種產(chǎn)狀很容易被高速流體沖擊破裂成離散的顆粒隨流體運(yùn)移，進(jìn)而堵塞孔喉通道。因此，從黏土礦物產(chǎn)狀看，3 號(hào)煤存在潛在的速敏性傷害。

圖2 掃描電鏡下的孔隙充填物

3 煤儲(chǔ)層流體分析

3.1 地層水

煤層氣開發(fā)的鉆井、壓裂等環(huán)節(jié)會(huì)引入外來流體，這些外來流體與地層本身的流體之間有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成沉淀傷害煤儲(chǔ)層。因此，需對有關(guān)流體進(jìn)行化學(xué)成分分析，預(yù)測各種流體之間形成化學(xué)結(jié)垢的可能性。地層水的pH 值、礦化度、水型與儲(chǔ)層傷害密切相關(guān)。表4 是寺河井田地層水和注入水的化驗(yàn)結(jié)果，由結(jié)果可看出，地層水和注入水的pH 值很接近，而且水型相同，注入水進(jìn)入地層不會(huì)產(chǎn)生沉淀而傷害儲(chǔ)層；此外，二者的礦化度也很接近，基本不會(huì)由于礦化度差異大而發(fā)生水敏、鹽敏傷害。

表4 水樣分析結(jié)果

3.2 煤層氣

煤層氣中的H2S、CO2等具有腐蝕性的氣體與儲(chǔ)層傷害有關(guān)，主要是因?yàn)楦g性氣體會(huì)腐蝕井下工具和套管而引起堵塞。寺河井田3 號(hào)煤的煤層氣中主要是CH4和N2（表5），這兩種氣體占總量的98%以上，含有微量的CO2，不含H2S 氣體，所以，煤層氣的組分不會(huì)產(chǎn)生儲(chǔ)層傷害。

表5 氣樣分析結(jié)果

4 結(jié)論

（1）寺河井田煤儲(chǔ)層屬于超低滲儲(chǔ)層，孔隙主要以微孔為主，孔徑小的儲(chǔ)層，濾液造成的賈敏效應(yīng)和水鎖效應(yīng)非常嚴(yán)重，在排水采氣時(shí)會(huì)出現(xiàn)水鎖傷害儲(chǔ)層。

（2）寺河井田煤儲(chǔ)層中的孔隙大多被黏土礦物充填，而且產(chǎn)狀多數(shù)呈微粒狀或薄層狀，很容易被流體沖擊成離散的顆粒隨流體運(yùn)移產(chǎn)生速敏性傷害。

（3）從煤中礦物組成的角度分析，寺河井田煤儲(chǔ)層中的伊/蒙混層等水敏性礦物含量較多，后期排采時(shí)可能會(huì)發(fā)生水敏性傷害。