煤層氣儲(chǔ)層特征及傷害影響因素分析

張應(yīng)建

煤層氣儲(chǔ)層特征及傷害影響因素分析

張應(yīng)建1，2

（1. 西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065； 2. 中石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西 臨汾 041000）

在弄清楚國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從巖石學(xué)特征、孔滲特征及流體性質(zhì)特征三個(gè)方面詳細(xì)分析了煤層氣儲(chǔ)層的特征。在此前提下，研究鉆井對(duì)儲(chǔ)層的傷害機(jī)理，認(rèn)為鉆井液侵入、鉆井液固相顆粒、鉆井液的不配伍、鉆井液濾液引起的水鎖以及鉆井壓力是煤層氣儲(chǔ)層傷害的主要影響因素。

煤層氣；儲(chǔ)層特征；傷害；影響因素

煤層即是煤層氣的源巖，又是其儲(chǔ)集層，由于煤層本身性質(zhì)的特殊性和煤層氣的生、儲(chǔ)特征使得與常規(guī)天然氣有著較大區(qū)別，只有弄清煤層氣的儲(chǔ)層特征，才能更好地去分析其鉆進(jìn)過(guò)程中的傷害機(jī)理和影響因素，進(jìn)而為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供有力依據(jù)[1-2]。

1 煤層氣儲(chǔ)層特征

1.1 煤層氣儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征

正巖石學(xué)特征是研究煤層氣儲(chǔ)層的基礎(chǔ)。受沉積環(huán)境的影響，不同煤巖類型的煤由于物理和化學(xué)組分的不同而使得煤層氣的生成、儲(chǔ)存和解吸存在一定的差異化。認(rèn)為煤儲(chǔ)層的含氣量的多少受亮煤占比的影響，當(dāng)亮煤占比較高時(shí)，儲(chǔ)層的孔滲相對(duì)較好，煤層氣的含量就會(huì)偏高。

而不同煤階煤對(duì)煤層氣的吸附能力不同，且煤階高低影響著煤層氣含量的多少，由于煤階代表著煤演化程度的高低，不同煤階煤的成巖作用和變質(zhì)程度差異較大，低煤階煤的割理不發(fā)育，故其含氣量和含氣飽和度都相對(duì)較低，十分不利于煤層氣成藏，隨著煤階的增高，煤的演化程度增加，成熟度隨之增加，儲(chǔ)層含氣量和含氣飽和度相對(duì)較高，較有利于煤層氣的成藏，但當(dāng)煤的變質(zhì)程度過(guò)高時(shí)，煤層的儲(chǔ)集能力反之下降，不利于成藏。

煤的顯微組分能在一定程度上反映出煤的成因、煤相等，對(duì)研究煤儲(chǔ)層具有很大的意義，煤的顯微組分分為有機(jī)顯微組分和無(wú)機(jī)顯微組分，而有機(jī)顯微組分又可分為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。研究表明，鏡質(zhì)組發(fā)育的煤層具有較高的含氣飽和度，其內(nèi)生裂隙十分發(fā)育，物性條件極好，對(duì)儲(chǔ)層具有一定的貢獻(xiàn)意義。

煤儲(chǔ)層極易被傷害的一個(gè)重要因素是其本身的化學(xué)成分造成的，這也是其與砂巖儲(chǔ)集層的一個(gè)重要區(qū)別，煤分子由多個(gè)不同單元構(gòu)成高分子聚合物，導(dǎo)致其對(duì)外來(lái)流體十分敏感。

1.2 煤層氣儲(chǔ)層的孔滲特征

煤層氣儲(chǔ)層的孔滲結(jié)構(gòu)是反映儲(chǔ)層好壞的一個(gè)重要參數(shù)，其孔滲的高低不僅受到煤層本身在成巖過(guò)程中的作用影響，還在很大程度上受到變質(zhì)作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等外在條件的影響。與常規(guī)儲(chǔ)層不同，煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)主要為裂隙和基巖孔隙，主要以基巖孔隙為主，是煤層氣吸附的主要場(chǎng)所，裂縫孔隙在儲(chǔ)集煤層氣的同時(shí)主要以運(yùn)移為主。煤層孔隙結(jié)構(gòu)可反映出煤的變質(zhì)特征，不同的孔隙結(jié)構(gòu)特征其成因類型不同，如原生孔隙中的氣孔多是由煤在變質(zhì)過(guò)程中由于氣體的形成、聚集而產(chǎn)生的孔隙，進(jìn)而在一定程度上反映出煤層氣儲(chǔ)層的生氣、儲(chǔ)集特征。

滲透性主要反映煤層中流體在一定壓差作用下的有效流動(dòng)能力，與常規(guī)儲(chǔ)層相比，其受影響的因素較大，且煤層具有較強(qiáng)的敏感性，這主要是由于煤本身的特性造成的，另外，外界條件對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)生較有力的影響，因此，在鉆進(jìn)過(guò)程中，煤層的滲透率對(duì)大大改變。

1.3 煤層氣儲(chǔ)層的流體性質(zhì)特征

煤層儲(chǔ)層中的氣體狀態(tài)可分為三種，即：游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)，其中游離態(tài)以自然狀態(tài)賦存在煤層中，占比相對(duì)較低，主要是在一定的壓差下發(fā)生運(yùn)移，賦存在不被占據(jù)的孔隙和裂隙中，當(dāng)壓力和溫度超過(guò)一定界限時(shí)，部分溶解在流體中，游離態(tài)的天然氣其賦存特征和常規(guī)天然氣一致。吸附態(tài)是在煤的表面會(huì)產(chǎn)生一種朝向煤內(nèi)部的一種吸力，該吸力吸附周圍的氣體，煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在與煤層表面，占比較高，當(dāng)在其吸附環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，氣體會(huì)從煤層表面脫離，由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，表現(xiàn)為煤層氣的解吸現(xiàn)象。由于煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在，故其儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)集層具本質(zhì)的不同。溶解態(tài)主要是在一定的溫度壓力條件下，溶解在地層水中的天然氣，占比相對(duì)較低。煤層中有水的存在對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害大大增加，在鉆井、完井的施工過(guò)程中，當(dāng)鉆井液和煤層水不配伍時(shí)，煤層的孔隙和裂縫會(huì)被產(chǎn)生的沉淀等堵塞，進(jìn)而造成儲(chǔ)層的滲透率大幅度降低。

2 煤層氣儲(chǔ)層傷害影響因素

煤層氣儲(chǔ)層傷害主要是在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生的，只有弄清楚其傷害機(jī)理，才能采取更好的措施保護(hù)儲(chǔ)層，在鉆進(jìn)之前，煤層氣儲(chǔ)層的物理、化學(xué)等條件恰好處在一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，當(dāng)鉆進(jìn)發(fā)生時(shí)，這種平衡會(huì)被打破，儲(chǔ)層在外在條件的影響下造成一定的傷害。通過(guò)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層特征的分析研究，認(rèn)為煤層氣儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層存在較大的差異，外界環(huán)境的改變極易造成儲(chǔ)層滲透率的大幅下降，進(jìn)而傷害儲(chǔ)層。論文主要討論在鉆井過(guò)程中，鉆井液及鉆井壓力對(duì)煤層氣儲(chǔ)層造成的傷害。

2.1 鉆井液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害

2.1.1 鉆井液侵入對(duì)儲(chǔ)層的傷害

鉆井液侵入煤層氣儲(chǔ)層后，在一定程度上會(huì)使得煤巖發(fā)生膨脹，且對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的敏感性造成破壞，當(dāng)鉆井液與煤層氣儲(chǔ)層中的地層水不配伍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的沉淀，進(jìn)而造成儲(chǔ)層孔隙和裂縫的堵塞，鉆井液中固相顆粒對(duì)儲(chǔ)層孔隙的封堵等，這些都有由于鉆井液的侵入引起的，進(jìn)而導(dǎo)致煤層氣儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率大大降低，嚴(yán)重傷害煤層氣儲(chǔ)層。

2.1.2 鉆井液固相顆粒對(duì)儲(chǔ)層的傷害

在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液攜帶固相顆粒會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層的孔隙和裂縫造成一定的封堵，進(jìn)而造成儲(chǔ)層的滲透率下降，當(dāng)鉆井液攜帶的顆粒相對(duì)較細(xì)時(shí)，顆粒在流體的作用下會(huì)更加容易侵入煤層的孔隙和裂縫中，進(jìn)而使得儲(chǔ)層的孔隙變小，滲透率下降。此外，固相顆粒的存在會(huì)在很大程度上影響煤層氣的解吸速率，研究表明，煤層氣的解吸速率變化率會(huì)隨著侵入固相顆粒的增加而減小。由于我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層的孔隙和裂縫相對(duì)較為發(fā)育，故在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)盡量避開(kāi)固相顆粒物，或采取一定的措施來(lái)控制固相顆粒對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

2.1.3 鉆井液的不配伍對(duì)儲(chǔ)層的傷害

正當(dāng)鉆井液和地層水不配伍時(shí)，會(huì)使得煤層的敏感性遭到破壞，具體表現(xiàn)為對(duì)儲(chǔ)層水敏性傷害、堿敏性傷害及有機(jī)垢和無(wú)機(jī)垢的傷害等。當(dāng)不配伍的鉆井液進(jìn)入煤儲(chǔ)層后，能引起水敏型礦物水化膨脹，使得儲(chǔ)層滲透率下降。煤層中有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，當(dāng)與堿反應(yīng)時(shí)導(dǎo)致礦物結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而引起儲(chǔ)層滲透率下降。

2.1.4 鉆井液濾液引起的水鎖對(duì)儲(chǔ)層的傷害

水鎖對(duì)儲(chǔ)層的傷害是較為普遍且較難避免的，鉆井液濾液在煤層含水飽和度相對(duì)較低時(shí)產(chǎn)生毛細(xì)管力，增加了儲(chǔ)層的含水飽和度，儲(chǔ)層本身孔隙的內(nèi)外壓力差小于該毛細(xì)管力，無(wú)法克服，這使得氣相滲透率大大降低。研究表明，當(dāng)液體的飽和度在35%左右時(shí)，氣體幾乎失去了滲透能力。可見(jiàn)水鎖對(duì)儲(chǔ)層的傷害非常大。

2.2 鉆井壓力對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害

煤層的力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)儲(chǔ)集層存在較大差異，具有泊松比較高、彈性模量小等特點(diǎn)，由于天然裂縫的存在使得煤的強(qiáng)度大大降低，因此，較小的外界壓力變化使得煤層的滲透產(chǎn)生較大的變化，可見(jiàn)鉆井壓力對(duì)煤層氣儲(chǔ)層具有較大的傷害性。鉆井壓力主要來(lái)自鉆柱的壓力、鉆井液液柱壓力以及下鉆過(guò)程中產(chǎn)生的壓力等。研究表明，鉆井壓力對(duì)滲透率相對(duì)較差的儲(chǔ)層傷害更大。煤層滲透率會(huì)隨著圍壓的增大而逐漸降低，但當(dāng)圍壓減小后，其滲透率只能恢復(fù)到原滲透率的一部分，不可能完全恢復(fù)，可見(jiàn)，鉆井壓力對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響具有不可逆性。

3 結(jié)束語(yǔ)

論文從巖石學(xué)特征、孔滲特征、流體性質(zhì)特征三個(gè)大的方面詳細(xì)分析了煤層氣儲(chǔ)層特征，認(rèn)為煤儲(chǔ)層的含氣量的多少受亮煤占比的影響，低煤階煤不利于煤層氣成藏，隨著煤階的增高，較有利于煤層氣的成藏；鏡質(zhì)組發(fā)育的煤層具有較高的含氣飽和度，對(duì)儲(chǔ)層具有一定的貢獻(xiàn)意義；煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)主要以基巖孔隙為主，是煤層氣吸附的主要場(chǎng)所，煤層氣主要以吸附狀態(tài)存在，其儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)集層具本質(zhì)的不同。鉆井液侵入、鉆井液固相顆粒、鉆井液的不配伍、鉆井液濾液引起的水鎖以及鉆井壓力是煤層氣儲(chǔ)層傷害的主要影響因素。

［1］張克瓊,安崇清,嚴(yán)冬. 煤層氣鉆井過(guò)程中的儲(chǔ)層傷害及保護(hù)技術(shù)[J]. 遼寧化工,2013,42(11):1371-1373.

［2］續(xù)化蕾,李煥文,王云飛,等. 煤層氣儲(chǔ)層水鎖傷害影響因素及防治措施研究[J]. 鉆采工藝,2019,42(06):110-112.

Analysis on Characteristics of Coalbed Methane Reservoirs and Influencing Factors of Formation Damage

1,2

（1. Xi'an Shiyou University, Xi'an Shaanxi 710065, China;2. Linfen Branch of PetroChina Coalbed Methane Co., Ltd., Linfen Shanxi 041000, China）

Based on the research status at home and abroad, the characteristics of coalbed methane reservoir were analyzed from three aspects of petrology, porosity and permeability and fluid properties. On this premise, the mechanism of formation damage caused by drilling was studied. It was considered that invasion of drilling fluid, solid particles of drilling fluid, incompatibility of drilling fluid, water lock caused by drilling fluid filtrate and drilling pressure were the main influencing factors of coalbed methane reservoir damage.

Coalbed methane; Reservoir characteristics; Damage; Influencing factors

2020-09-15

張應(yīng)建（1986-），男，工程師，在讀碩士研究生，四川省廣漢市人，就讀于西安石油大學(xué)，研究方向：氣田開(kāi)發(fā)，從事氣田生產(chǎn)技術(shù)管理。

TE357

A

1004-0935（2020）12-1574-03