煤層氣儲層破壞機理分析及其影響探討

＊李 峰

（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司 山西 048000）

前言

隨著我國社會和經濟的不斷增長，我國的工業化進程對煤層氣的需求量也在不斷增加。煤層氣是一種特殊的氣體，其孔隙、滲流、裂縫等特征，在開采過程中會對儲層產生一定的影響。為了防止鉆井過程中儲層的不穩定，需要從儲層的特性狀況出發，明確儲層的損傷機制，進而判斷儲層的損害程度[1]。本項目研究成果可為提高煤層氣開采效率、促進煤層氣高效開采提供理論基礎。在推動產業高速平穩發展的同時，也能滿足各行各業的生產需要。

1.研究煤層氣儲層破壞機理及影響的現實意義

煤層是煤層氣的主要來源，也是其主要的儲層，其生儲特征與普通天然氣有很大的不同。為了更好地認識煤層儲層的特點，需要從儲層的損傷機制和對其的控制等方面進行研究，從而為我國的煤層氣開發利用奠定基礎。在鉆孔施工中，由于受煤巖層的影響，常發生井壁煤巖體垮塌等不穩定現象，這不但會妨礙下鉆，而且會造成卡死、接單困難等意外事件，從而極大地降低了煤礦開采的進度和效率。另外，還會增大鉆孔的孔徑，影響固井質量和固井效果。

另外，煤是一種儲層，也是一種烴源巖。所以在施工中要盡量避免井壁的不穩定。在儲層污染方面，由于我國煤層儲層的滲透率不高，近90%儲層滲透率在3×10-3以下，因此，在開采中仍需關注環境污染問題。有關人員必須在弄清煤層氣儲層特性的前提下，對其產生的損傷機制進行研究，從而確定其所帶來的影響。進而可以有針對性地實施有效的防治措施，從而實現煤炭資源的開采和利用。

2.煤層氣的儲層特征

（1）巖石學特征。巖石學性質是煤層瓦斯賦存的基礎，而巖石學性質又受沉積環境的制約。由于不同類型的煤巖體，其物性及化學成分各不相同，其形成、賦存及解吸特征也不盡相同。研究結果表明：煤的含氣性與亮煤組分的關系密切。亮煤所占比例越大，儲層的孔滲性越好，則煤層氣的含氣性也就越高。此外，各煤級裂隙的發育狀況對瓦斯含量、瓦斯飽和度都有一定的影響，對煤層氣的生成不利。但隨著煤級的提高，煤的演化程度、成熟度的提高，使得儲層的含氣性有所提高，這將為煤層氣的生成創造有利的環境條件。但隨著煤的不斷變質，其儲存量也隨之降低，不具備油氣的生成條件。在對煤層儲層進行研究時，可以利用煤巖顯微成分來進行煤成因的解析。煤巖的顯微組分可分為兩類，一類是有機質顯微組分，另一類是無機顯微組分。在此基礎上，還可以進一步細分為鏡質組、殼質組和惰性組分。此外，如果煤中存在著大量的鏡質體，則具有更高的氣體飽和度和更多的裂縫，其物理性質非常好，非常適合油氣聚集。通過對煤層儲層特性的研究，認為煤層氣具有很強的破壞性。尤其是在組分上，它與砂巖儲層有很大區別，它是一種大分子聚合物，由多個單體組成，易受外界液體的作用。

（2）孔滲特征。孔滲特性是評價儲層優劣的重要指標。這是由于孔滲的大小不僅受煤自身的成巖的影響，還受外部的構造活動和變質等外部條件的控制。相對于常規儲層，煤層中的孔隙結構明顯不同于常規儲層，其以裂縫及基巖孔隙為主。在這些孔隙中，最主要的是孔隙結構，它既具有對煤層氣的吸收作用，又具有對煤層氣的高效利用作用，因此，儲層具有較好的儲集效應。所以，通過對其孔隙結構的研究，可以判斷其在不同條件下的變形特征。當孔隙結構存在較大差異時，可能或導致變形特征的較大差異。研究表明，煤巖演化過程中，煤體內部存在大量孔隙，這些孔隙主要是由煤體內部的氣體凝聚而成，能夠很好地反映出煤層瓦斯的賦存與釋放特征。滲透率是指當存在壓差時，煤體中的液體能否高效流動。與普通儲層相比，由于其自身的特點，敏感性更高，對儲層的作用也更大。因此，外部環境因素對煤層儲層的發育有重要的作用，在鉆探施工中，煤層氣的滲透率也會有很大的改變。

（3）流體性特征。煤中的瓦斯賦存形式有游離態、溶態和吸附態，而自由態則是以天然的方式發生在煤巖體中的賦存狀態，相對較少，會在壓力差的情況下發生遷移。煤層的具體賦存環境是不占壓的裂縫和孔隙。當溫度和壓強超出了極限時，部分氣體就會溶于流體中。從性質上看，其自由態與普通天然氣是一樣的。在一定的溫壓條件下，溶解在地層水中呈溶解狀態。在鉆井、完井過程中，若地層水與鉆井液不相配，則易造成孔、裂隙的淤堵，從而造成儲層的滲透率會明顯下降。所謂吸附氣態，就是煤的表面將對煤產生一種吸引力。抽吸周圍環境中的氣體-煤層氣，以吸附態賦存于煤層表層，其含量相對較高。瓦斯在吸附條件發生改變時，由吸附狀態轉變為自由狀態，這是煤層氣的解吸過程。同時，由于吸附態的影響，煤層氣的性質也不同于一般的常規儲層。

（4）裂隙特征。煤體內天然產生的裂縫按其形狀和來源可分為3種，即為割理、外生與繼承性。割理型裂縫是煤化過程中，由于煤質化過程中材料結構和結構的改變而形成的裂縫。根據層理的形狀和性質，可以將其劃分為面割理和端割理。面割理多數平行于水平面，多為板狀伸展，連續性好。端割理一般是指兩個面割理之間，它們大多垂直于水平面，或者接近于垂直。由于兩類割理均發育于煤層，其單體尺寸小，總體密度高，且在空間上呈立體網絡狀分布，故可利用等效連續介質滲流對其水和氣體的運動進行描述。

3.煤層氣儲層的破壞機理

（1）微觀破壞機理。煤的孔隙結構是煤在成煤過程中轉化為固碳時所產生的微細孔隙。而煤巖孔隙和裂縫體系，主要是以微觀孔隙和粒之間的微觀裂縫構成的。已有的煤體構造觀測試驗研究表明，煤巖體的顯微破裂模式可能會沿顯微孔隙的某個方向或者沿晶縫的交互作用而產生，如圖1所示。

圖1 煤微觀斷裂形式示意圖

穿粒和沿著晶體的斷裂形式可分為兩種：一是含微孔隙和微裂縫的斷裂；二是在不存在微孔隙的情況下，發生了沿晶斷口。圖2為煤的貫通斷裂和沿晶斷裂的兩種形式。

圖2 煤穿粒、沿晶斷裂形態

（2）氣體破壞機理。煤體內存在著極細的裂隙，就會產生范德華力失衡問題。在此條件下，界面黏著力增加，并抑制裂紋擴展。而當煤體中有孔隙氣體時，上述現象將有所減輕，范德華作用力的失衡也將被削弱。在適當的低位，瓦斯氣體壓力會加速裂隙擴展，進而導致內聚力下降，這也是一個很重要的影響因素。目前常用的方法是通過對煤體結構阻抗的改變進行調節。從宏觀角度來看，空氣壓力越大，變形模量越大。但是，如果有效應力大于某一臨界值，則會導致裂縫擴展，對結構的穩定產生不利影響。在這種情況下，孔壓加深了在裂縫擴展過程中的張應力效應，加速了裂縫的擴展。當壓縮量減小時，裂縫面間變形模量也隨之下降，這將進一步加重脆性破壞，隨著孔隙壓強度的增加，其減小的程度也隨之更加明顯。

4.煤層氣儲層的破壞影響

（1）鉆井液破壞影響。在煤層儲層開采過程中，由于地層敏感問題，會引起煤巖體的膨脹，進而造成傷害。在煤層氣儲層中，鉆井液與地層水的匹配性差，易產生沉降，造成儲層孔、縫的堵塞。比如，固體微粒在鉆井液中堵塞了煤層氣儲層的孔隙。這種情況表明，該地區的煤層氣儲層的滲透率和孔隙度均顯著降低，對煤層氣儲層產生了較大的損害。鉆井液固相的破碎，也會導致煤儲層的孔縫堵塞，從而導致儲層的滲透率下降。研究發現，顆粒越細小，越容易滲入到裂隙及孔隙中，從而減小了孔隙，從而減小了滲透率。另外，在鉆井過程中，還存在著大量的固體顆粒，這些顆粒對煤層氣的解吸速率有一定的影響。隨著固相顆粒尺寸的增加，解吸速率的改變速度也隨之減小。我國煤炭資源中，采出氣體賦存的孔隙、裂隙較為發育，所以，在鉆探時要盡量降低固體顆粒的污染，并采用其他有效的方法減少對油藏的損害。破壞儲層的失配問題，主要是指鉆井液和地層水之間的敏感損傷。對儲層的損害主要是水敏性、堿敏性及生成的無機、有機垢。其危害主要表現在非匹配鉆井液進入煤層儲層后，將引入水敏感礦物使其發生水化膨脹，從而導致儲層滲透率大幅下降。煤中含有豐富的有機質，其與堿性物質的作用將引起礦物結構的破壞，從而降低了滲透率。在低含水飽和度條件下，鉆井液濾液會對儲層產生毛細管力，從而對儲層造成損害。隨著儲層的含水飽和度提高，儲層自身的孔內壓差也將小于毛細管力。根據實驗結果，當飽和度為35%左右時，氣體將喪失其滲透性。由此可以看出，濾后水鎖對煤層氣儲層的損害是很大的。

（2）鉆井壓力破壞影響。煤的力學性質不同于普通儲層，其高泊松比和小彈性模量，自然裂隙對煤體的強度有顯著影響，外部壓力的微小變化將引起煤體滲透性的顯著改變。由此可以斷定，鉆壓對煤體滲透性的損害是很大的。鉆進過程中，鉆進的壓力主要來源于鉆柱、鉆井液液柱和下鉆過程。尤其是對于滲透率較低的油藏，鉆壓對其造成的損害更為嚴重。隨著圍壓的增大，煤體的滲透率逐漸降低。

（3）鉆井井壁穩定性影響。由于煤是一種高強度的脆性巖層，在開采和生產加工中極易受到損傷。尤其是相對于大斜度井，水平井更易遭受損害。這主要是因為鉆孔的穩定程度直接影響到了甲烷氣井的生產。在水平鉆井作業中，由于井壁發生垮塌等原因，會給水平井帶來巨大的經濟損失。這與鉆井施工中所遭遇的欠平衡鉆井和泄壓鉆井有著密切的關系。為了有效地進行鉆探作業，必須進行鉆探作業時的穩定預測，以便更好地進行鉆探決策。

（4）水力壓裂增產影響。在煤層中，由于壓裂問題的作用，往往會在煤層內部形成裂隙。通過分析，發現該斷裂的幾何形態以“T”形縫和多條分枝縫為主。比如，煤的脆性很大，當流體進入裂隙時，周圍的孔壓增大，原位應力的改變導致了剪切破壞的發生。在實驗研究中發現，當煤體受到剪切損傷時，其儲層中將產生煤粒。煤體顆粒的運移將對煤體的滲透性和裂隙的傳導性產生一定的影響。由于剪切破壞而產生的剪脹，同樣可以促進滲透性的提高，可以在壓裂的操作中加以控制從而提升產出率，在此基礎上，通過數值模擬的方法，研究在不同條件下，煤體水力壓裂對煤體剪切損傷的影響。

（5）甲烷生產過程影響。煤層氣井開采后，因井下流體壓力的降低，將產生切削損傷，同時，水壓崩潰也可導致煤體損傷。這類切削損傷可導致水平井井壁坍塌、中煤粒產率增加，但易堵塞地層及裂縫，對泵及壓力裝置產生損害。預測煤的損傷程度及顆粒生成的臨界壓力，是生產決策的關鍵，需要采取相應的防范措施，從而防止或避免事故的發生。準確測定煤體破裂壓力及煤粒生成臨界壓力，可有效降低瓦斯井壓差，減緩顆粒運移對地層及裂縫的堵塞，實現高效充填井眼。同時，還可以降低對水泵、壓縮機等設備造成的損失。

5.結語

總之，煤層氣儲層的形成與鉆井液、鉆井壓力、井壁的關系密切，水力壓裂和瓦斯開采都會對儲集層的滲透性造成損害。針對煤層儲層的特點，在把握其成因、發育狀態和對其的作用規律的基礎上，進行合理的優化控制工作。然后，開發商就可以從源頭預估可能出現的裂縫、破壞和堵塞等不利因素，從而采取相應的防治措施。如果不能有效地控制井壁塌陷、滲漏等問題，則不能確保煤層儲層的正常鉆進，不僅不能達到開采和使用的目的，而且還會對煤層儲層造成損害。為了實現這一目標，必須對鉆進過程進行穩定預測，從而實現對鉆進決策的控制。