田永東,武 杰

(1.國家能源煤與煤層氣共采技術重點實驗室,山西晉城 048204;2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司,山西 晉城 048006;3.煤與煤層氣共采山西省重點實驗室,山西晉城 048006)

沁水盆地南部高煤階煤儲層敏感性

田永東1,2,武 杰2,3

(1.國家能源煤與煤層氣共采技術重點實驗室,山西晉城 048204;2.山西藍焰煤層氣集團有限責任公司,山西 晉城 048006;3.煤與煤層氣共采山西省重點實驗室,山西晉城 048006)

為實現(xiàn)沁水盆地南部煤層氣的高效開采,對該區(qū)主力煤儲層3號煤進行了流速敏感性、水敏感性、堿敏感性和應力敏感性實驗分析。實驗結果表明:3號煤速敏損害程度為中等偏弱,在實際煤層氣開發(fā)過程中要重視含砂壓裂液對煤層沖刷產(chǎn)生的煤粉運移造成的速敏損害;3號煤為中等偏弱水敏儲層,向工作液中添加少量KCl可以起到降低水敏的效果;3號煤為弱堿敏儲層,但高pH值工作液會使壓裂用的石英砂受堿液溶解而降低支撐效果;3號煤為強應力敏儲層,根據(jù)升壓和降壓階段滲透率變化對比,不可逆損害率達55.88%。在煤層氣藏的開發(fā)過程中,通過加強儲層保護理論上可以提升煤層氣產(chǎn)量。

高煤階;煤儲層;敏感性;沁水盆地;煤層氣

我國煤層氣儲層大多低孔(孔隙度＜10%)、低滲(滲透率＜1×10-15m2)、低壓(煤層一般埋深淺)[1],煤層氣開發(fā)過程引入的各種外來液體以及造成煤層原始條件的改變,都可能產(chǎn)生煤層傷害,從而導致煤層滲透率降低[2-7]。對于煤儲層傷害前人已經(jīng)做過較多研究[8-17]:熊友明等論述了煤層巖芯流動實驗的作法以及各類工作液對煤層巖芯的損害評價方法[8];叢連鑄等研究了各種壓裂液對煤層滲透率的傷害,認為壓裂液堵塞煤層割理和煤基質吸附壓裂液膨脹是傷害煤層滲透率的兩大因素[9-10];汪偉英等研究了鉆井液侵入對煤儲層的傷害,指出煤巖的膨脹程度直接受煤中黏土礦物的影響[11];對煤層應力敏感性的研究較為深入,孟召平、陳振宏等研究了煤層氣開發(fā)過程中存在的應力敏感性,認為煤儲層滲透率隨有效應力的增加按負指數(shù)函數(shù)規(guī)律降低,煤層含水飽和度愈高應力敏感性愈強,煤層原始滲透性越差,應力敏感對產(chǎn)量的影響越大[15,17]。但是目前敏感性實驗內容大多集中在應力敏感和鉆井液、壓裂液對煤層滲透率的傷害上,對其他敏感性研究鮮有報道,針對原始滲透率更低的沁水盆地南部高煤階煤儲層敏感性的研究更少,而且,由于目前沁水盆地南部高階煤煤層氣的生產(chǎn)實踐大多采用清水鉆井和水基壓裂液,對儲層傷害重視明顯不足。因此有必要從煤儲層特征出發(fā),結合煤層氣開發(fā)區(qū)實際,系統(tǒng)研究沁水盆地南部高煤階煤儲層的敏感性,從而為加強沁水盆地南部煤層氣儲層保護,提升煤層氣井產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 實驗樣品和方法

1.1 實驗樣品

樣品取自沁水盆地南部高煤階煤層的典型地區(qū)寺河井田,寺河井田含煤地層總厚平均147.19 m,可采煤層平均厚9.59 m,目前煤層氣的主力儲層是3號煤層,位于山西組下部,煤厚平均5.59 m,屬穩(wěn)定可采煤層。寺河3號煤鏡質組反射率Ro,max平均為3.24%,為高變質無煙煤,煤中鏡煤條帶極其發(fā)育,宏觀煤巖類型以光亮型為主(圖1)。

圖1 寺河3號煤宏觀煤巖Fig.1 Macroscopic coal petrography of Sihe coalbed 3

寺河3號煤中孔隙大多為氣孔和粒間孔,并分布少量被充填的組織孔[18-20],煤中大多數(shù)孔隙被礦物充填,充填礦物主要是黏土礦物(圖2)。寺河3號煤BET平均孔徑非常小,為2.221～2.825 nm,克氏滲透率為0.061×10-15～0.771×10-15m2,屬低滲—超低滲儲層(表1)。

圖2 寺河3號煤中的孔隙及充填礦物Fig.2 Pores and filling minerals in Sihe coalbed 3

表1 測試煤樣基本性質Table 1 Basic properties of coal samples

煤中含有多種礦物,主要為黏土類礦物、硫化物礦物、氧化物礦物和碳酸巖類礦物。煤的工業(yè)分析中的灰分含量可反映煤中的礦物含量,寺河3號煤中灰分含量超過10%(表1),而且通過礦物分析發(fā)現(xiàn)3號煤黏土礦物的含量占礦物總量的90%左右,說明3號煤中含有較多礦物且主要是黏土礦物,而黏土礦物是引起水敏、速敏和堿敏的主要礦物(表2),所以寺河3號煤存在潛在的敏感性傷害。

1.2 實驗設備與方法

實驗采用海安石油科研儀器廠生產(chǎn)的LSY-1A型儲層傷害分析儀,實驗樣品的處理與實驗過程依據(jù)國標 SY/T 5336—2006巖芯分析方法和 SY/T 5358—2010儲層敏感性流動實驗評價方法。其中在速敏實驗過程中,由于實驗煤樣的滲透率較低,當使用恒定流速進行驅替實驗時,整個過程中壓力波動太大,無法獲取穩(wěn)定的滲透率值,故本實驗采用改變驅替壓力代替改變流速進行速敏實驗,由小到大設定一定間隔的驅替壓力,并測定在每個驅替壓力下的穩(wěn)定滲透率。實驗進行完所有壓力點后在保持不間斷流動的情況下,切換流體注入方向,通過巖芯正反向滲透率的變化來研究顆粒運移對巖心滲透率的影響程度。

表2 常見黏土礦物的基本存在形式及潛在損害Table 2 Basic forms of common clay minerals and potential damage

2 實驗結果與討論

2.1 速敏實驗

圖3為速敏實驗結果。在正向流動實驗,隨著驅替壓力的逐漸增大,滲透率在剛開始一直保持不變,當驅替壓力增大到1 MPa時滲透率開始下降,并且在2 MPa時達到最低值,此時滲透率值降為初始值的一半,但是隨著驅替壓力的增加滲透率又逐漸恢復,直至達到5.5 MPa時仍保持平穩(wěn);在最大驅替壓力值下進行換向流動實驗,反向驅替時滲透率下降為0.344 8×10-15m2,為初始滲透率的60%。

圖3 速敏曲線Fig.3 The velocity sensitivity curve

分析整個實驗過程可看出,煤樣具有速敏感性,微粒運移也確實存在,之所以在低驅替壓力處出現(xiàn)滲透率降低、在高驅替壓力處又恢復的情況,是因為低壓運移的微粒堵塞孔隙通道后在高壓時被沖開,而換向流動的滲透率降低更直接說明微粒運移的存在,也能看出微粒運移對滲透率傷害的程度較大。

僅從該實驗現(xiàn)有數(shù)據(jù)看,該煤樣敏感性損害程度為中等偏弱,但是在實際煤層氣開發(fā)過程中,運移的微粒并不僅僅是原有自由顆粒以及被水化脫落的黏土礦物,更重要的是壓裂過程中含砂壓裂液對煤層的沖刷產(chǎn)生的煤粉,因而煤層氣開發(fā)過程實際引起的速敏要較本實驗所得評價結果高。所以,在煤層氣壓裂和排采過程中,要合理控制壓裂液返排速度和排采工作制度,建議排采堅持“緩慢、持續(xù)、穩(wěn)定”的降液原則,保證液面穩(wěn)定緩慢下降,防止液面突降造成壓力激動產(chǎn)生煤粉運移對煤層滲透率造成傷害。

2.2 水敏實驗

圖4為煤樣水敏實驗結果。煤樣滲透率值在KCl溶液質量分數(shù)為8%,4%,0時依次遞減,計算的水敏損害率為9.91%～36.93%,根據(jù)水敏性評價指標,水敏程度為中等偏弱,即寺河3號煤為中等偏弱水敏儲層。產(chǎn)生水敏的根本原因是注入水引起黏土膨脹、分散、運移,使得滲流通道變化導致儲層滲透率發(fā)生變化。所以,在煤層氣生產(chǎn)過程中加注的工作液中應當添加適量黏土穩(wěn)定劑以降低水敏傷害。同時根據(jù)實驗過程可看出,工作液中添加一定比例的KCl可以起到降低水敏的效果。

圖4 水敏曲線Fig.4 The water sensitivity curves

2.3 堿敏實驗

實驗結果如圖5所示,從圖中可直觀看出煤樣的滲透率隨著注入溶液的pH值的增大呈逐漸降低的趨勢,在pH＜10時滲透率降幅較緩,而在pH＞10時滲透率降幅變快,在pH=13時滲透率降至初始滲透率的29.29%,堿敏損害程度為弱損害程度,所以寺河3號煤為弱堿敏損害煤層。分析其原因是由于煤中強堿敏性礦物石英、長石含量較少,黏土礦物含量雖然較多,但堿敏最強的高嶺石含量較少。另外,值得注意的是,雖然3號煤儲層為弱堿敏性儲層,但是堿敏傷害也是不可忽視的,尤其是在使用高pH值工作液時更應該注意,盡量避免強堿溶液溶解石英砂支撐劑而降低支撐效果,造成滲透率大幅較低。

圖5 滲透率隨pH值變化曲線Fig.5 The change curve of permeability with the pH

2.4 應力敏實驗

為了更為直觀地描述煤儲層應力敏感性對滲透率的影響,定義無因次滲透率k/k0為滲透率k與煤巖初始滲透率k0的比值。從圖6可以看出,在升壓階段,隨著凈圍壓的增加煤樣滲透率急劇降低,當凈圍壓升至5 MPa時,k/k0降至0.203 2,滲透率較初始滲透率的變化率為79.68%,損害程度為強損害;在降壓階段,樣品的滲透率有所恢復,但是并不能恢復到初始水平,樣品不可逆損害率達55.88%,這種現(xiàn)象是由于升壓閉合的裂隙再卸壓后不能完全恢復張開造成。由此表明,煤層氣井排采過程中的壓力波動會造成煤巖孔裂隙變形,從而對儲層的滲透性造成傷害,而且這種變形具有塑性變形的特征,煤層滲透率產(chǎn)生不可逆下降,不可逆程度高于50%。所以在煤層氣藏的開發(fā)過程中,單純增大生產(chǎn)壓差,可能會導致地層滲透率的急劇降低,反而影響煤層氣井產(chǎn)量的提高。

圖6 煤樣無因次滲透率隨凈圍壓變化曲線Fig.6 The change curves of dimensionless permeability with net confining pressure

3 結論及建議

(1)沁水盆地南部高煤階煤儲層存在不容忽視的敏感性,尤其是應力敏感性,通過加強儲層保護理論上可以提升煤層氣產(chǎn)量。

(2)實驗測試的速敏損害程度為中等偏弱,但在實際煤層氣開發(fā)過程中,壓裂產(chǎn)生的煤粉運移造成的速敏損害影響更大,建議在煤層氣井排采過程中遵循“緩慢、持續(xù)、穩(wěn)定”的降液原則。

(3)沁水盆地南部高煤階儲層為中等偏弱水敏儲層,在煤層氣生產(chǎn)過程中向工作液中添加少量KCl可以起到一定的降低水敏的效果。

(4)沁水盆地南部高煤階儲層為弱堿敏儲層,但仍要控制工作液pH值,高pH值工作液會使壓裂用的支撐劑石英砂受堿液溶解而降低支撐效果,造成滲透率大幅較低。

(5)沁水盆地南部高煤階儲層為強應力敏儲層,且升壓和降壓造成的滲透率變化不可逆。在煤層氣藏的開發(fā)過程中,單純增大生產(chǎn)壓差可能會導致儲層滲透率的急劇降低,反而影響煤層氣井產(chǎn)量的提高。

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Sensitivity of high-rank coal-bed methane reservoir in the Southern Qinshui Basin

TIAN Yong-dong1,2,WU Jie2,3

(1.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-bed Methane,Jincheng 048204,China;2.Shanxi Lanyan CBM Group Co.Ltd., Jincheng 048006,China;3.Shanxi Province Key Laboratory of Coal and Coalbed Methane Simultaneous Extraction,Jincheng 048006,China)

In order to achieve a high-efficient exploitation of CBM in the southern Qinshui Basin,the velocity sensitivity,water sensitivity,alkaline sensitivity and stress sensitivity of the main coalbed 3 were investigated and analysed.The results show that:the degree of velocity sensitivity damage at the coalbed 3 varies from medium to weak.In the actual CBM development process,the velocity sensitivity damage is due to the transportation of coal powder produced by the coalbed washout of the fracturing fluid containing sand.The degree of water sensitivity damage at the coalbed 3 varies from medium to weak.Adding a small amount of KCl to the working fluid can reduce the water sensitivity effect.The coalbed 3 is a weak alkaline sensitive reservoir,however,the high pH fluids will dissolve quartz sand and reduce the support effect.The coalbed 3 is a strong stress sensitivity reservoir.According to the comparison of permeability change in the step-up and step-down phases,the irreversible damage rate is 55.88%.In the coalbed methane development process,in theory,strengthening reservoir protection can increase the coalbed methane production.

high rank;coal reservoir;sensitivity;Qinshui Basin;coal-bed methane

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1835-05

2014-06-01 責任編輯:畢永華

山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項目(2012012006)

田永東(1969—),男,山西晉城人,高級工程師,博士。E-mail:ydtian@163.net。通訊作者:武 杰(1985—),男,山西大同人,工程師,碩士。E-mail:11wujie1985@163.com

田永東,武 杰.沁水盆地南部高煤階煤儲層敏感性[J].煤炭學報,2014,39(9):1835-1839.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8017

Tian Yongdong,Wu Jie.Sensitivity of high-rank coal-bed methane reservoir in the Southern Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1835-1839.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8017