金鑫

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

冷炎,鄧拓

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西 太原 030000)

任維娜

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

王順波

(中海油山西清潔能源技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

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壽陽(yáng)七元煤礦15#煤層煤巖特性研究

金鑫

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

冷炎,鄧拓

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西 太原 030000)

任維娜

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

王順波

(中海油山西清潔能源技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

[摘要]利用掃描電子顯微鏡和室內(nèi)煤樣試驗(yàn)手段，分析研究了壽陽(yáng)七元煤礦15#煤層的煤巖特性，包括全巖礦物及黏土礦物分析、掃描電鏡分析、煤巖對(duì)鉆井液的膨脹性、煤巖表面潤(rùn)濕性等。研究結(jié)果表明，壽陽(yáng)七元煤礦15#煤層煤巖中含有少量黏土礦物及碳酸鹽巖礦物，煤巖內(nèi)部微裂縫與溶孔發(fā)育，個(gè)別孔隙中充填有黏土礦物；煤巖在蒸餾水中表現(xiàn)出較強(qiáng)的水化膨脹效應(yīng)，其次是KCl和聚合物溶液，且隨著KCl和聚合物含量增加，膨脹性減弱；煤樣表面對(duì)清水接觸角68.3°，但親水性比砂巖弱很多，屬于弱親水性。研究結(jié)果可為鉆井工程實(shí)施方案的制定及分析判斷鉆井過(guò)程中煤儲(chǔ)層的傷害機(jī)理研究提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]煤巖特性；15#煤層；膨脹性；潤(rùn)濕性

七元煤礦位于山西省壽陽(yáng)縣，該煤礦煤層含氣量高：15#煤層北一盤(pán)區(qū)工作面日產(chǎn)量為7000t時(shí)的最大相對(duì)瓦斯涌出量為22.82m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為135.93m3/min，在考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù)后高峰期則為203.90m3/min；南一盤(pán)區(qū)工作面日產(chǎn)量為7303t時(shí)最大相對(duì)瓦斯涌出量為23.69m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為145.14m3/min，在考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù)后高峰期則為217.71m3/min[1]。七元煤礦煤層氣井屬于高瓦斯礦井[2]。為使礦井瓦斯含量降低到礦井安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，七元煤礦實(shí)施瓦斯地面抽采(生產(chǎn)煤層氣)，但在使用清水為鉆井液的鉆井施工過(guò)程中多次出現(xiàn)煤層坍塌等復(fù)雜情況，而所使用鉆井液對(duì)煤層的傷害機(jī)理又缺少考證。為此，筆者針對(duì)礦區(qū)內(nèi)主要目的煤層15#煤層進(jìn)行煤巖特性研究。

1七元煤礦15#煤層儲(chǔ)層特征

七元煤礦位于沁水盆地東北緣，礦區(qū)面積195km2，其中首采區(qū)面積26.3km2。七元煤礦含煤地層有石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組。其中本溪組及下石盒子組的煤層為不可采煤層，無(wú)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。太原組與山西組為勘查區(qū)主要含煤地層。煤層自上而下編號(hào)為1、2、3、4、5、6、8、9、11、12、13、15、16，其中1～6#煤層為山西組煤層，其余為太原組煤層，8#和15#煤層全區(qū)發(fā)育，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

15#煤層為主要目的煤層，厚度變化在3～4.5m，平均厚度在3.77m。埋深在600～920m，平均埋深730m，該區(qū)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～4層夾矸，多數(shù)區(qū)域只有上下2層夾矸。最穩(wěn)定發(fā)育的是下夾矸，厚度0.3～0.5m，發(fā)育在距底層1～1.5m。該煤層煤質(zhì)為中灰、低硫、低磷、高熱值煤，以半亮型煤為主，局部含黃鐵礦。該煤層滲透率較低，通過(guò)煤田鉆孔求取的滲透率平均值為0.045mD，煤層氣參數(shù)井獲取的滲透率平均值為0.29mD，試井滲透率平均值為0.48mD。該區(qū)塊前期部分鉆井取心不帶壓測(cè)試的孔隙度平均值5.8%左右，部分煤層氣參數(shù)井試井獲得的地層壓力平均4.54MPa，地層凈水柱壓力平均7.82MPa，地層壓力系數(shù)平均為0.56，比正常的靜水壓力系數(shù)低很多。15#煤層儲(chǔ)層溫度20.44～33.43℃，平均儲(chǔ)層溫度27.21℃，500m以上地溫梯度平均1.15℃/100m，500m以下地溫梯度平均1.45℃/100m。

2煤心制取及試驗(yàn)方案

2.1煤心制取

煤樣取自壽陽(yáng)區(qū)塊七元煤礦礦井內(nèi)15#號(hào)煤層(干樣)，采用干冰將煤樣冰凍36h后在小幅增加鉆壓的基礎(chǔ)上，用液氮作為鉆頭冷卻劑，鉆取直徑2.5cm、長(zhǎng)度5～7cm的巖心。這樣可以提高煤巖的取心成功率，同時(shí)也保持了煤巖的原始特性。

2.2試驗(yàn)方案

2.2.1全巖礦物和黏土礦物分析

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T5163-2010)[3]執(zhí)行，主要是測(cè)試煤巖的礦物組成和含量、黏土礦物種類和相對(duì)含量，為分析煤巖在遇到水性流體時(shí)可能發(fā)生的變化提供參考依據(jù)。

2.2.2掃描電鏡分析

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中自生粘土礦物掃描電子顯微鏡及X射線能譜鑒定方法》(GB/T17361-1998)[4]執(zhí)行，掃描電鏡分析(SEM)可以直觀反映煤巖表面性質(zhì)、孔隙和微裂縫發(fā)育程度以及黏土礦物在煤巖中的分布狀態(tài)等。

2.2.3膨脹性測(cè)試

將塊狀煤樣粉碎過(guò)100目篩，烘干后稱重10g在6MPa、10min下壓制成圓柱形樣品，在30℃、6MPa下測(cè)試其在不同介質(zhì)中的膨脹率，并進(jìn)行對(duì)比。

2.2.4表面潤(rùn)濕性

利用接觸角法測(cè)定煤樣對(duì)清水(現(xiàn)場(chǎng)鉆井水)潤(rùn)濕性，以接觸角大小表征煤樣對(duì)清水的潤(rùn)濕性。

3研究結(jié)果

煤巖特性研究是認(rèn)識(shí)煤層地質(zhì)特性的必要手段，煤層的敏感性評(píng)價(jià)、損害機(jī)理研究、綜合診斷、保護(hù)儲(chǔ)層技術(shù)方案的設(shè)計(jì)都必須建立在煤巖特性研究之上，所以煤巖特性研究是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中不可缺少的重要組成部分。煤巖特性研究可以全面認(rèn)識(shí)煤層物理性質(zhì)及煤層中敏感性礦物的類型、產(chǎn)狀、含量以及分布特點(diǎn)；確定煤層潛在損害類型、程度及原因；為各項(xiàng)作業(yè)中保護(hù)儲(chǔ)層技術(shù)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)和建議[5]。

3.1全巖礦物/黏土礦物種類分析

對(duì)七元煤礦15#煤層的2種樣品進(jìn)行了全巖礦物和黏土礦物分析，具體結(jié)果見(jiàn)表1和表2。從表1和表2可見(jiàn)，壽陽(yáng)七元煤礦15#煤層中含有少量黏土礦物及碳酸鹽巖礦物。其中硫鐵礦易發(fā)生酸敏性損害，黏土礦物伊利石與高嶺石易發(fā)生速敏性損害，伊/蒙混層有發(fā)生水敏性損害的可能。

表1　15#煤層煤樣全巖礦物分析

3.2掃描電鏡分析

采用JSM-6610LV分析型掃描電子顯微鏡，對(duì)15#煤層煤樣的表面進(jìn)行高分辨微觀形貌觀察與樣品表面微區(qū)化學(xué)成分的定性分析，分析分為垂直割理方向和水平割理方向2部分，具體結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2、表3、表4。

表2　15#煤層煤樣黏土礦物分析

圖1　15#煤層煤樣垂直割理方向掃描電鏡照片

圖片號(hào)放大倍數(shù)解釋 圖1(a)30 全貌,致密,見(jiàn)層間條紋;圖1(b)396 層間黏土礦物,元素成分為Si、Al和O;圖1(c)2500 碳質(zhì)粒內(nèi)孔隙、碳質(zhì)成分為C和少量Si、Al、O、S;圖1(d)3010 約2～10μm有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔隙;

煤巖的掃描電鏡照片顯示了微裂縫與溶孔的微觀狀態(tài)。微裂縫的存在加劇了應(yīng)力敏感性，也是固相微粒侵入以及大分子處理劑內(nèi)吸附等損害的有利條件。楊宇等通過(guò)計(jì)算煤層孔隙分形維數(shù)發(fā)現(xiàn)低階煤主要以大孔及微孔-過(guò)渡孔為主，孔隙連通性好，利于煤層氣的開(kāi)發(fā)；高階煤主要以微孔-過(guò)渡孔為主，利于煤層氣的聚集[6]。從圖1和圖2可看出，煤巖較均質(zhì)，個(gè)別孔隙中充填有黏土礦物，有潛在的水敏損害趨勢(shì)；從表3和表4可見(jiàn)，有機(jī)質(zhì)中主要的元素為C，少量的Si、Al、O、S元素屬于表面附著的黏土礦物。

圖2　15#煤層煤樣水平割理方向掃描電鏡照片

圖片號(hào)放大倍數(shù)解釋 圖2(a)30 全貌,致密,元素成分為C和少量的Si、Al、O、S;圖2(b)800 見(jiàn)一有機(jī)質(zhì)裂縫,有機(jī)質(zhì)成分為C和少量的Si、Al、O、S;圖2(c)1500 有機(jī)質(zhì)表面附著黏土微粒,成分為C和少量的Si、Al、O、S;圖2(d)2210 有機(jī)質(zhì)表面附著黏土微粒;

圖3　15#煤層煤巖在不同工作液中的膨脹性

3.3膨脹性研究

為驗(yàn)證常用煤層氣鉆井液對(duì)七元煤礦15#煤層煤巖膨脹性的影響，取現(xiàn)場(chǎng)煤屑粉碎磨細(xì)，稱10g，在6MPa下壓制10min制成圓柱形樣品。配制一定量的不同工作液，利用線性膨脹儀測(cè)定煤樣在各工作液中的膨脹率，采用蒸餾水做對(duì)比試驗(yàn)，膨脹試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，煤巖膨脹主要發(fā)生在開(kāi)始與水接觸的3h時(shí)間內(nèi)。其在蒸餾水中表現(xiàn)出較強(qiáng)的水化膨脹效應(yīng)，其次是KCl和聚合物溶液，且隨著KCl和聚合物含量增加，膨脹性減弱。煤層氣井鉆井液必須具有良好的抑制性[7]，鉆井液中加入一定量的KCl和聚合物能有效抑制煤巖的膨脹，同時(shí)減少外來(lái)液體進(jìn)入煤巖也是降低煤巖膨脹的途徑之一。

3.4表面潤(rùn)濕性研究

液體在煤巖表面潤(rùn)濕(鋪展)的傾向性稱為煤巖的潤(rùn)濕性。煤巖的潤(rùn)濕性一般可分為親水性和親油性2大類。煤巖的潤(rùn)濕性取決于礦物的晶體結(jié)構(gòu)、地層流體的活性組分性質(zhì)，工作液侵入也可以改變煤巖的潤(rùn)濕性[8～10]。

采用接觸角法和自吸高度法對(duì)七元煤礦15#煤層煤巖進(jìn)行潤(rùn)濕性測(cè)試，其中接觸角法試驗(yàn)測(cè)得壽陽(yáng)七元煤礦15#煤層煤巖對(duì)清水接觸角為68.3°，屬于弱親水性；自吸高度法測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。與強(qiáng)水濕石英砂相比，煤巖自吸高度低得多，說(shuō)明煤巖的親水性比砂巖弱得多。

表5　七元煤礦15#煤層自吸高度法潤(rùn)濕性測(cè)試結(jié)果

4結(jié)論

1)壽陽(yáng)七元煤礦15#煤層中含有少量黏土礦物及碳酸鹽巖礦物，其中硫鐵礦易發(fā)生酸敏性損害，黏土礦物伊利石與高嶺石易發(fā)生速敏性損害，伊/蒙混層有發(fā)生水敏性損害的可能。

2)15#煤層煤巖微裂縫與溶孔發(fā)育，微裂縫的存在加劇了應(yīng)力敏感性，也是固相微粒侵入以及大分子處理劑內(nèi)吸附等損害的有利條件。

3)15#煤層煤巖較均質(zhì)，個(gè)別孔隙中充填有黏土礦物，有潛在的水敏損害趨勢(shì)。

4)15#煤層煤巖膨脹主要發(fā)生在開(kāi)始與水接觸的3h內(nèi)，其在蒸餾水中膨脹率最大，KCl鹽水和聚合物溶液能夠有效抑制其膨脹。

5)15#煤層煤巖對(duì)清水接觸角68.3°，親水性比砂巖弱得多，屬于弱親水性。

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[編輯]趙宏敏

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)13-0022-05

[中圖分類號(hào)]TE135.1；P618.13

[作者簡(jiǎn)介]金鑫(1982-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事非常規(guī)能源鉆完井工藝方面的研究工作；E-mail jinxin2@cnooc.com.cn

[基金項(xiàng)目]中國(guó)海洋石油總公司煤層氣科技攻關(guān)項(xiàng)目(GC2014SRZCS011)。

[收稿日期]2016-01-26

[引著格式]金鑫，冷炎,鄧拓，等.壽陽(yáng)七元煤礦15#煤層煤巖特性研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(13)：22～26.