煤巖儲層潛在損害因素分析

敬軍淇 何志君

摘 要：我國的煤層氣資源豐富，開發(fā)潛力巨大。然而，煤巖儲層巖性致密且?guī)r石強度低，敏感性礦物含量高，在鉆完井、水力壓裂和后期的生產(chǎn)過程均極易產(chǎn)生儲層損害。為了保護儲層，提高和維持氣井產(chǎn)能，文章從黏土礦物、非黏土敏感性礦物、外來流體與儲層的相互作用三方面系統(tǒng)地總結(jié)了煤巖儲層的潛在損害類型。并解釋了相應的損害機理，為后期的儲層保護工作作出了有益的指導。

關鍵詞：煤層氣；儲層損害；黏土礦物；非黏土敏感性礦物

前言

煤層氣（coalbed methane）是一種煤層本身自生自儲式的非常規(guī)天然氣資源，主要成分是甲烷。我國煤層氣資源豐富，近年來的勘探開發(fā)取得了重要進展，但也存在諸多亟待解決的難題，如何預防和控制煤巖儲層損害便是其中之一。

煤巖儲層節(jié)理發(fā)育，巖石強度低，在鉆井過程中極易發(fā)生井漏，同時大規(guī)模的水力壓裂也有大量流體侵入，這是儲層潛在損害的外來物源。同時，煤巖儲層黏土礦物等敏感性含量高，在儲層溫度壓力條件改變或與儲層流體、外來流體相互作用之后，也極易誘發(fā)儲層損害[1-2]。因此，有必要對煤巖儲層的潛在損害因素做出梳理和分類，明確損害類型和機理，為鉆井完井、壓裂改造和氣田開發(fā)中的保護技術工作提供技術支持。

1 煤巖儲層分類概述

煤巖的主要成分為有機碳，黏土礦物含量在10%左右，此外還含有一定量的石英、長石等礦物。煤巖儲層的巖性致密，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理縫、微裂縫是主要的滲流通道，煤巖基質(zhì)中大量發(fā)育納米級孔隙，甲烷在其中主要以擴散方式運移。針對煤巖儲層的上述特點，其潛在儲層損害類型可分為三大類：黏土礦物、非黏土礦物和外來流體與儲層相互作用三大類型。

2 黏土礦物及潛在損害

2.1 黏土礦物類型及產(chǎn)狀

煤巖儲層黏土礦物中，非膨脹型黏土礦物高嶺石、綠泥石和伊利石含量很高，而膨脹型黏土礦物伊/蒙混層含量較少，甚至不含。

高嶺石：單體呈六方片狀，集合體呈書頁狀、蠕蟲狀、手風琴狀。其晶間孔孔徑太小，較大的毛管力為外來流體進入儲層提供了足夠大的動力，加之巖石的比表面積大，因此外來水相易于在高嶺石集合體中形成水相圈閉。所以，高嶺石對儲層潛在的損害為水相圈閉、堿敏、酸敏和速敏。

伊利石：晶體細小，掃描電鏡下呈不規(guī)則片狀、蜂窩狀。集合體形態(tài)為鱗片狀、板條狀、羽毛狀等。伊利石的這些產(chǎn)狀將儲層中大孔道分割成小孔道，造成儲層高含水飽和度，形成水相圈閉；同時，毛發(fā)狀或絲狀的伊利石微晶集合體可能會進一步分散，造成微粒運移，堵塞孔道。因此伊利石對儲層的潛在損害是強水相圈閉、速敏、堿敏，其次是鹽敏/水敏、酸敏等。

綠泥石：多為自生成因，在掃描電鏡下單體形態(tài)為針葉狀、玫瑰花朵狀、絨球狀；集合體呈薄片狀、鱗片狀可形成孔隙襯邊。綠泥石主要為層狀構造，損害方式包括鹽酸酸敏和速敏。

伊/蒙間層：掃描電鏡下粒表呈絲狀、蜂窩狀。形態(tài)與伊利石相似，膨脹性微弱，損害方式主要有水敏、堿敏和速敏。

2.2 黏土礦物物理化學性質(zhì)

與儲層損害相關的常見黏土礦物理化特性參數(shù)主要包括以下三個方面。（1）陽離子交換性質(zhì)：通常黏土礦物離子交換能力依次降低的順序是蒙脫石-伊利石-綠泥石-高嶺石。由于本研究區(qū)是以高嶺石含量為主，高嶺石的離子交換能力很低，研究區(qū)離子交換能力很低。（2）膨脹性：大部分黏土礦物都具有膨脹性，常見的黏土礦物中，膨脹性由高到低的次序是：蒙脫石-間層礦物-綠泥石-伊利石-高嶺石，這是由礦物的結(jié)構所決定的。由于本研究區(qū)是以高嶺石為主，高嶺石的膨脹性較低，研究區(qū)總的膨脹性也不會高。（3）比表面：比表面指單位體積的煤樣內(nèi)所有顆粒的總表面積，顆粒愈細，比表面愈大，愈容易與外來流體發(fā)生反應，化學成分的差異與流體的反應亦不同。

3 非黏土敏感性礦物及其潛在損害

除黏土礦物之外，儲層中還存在一定量的非黏土敏感性礦物，包括碳酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫化物和氧化物礦物等。碳酸鹽礦物主要是指充填次生粒間孔、粒內(nèi)溶孔及包裹有濁沸石溶蝕殘余的含鐵方解石、鐵方解石和鐵白云石。鐵方解石、鐵白云石等為鹽酸敏感性礦物，與HCl反應釋放出Fe2+、Fe3+。在富氧流體中，F(xiàn)e2+還會轉(zhuǎn)化為Fe3+。當液體pH值升高到一定程度時，會生成鐵絮狀沉淀而堵塞喉道，造成儲層損害。

一些高含鈣和鎂的礦物對HF較為敏感，如方解石、白云石等與氫氟酸反應后，礦物溶解釋放出離子作用生成不溶解的氟化物，滯留在孔隙中。同時一些硅酸鹽礦物，如石英、長石等，與氫氟酸作用后，在一定條件下可形成氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽及硅凝膠沉淀物，堵塞喉道，降低滲透率。

4 外來流體與儲層相互作用后的潛在損害

4.1 無機垢

煤巖儲層結(jié)垢類型主要為無機垢。研究區(qū)地層水中富含Ca2+、Mg2+等二價離子，煤巖氣藏主要結(jié)CaSO4、CaCO3垢，對煤巖氣藏開發(fā)滲透率影響較大。高pH值工作液進入儲層，易于與Ca2+、Mg2+結(jié)合形成沉淀，堵塞孔喉，這類離子的存在致使儲層潛伏著強堿敏，壓裂作業(yè)過程中也會誘發(fā)無機垢沉積。

4.2 相圈閉損害

鉆井完井、增產(chǎn)改造作業(yè)中，工作液濾液侵入使近井地帶儲層含水飽和度增加，形成水相圈閉，氣相滲透率降低。并且，由于煤巖比表面積較大、吸附性強、微裂隙發(fā)育，低孔低滲和毛管壓力高等特點導致侵入流體難以返排，造成嚴重的水相圈閉損害[3]。

4.3 應力敏感與固相侵入損害

由于儲層裂縫一定程度發(fā)育，欠平衡鉆井、測試、生產(chǎn)等過程中壓力降低及波動易引起扁平狀的喉道閉合，發(fā)生應力敏感性損害[4-5]。正壓差作業(yè)時開容易發(fā)生滲透性漏失，漏失進入儲層的液相可以弱化巖石強度，加劇儲層應力敏感性，而侵入的固相則可能堵塞流通通道，造成滲透率降低。

5 結(jié)束語

文章從煤巖儲層的基本特征出發(fā)，考慮外來流體對儲層潛在影響，系統(tǒng)總結(jié)分析了煤巖儲層潛在的儲層損害類型：黏土礦物、非黏土礦物和外來流體與儲層相互作用。并解釋了相應的儲層損害機理，為后期煤巖儲層保護工作奠定了基礎。

參考文獻

[1]張紹槐，羅平亞.保護油氣層技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，1993：12-74.

[2]盧擁軍.壓裂液對儲層的損害及保護技術[J].鉆井液與完井液，1995，12（5）：36-43.

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[4]楊勝來，楊思松，高旺來.應力敏感性及液鎖對煤層氣儲層傷害程度實驗研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26（3）：90-92.

[5]張亞蒲，何應付，楊正明，等.煤層氣藏應力敏感性實驗研究[J].天然氣地球科學，2010，21（3）：518-21.

作者簡介：敬軍淇（1988-），男，漢族，四川成都人，石油工程專業(yè)本科生，主要從事煤層氣相關工藝與技術研究。