赵庄区块松软低渗煤层煤层气低产机理研究

季长江，信 凯，杨昌永，常会珍，田庆玲，贾晋生

（1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城048000；2.河南理工大学，河南 焦作454000；3.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 晋城048000；4.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城048000）

我国在成煤环境过程中，煤体结构受构造运动影响显著，松软低渗煤层普遍发育。导致煤层渗透率多数介于0.1～0.001×10-3μm2间[1]，严重制约了我国煤层气开发效率。影响煤层气产能的主要因素可大致分为地质构造[2-4]、储层物性[5-6]、工程施工[7-8]等几类。而地质构造和储层物性条件是煤层气开发的先决性、基础性条件。目前，已有学者开展了相关研究。王勃等分析了构造在提高生气能力，改善物性和煤层气富集等方面的作用[9]。康永尚等从煤体结构、宏观裂隙、割理/裂隙系统充填状况等方面，分析了我国煤储层渗透率的影响因素[10]。许耀波等探讨了孔隙结构特征、临储比、含气饱和度和力学性质等储层物性对赵庄井田煤层气产出特征的影响[11]。降文萍等探究了构造煤的孔隙系统对煤层气储集、运移的影响[12]。沁水盆地南部赵庄区块3 号煤层虽为无烟煤，但其受构造影响显著，煤层顶底部煤体结构较为破碎，属典型的松软低渗煤层，区块内煤层气井产量显著低于临近区块的煤层气井。因此，针对该区块3 号煤层，从微观尺度深入研究煤层气低产的机理，为松软低渗储层煤层气开发及低产井改造提供依据和指导。

1 研究区概况

赵庄区块地处山西省高平市北12 km 处，地层总体走向北北东，倾向北西，倾角5°～10°，区块整体形态上为一正断层和陷落柱发育的单斜构造，并在此基础上发育了一系列北北东向的宽缓褶曲。区块内主要发育3 号、15 号煤层，但多数煤层气井主要开采3 号煤层。3 号煤层厚度一般在5 m 左右，煤层瓦斯含量一般在10～16 m3/t，西北部瓦斯含量较高。3 号煤软煤分层较为发育，局部由上到下呈现出软-硬-软的3 层结构，软分层厚度在0.2～0.3 m 左右。

2 煤层孔隙发育特征

2.1 煤储层孔径分布特征

煤层气作为一种典型的自生自储型气藏，孔隙是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气的运移通道，显微裂隙则是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁与中间通道，其中宏观裂隙与显微裂隙对渗透率影响最大[13]。采用液氮法对赵庄3 号煤层的孔隙发育情况进行测试。依据常用的煤储层孔隙分类方法，孔隙可分为4 大类：大孔（孔径＞1 000 nm）、中孔（孔径100～1 000 nm）、过渡孔或小孔（孔径10～100 nm）和微孔（孔径＜10 nm）[14]。赵庄3 号煤层孔隙度测试结果见表1，煤样孔容比和比表面积比情况如图1，煤样孔径分布图如图2。

表1 3 号煤层孔隙度测试结果Table 1 Porosity test results of No.3 coal seam

图1 煤样孔容比和比表面积比情况Fig.1 Pore volume ratio and specific surface area ratio of coal samples

由图1、图2 及表1 可知，3 号煤孔隙的孔径集中在30～80 nm，大于100 nm 的中孔也占了较大的部分，对煤样总孔容的贡献仅次于小孔。在孔径80～125 nm 间，孔体积随孔径增大而急剧上升，表明煤样中该孔径分布极不均匀。因此，3 号煤孔隙以中孔、小孔为主，储层吸附能力强，气含量高，且绝大多数为吸附孔中的吸附气，少量含有一定的游离气。

2.2 孔隙类型

图2 煤样孔径分布图Fig.2 Pore size distribution of coal samples

依据吸附和凝聚理论，液氮在煤的吸附中常会出现吸附线与脱附线分离现象，从而形成吸附回线。煤的孔隙大小与形状不同，造成液氮低温吸附曲线形状差异性较大。因此，煤的吸附回线特征不仅可以反映储层的吸附解吸性，还可以用以分析孔隙形态的发育情况。赵庄3 号煤层煤样液氮吸附解吸曲线如图3。相对压力为氮气分压与液氮温度下氮气的饱和蒸气压之比。

图3 煤样液氮吸附解吸曲线Fig.3 Liquid nitrogen adsorption-desorption curves of coal samples

依据前人对吸附解吸曲线的研究成果，结合de Boer 对滞后环形态的分类方法[15]，实验结果分析如下：赵庄3 号煤层具有吸附回线，说明在该煤中存在一定数量的不透气型Ⅱ类孔[16]，如一端封闭的圆筒形孔、一端封闭的平行板状孔、一端封闭的楔形孔以及一端封闭的锥形孔。低压区吸附线平稳上升，说明开放孔的直径较小。在相对压力为0.8 以后，吸附线显著上升，超过0.9 后吸附量急剧增加，发生显著的毛细凝聚现象，孔隙直径较大。在解吸时，压力稍微下降，解吸量急剧增加，毛细蒸发明显，进一步说明大量存在直径较大的开放型板状孔、圆筒状孔。随后压力降低，解吸量也缓慢下降，当相对压力降到0.5 时，解吸量突然下降，说明煤中也发育一定程度的“墨水瓶”状孔。

所以，赵庄3 号煤中孔隙系统复杂，绝大多数为开放型孔，少量发育不透气性Ⅱ类孔和瓶状孔，且开放型孔所占比例较高。

2.3 煤储显微特征扫描

为进一步更深入、直观地分析赵庄3 号煤层孔隙、裂隙系统特征，借助扫描电镜对样品微观孔、裂隙进行观察，煤层孔裂隙发育情况如图4。

图4 煤层孔裂隙发育情况Fig.4 Pore-fracture system development of coal seam

赵庄3 号煤层孔隙与微裂隙系统较为发育。中、小孔隙较为密集，中孔以上的孔也分布较多。微裂隙相对较宽，延伸距离较远，但裂隙密度小，不利于众多孔隙的沟通和气体的运移产出。

3 煤样矿物成分差异性

煤层气产能不仅受微观孔隙、裂隙系统发育情况影响，还与煤层矿物组分有很大关系。由扫描电镜观察结果可以看出，赵庄3 号煤层孔隙和裂隙中均有一定程度的矿物填充，不仅降低了煤层孔隙间的连通性，造成原始渗透率下降。同时，若孔隙内充填的矿物为水敏性黏土矿物，还可能引起煤层发生不同程度的水敏感性，从而降低煤层后期水力压裂的改造效果。因此，采用D8 DWASCOVER 型X 射线衍射仪，对煤层的黏土矿物成分进行测试，3 号煤层黏土矿物成分测试结果见表2。

表2 3 号煤层黏土矿物成分测试结果Table 2 Test results of clay mineral composition in No.3 coal seam

由全岩定量分析测试结果得出，煤样的主要矿物成分是黏土矿物，而黏土矿物成分全部为铵伊利石/蒙皂石间层，伊蒙混层中蒙皂石层的含量为30%，未见高岭石和伊利石。

在常见黏土矿物中，膨胀能力最强的为蒙皂石，伊利石/蒙皂石和绿泥石/蒙皂石间层矿物次之，绿泥石的膨胀力较弱，伊利石很弱，而高岭石则无膨胀性。储层中蒙皂石（尤其是钠蒙皂石）含量越多，则水敏强度越大[17]。赵庄3 号煤层中全部为铵伊利石/蒙皂石间层，这种矿物具有较强的水敏性。所以，综合判断赵庄3 号煤层水敏性强，给水力压裂改造带来不利影响。

4 水敏性实验评价

采用LSY-IA 型压裂液伤害仪，进行水敏性伤害实验。实验介质分别为1 000、500 mg/L 浓度的氯化钾（KCl）溶液和蒸馏水，采用恒压方式，持续注入，3 号煤层水敏性实验参数见表3。不同介质水敏性测试结果如图5。

测试结果显示，在相同的注入压力和围压条件下，赵庄3 号煤样的渗透率随着KCl 浓度的降低，下降显著，降幅在30%以上。因此，赵庄3 号煤层的水敏性明显，很大程度上影响煤层气井的产能。

表3 3 号煤层水敏性实验参数Table 3 Experimental parameters of water sensitivity for No.3 coal seam

图5 不同介质水敏性测试结果Fig.5 Test results of water sensitivity in different mediums

5 结 论

1）赵庄3 号煤多数孔隙直径集中在30～80 nm，大于100 nm 的中孔含量也较多。孔隙绝大多数为开放型孔，少量发育不透气性Ⅱ类孔和瓶状孔，储层吸附能力强，气含量高。大量中孔、开放型孔的存在可能造成煤层气井见气速率快，但产气量也下降迅速，难以稳产，这与赵庄井田绝大多数煤层气井的实际生产曲线相符。

2）赵庄3 号煤中孔、大孔发育，微裂隙相对较宽，延伸距离远，但发育密度低，且孔、裂隙中均有不同程度的矿物充填，造成孔隙系统的连通性降低。

3）赵庄3 号煤层黏土矿物为铵伊利石/蒙皂石间层，水敏性强。因此，赵庄3 号煤层虽然具有孔隙直径大，分布密集，微裂隙宽度大，延伸远等优势。但由于储层所含黏土矿物的水敏性强，矿物膨胀易堵塞原始孔隙与裂隙系统，导致改造后储层渗透率下降明显，反而造成煤层气产能差，难以取得理想的改造增透效果。

4）在赵庄3 号或与之具有相似特性的松软低渗煤层中进行煤层气开发或改造中，要对压裂增透层位进行优选，避开局部构造煤发育的软分层，可尝试顶、底板虚拟储层作为改造层。在压裂增透介质的选择上，尽量选择低水敏性的介质，可尝试液氮、二氧化碳等介质进行改造。