煤岩水敏性机理研究及防治

崔金榜，汪伟英，张承洲，喻 鹏，胡振华，刘建伟

(1.华北油田分公司煤层气勘探开发事业部，山西长治 046000；2.中国石油天然气集团公司煤层气开采先导试验基地，河北任丘 062552; 3.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北武汉 430100；4.华北油田分公司勘探开发研究院，河北任丘 062552)



煤岩水敏性机理研究及防治

崔金榜1，2，汪伟英3，张承洲3，喻 鹏2，4，胡振华3，刘建伟2，4

(1.华北油田分公司煤层气勘探开发事业部，山西长治 046000；2.中国石油天然气集团公司煤层气开采先导试验基地，河北任丘 062552; 3.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北武汉 430100；4.华北油田分公司勘探开发研究院，河北任丘 062552)

通过静态观察实验以及岩心动态流动实验，研究了煤岩吸水膨胀对储层的影响，揭示了煤岩水敏机理，提出了防治煤岩水敏的方法。水敏实验结果表明，煤岩很容易发生水敏，对地层产生较大伤害。膨胀实验显示，煤粉在低矿化度的流体中更易发生膨胀。对煤粉充填压实岩心进行的流动实验结果表明，黏土矿物水化膨胀，产生微粒运移，使渗透率下降，对储层的伤害具有不可逆性，而KCl对抑制煤岩膨胀具有很好的效果。

煤岩； 水敏； 膨胀； 微粒运移； 入井液； 防膨剂

煤是由高度交连的大分子网和其它互不交连的大分子链组成。因此与砂岩不同，煤具有很强的吸附或吸收各种液体和气体的能力。煤吸收液体和气体的结果之一是煤体膨胀，其膨胀程度取决于液体和气体的化学性质。由于煤中割理的孔隙度很低，且只有它才与煤层的渗透率有关，并作为煤基质中所含气体的流通通道。所以，煤吸收液体后，即使煤基质有轻微膨胀，也会引起割理孔隙度和渗透率的大幅度降低[1-3]。本文采用山西沁水盆地郑庄、长治、安泽3号煤层煤样进行煤岩水敏性静态和动态试验，研究煤岩水敏性对储层的伤害机理。

1 煤岩的岩石学特征

1.1 煤岩中黏土矿物组成

黏土矿物具有不稳定性的机制，会产生遇水膨胀、分散或絮凝等不稳定现象。采用X射线衍射分析方法，对煤层的煤岩进行了黏土矿物分析。

郑庄区块的黏土矿物组成：郑庄3#煤黏土矿物的质量分数为21%～25.7%，其中伊利石相对质量分数为32%～66%，高岭石相对质量分数为8%～15%，绿泥石相对质量分数为6%～20%，伊蒙混层相对质量分数为18%～40%。

长治区块的黏土矿物组成：长治区块煤岩中伊利石相对质量分数为6%，高岭石相对质量分数为10%，方解石相对质量分数为7%，长石相对质量分数为6%，非晶质的相对质量分数为71%。

安泽区块的黏土矿物组成：安泽区块煤层中高岭石的相对质量分数为42%，非晶质的相对质量分数为58%。

由以上测试结果可知，郑庄、长治、安泽3个区块均有产生水敏的可能。

1.2 煤岩的孔渗特征

煤层气储层作为一种非常规储气层，具有双重孔隙系统的孔隙-裂隙型储层。不同区块煤岩的发育特征不同将导致其孔隙度有较大差异，郑庄区块的煤层最大孔隙度为9.46%，最小为0.68%；长治区块3#煤层的孔隙度最小为1.73%，最大为7.83%，平均4.25%。

煤层渗透率是影响煤层气高产的主要因素，煤层的渗透率主要取决于煤质、煤岩压实程度及煤岩中裂隙(割理)系统的发育程度。由于基质孔隙平均直径通常小于2 nm，渗透率很低，为10-6～10-9μm2，可视为0；而割理系统的渗透率一般在(0.1～50)×10-3μm2。从煤层气排水降压采气的原理出发，依据现代煤层气技术理论，可以用割理系统的渗透率来评价煤储层的渗透性。

2 水敏性评价实验

中黏土矿物水化膨胀或分散运移堵塞孔隙喉道, 使地层渗透率降低的现象叫做水敏。水敏性评价实验目的是了解煤层对所接触流体矿化度变化的敏感性程度，找出盐度递减条件下渗透率明显下降的临界矿化度。

2.1 实验方法

通过借鉴石油天然气行业标准SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》中敏感性的评价方法，对郑庄、长治和安泽3个区块的煤岩水敏性进行了实验研究[4]。试验用岩心均取自天然煤岩，试验用盐水矿化度为3个区块的地层水矿化度。由于煤岩心是孔隙—裂缝型双重介质，应力敏感性很强，实验过程中保持煤岩心围压不变。采用恒速法测定不同矿化度水的渗透率，驱替速度小于临界流速，且每换一种水必须驱替10～15倍孔隙体积，然后停泵浸泡12 h以上，再测定渗透率。水敏损害程度采用水敏指数评价，水敏指数Iw=(Ki-Kw)/Ki，其中，Ki为用地层水测定的岩样渗透率，Kw为用蒸馏水测定的岩样渗透率。

2.2 实验结果及分析

本项实验采用天然煤样进行实验[5]。样品基础数据和盐敏评价实验数据见表1，实验曲线如图1所示。由图1分析可知，郑庄区块的临界矿化度为500～2 000 mg/L，长治区块的临界矿化度为1 500 mg/L以上，安泽区块临界矿化度为900 mg/L以上。郑庄区块的水敏伤害程度为中等偏弱伤害，长治区块的水敏伤害程度为中等偏弱到极强水敏，安泽区块的水敏伤害程度为中等偏弱到中等偏强。

表1 水敏评价实验数据表

3 水敏性伤害机理研究

山西沁水盆地煤层气井压裂施工中多使用地表水作为清水压裂液体系[6]，而地表水矿化度比煤层水矿化度低很多，因此，压裂液的侵入有可能与煤岩发生反应，使煤岩膨胀。本项研究主要通过室内实验测试增产入井液与煤岩接触膨胀后煤岩的渗透率损害情况[7-8]。

图1 水敏性实验曲线

Fig.1 Water-sensitive experimental curve

3.1 实验方法

外加离子对水敏性影响的实验评价原理为：比较不同质量分数的KCl溶液通过煤样的渗透率，确定KCl质量分数对煤样的损害作用。实验采用的注入速度低于临界流速，具体实验步骤为：

(1) 选取研究区块的煤块磨成煤粉并过100目筛，将煤粉装填到填砂管中压实制成填砂模型，并用质量分数3% KCl溶液抽空饱和。

(2) 将实验流体正向从岩心夹持器注入到煤样中。注入量为10倍孔隙体积，若此时出口端流量没有稳定则继续注入，若流量稳定则停止注入，换用下一种实验流体。所用实验流体质量分数依次为为3%、2%、1%的KCl溶液、地表水和蒸馏水。

(3) 将质量分数3%KCl溶液从出口端以相同的流速反向岩心，注入量至少为10倍孔隙体积，直至流量稳定。

(4) 关闭驱替泵，结束实验。

用煤粉充填样做水敏实验时，采用恒速法测定渗透率，速度为0.2 mL/min，以防煤粉发生运移影响测定值，且每换一种水必须驱替10～15倍孔隙体积，然后停泵浸泡12 h以上，再测定渗透率[9-10]。

3.2 实验结果及分析

采用长治区块的煤样制成填砂模型进行实验，实验结果如表 2和图2所示。通过对煤粉填砂模型进行不同质量分数的KCl驱替实验，发现当KCl质量分数从3%降到1%时，岩心的渗透率变化很小，当用地表水、蒸馏水进行驱替时，渗透率损害程度明显上升。由此可知当用地表水、蒸馏水进行驱替时，煤粉中含有的黏土矿物水化膨胀，使渗透率下降。当用质量分数3%的KCl反向驱替时，渗透率继续下降，而没有恢复。说明煤岩基质膨胀引起的渗透率损害是不可逆的，同时也表明在煤岩膨胀的同时发生了微粒脱落分散运移，导致渗透率的进一步损害。

表2 水敏伤害机理研究实验数据表

图2 水敏性评价实验曲线

Fig.2 Water-sensitive evaluation of the experimental curve

4 煤岩水敏性防治

研究表明，煤吸收液体并随之引起的基质膨胀和渗透率下降，这个过程几乎是不可逆的。通过在入井液中加入不同量的防膨剂(KCl)，比较不同质量分数的KCl溶液通过煤样的渗透率，可知， KCl有抑制煤岩膨胀的作用，KCl质量分数越高，煤岩渗透率损害最小，防膨效果越好。

在现场应用中，结合实验结论和经济情况，加入适量的KCl可以有效降低煤岩水化膨胀造成的渗透率损害，保护储层，提高生产效益。

5 结论

(1) 郑庄、长治和安泽3个区块的水敏伤害程度均为中等偏弱以上，因此，在煤层气开采过程中必须保持入井液矿化度在临界矿化度以上，避免煤层黏土吸水膨胀，对地层产生伤害。

(2) 研究发现，低矿化度的地表水和蒸馏水使煤岩中含有的黏土矿物水化膨胀，产生微粒运移，使渗透率下降，且具有不可逆性。KCl对抑制煤岩膨胀具有很好的效果。因此，在生产过程中，可以把KCl作为有效的防膨剂。

[1] 秦勇.再论煤中大分子基本结构单元演化的拼叠作用[J].地学前缘,1999,6(S1):29-34.

Qin Yong,Again on the basic structural unit of the coal macromolecular evolution spell stack effect[J]. Earth Science Frontiers, 1999,6(S1):29-34.

[2] 钱凯,赵庆波,汪泽成,等.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术[M].北京：石油大学出版社,1996:63-63.

[3] 李前贵,康毅年,徐兴华,等.煤岩孔隙结构特征及其对煤储层损害的影响[J].西南石油学院学报,2002,24(3):1-4.

Li Qiangui, Kang Yinian, Xu Xinghua, et al. Characteristics of pore structure and rock pore structure and its impact on coal reservoir damage [J]. Southwest Petroleum University, 2002,24(3):1-4.

[4] 油气田开发专业标准化委员会.SY/T 5358—2002砂岩储层敏感性评价实验方法[S].北京：石油工业出版社，2002.

[5] Gurkan Iscan A,Mustafa V Kok, Heike Strauss.Evalution of formation damage of turkih southeastern reservoirs caused by drilling fluids[J].SPE/IADC 107452.

[6] 孙建平.煤层气井钻井液特点的探讨[J].中国煤田地质,2003,8:61-62.

Sun Jianping. To investigate the characteristics of coalbed methane drilling fluid [J]. Coal Geology of China, 2003, 8:61-62.

[7] 汪伟英,肖娜,黄磊,等.钻井液侵入引起煤岩膨胀对煤储层的伤害[J].钻井液与完井液,2010,27(3)：20-22.

Wang Weiying, Xiao Na, Huang Lei, et al. Drilling fluid invasion causes swelling of coal for coal reservoir rock damage[J]. Drilling and Completion Fluids, 2010,27(3)：20-22.

[8] 贾军,唐培琴.钻井液对煤层气储层渗透性的损害[J].钻井液与完井液,1995,22(6):2-6.

Jia Jun, Tang Peiqin. Drilling for coalbed methane reservoir permeability damage [J]. Drilling and completion fluids, 1995,22(6):2-6.

[9] 丛连铸,汪永利,梁利，等.水基压裂液对煤层储气层伤害的室内研究[J].油田化学,2002,19(4):334-336.

Cong Lianzhu, Wang Yongli, Liang Li, et al. Oilfield chemistry laboratory study on water-based fracturing fluid seam gas layer damage [J]. 2002,19(4):334-336.

[10] Chen Z, Khaja N, Valencia K L.Formation damage induced by fracture fluids in coalbed methane reservoirs[J]. SPE101127, 2006:11 -13.

(编辑 王亚新)

Research and Prevention of Coal Water-Sensitive Mechanism

Cui Jinbang1,2， Wang Weiying3，Zhang Chengzhou3, Yu Peng2,4， Hu Zhenhua3， Liu Jianwei2,4

(1.CBM Exploration and Development in Huabei Oilfield Company Division, Changzhi Shanxi 046000，China;2.ChinaNationalPetroleumCorporationCBMPilotTestBase,RenqiuHebei062552，China; 3.KeyLaboratoryofExplorationTechnologiesforOilandGasResources(YangtzeUniversity)，MinistryofEducation，WuhanHubei430100，China; 4.HuabeiOilfieldExplorationandDevelopmentResearchInstitute,RenqiuHebei062552，China)

The influence of water swelling of coal rock on reservoir was studied by means of static observation experiments and core dynamic flow experiments. The water sensitive mechanism of coal was revealed, and the control methods of the coal rock water sensitive was proposed. The experiment results show that water sensitivity of coal rock is easily happened, which damages the strata a lot. Core flow of compacted coal powder is studied, which shows that particle migration is caused by clay mineral hydration swellingand causes the drop of permeability. The damage on reservoir is irreversible, while KCl has a good effect on control of coal rock expansion.

Coal rock； Water sensitivity； Swell； Particle migration； Working fluid； Anti-swelling agent

1006-396X(2015)02-0054-04

2014-05-13

2014-09-16

大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项课题“山西沁水盆地煤层气水平井开发示范工程”资助项目(2011ZX05061)。

崔金榜(1967-)，男，高级工程师，从事煤层气钻采技术研究和管理工作；E-mail：zhb_cjb@petrochina.com.cn。

汪伟英(1959-)， 女，硕士，教授，从事采油工程和油层物理方面研究；E-mail：wwy59@163.com。

TE122

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.02.011