煤层气储层损害机理与保护对策研究

黄维安1 邱正松1 王彦祺2 马永乐1 钟汉毅1 白雪飞1

（1.中国石油大学 石油工程学院，山东青岛 266555； 2.华东石油局工程技术设计研究院，江苏南京 210031）

基金项目：国家自然科学基金“页岩气储层保护机理及方法研究”（编号41072094）；中国石油大学自主创新“煤层气储层保护技 术及评价新方法研究”（编号10CX04010A ）

作者简介：黄维安，男，副教授，从事油气井化学工程领域研究。E-mail：masterhuang1997＠163.com。

摘 要：做好煤层气储层保护工作，对于有效开发、利用煤层气，弥补我国石油、天然气供应的不足，降低温室气体排放，减少环境污染以及预防矿难事故频发，具有重要意义。本文首先采用X射线衍射、扫描 电镜、泥页岩膨胀实验、页岩分散实验、薄片分析、压汞分析、润湿性测试和敏感性评价等手段分析了山西 沁水盆地煤层气储层的损害机理。在此基础上进行了针对性的保护对策研究，优选出了表面润湿性改善剂 SD -905，水敏性抑制剂SMYZ-2，并最终研制出了山西沁水盆地煤层气储层的钻开液：0.4％ SD-905＋ 0.5％SMYZ-2溶液，其对煤层气储层岩样湿态下的渗透率损害最低。

关键词：煤层气；损害机理；储层保护；表面润湿性；钻开液

Study on Damage Mechanism and Protection Counter-measure for Coalbed Methane

Huang Weian1，Qiu Zhengsong1，Wang Yanqi2，Ma Yongle1，Zhong Hanyi1，Bai Xuefei1

（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China； 2.Research institute of engineering techniques and design，Petroleum Bureau of East China，Nanjing 210031，China）

Abstract：A good protection of coalbed methane reservoir can facilitate its exploitation and usage of，cover the shortage of oil and natural gas supply for China，help cut greenhouse gas emissions，phase down environmental pollution and prevent mine accidents from happening.Firstly，damage mechanisms of coalbed methane reservoir in Qinshui basin of Shanxi province were comprehensively analyzed by X-ray diffraction（XRD），Scanning Electron Microscope（SEM），liner swelling test and hot rolling dispersion experiments，thin-section analysis，mercury penetration analysis，wettability measurement and evaluation of sensitivity.Based on this work，pertinent protection counter-measure study were conducted，the surface wettability modifier SD-905 and water sensitivity inhibitor SMYZ-2 were selected out，and then drilling fluid for coalbed methane reservoir in Qinshui basin of Shanxi province composed of 0.4％ SD-905 ＋0.5％ SMYZ-2 was developed，which has minimal damage to permeability of ingredient under hygrometric state.

Key words：coalbed methane；reservoir protection；surface wettability；drilling fluid for reservoir

引言

煤层气（Coalbed Methane，CBM）是储集在煤层孔隙中的天然气。我国煤层气资源丰富、位居世界 第三，预计为31.46×1012m3，相当于450亿吨标煤、350亿吨标油，与陆上常规天然气资源量相 当［1，2］。煤层气藏自生自储于煤层中，不同于常规天然气需要经过大规模运移才形成储集层，与常规砂 岩、碳酸盐岩储层有很大差别，它具有高吸附性、低渗透性，且易受压缩、破碎等［3～5］。这些特性决 定了在煤层气钻井过程中，煤层受到的伤害远大于常规储层，而煤层气储层伤害直接影响到煤层气的解 吸、扩散、运移及后期排采［6～8］。因此，煤层气储层伤害问题值得重点关注。本文针对山西沁水盆地 煤层气钻探中存在的储层保护和井壁稳定技术难题，开展煤层气储层损害机理及保护对策研究。

1 煤层气储层岩石组成及结构构造

山西组（P1s）地层厚度为34.00～63.80m，平均厚度48.90m左右，与下伏太原组整合接触。下部 以灰、灰黑、深灰、灰黑和黑色泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、砂质泥岩为主。底部为K7砂岩，其为厚层 状中、细粒砂岩，厚度为0～6.07m，平均厚度1.48m。主要发育有2、3号煤层。其中2号煤层为全区 稳定可采煤层，煤层气井深936.2～941.1m，视厚4.9m。定量计算该层灰分含量较低，为5.59％，固 定碳含量较高，为86.22％，含气量为7.83m3/t，孔渗性较差，综合分析该层为本井厚度最大、物性最 好、含气量最高的煤层。此外其泥质含量相对较高，为炭质泥岩夹矸。3号煤层为较稳定局部可采煤 层，上部为中细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩与泥岩互层，含不稳定的1号煤层。

2 煤层气储层损害机理研究

2.1 煤岩组成分析

选取塔河油田复杂层位岩样，利用D/max-ⅢA X-射线衍射仪分析进行矿物组成分析。

表1 煤岩X-射线衍射全岩矿物组成分析

5号和6号样品分别含有3％和2％的Tobelite（NH4Al3Si3O10OH），其含量没有计算在表内。

从表1看出，山西沁水盆地煤岩中主要成分为炭，其它依次为石英、方解石、粘土矿物和黄铁矿，但各岩样含量差异较大。

从表2看出，山西沁水盆地煤岩中的粘土矿物主要为高岭石和绿泥石，H3井708.73～708.91m含 有不同程度伊/蒙混层，混层中间层比不高，为20％。

表2 煤岩X-射线衍射粘土矿物相对含量

图1 煤岩水化分散性能测试结果

图2 煤岩水化膨胀性能测试结果

2.2 煤岩理化性能分析 从图1看出，山西沁水盆地煤岩的水化分散回收率均很高，达93％以上，相对而言，H3井 708.73～708.91m煤岩的回收率较低。

从图2看出，山西沁水盆地煤岩膨胀率均很小，属弱/难水化膨胀性岩样，相对而言，H3井 708.73～708.91m岩样膨胀率较高。

2.3 煤岩微观结构及孔渗性质分析

（1）微观结构分析。从图3看出，H2井504.55m岩样微裂缝发育，趋向性较好，夹杂有石英和粘 土矿物。

（2）孔渗结构分析。从图4和5看出，H2井502.89m与504.55m煤岩均存在割理，502.89m煤岩 还存在“蚀孔”，504.55m煤岩的割理连通性较好。

测得（图6，图7）H2井502.89m煤岩的孔隙度为5.394％，最大孔喉半径10.4385μm，孔喉半径 平均值2.3174μm，最大汞饱和度为29.25％，退汞效率为61.778％。测试结果表明，H2井502.89m煤 岩为典型的低孔隙度、裂缝性储层，对渗透率具有贡献的孔径分布在10.43～2.5μm之间。

2.4 煤岩润湿性测试

实验测得（图8）H2井502.89m煤岩对去离子水和标准盐水的平均接触角分别为62.63°和 65.71°，其属于弱亲水性，且对标准盐水的润湿性较去离子水差。原因是H2井502.89m煤岩测试点主 要为灰暗的惰质组。通常，灰暗的惰质组处测得接触角小于光亮的镜质组处所测得的接触角。

图3 H2井504.55m煤岩扫描电镜照片

图4 H2井502.89m煤岩薄片镜下照片

图5 H2井504.55m煤岩薄片镜下照片

图6 和2井502.89m煤岩压汞曲线

2.5 煤岩应力敏感性分析

选取H2井502.89m岩样，保持供气压力不变，考察 了围压对渗透率的影响。图9结果表明，随着围压增大，即加载在H2井502.89m煤岩上净应力增大，岩样渗透 率降低，并且随着围压降低，渗透率恢复值低于加压过 程中对应净应力下的，表明煤岩岩样存在应力敏感性。

综合以上分析表明，山西沁水盆地煤层气储层典型 的低孔隙度、裂缝性储层，其损害机理可以概括为：由 于含有粘土矿物、且微裂缝发育，存在潜在水敏性损害； 煤岩表面属于弱亲水性，存在潜在的水锁损害；存在较强的应力敏感性损害。

图7 H2井502.89m煤岩汞饱和度柱状图及渗透率贡献值累积曲线

图8 H2井502.89m煤岩润湿性（接触角）测试结果

图9 围压对煤岩渗透率的影响

3 煤层气储层保护措施研究

针对山西沁水盆地煤层气储层的损害机理，本文采取了加强抑制和改善表面润湿性的煤层气保护钻 井液技术措施。

3.1 表面润湿性改善剂优选

从图10看出，经0.4％SD-905溶液浸泡后，H2井502.89m煤岩亲水性增强，表现为强亲水性，明显降低水锁效应，减小水相对煤岩渗透率的损害，有利于煤层气储层保护。

图10 H2井502.89m煤岩润湿性测试结果（0.4％SD-905溶液浸泡后）

3.2 水敏性抑制剂优选

从图11看出，H2井502.89m煤岩在自来水中的膨胀较5％ SMYZ-1和2％ SMYZ-2溶液中高，5％ SMYZ-1和2％ SMYZ-2溶液能使H2井502.89m煤岩“收缩”，膨胀率为负，相对而言，SMYZ- 2抑制水敏性效果更突出。

图11 水敏性抑制剂优选结果

3.3 外来流体对煤层气储层渗透率损害性评价

采用纯度为99.999％的高纯氮气进行岩心流动实验，评价外来流体对煤岩渗透率的伤害性。测试 了外来流体作用前岩心的高纯氮气气测渗透率K0、外来流体作用后高纯氮气通过湿岩心的气测渗透率 K01，以及外来流体作用后高纯氮气通过干岩心（60℃干燥）的气测渗透率K02。

（1）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.05％XC溶液的敏感性。

（2）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.4％SD-905 ＋5％SMYZ-1的敏感性。

（3）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.4％SD-905 ＋2％SMYZ-2的敏感性。

（4）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.4％SD-905 ＋0.5％SMYZ-2的敏感性。

（5）分析山西沁水盆地煤层储层岩样对去离子水的敏感性。

从表3测试结果看出，各种外来流体都对岩心渗透率均有不同程度的损害，其中0.05％的XC 溶液对岩心渗透率的损害达到100％；0.4％SD-905 ＋5％SMYZ-1溶液对岩心渗透率的损害也均在 90％以上；0.4％SD-905 ＋2％SMYZ-2溶液与去离子水对岩心渗透率的损害约60％；对煤岩渗透 率损害最低的是0.4％SD-905＋0.5％SMYZ-2溶液，并且岩样低温干燥后的渗透率恢复值达到 124.1％。综合上述实验结果，推荐使用0.4％SD-905＋0.5％SMYZ-2溶液钻开山西沁水盆地煤层 气储层。

表3 外来流体对煤岩渗透率伤害性评价结果

4 结论

（1）山西沁水盆地煤层气储层为典型的低孔隙度、裂缝性储层，其损害机理主要为：含有粘土矿 物、且微裂缝发育，存在潜在水敏性损害；煤岩表面属于弱亲水性，存在潜在的水锁损害；存在较强的 应力敏感性损害。

（2）SD-905能改善煤层气储层的表面润湿性，SMYZ-2能煤岩膨胀率、甚至“收缩”，释放出孔 隙；0.4％SD-905 ＋0.5％SMYZ-2溶液对煤层气储层岩样湿态下的渗透率损害最低，推荐为山西沁水 盆地煤层气储层的钻开液。

参考文献

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