煤岩储层潜在损害因素分析

煤岩储层潜在损害因素分析

作者：敬军淇何志君

来源：《科技创新与应用》2015年第16期

摘要：我国的煤层气资源丰富，开发潜力巨大。然而，煤岩储层岩性致密且岩石强度低，敏感性矿物含量高，在钻完井、水力压裂和后期的生产过程均极易产生储层损害。为了保护储层，提高和维持气井产能，文章从黏土矿物、非黏土敏感性矿物、外来流体与储层的相互作用三方面系统地总结了煤岩储层的潜在损害类型。并解释了相应的损害机理，为后期的储层保护工作作出了有益的指导。

关键词：煤层气；储层损害；黏土矿物；非黏土敏感性矿物

前言

煤层气（coalbed methane）是一种煤层本身自生自储式的非常规天然气资源，主要成分是甲烷。我国煤层气资源丰富，近年来的勘探开发取得了重要进展，但也存在诸多亟待解决的难题，如何预防和控制煤岩储层损害便是其中之一。

煤岩储层节理发育，岩石强度低，在钻井过程中极易发生井漏，同时大规模的水力压裂也有大量流体侵入，这是储层潜在损害的外来物源。同时，煤岩储层黏土矿物等敏感性含量高，在储层温度压力条件改变或与储层流体、外来流体相互作用之后，也极易诱发储层损害[1-2]。因此，有必要对煤岩储层的潜在损害因素做出梳理和分类，明确损害类型和机理，为钻井完井、压裂改造和气田开发中的保护技术工作提供技术支持。

1 煤岩储层分类概述

煤岩的主要成分为有机碳，黏土矿物含量在10%左右，此外还含有一定量的石英、长石等矿物。煤岩储层的岩性致密，节理发育，节理缝、微裂缝是主要的渗流通道，煤岩基质中大量发育纳米级孔隙，甲烷在其中主要以扩散方式运移。针对煤岩储层的上述特点，其潜在储层损害类型可分为三大类：黏土矿物、非黏土矿物和外来流体与储层相互作用三大类型。

2 黏土矿物及潜在损害

2.1 黏土矿物类型及产状

煤岩储层黏土矿物中，非膨胀型黏土矿物高岭石、绿泥石和伊利石含量很高，而膨胀型黏土矿物伊/蒙混层含量较少，甚至不含。

高岭石：单体呈六方片状，集合体呈书页状、蠕虫状、手风琴状。其晶间孔孔径太小，较大的毛管力为外来流体进入储层提供了足够大的动力，加之岩石的比表面积大，因此外来水相

易于在高岭石集合体中形成水相圈闭。所以，高岭石对储层潜在的损害为水相圈闭、碱敏、酸敏和速敏。

伊利石：晶体细小，扫描电镜下呈不规则片状、蜂窝状。集合体形态为鳞片状、板条状、羽毛状等。伊利石的这些产状将储层中大孔道分割成小孔道，造成储层高含水饱和度，形成水相圈闭；同时，毛发状或丝状的伊利石微晶集合体可能会进一步分散，造成微粒运移，堵塞孔道。因此伊利石对储层的潜在损害是强水相圈闭、速敏、碱敏，其次是盐敏/水敏、酸敏等。

绿泥石：多为自生成因，在扫描电镜下单体形态为针叶状、玫瑰花朵状、绒球状；集合体呈薄片状、鳞片状可形成孔隙衬边。绿泥石主要为层状构造，损害方式包括盐酸酸敏和速敏。

伊/蒙间层：扫描电镜下粒表呈丝状、蜂窝状。形态与伊利石相似，膨胀性微弱，损害方式主要有水敏、碱敏和速敏。

2.2 黏土矿物物理化学性质

与储层损害相关的常见黏土矿物理化特性参数主要包括以下三个方面。（1）阳离子交换性质：通常黏土矿物离子交换能力依次降低的顺序是蒙脱石-伊利石-绿泥石-高岭石。由于本研究区是以高岭石含量为主，高岭石的离子交换能力很低，研究区离子交换能力很低。（2）膨胀性：大部分黏土矿物都具有膨胀性，常见的黏土矿物中，膨胀性由高到低的次序是：蒙脱石-间层矿物-绿泥石-伊利石-高岭石，这是由矿物的结构所决定的。由于本研究区是以高岭石为主，高岭石的膨胀性较低，研究区总的膨胀性也不会高。（3）比表面：比表面指单位体积的煤样内所有颗粒的总表面积，颗粒愈细，比表面愈大，愈容易与外来流体发生反应，化学成分的差异与流体的反应亦不同。

3 非黏土敏感性矿物及其潜在损害

除黏土矿物之外，储层中还存在一定量的非黏土敏感性矿物，包括碳酸盐矿物、硅酸盐矿物、硫化物和氧化物矿物等。碳酸盐矿物主要是指充填次生粒间孔、粒内溶孔及包裹有浊沸石溶蚀残余的含铁方解石、铁方解石和铁白云石。铁方解石、铁白云石等为盐酸敏感性矿物，与HCl反应释放出Fe2+、Fe3+。在富氧流体中，Fe2+还会转化为Fe3+。当液体pH值升高到一定程度时，会生成铁絮状沉淀而堵塞喉道，造成储层损害。

一些高含钙和镁的矿物对HF较为敏感，如方解石、白云石等与氢氟酸反应后，矿物溶解释放出离子作用生成不溶解的氟化物，滞留在孔隙中。同时一些硅酸盐矿物，如石英、长石等，与氢氟酸作用后，在一定条件下可形成氟硅酸盐、氟铝酸盐及硅凝胶沉淀物，堵塞喉道，降低渗透率。

4 外来流体与储层相互作用后的潜在损害

4.1 无机垢

煤岩储层结垢类型主要为无机垢。研究区地层水中富含Ca2+、Mg2+等二价离子，煤岩气藏主要结CaSO4、CaCO3垢，对煤岩气藏开发渗透率影响较大。高pH值工作液进入储层，易于与Ca2+、Mg2+结合形成沉淀，堵塞孔喉，这类离子的存在致使储层潜伏着强碱敏，压裂作业过程中也会诱发无机垢沉积。

4.2 相圈闭损害

钻井完井、增产改造作业中，工作液滤液侵入使近井地带储层含水饱和度增加，形成水相圈闭，气相渗透率降低。并且，由于煤岩比表面积较大、吸附性强、微裂隙发育，低孔低渗和毛管压力高等特点导致侵入流体难以返排，造成严重的水相圈闭损害[3]。

4.3 应力敏感与固相侵入损害

由于储层裂缝一定程度发育，欠平衡钻井、测试、生产等过程中压力降低及波动易引起扁平状的喉道闭合，发生应力敏感性损害[4-5]。正压差作业时开容易发生渗透性漏失，漏失进入储层的液相可以弱化岩石强度，加剧储层应力敏感性，而侵入的固相则可能堵塞流通通道，造成渗透率降低。

5 结束语

文章从煤岩储层的基本特征出发，考虑外来流体对储层潜在影响，系统总结分析了煤岩储层潜在的储层损害类型：黏土矿物、非黏土矿物和外来流体与储层相互作用。并解释了相应的储层损害机理，为后期煤岩储层保护工作奠定了基础。

参考文献

[1]张绍槐，罗平亚.保护油气层技术[M].北京：石油工业出版社，1993：12-74.

[2]卢拥军.压裂液对储层的损害及保护技术[J].钻井液与完井液，1995，12（5）：36-43.

[3]张国华，梁冰，侯凤才，等.渗透剂溶液水锁效应对瓦斯解吸影响实验研究[J].科学导报，2011，29（22）：45-50.

[4]杨胜来，杨思松，高旺来.应力敏感性及液锁对煤层气储层伤害程度实验研究[J].天然气工业，2006，26（3）：90-92.

[5]张亚蒲，何应付，杨正明，等.煤层气藏应力敏感性实验研究[J].天然气地球科学，2010，21（3）：518-21.

作者简介：敬军淇（1988-），男，汉族，四川成都人，石油工程专业本科生，主要从事煤层气相关工艺与技术研究。