沁水盆地南部高煤阶煤储层敏感性

田永东,武 杰

(1.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204;2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西 晋城 048006;3.煤与煤层气共采山西省重点实验室,山西晋城 048006)

沁水盆地南部高煤阶煤储层敏感性

田永东1,2,武 杰2,3

(1.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室,山西晋城 048204;2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西 晋城 048006;3.煤与煤层气共采山西省重点实验室,山西晋城 048006)

为实现沁水盆地南部煤层气的高效开采,对该区主力煤储层3号煤进行了流速敏感性、水敏感性、碱敏感性和应力敏感性实验分析。实验结果表明:3号煤速敏损害程度为中等偏弱,在实际煤层气开发过程中要重视含砂压裂液对煤层冲刷产生的煤粉运移造成的速敏损害;3号煤为中等偏弱水敏储层,向工作液中添加少量KCl可以起到降低水敏的效果;3号煤为弱碱敏储层,但高pH值工作液会使压裂用的石英砂受碱液溶解而降低支撑效果;3号煤为强应力敏储层,根据升压和降压阶段渗透率变化对比,不可逆损害率达55.88%。在煤层气藏的开发过程中,通过加强储层保护理论上可以提升煤层气产量。

高煤阶;煤储层;敏感性;沁水盆地;煤层气

我国煤层气储层大多低孔(孔隙度＜10%)、低渗(渗透率＜1×10-15m2)、低压(煤层一般埋深浅)[1],煤层气开发过程引入的各种外来液体以及造成煤层原始条件的改变,都可能产生煤层伤害,从而导致煤层渗透率降低[2-7]。对于煤储层伤害前人已经做过较多研究[8-17]:熊友明等论述了煤层岩芯流动实验的作法以及各类工作液对煤层岩芯的损害评价方法[8];丛连铸等研究了各种压裂液对煤层渗透率的伤害,认为压裂液堵塞煤层割理和煤基质吸附压裂液膨胀是伤害煤层渗透率的两大因素[9-10];汪伟英等研究了钻井液侵入对煤储层的伤害,指出煤岩的膨胀程度直接受煤中黏土矿物的影响[11];对煤层应力敏感性的研究较为深入,孟召平、陈振宏等研究了煤层气开发过程中存在的应力敏感性,认为煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,煤层含水饱和度愈高应力敏感性愈强,煤层原始渗透性越差,应力敏感对产量的影响越大[15,17]。但是目前敏感性实验内容大多集中在应力敏感和钻井液、压裂液对煤层渗透率的伤害上,对其他敏感性研究鲜有报道,针对原始渗透率更低的沁水盆地南部高煤阶煤储层敏感性的研究更少,而且,由于目前沁水盆地南部高阶煤煤层气的生产实践大多采用清水钻井和水基压裂液,对储层伤害重视明显不足。因此有必要从煤储层特征出发,结合煤层气开发区实际,系统研究沁水盆地南部高煤阶煤储层的敏感性,从而为加强沁水盆地南部煤层气储层保护,提升煤层气井产量提供理论依据。

1 实验样品和方法

1.1 实验样品

样品取自沁水盆地南部高煤阶煤层的典型地区寺河井田,寺河井田含煤地层总厚平均147.19 m,可采煤层平均厚9.59 m,目前煤层气的主力储层是3号煤层,位于山西组下部,煤厚平均5.59 m,属稳定可采煤层。寺河3号煤镜质组反射率Ro,max平均为3.24%,为高变质无烟煤,煤中镜煤条带极其发育,宏观煤岩类型以光亮型为主(图1)。

图1 寺河3号煤宏观煤岩Fig.1 Macroscopic coal petrography of Sihe coalbed 3

寺河3号煤中孔隙大多为气孔和粒间孔,并分布少量被充填的组织孔[18-20],煤中大多数孔隙被矿物充填,充填矿物主要是黏土矿物(图2)。寺河3号煤BET平均孔径非常小,为2.221～2.825 nm,克氏渗透率为0.061×10-15～0.771×10-15m2,属低渗—超低渗储层(表1)。

图2 寺河3号煤中的孔隙及充填矿物Fig.2 Pores and filling minerals in Sihe coalbed 3

表1 测试煤样基本性质Table 1 Basic properties of coal samples

煤中含有多种矿物,主要为黏土类矿物、硫化物矿物、氧化物矿物和碳酸岩类矿物。煤的工业分析中的灰分含量可反映煤中的矿物含量,寺河3号煤中灰分含量超过10%(表1),而且通过矿物分析发现3号煤黏土矿物的含量占矿物总量的90%左右,说明3号煤中含有较多矿物且主要是黏土矿物,而黏土矿物是引起水敏、速敏和碱敏的主要矿物(表2),所以寺河3号煤存在潜在的敏感性伤害。

1.2 实验设备与方法

实验采用海安石油科研仪器厂生产的LSY-1A型储层伤害分析仪,实验样品的处理与实验过程依据国标 SY/T 5336—2006岩芯分析方法和 SY/T 5358—2010储层敏感性流动实验评价方法。其中在速敏实验过程中,由于实验煤样的渗透率较低,当使用恒定流速进行驱替实验时,整个过程中压力波动太大,无法获取稳定的渗透率值,故本实验采用改变驱替压力代替改变流速进行速敏实验,由小到大设定一定间隔的驱替压力,并测定在每个驱替压力下的稳定渗透率。实验进行完所有压力点后在保持不间断流动的情况下,切换流体注入方向,通过岩芯正反向渗透率的变化来研究颗粒运移对岩心渗透率的影响程度。

表2 常见黏土矿物的基本存在形式及潜在损害Table 2 Basic forms of common clay minerals and potential damage

2 实验结果与讨论

2.1 速敏实验

图3为速敏实验结果。在正向流动实验,随着驱替压力的逐渐增大,渗透率在刚开始一直保持不变,当驱替压力增大到1 MPa时渗透率开始下降,并且在2 MPa时达到最低值,此时渗透率值降为初始值的一半,但是随着驱替压力的增加渗透率又逐渐恢复,直至达到5.5 MPa时仍保持平稳;在最大驱替压力值下进行换向流动实验,反向驱替时渗透率下降为0.344 8×10-15m2,为初始渗透率的60%。

图3 速敏曲线Fig.3 The velocity sensitivity curve

分析整个实验过程可看出,煤样具有速敏感性,微粒运移也确实存在,之所以在低驱替压力处出现渗透率降低、在高驱替压力处又恢复的情况,是因为低压运移的微粒堵塞孔隙通道后在高压时被冲开,而换向流动的渗透率降低更直接说明微粒运移的存在,也能看出微粒运移对渗透率伤害的程度较大。

仅从该实验现有数据看,该煤样敏感性损害程度为中等偏弱,但是在实际煤层气开发过程中,运移的微粒并不仅仅是原有自由颗粒以及被水化脱落的黏土矿物,更重要的是压裂过程中含砂压裂液对煤层的冲刷产生的煤粉,因而煤层气开发过程实际引起的速敏要较本实验所得评价结果高。所以,在煤层气压裂和排采过程中,要合理控制压裂液返排速度和排采工作制度,建议排采坚持“缓慢、持续、稳定”的降液原则,保证液面稳定缓慢下降,防止液面突降造成压力激动产生煤粉运移对煤层渗透率造成伤害。

2.2 水敏实验

图4为煤样水敏实验结果。煤样渗透率值在KCl溶液质量分数为8%,4%,0时依次递减,计算的水敏损害率为9.91%～36.93%,根据水敏性评价指标,水敏程度为中等偏弱,即寺河3号煤为中等偏弱水敏储层。产生水敏的根本原因是注入水引起黏土膨胀、分散、运移,使得渗流通道变化导致储层渗透率发生变化。所以,在煤层气生产过程中加注的工作液中应当添加适量黏土稳定剂以降低水敏伤害。同时根据实验过程可看出,工作液中添加一定比例的KCl可以起到降低水敏的效果。

图4 水敏曲线Fig.4 The water sensitivity curves

2.3 碱敏实验

实验结果如图5所示,从图中可直观看出煤样的渗透率随着注入溶液的pH值的增大呈逐渐降低的趋势,在pH＜10时渗透率降幅较缓,而在pH＞10时渗透率降幅变快,在pH=13时渗透率降至初始渗透率的29.29%,碱敏损害程度为弱损害程度,所以寺河3号煤为弱碱敏损害煤层。分析其原因是由于煤中强碱敏性矿物石英、长石含量较少,黏土矿物含量虽然较多,但碱敏最强的高岭石含量较少。另外,值得注意的是,虽然3号煤储层为弱碱敏性储层,但是碱敏伤害也是不可忽视的,尤其是在使用高pH值工作液时更应该注意,尽量避免强碱溶液溶解石英砂支撑剂而降低支撑效果,造成渗透率大幅较低。

图5 渗透率随pH值变化曲线Fig.5 The change curve of permeability with the pH

2.4 应力敏实验

为了更为直观地描述煤储层应力敏感性对渗透率的影响,定义无因次渗透率k/k0为渗透率k与煤岩初始渗透率k0的比值。从图6可以看出,在升压阶段,随着净围压的增加煤样渗透率急剧降低,当净围压升至5 MPa时,k/k0降至0.203 2,渗透率较初始渗透率的变化率为79.68%,损害程度为强损害;在降压阶段,样品的渗透率有所恢复,但是并不能恢复到初始水平,样品不可逆损害率达55.88%,这种现象是由于升压闭合的裂隙再卸压后不能完全恢复张开造成。由此表明,煤层气井排采过程中的压力波动会造成煤岩孔裂隙变形,从而对储层的渗透性造成伤害,而且这种变形具有塑性变形的特征,煤层渗透率产生不可逆下降,不可逆程度高于50%。所以在煤层气藏的开发过程中,单纯增大生产压差,可能会导致地层渗透率的急剧降低,反而影响煤层气井产量的提高。

图6 煤样无因次渗透率随净围压变化曲线Fig.6 The change curves of dimensionless permeability with net confining pressure

3 结论及建议

(1)沁水盆地南部高煤阶煤储层存在不容忽视的敏感性,尤其是应力敏感性,通过加强储层保护理论上可以提升煤层气产量。

(2)实验测试的速敏损害程度为中等偏弱,但在实际煤层气开发过程中,压裂产生的煤粉运移造成的速敏损害影响更大,建议在煤层气井排采过程中遵循“缓慢、持续、稳定”的降液原则。

(3)沁水盆地南部高煤阶储层为中等偏弱水敏储层,在煤层气生产过程中向工作液中添加少量KCl可以起到一定的降低水敏的效果。

(4)沁水盆地南部高煤阶储层为弱碱敏储层,但仍要控制工作液pH值,高pH值工作液会使压裂用的支撑剂石英砂受碱液溶解而降低支撑效果,造成渗透率大幅较低。

(5)沁水盆地南部高煤阶储层为强应力敏储层,且升压和降压造成的渗透率变化不可逆。在煤层气藏的开发过程中,单纯增大生产压差可能会导致储层渗透率的急剧降低,反而影响煤层气井产量的提高。

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Sensitivity of high-rank coal-bed methane reservoir in the Southern Qinshui Basin

TIAN Yong-dong1,2,WU Jie2,3

(1.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-bed Methane,Jincheng 048204,China;2.Shanxi Lanyan CBM Group Co.Ltd., Jincheng 048006,China;3.Shanxi Province Key Laboratory of Coal and Coalbed Methane Simultaneous Extraction,Jincheng 048006,China)

In order to achieve a high-efficient exploitation of CBM in the southern Qinshui Basin,the velocity sensitivity,water sensitivity,alkaline sensitivity and stress sensitivity of the main coalbed 3 were investigated and analysed.The results show that:the degree of velocity sensitivity damage at the coalbed 3 varies from medium to weak.In the actual CBM development process,the velocity sensitivity damage is due to the transportation of coal powder produced by the coalbed washout of the fracturing fluid containing sand.The degree of water sensitivity damage at the coalbed 3 varies from medium to weak.Adding a small amount of KCl to the working fluid can reduce the water sensitivity effect.The coalbed 3 is a weak alkaline sensitive reservoir,however,the high pH fluids will dissolve quartz sand and reduce the support effect.The coalbed 3 is a strong stress sensitivity reservoir.According to the comparison of permeability change in the step-up and step-down phases,the irreversible damage rate is 55.88%.In the coalbed methane development process,in theory,strengthening reservoir protection can increase the coalbed methane production.

high rank;coal reservoir;sensitivity;Qinshui Basin;coal-bed methane

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1835-05

2014-06-01 责任编辑:毕永华

山西省煤层气联合研究基金资助项目(2012012006)

田永东(1969—),男,山西晋城人,高级工程师,博士。E-mail:ydtian@163.net。通讯作者:武 杰(1985—),男,山西大同人,工程师,硕士。E-mail:11wujie1985@163.com

田永东,武 杰.沁水盆地南部高煤阶煤储层敏感性[J].煤炭学报,2014,39(9):1835-1839.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8017

Tian Yongdong,Wu Jie.Sensitivity of high-rank coal-bed methane reservoir in the Southern Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1835-1839.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8017