寿阳七元煤矿15#煤层煤岩特性研究

金鑫

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457)

冷炎,邓拓

(中联煤层气有限责任公司太原分公司，山西 太原 030000)

任维娜

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457)

王顺波

(中海油山西清洁能源技术开发有限公司，山西 太原 030000)



寿阳七元煤矿15#煤层煤岩特性研究

金鑫

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457)

冷炎,邓拓

(中联煤层气有限责任公司太原分公司，山西 太原 030000)

任维娜

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457)

王顺波

(中海油山西清洁能源技术开发有限公司，山西 太原 030000)

[摘要]利用扫描电子显微镜和室内煤样试验手段，分析研究了寿阳七元煤矿15#煤层的煤岩特性，包括全岩矿物及黏土矿物分析、扫描电镜分析、煤岩对钻井液的膨胀性、煤岩表面润湿性等。研究结果表明，寿阳七元煤矿15#煤层煤岩中含有少量黏土矿物及碳酸盐岩矿物，煤岩内部微裂缝与溶孔发育，个别孔隙中充填有黏土矿物；煤岩在蒸馏水中表现出较强的水化膨胀效应，其次是KCl和聚合物溶液，且随着KCl和聚合物含量增加，膨胀性减弱；煤样表面对清水接触角68.3°，但亲水性比砂岩弱很多，属于弱亲水性。研究结果可为钻井工程实施方案的制定及分析判断钻井过程中煤储层的伤害机理研究提供依据。

[关键词]煤岩特性；15#煤层；膨胀性；润湿性

七元煤矿位于山西省寿阳县，该煤矿煤层含气量高：15#煤层北一盘区工作面日产量为7000t时的最大相对瓦斯涌出量为22.82m3/t，绝对瓦斯涌出量为135.93m3/min，在考虑瓦斯涌出不均衡系数后高峰期则为203.90m3/min；南一盘区工作面日产量为7303t时最大相对瓦斯涌出量为23.69m3/t，绝对瓦斯涌出量为145.14m3/min，在考虑瓦斯涌出不均衡系数后高峰期则为217.71m3/min[1]。七元煤矿煤层气井属于高瓦斯矿井[2]。为使矿井瓦斯含量降低到矿井安全标准范围内，七元煤矿实施瓦斯地面抽采(生产煤层气)，但在使用清水为钻井液的钻井施工过程中多次出现煤层坍塌等复杂情况，而所使用钻井液对煤层的伤害机理又缺少考证。为此，笔者针对矿区内主要目的煤层15#煤层进行煤岩特性研究。

1七元煤矿15#煤层储层特征

七元煤矿位于沁水盆地东北缘，矿区面积195km2，其中首采区面积26.3km2。七元煤矿含煤地层有石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组及下石盒子组。其中本溪组及下石盒子组的煤层为不可采煤层，无经济价值。太原组与山西组为勘查区主要含煤地层。煤层自上而下编号为1、2、3、4、5、6、8、9、11、12、13、15、16，其中1～6#煤层为山西组煤层，其余为太原组煤层，8#和15#煤层全区发育，为全区稳定可采煤层。

15#煤层为主要目的煤层，厚度变化在3～4.5m，平均厚度在3.77m。埋深在600～920m，平均埋深730m，该区煤层结构简单，含0～4层夹矸，多数区域只有上下2层夹矸。最稳定发育的是下夹矸，厚度0.3～0.5m，发育在距底层1～1.5m。该煤层煤质为中灰、低硫、低磷、高热值煤，以半亮型煤为主，局部含黄铁矿。该煤层渗透率较低，通过煤田钻孔求取的渗透率平均值为0.045mD，煤层气参数井获取的渗透率平均值为0.29mD，试井渗透率平均值为0.48mD。该区块前期部分钻井取心不带压测试的孔隙度平均值5.8%左右，部分煤层气参数井试井获得的地层压力平均4.54MPa，地层净水柱压力平均7.82MPa，地层压力系数平均为0.56，比正常的静水压力系数低很多。15#煤层储层温度20.44～33.43℃，平均储层温度27.21℃，500m以上地温梯度平均1.15℃/100m，500m以下地温梯度平均1.45℃/100m。

2煤心制取及试验方案

2.1煤心制取

煤样取自寿阳区块七元煤矿矿井内15#号煤层(干样)，采用干冰将煤样冰冻36h后在小幅增加钻压的基础上，用液氮作为钻头冷却剂，钻取直径2.5cm、长度5～7cm的岩心。这样可以提高煤岩的取心成功率，同时也保持了煤岩的原始特性。

2.2试验方案

2.2.1全岩矿物和黏土矿物分析

按相关标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T5163-2010)[3]执行，主要是测试煤岩的矿物组成和含量、黏土矿物种类和相对含量，为分析煤岩在遇到水性流体时可能发生的变化提供参考依据。

2.2.2扫描电镜分析

按相关标准《沉积岩中自生粘土矿物扫描电子显微镜及X射线能谱鉴定方法》(GB/T17361-1998)[4]执行，扫描电镜分析(SEM)可以直观反映煤岩表面性质、孔隙和微裂缝发育程度以及黏土矿物在煤岩中的分布状态等。

2.2.3膨胀性测试

将块状煤样粉碎过100目筛，烘干后称重10g在6MPa、10min下压制成圆柱形样品，在30℃、6MPa下测试其在不同介质中的膨胀率，并进行对比。

2.2.4表面润湿性

利用接触角法测定煤样对清水(现场钻井水)润湿性，以接触角大小表征煤样对清水的润湿性。

3研究结果

煤岩特性研究是认识煤层地质特性的必要手段，煤层的敏感性评价、损害机理研究、综合诊断、保护储层技术方案的设计都必须建立在煤岩特性研究之上，所以煤岩特性研究是煤层气勘探开发中不可缺少的重要组成部分。煤岩特性研究可以全面认识煤层物理性质及煤层中敏感性矿物的类型、产状、含量以及分布特点；确定煤层潜在损害类型、程度及原因；为各项作业中保护储层技术方案设计提供依据和建议[5]。

3.1全岩矿物/黏土矿物种类分析

对七元煤矿15#煤层的2种样品进行了全岩矿物和黏土矿物分析，具体结果见表1和表2。从表1和表2可见，寿阳七元煤矿15#煤层中含有少量黏土矿物及碳酸盐岩矿物。其中硫铁矿易发生酸敏性损害，黏土矿物伊利石与高岭石易发生速敏性损害，伊/蒙混层有发生水敏性损害的可能。

表1　15#煤层煤样全岩矿物分析

3.2扫描电镜分析

采用JSM-6610LV分析型扫描电子显微镜，对15#煤层煤样的表面进行高分辨微观形貌观察与样品表面微区化学成分的定性分析，分析分为垂直割理方向和水平割理方向2部分，具体结果见图1、图2、表3、表4。

表2　15#煤层煤样黏土矿物分析

图1　15#煤层煤样垂直割理方向扫描电镜照片

图片号放大倍数解释 图1(a)30 全貌,致密,见层间条纹;图1(b)396 层间黏土矿物,元素成分为Si、Al和O;图1(c)2500 碳质粒内孔隙、碳质成分为C和少量Si、Al、O、S;图1(d)3010 约2～10μm有机质粒内孔隙;

煤岩的扫描电镜照片显示了微裂缝与溶孔的微观状态。微裂缝的存在加剧了应力敏感性，也是固相微粒侵入以及大分子处理剂内吸附等损害的有利条件。杨宇等通过计算煤层孔隙分形维数发现低阶煤主要以大孔及微孔-过渡孔为主，孔隙连通性好，利于煤层气的开发；高阶煤主要以微孔-过渡孔为主，利于煤层气的聚集[6]。从图1和图2可看出，煤岩较均质，个别孔隙中充填有黏土矿物，有潜在的水敏损害趋势；从表3和表4可见，有机质中主要的元素为C，少量的Si、Al、O、S元素属于表面附着的黏土矿物。

图2　15#煤层煤样水平割理方向扫描电镜照片

图片号放大倍数解释 图2(a)30 全貌,致密,元素成分为C和少量的Si、Al、O、S;图2(b)800 见一有机质裂缝,有机质成分为C和少量的Si、Al、O、S;图2(c)1500 有机质表面附着黏土微粒,成分为C和少量的Si、Al、O、S;图2(d)2210 有机质表面附着黏土微粒;

图3　15#煤层煤岩在不同工作液中的膨胀性

3.3膨胀性研究

为验证常用煤层气钻井液对七元煤矿15#煤层煤岩膨胀性的影响，取现场煤屑粉碎磨细，称10g，在6MPa下压制10min制成圆柱形样品。配制一定量的不同工作液，利用线性膨胀仪测定煤样在各工作液中的膨胀率，采用蒸馏水做对比试验，膨胀试验结果见图3。

由图3可知，煤岩膨胀主要发生在开始与水接触的3h时间内。其在蒸馏水中表现出较强的水化膨胀效应，其次是KCl和聚合物溶液，且随着KCl和聚合物含量增加，膨胀性减弱。煤层气井钻井液必须具有良好的抑制性[7]，钻井液中加入一定量的KCl和聚合物能有效抑制煤岩的膨胀，同时减少外来液体进入煤岩也是降低煤岩膨胀的途径之一。

3.4表面润湿性研究

液体在煤岩表面润湿(铺展)的倾向性称为煤岩的润湿性。煤岩的润湿性一般可分为亲水性和亲油性2大类。煤岩的润湿性取决于矿物的晶体结构、地层流体的活性组分性质，工作液侵入也可以改变煤岩的润湿性[8～10]。

采用接触角法和自吸高度法对七元煤矿15#煤层煤岩进行润湿性测试，其中接触角法试验测得寿阳七元煤矿15#煤层煤岩对清水接触角为68.3°，属于弱亲水性；自吸高度法测量结果见表5。与强水湿石英砂相比，煤岩自吸高度低得多，说明煤岩的亲水性比砂岩弱得多。

表5　七元煤矿15#煤层自吸高度法润湿性测试结果

4结论

1)寿阳七元煤矿15#煤层中含有少量黏土矿物及碳酸盐岩矿物，其中硫铁矿易发生酸敏性损害，黏土矿物伊利石与高岭石易发生速敏性损害，伊/蒙混层有发生水敏性损害的可能。

2)15#煤层煤岩微裂缝与溶孔发育，微裂缝的存在加剧了应力敏感性，也是固相微粒侵入以及大分子处理剂内吸附等损害的有利条件。

3)15#煤层煤岩较均质，个别孔隙中充填有黏土矿物，有潜在的水敏损害趋势。

4)15#煤层煤岩膨胀主要发生在开始与水接触的3h内，其在蒸馏水中膨胀率最大，KCl盐水和聚合物溶液能够有效抑制其膨胀。

5)15#煤层煤岩对清水接触角68.3°，亲水性比砂岩弱得多，属于弱亲水性。

[参考文献]

[1]陈洋.阳泉七元煤矿投产初期瓦斯涌出量预测[J].煤矿安全,2013,44(11):155～161.

[2]秦艳红.高瓦斯矿井采煤工作面瓦斯治理策略[J].技术与市场,2014,21(5):354～355.

[3]SY/T5163-2010，沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法[S].

[4]GB/T17361-1998，沉积岩中自生黏土矿物扫描电子显微镜及X射线能谱鉴定方法[S].

[5]岳前升,马玄,陈军.沁水盆地煤层气水平井井壁垮塌机理及钻井液对策研究[J].长江大学学报(自科版),2014,11(32):73～76.

[6]杨宇,孙晗森,彭小东,等.煤层气储层孔隙结构分形特征定量研究[J].特种油气藏,2013, 20(1):31～33.

[7]张振华.辽河盆地小龙湾地区煤层气井钻井液技术探讨[J].特种油气藏,2005,12(5):68～71.

[8]李庆会,游艺,欧阳云丽,等.浅析影响煤岩润湿性的因素[J].石油化工应用,2013,32(1):88～90.

[9]李相臣,康毅力,尹中山.不同化学环境下煤岩表面电性与润湿性特征[J].中国矿业大学学报,2014, 43(5):864～869.

[10]何杰.煤的表面结构与润湿性[J].选煤技术,2000(5):13～15.

[编辑]赵宏敏

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)13-0022-05

[中图分类号]TE135.1；P618.13

[作者简介]金鑫(1982-)，男，工程师，现主要从事非常规能源钻完井工艺方面的研究工作；E-mail jinxin2@cnooc.com.cn

[基金项目]中国海洋石油总公司煤层气科技攻关项目(GC2014SRZCS011)。

[收稿日期]2016-01-26

[引著格式]金鑫，冷炎,邓拓，等.寿阳七元煤矿15#煤层煤岩特性研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(13)：22～26.