煤岩气层损害机理与评价方法

游利军， 林子岚， 江安， 康毅力， 崔凯潇

（1.西南石油大学·油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

煤岩气层损害机理与评价方法

游利军1， 林子岚1， 江安2， 康毅力1， 崔凯潇1

（1.西南石油大学·油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

目前国内外煤岩气层损害评价尚缺少统一的评价标准与指标。基于煤岩气层特点，分析了煤岩气层损害类型与机理，归纳了国内外分别从煤岩气层解吸性能、扩散性能和渗流性能进行评价的单一环节损害评价方法，分析各评价方法的优缺点及其适用条件。应力敏感、固相侵入与堵塞、聚合物吸附滞留、碱敏、煤粉运移堵塞是煤岩气层主要损害类型；煤岩气层损害既影响煤层排水，也影响煤层气产出，而煤层排水能力也影响煤层气产出；煤层气单一传质过程储层损害评价不全面，亟待建立单一传质过程结合多尺度传质过程的煤岩储层损害评价方法，但渗透能力评价仍然是关键，同时要考虑具有吸附气条件下水相渗流能力的损害评价。

煤层气；煤岩；储层损害；机理；吸附；多尺度；综述

中国煤层气资源丰富，位居世界第3位，与陆上常规天然气资源量相当[1]。2015年中国煤层气年产量近44×108m3。作为一种清洁能源，煤层气的有效勘探与开发具有重要意义[2]，不仅能够弥补天然气资源短缺的不足，还能降低煤矿开采过程中瓦斯灾害，成为中国能源发展的现实选择。煤层气是一种由煤层生成并主要以吸附态储集于煤层中的非常规天然气，在煤矿中俗称为瓦斯，主要成分为甲烷。与常规储层相比，煤岩储层具有吸附性强、渗透性差、弹性模量小、泊松比大、平均内聚力小、煤岩本身物性易破碎、易坍塌等特征[3]，且煤岩气藏均不同程度地含水，煤层气主要通过排水降压开采，水对煤层气的赋存和运移都有明显的控制作用。因此，相比常规储层，工程作业中工作液密度大、固相含量高、聚合物不能有效地降解、流体不配伍等都会造成储层损害，影响后期煤层气的采收率[4]。以往储层损害机理多针对砂岩、碳酸盐岩，而对富含有机质煤岩研究较少，对煤岩气层损害评价更缺少统一的标准与指标。近年来，国内外学者围绕煤层气产出机理，煤岩气层损害类型、损害机理等进行了大量研究，发现损害可能发生在煤层气开发全过程。针对煤层气产出的各个环节，不同学者分别基于解吸性能、扩散性能、渗流性能研究了其损害评价方法。

1 煤岩气层损害机理

煤岩在结构构造上与常规油气层岩石具有显著不同，导致煤岩储层损害具有特殊性。煤岩储层作为有机岩储层，工程作业中损害煤层的因素多样，损害机理主要包括以下几个方面。

1）固相侵入或运移堵塞裂隙。粒径小于孔隙直径或裂缝宽度的固相颗粒，在正压差作用下进入储层堵塞孔隙和裂缝。煤岩裂缝发育， 具有平直的特征， 是煤层甲烷渗流的通道，工作液固相易通过裂缝侵入储层深处，损害裂缝壁面，堵塞基块孔隙喉道，影响煤层气的渗流和扩散。

2）流体敏感性。当外来流体的抑制性不足及与煤层流体不配伍时，黏土矿物会水化膨胀、分散及絮凝沉淀，导致储层渗透率降低；煤系地层的成岩演化一般都会导致酸性成岩环境[5]，因此，碱液进入煤岩储层后，改变煤层环境，可能与煤层流体中的无机离子结合形成盐垢，影响煤层气渗流通道。

3）聚合物吸附滞留。煤岩储层岩石有机质含量高，比表面积大，吸附性强。工作液中聚合物吸附在煤岩表面，使甲烷气体很难从内部孔隙中解吸出来，降低煤层气的解吸、渗流能力。

4）应力敏感性。煤岩塑性特征明显，储层应力敏感性强，煤岩孔喉的压缩，使得裂缝闭合，降低裂缝导流、扩散能力。对于降压开采煤层气来说，应力敏感性值得重视，排采速率需要优化。

5）煤粉运移堵塞。根据“1/3”架桥理论，当颗粒直径等于或略大于孔喉尺寸的1/3时，颗粒容易发生桥塞，阻碍流体在孔隙中的流动。由于煤岩孔隙度很低（1%～2%），工程作业中产生的煤粉容易在井筒附近发生堵塞，影响煤层气的扩散、渗流能力。

6）水相圈闭损害。虽然2 000 m以浅煤层孔喉细小，但是通常高含水，水相圈闭损害不是这类煤层的主要问题。2 000 m以深煤层，可能和致密砂岩、页岩气层类似，也具有超低含水饱和度现象[6]。由于煤岩气层是气源岩，大量生气，气体驱替和蒸发作用，将降低水饱和度；煤岩是有机质岩石，岩石表面又吸附大量气体，岩石表现为疏水性；煤岩也曾经历高温高压环境，在这个环境下，气体很容易将疏水孔隙表面的水相驱替或蒸发排出，因此2 000 m以深煤岩可能具有超低含水饱和度现象。具有超低含水饱和度的煤岩气井可能不产水或很少产水，生产机理可能和目前排水降压采气机理不同。具有超低含水饱和度的煤岩气层毛管力作用强，工作液易滞留在煤层，水相进入煤岩储层裂隙难以返排，形成水相圈闭损害，造成供气受阻，影响煤层气的渗流。

煤层裂隙通常处于水饱和状态，必须先通过排水降压使基质孔隙内表面吸附的煤层气体在低于临界解吸压力时发生解吸，再由基质孔隙扩散到裂隙中，最后从裂隙流向井筒，因此煤层气产出一般要经过解吸-扩散-渗流3个环节。多年来，国内外学者通过不同实验研究了煤岩气层的损害机理[7-10]。工程作业过程中，工作液对基块表面、孔喉、裂隙和人工缝壁面的损害将影响甲烷的解吸速率、扩散速率和游离气相的渗透率，而在解吸-扩散-渗流的每一个环节出现的损害都将降低气井产能，妨碍气藏开发。

2 煤岩气层损害室内评价方法现状

2.1 煤层气层解吸性能损害评价

煤岩低孔低渗，工作液的侵入会影响煤层气解吸。解吸性能通过开展工作液接触前后煤样的等温吸附/解吸实验来进行评价。这种方法常采用等温吸附曲线拟合得到的兰氏体积VL、兰氏压力PL，结合吸附/解吸量来评价吸附/解吸性能的损害。解吸时，也采用恒压法，即让一定压力下吸附饱和的煤样在恒定压力容器中解吸，绘制累计解吸量随时间平方根的变化曲线。一般使用解吸量、解吸率、解吸时间或解吸速率等指标来评价吸附/解吸性能。为模拟工作液侵入的损害，实验参考煤样应使用地层水浸泡过的煤样，但由于煤岩低孔低渗的特性，解吸过程易受毛细管凝聚作用的影响，因此，也可使用干煤样作为参考。

Clarkson（1999）等用BET、BJH、D-R方程进行拟合低压和高压下干燥和湿润的粒径为0.28～0.45 mm的煤粉等温吸附实验结果表明，干燥煤样吸附甲烷的兰氏体积大于平衡水煤样的兰氏体积，干燥煤样的兰氏压力小于平衡水煤样的兰氏压力[11]。Krooss（2002）和Busch（2003）等研究了干燥和平衡水状态的直径小于0.2 mm的煤粉在不同压力下的吸附曲线[12-13]。陈尚斌（2009）以等温吸附实验的Langmuir参数为基础，通过对比清洁压裂液作用前后的煤岩储层可采系数来评价压裂液对煤岩吸附性能的影响[14]。Pan等（2010）对比了相同平衡压力条件下含水柱状煤样的吸附/解吸曲线，并用解吸量达到总解吸量80%的时间来评价含水量对解吸性能的影响[15]。赖晓晴等（2013）结合煤岩气层特点和钻开储层后钻井液侵入方式，建立了钻井液对煤层气解吸率损害的评价方法[16]。李相臣等（2014）利用高温高压煤层气吸附/解吸测量系统（图1）测量高温高压下流体作用后的饱和吸附的煤粉的自然解吸，通过对比相同解吸时间下的累计解吸量来评价流体作用对煤岩解吸性能的影响[17]。

国内外煤层气吸附/解吸损害评价操作方法主要有2类：一是测试液体浸泡后的煤样等温吸附曲线；二是在同一压力下，在等温吸附平衡的干岩样中注入不同液体，逐步降压解吸，得到等温解吸曲线，进而对煤岩储层吸附性能进行损害评价。

图1 高温高压煤层气吸附/解吸测量系统

1） 不含吸附气煤岩解吸能力损害评价。干燥煤样进行吸附前对煤样进行损害是常用的吸附性能损害实验方法之一。煤样可以是煤粉或柱塞煤样。虽然柱塞煤样可加围压，更能模拟实际吸附/解吸情况，但与煤粉相比，吸附/解吸时间显著增加，且吸附/解吸受到气体渗流能力的影响，因此，煤岩吸附实验中多使用煤粉。实验中常制备干燥煤样、一定湿度的煤样、地层水/工作液浸泡后的煤样 。实验评价方法如下：恒温条件下，测试与工作液接触后煤样的等温吸附曲线。或在同一压力下，与工作液接触后煤样达到吸附平衡后的解吸量随时间变化曲线；此方法易于操作，但不能模拟工作液侵入对煤岩气层吸附/解吸性能的损害的真实情况[17-18]。

2）气体吸附平衡后煤岩吸附能力损害评价。为了模拟工作液侵入对煤岩气层吸附/解吸性能的损害，将干煤样在指定压力下吸附平衡后，分别注入一定量的纯净水（煤样湿度对应水量）、地层水、工作液，测试这些煤样解吸曲线[16，19-21]。

2.2 煤岩气层扩散性能损害评价

作为煤层吸附气产出的第一阶段和煤岩储层多尺度传质过程中速率最慢的一环，解吸-扩散速率直接决定气体最终采收率和产出速率[22]。扩散系数可以通过理论估算和实验测得，对于特定地区特定煤岩的天然气扩散性能最好进行实验测定。扩散系数的实验室测定方法主要采用直接测定法。直接测定法根据两端气室是否封闭分为封闭式和开放式[23-27]，间接法采用解吸法和压力衰减法，表1对比了国内外扩散系数测试方法。

工作液对煤层气扩散性能的影响评价通常采用粉状岩样解吸法。对煤岩气层扩散过程的模拟，常使用单孔模型，扩散系数只有一个。李相臣等（2014）让煤粉在相同平衡压力下吸附饱和后，抽真空降压解吸，利用排水法获得煤样的解吸曲线，再用单孔扩散模型拟合数据，求取煤样的扩散系数，通过对比流体作用前后的扩散系数来评价流体对扩散性能的影响[17]。也有研究者采用双孔模型评价宏孔和微孔的损害程度。Pan等（2010）采用双孔扩散模型对不同含水量柱状煤样的吸附/解吸数据进行拟合，求取宏孔扩散系数Da和微孔扩散系数Di，研究发现Da、Di均随含水量增加而减小，但Da受含水量的影响更大。

表1 煤层吸附气扩散系数测试方法对比

2.3 煤岩气层渗透率损害评价

煤层气的产出经历“解吸-扩散-渗流”的多尺度传质过程，这3个环节紧密相连，相互制约，煤岩储层渗流能力的削弱会抑制基质中吸附态甲烷的解吸以及游离气相的扩散，并最终影响煤层气井的单井产能。渗透率测试方法包括稳态法和非稳态法2种，对于低渗岩样多用非稳态法。根据测量所用介质又可分为气测渗透率法和液测渗透率法[28-35]。气体稳态渗透率的测量基于达西定律，当出现气体滑脱现象时，需要进行滑脱校正。气体非稳态渗透率的测量方法目前常用的有压力脉冲法和压力衰减法。气体稳态法和非稳态的压力脉冲、压力衰减法[28]的测试范围和优缺点见表2。

表2 煤岩气层渗透率测试方法对比

煤层气产出也受到煤层排水降压情况影响，因此煤岩气层损害评价还要评价液体渗透率损害。目前国内外液体非稳态法应用最多的主要也是压力脉冲法[28]和压力振荡法，液体渗透率测量方法对比见表3。液体压力脉冲法与气体压力脉冲法测试原理类似，同样在上游容器施加略高于下游容器的压力，监测上下游容器压力的变化，通过这一变化计算渗透率。两者的区别在于增加上游端压力的方法不同，气体压力脉冲采用气源增压，而液体压力脉冲采用旋进针型阀增压。压力振荡法则是在岩心上游施加特定的正弦振荡，由于样品的渗透性，在样品的下游端将会出现压力响应，表现为相位延迟和振幅减小，再经过相应的数学处理求取渗透率[16]。

表3 液体渗透率测量方法对比

评价工作液对煤岩储层渗透率影响的实验装置各式各样，渗透率测试方法也各不相同，有稳态法和非稳态法，实验评价指标主要为渗透率损害率或恢复率。

1）稳态法测量渗透率。Chen等（2006）结合煤层气产出过程，采用稳态法以返排恢复率作为渗透率损害的评价参数，评价了不同压裂液体系对煤岩气体渗透率和液体渗透率的影响，实验流程如图2。该装置能够同时满足气体和液体2种渗流介质[36]。余维初等（2011）设计了能实现三维应力下渗透率测量的多功能煤岩气层钻井液动态损害评价系统，采用稳态法测量渗透率，分析了钻井液对煤岩渗流能力的影响[37]。李相臣等（2014）通过钻井完井液动态损害评价和滤液静态损害评价来分析钻井完井液侵入对煤岩渗流能力的影响，实验过程采用稳态法测量渗透率，并用渗透率返排恢复率来表征损害程度[17]。

图2 满足气体、液体2种介质的渗透率损害评价装置

2）非稳态法测量渗透率。赖晓晴等（2013）采用超低渗透率储层损害评价装置测试了钻井液作用前后的煤岩液体渗透率。该装置渗透率测试方法为压力振荡法，正弦压力由HSP-100/BX型恒流恒压泵产生，并以渗透率损害率为指标评价了流体侵入对煤岩渗流能力的影响[16]。黄维安等（2012）基于压力脉冲法测量不同流体作用前后煤岩气体的渗透率，采用渗透率损害率来评价流体侵入对煤岩渗流能力的影响[38]。

3 讨论

煤层气开采经历解吸→扩散→渗流→入井形成产量的全过程，气藏开发中各类钻完井工程甚至压裂增产过程使用的工作液与煤层接触后，工作液中化学物质与气层发生一系列物理-化学反应，造成一定的储层损害，甲烷解吸速率、游离气相的扩散速率、渗透率都有可能会不同程度地降低。

3.1 渗流能力测试是煤岩储层损害评价的关键

煤层气必须先通过排水降压至临界解吸压力，使基质孔隙内表面吸附的煤层气发生解吸，再由基质孔隙扩散到裂隙中，最后从裂隙流向井筒，在此过程中，气、水处于同流状态[39]。不管煤岩类型和变质程度，相同时间段内甲烷解吸量和解吸速度都随着水分的增加而减小[40]，因此，只有让煤层中的水排出，才能促使煤层气的解吸，而煤层中水的渗流主要受裂缝渗透率的影响，渗流能力仍然是煤岩储层损害评价的重点。

3.2 煤岩渗透率测试需要考虑吸附气的影响

煤岩具有较大的比表面积和较强的吸附性能。煤层吸附甲烷后，将引起基质的膨胀和煤体结构、表面特性等改变，这些都将直接或间接引起煤岩储层中气、水的渗透率变化。因此，煤样渗透率测试中如使用非吸附性气体，将影响渗透率测试的准确性，影响煤岩储层损害的进一步评价。因此，煤样渗透率测试过程中必须考虑气体吸附的影响。

3.3 煤岩储层损害评价需考虑多尺度传质过程

煤层气产出为一个多尺度的传质过程，具有时间和空间的多尺度性，空间尺度涉及煤岩裂隙系统孔隙、割理、裂缝的不同直径大小，时间尺度涉及煤层甲烷传递过程中解吸、扩散、渗流各阶段耗时长短[41]。Kang（2016）等研究了压裂液作用对煤岩多尺度传质能力的影响，分别开展了工作液侵入对煤岩解吸量、扩散系数、渗透率的影响实验[42]，实验结果如表4所示。

表4 压裂液作用前后煤样多尺度传质能力对比

从表4可以看出，压裂液作用后的煤样解吸、扩散、渗流能力降低幅度不同。因此，单一评价煤岩某种传质行为损害程度并不能评价煤岩产气损害能力。罗平亚（2013）指出只有测定出煤岩气藏不同开采方式、不同开采阶段气体的解吸速度、扩散速度、渗流速度等，并对比确定速度最慢的环节，才能确定在此条件下单井产量的主控因素，且对大多数煤层而言，由于其对甲烷吸附能力强，解吸能力弱、游离甲烷含量低、地层压力低、渗透率很低，使煤层气的解吸速度和扩散速度都比渗流速度慢，对于这类煤层而言，游离态甲烷气的渗流在其运移中不占主导地位，而解吸和扩散常常成为其运移的主控因素[43]。因此，结合煤岩气藏的多尺度效应，模拟工作液侵入煤岩气层前后损害评价，需将吸附/解吸性能损害评价、扩散性能损害评价及渗流性能损害评价3者结合起来，考虑煤层甲烷运移的主控因素，建立基于整个多尺度传质过程的简洁、有效的综合评价方法。

4 结论与建议

1.煤岩具有吸附性强、表面积大、渗透性低及易压缩、易破碎等特性，处于酸性环境，煤岩气层潜在强应力敏感性、固相堵塞、碱敏性、煤粉运移堵塞、聚合物吸附滞留损害等。

2.深层煤岩气层，可能具有超低含水饱和度现象，气井不产水或很少产水，水相圈闭损害是其重要损害方式。

3.煤层气产出的解吸→扩散→渗流是一个串联发生的过程，损害可能会影响煤层气产出的每个过程；有效地评价煤层气每个过程的损害，才能有针对性寻找加快最慢一个过程的方式和途径。

4.煤岩气层损害评价既考虑煤层气产出过程的损害，又要考虑水相渗流能力的损害；气体渗流能力损害评价是关键，但要考虑多尺度传质过程损害。

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Mechanisms and Evaluation of Coal Gas Bed Damage

YOU Lijun1, LIN Zilan1, JIANG An2, KANG Yili1, CUI Kaixiao1
(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu,Sichuan 610500;2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co.Tianjin 300452)

Coalbed methane (CBM) has great reserves in the world, and thus has great development potential. Unlike the production of conventional oil and gas, there still have no methods and performance parameters for evaluating damages caused to CBM-bearing formations. In this paper, based on the characteristics of coalbed gas formations, the types and mechanisms of formation damages are analyzed, and single-parameter evaluation methods presently used worldwide are summarized. These methods have been used to evaluate the damages caused to coalbeds with a single parameter, such as the desorptivity, diffusivity and filtration performance,respectively. The advantages and disadvantages, and the applicability of each method are also analyzed. The main damages to coalbed include stress-induced damage, solids invasion into and block of fractures in coalbed, retention of adsorbed polymer molecules,alkalinity-induced damage, and damage caused by migration and block of coal powders etc. Formation damage to coalbed not only affects water drainage, it also affects gas production, and the water draining ability of coalbed also affects gas production. Coalbed damage evaluation with measuring of single-process mass transfer is not an all-round method, and a method combining single-process mass transfer and the multiple-process mass transfer is urgently needed. Nonetheless, the evaluation of the coalbed permeability is the key to a method. Damage to the flow of water in coalbed with gas adsorption is another factor that should be considered in designing the evaluation method.

Coalbed methane; Coal; Formation damage; Mechanism; Adsorption; Multi-scale; Review

游利军，林子岚，江安，等.煤岩气层损害机理与评价方法[J].钻井液与完井液，2017，34（4）：1-8.

YOU Lijun, LIN Zilan, JIANG An, et al. Mechanisms and evaluation of coal gas bed damage[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：1-8.

TE258

A

1001-5620（2017）04-0001-08

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.001

国家自然基金面上项目（51674209）和非常规油气层保护四川省青年科技创新研究团队项目（2016TD0016）。

游利军，教授、博士生导师，1976年生，主要从事储层保护、非常规油气、岩石物理教学和科研工作。电话 （028）83032118；E-mail：youlj0379@126.com。

2017-04-25；HGF=1703N4；编辑 王小娜）