（二）煤层气勘探、开发的步骤与资源量、储量
煤层气勘探开发评价大体上可分为三个阶段，即预探评价阶段、勘探评价阶段和开发评价阶段（图31-1、2）。
预探评价阶段的目标是选出有利的含煤盆地或地区。煤层气勘探多半是在煤田勘探基础上进行的，煤炭资源普查或煤田地质勘探，积累了大量的可供参考的煤层气勘探资料，煤层气勘探初期应当充分利用已有的地质资料。为了取得煤田地质勘探等已有资料所不能替代的煤层气地质参数，或是为了验证已有的资料，预探阶段可钻探少量资料井获取所需的参数。预探阶段资料整理侧重于煤资源评价、气源岩评价和储集层评价三个方面，应当选择煤层厚、分布广、资源丰度高，同时还要煤质好、煤阶适中、含气量高和储层渗滤条件有利的煤层和区块作为目标煤层和预选区块。预探评价最重要的环节在于对含煤盆地地质背景的分析，通过大量的区域地质资料与已有的煤资源、气源岩和煤储层参数，对含煤盆地特征及形成演化历史作出全面分析，才能对盆地煤层气资源前景作出初步的推断。应当指出，这种推断具有一定的风险性，因为煤资源或煤田勘探资料终究不能替代煤层气勘探，少量煤层气资料井的成功率更具偶然性，若部署适当取得较理想的资料会推进勘探进程，若因部署不当而肯定或否定一个盆地或地区，还会因此贻误战机。
勘探评价阶段的目标是选出煤层气勘探的有利区块。勘探评价要对预探评价阶段提出的有利勘探区作出进一步勘探的评价，既或是在有利的盆地也不会全面展开部署煤层气勘探，勘探阶段仅是对盆地勘探的入手点进行评价，入手勘探的区块并不一定是盆地最有利的高产区，因而勘探评价阶段取得局部或点的资料，仍要与盆地整体相联系才能将盆地内含气系统摸清。部署勘探井获取煤层气的关键参数包括五个方面，一是确定选区内勘探目标煤层的厚度，主要目标煤层一般应当大于2 m，当然厚度越大越有利，当勘探区块内煤层厚度小于2 m，且分布较普遍是不利的。二是通过煤层气勘探井直接测试求取煤层含气量，煤田勘探获取的大量煤层气含量参数值得认真参考，直接取证煤层含气量参数更为重要。一般要求煤层含气量大于5 m3/t，当然含气量越高越有利，当煤层含气量低于5 m3/t时，评价决策应当谨慎。当然评价不能仅仅依据一项气含量指标就断然肯定或否定，有时高煤阶气含量虽高但渗透性很差，亦有时低煤阶气含量稍低但煤资源丰度高而且储渗条件好。三是煤层渗滤参数是至关重要的，从某种意义上讲它是具有关系勘探成败的一项关键参数。煤岩是双孔隙介质，但决定渗透性的好坏主要还是裂隙系统发育的好坏。非裂隙性岩石通过实验室岩心测定渗透率，煤岩渗透率测定须通过煤层气钻探试井求取渗透率参数，渗透率值一般应大于0.1×10-3μm2，渗透率高对甲烷解吸与产出有利，低于下限值时其它参数即使很好亦难以决策。四是试井测试时还要求取煤储层压力参数，煤储层原始储层压力即煤层中部压力，它反映了储层能量大小和储层中流体的流动状态。煤储层压力是气体和水从裂隙向井筒流动的能量，煤储层压力对煤层的含气量及气体的赋存状态都有影响。煤储层可能超压或欠压，超压井可能是高产井，但超压井也往往带来生产成本增高的弊端，欠压井也不能一概否定，也可能成为较好的生产井。五是等温吸附曲线的测定是煤层气勘探所必须求取的重要参数，通过等温吸附曲线与储层压力等资料，可以取得含气饱和度等资料。当解吸压力与地层压力比小于0.5的时候，标示出煤层中气体难以解吸，在含气饱和程度也低的情况下，应当对勘探井或区块作出否定评价。通过煤层气勘探阶段取得的煤资源量、含气量、渗透率、储层压力，以及等温吸附测定取得的解吸压力、含气饱和度等参数，经过综合分析对比即可选出进一步勘探开发的有利区块。
图31-1 煤层气勘探开发阶段划分及评价选区流程框图
图31-2 煤层气地质评价研究内容框图
开发评价阶段是在前期选定的有利区块基础上进行的。应当指出，勘探阶段选定的区块并不一定是含煤盆地煤层气藏最有利的部位。盆地是一个含气系统或是具多个含气系统，选区是气藏的高产区带还是低产区带，要通过深入的勘探才能逐步摸清。开发评价阶段应在优选区块内合理的部署试验井和井网，进行小井网排采试验，试验井或小井网要能够控制所选定的区块。通过试验井或井网求取试采的各项数据，特别是评价煤层气藏的关键性参数，测算勘探开发区块的探明储量，同时进行储层模拟分析，评价气藏开发的经济效益，由此作出是否转入工业性开发生产的决策。
不同的勘探开发阶段应作出不同的评价，与煤层气勘探开发阶段相匹配的是不同量级的资源量、储量。资源量或储量是各种量化指标的综合评价参数，以量化的气资源量来标示，但必须要以相应的配套参数作为依托。
储量和资源量是一个与地质认识和经济技术条件相关的变数。煤层气盆地、煤层气藏勘探开发的全过程，实际上是对盆地和气藏特征逐步认识的过程，亦是储量精度逐步提高和接近客观实际的过程。这个过程既有连续性，又有阶段性。不同勘探、开发阶段所计算的储量精度不同，确定的储量级别不同，在保证经济效益的前提下，作出的勘探、开发决策也应当不同。
石油及天然气（常规）通过大量的勘探、开发实践制订了储量及资源量规范。关于天然气（常规）储量及远景资源量分级，从盆地勘探到气田发现并投入开发，大体经历预探评价、勘探评价和开发评价三个阶段。根据预探、勘探、开发各阶段对盆地和气藏的认识程度，分为远景资源量与储量两个大类，进而将远景资源量划分为推测资源量和潜在资源量两级，将储量划分为预测储量、控制储量和探明储量三个级别，又将探明储量分为已开发、未开发和基本探明储量三类。
在储量分级之外划出远景资源量是很有必要的。远景资源量是根据地质、地球物理、地球化学资料类比估算的尚未发现的资源量，它可以推测今后气田被发现的可能性和规模的大小，在概率曲线上反映出估算值具有一定的合理范围。推测资源量可以作为编制早期区域勘探部署或长远规划的依据，潜在资源量可以作为编制预探部署的依据。
天然气（常规）储量及远景资源量的分类，将烃类气体按地层中原始产状分为：气层气、溶解气、气顶气、水溶气和凝析气。如果以此分类也可以将煤层气归类为气层气及水溶气。但从煤层气的成生机理、储集特征、成藏条件以及勘探开发方式来看，都与常规天然气有着明显的差别。因此，煤层气（不包括一般意义上的煤成气）应当作为一个新的矿种列入天然气储量规范。由于煤层气是一个新兴的能源矿种，至今国内以及国外尚未建立规范的储量标准，从完善天然气储量规范而言，亦应当建立煤层气储量及远景资源量的规范，而且应当与石油、天然气及其它矿种的标准相对应，又要与煤层气自身的特点相符合。
由于煤层气与常规天然气的赋存状况有很大的差别，因此制订储量规范也应当有所不同。进行煤层气勘探一般要在煤田勘查之后，因此很少动用地球物理、地球化学等勘探手段进行预探、勘探及开发，而主要选用钻井方式进行勘探。通过钻井钻取岩心进行测试，同时进行测井、试井、压裂、排采取得计算储量所需的各种参数。常规天然气井往往是钻井打开气层后就会畅喷，而后进行测试、试井获取气井的各种参数。煤层气井往往是钻达产气的煤层，完井后进行相当时间的排采，将煤层中的水排放，通过煤层降压使吸附在煤岩上的气体解吸，产气量逐步上升达到产气高峰，而后才能作出评价。而且仅有一口气井的排采成功还不行，还需要进行小井网的排采试验，才能证实所勘探区块的可采性。
煤层气藏不象常规天然气藏的气体赋存在含气圈闭之中形成明显的气水边界，煤层气藏的边界往往是通过钻井排采，确定其产气能力，逐步划清边界，有些是骤变，而往往是渐变的。有时确定其边界不完全是地质意义上的边界，很大成分是气井虽有一定的产能但因经济上的可采价值不大而被否决。同一个煤层气盆地可能形成较大面积的气藏，也可能分割为多个含气系统形成多个气藏。
还有可勘探深度的差别，常规天然气的勘探深度可达5000 m或更深，而煤层气井的可采深度，受经济技术诸因素的制约，如同煤炭开采深度较浅一样，一般在2000 m以浅，甚至更浅，因而测算资源量时均在此线以浅的范围内。
煤层气储量、资源量的分级、分类大体可作如下划分（表31-1）。
远景资源量与储量是有区别的，在煤层气勘探进入勘探评价前的预探阶段，一般不投入或少投煤层气勘探的实物工作量，而且要对煤炭资源勘查的大量资料进行综合分析，作出对远景资源量的评估。远景资源量划分为推测资源量与潜在资源量两类，与常规天然气规范的推测资源量和潜在资源量相对应。两者的差别在于预探阶段的后期测算潜在资源量时，可以部署必要的资料井，直接取得煤层气评价的必要参数。
勘探评价阶段划分为预测储量和控制储量两级。两者的差别在于预测储量级所钻探的勘探井至少要有一口井，但控制储量级必须钻探多口勘探井，并要至少钻探一口进行排采的评价井。
勘探阶段的预测储量及控制储量与开发阶段的探明储量的差别，是前阶段只钻探勘探井和少量评价井，后阶段要钻探较多的评价井，直至开发阶段后期要完成整个开发区块的开发井网，同时还要进行一个至多个小井网的排采试验。没有小井网排采试验的成功，开发期就不能由低级阶段转向高级阶段，也就不能提交高级别的储量报告。并且还必须进行储层模拟分析，才能提出科学的、合理的开发方案。
表31-1 煤层气与煤炭、天然气（常规）储量、资源量级别划分对比表
开发阶段的基本的、未开发、已开发三个探明储量级的差别是，基本探明储量级在开发区块内完成数口评价井，同时要完成至少一个小井网的排采试验，同时进行储层模拟分析。而已开发探明储量级，必须完成整个开发区块依据储层模拟设计的开发井网，并且完成控制整个开发区块的均匀分布的小井网排采试验。
由远景资源量到储量的资源评价是由低级向高级发展的过程，每个勘探开发阶段都必须有前一个阶段的资源量或储量评价作为依据，而每个勘探开发阶段又都要作出相应的资源量或储量评价作为下阶段的决策依据，只有这样才能作到决策的科学性。
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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渗透率变化分析
1.围压稳定,改变驱替流速
根据实验监测数据可知(图5-23,图5-24,图5-25),在等围压、变流速实验条件下,随着驱替流速增大,煤岩渗透率有增大趋势,且流速越大,不同煤岩组分的3号煤、5号煤、11号煤渗透率变化趋势越接近;相同驱替流速条件下,3号煤、5号煤、11号煤的渗透率变化特征各异。低驱替流速条件下,11号煤的渗透率明显小于3号煤及5号煤,而随着驱替流速的提高,三种实验样品的渗透率均相应地增大,但11号煤的渗透率增大幅度大于3号煤及5号煤,至高驱替流速条件时,11号煤、3号煤及5号煤的渗透率几乎一致。11号煤的渗透率变化相对简单,首先为快速提升阶段,随后为平稳持续阶段,3号煤、5号煤的渗透率变化则相对复杂,实验过程中出现较大幅度的波动,驱替流速变大后,波动的起伏相对较弱。
初步分析认为:煤岩中黏土矿物可显著影响渗透率的变化。11号煤的黏土矿物含量最高,其黏滞吸附力最强,黏滞吸附作用会使分散的煤粉颗粒迅速聚合。同时黏土矿物在驱替液的冲蚀作用下容易从骨架颗粒上脱落,随驱替液易于迁移而产出,渗透率则迅速提升。3号煤、5号煤的黏土矿物含量较少,在围压稳定时,煤粉颗粒相对更分散,颗粒间结合力更小,驱替流速越小,煤粉的运移排出过程就越复杂,渗透率变化则会越无序(李小明等,2015)。
图5-23 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-5mL/min条件下渗透率曲线
图5-24 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-15mL/min条件下渗透率曲线
图5-25 不同煤岩组分的原生结构煤在5MPa-25mL/min条件下渗透率曲线
2.驱替流速稳定,改变围压
根据实验监测数据可知(图5-26,图5-27,图5-28),在等流速、变围压实验条件下,随着围压增大,煤岩渗透率均有所降低,不同煤岩组分的3号煤、5号煤、11号煤渗透率变化差异明显。11号煤的渗透率变化最小,其次是5号煤,渗透率变化最大的是3号煤。初步分析认为:煤岩中镜质组的易脆性影响渗透率的变化。围压的提高会造成性脆易碎的镜质组破裂,趋于碎屑、粉末状。这导致3号、5号煤形成了更多的煤粉颗粒。同时较少的黏土矿物含量无法有效地使煤粉颗粒聚合,导致煤粉整体运移缓慢,而后期煤粉排出增多未能疏通逐渐堵塞的有效导流裂缝,表现为渗透率持续降低。
图5-26 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-3MPa条件下渗透率曲线
图5-27 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-5MPa条件下渗透率曲线
图5-28 不同煤岩组分的原生结构煤在10mL/min-7MPa条件下渗透率曲线
综上所述,渗透率受煤岩中镜质组及黏土矿物含量的影响较大。其中11号煤的渗透率受驱替流速的影响最大,3号煤次之,5号煤最小;3号煤的渗透率受围压的影响最大,5号煤次之,11号煤最小。镜质组含量越多,产出煤粉受围压变化的影响越大;黏土矿物含量越多,产出煤粉受驱替流速变化的影响越大。因此,针对具有不同组分特征的煤储层,开采煤层气、控制煤粉产出需要采取合理的生产调控方案,尽量减轻、缓和煤储层压力波动,降低对煤储层的伤害(李小明等,2015)。
松软煤层钻进用可降解钻井液的试验研究
蔡记华1 谷穗2 乌效鸣1 刘浩1 陈宇1
基金项目:国家自然科学基金项目(40802031、41072111)。
作者简介:蔡记华,1978年生,男,湖北浠水人,博士、副教授,从事钻井液与储层保护方面的教学和研究工作,电话:027-67883142,E-mail:catchercai@126.com。
(1.中国地质大学(武汉)工程学院 湖北武汉 4300742.中国地质大学武汉江城学院 湖北武汉 430200)
摘要:松软煤层中的钻进护孔技术是目前煤矿瓦斯抽采利用中亟待解决的技术难题之一。论文首先在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对其性能进行了综合研究。结果表明:可降解钻井液的降解性能人为可控,能适合煤矿井下作业环境;生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%~38.92%之间)。研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题,也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。
关键词:松软煤层 瓦斯抽采 可降解钻井液 护孔 储层保护
Experimental Research on Degradable Drilling Fluid for Drilling in Unconsolidated and Soft Coal Seam
CAI Jihua1, GU Sui2, WU Xiaoming1, LIU Hao1, CHEN Yu1
(1.Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2.Jiangcheng College, China University of Geosciences, Wuhan 430200, China)
Abstract: Technologies needed to stabilize the wellbore are among the most urgent problems that require be- ing resolved in the drainage and exploitation of coalmine methane (CMM) from unconsolidated and soft coal seams.In the first, the paper theoretically analyzed the borehole maintaining and biodegradation mechanisms of degradable drilling fluid.Then systematical study on its performance were carried out by utilizing rheology tests, mud cake remove tests and coal rock gas permeability tests.Results show that the degradation properties of degrad- able drilling fluid were controllable and it was fit for the coalmine operation environment.Furthermore, complex unplugging technologies employing enzymatic degradation plus acidification by HCl was effective in removing the damage caused by mud cakes of degradable drilling fluid and resuming the gas permeability of coal rock or even en- hance it by a ratio between 15.47% and 38.92%.Technological achievements of this paper can help to resolve the contradiction between borehole maintaining and reservoir protection, and also offer powerful theoretical and techni- cal foundation for drilling technology optimization and production capacity enhancement in vertical, horizontal and multi-lateral drilling for coalbed methane exploration.
Keywords: unconsolidated and soft coal sea; coalmine methane drainage and exploitation; degradable drill-ing fluid; borehole maintain; reservoir protection.
1 可降解钻井液的提出
根据抽采对象的不同,可将煤矿瓦斯抽采分为本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采[1]。由于我国地质构造条件复杂,成煤时代多,煤矿区分布广,煤储层特征差异大。简单起见,可划分为正常煤体结构的硬煤层和构造发育的松软煤层两种典型类型。对于松软煤层,由于煤与瓦斯突出、煤层松软、机械强度低等原因,采用清水或空气等常规排粉钻进方式时易出现塌孔、卡钻或喷孔等问题,打钻成孔困难,瓦斯抽采效率低。松软煤层的煤层气开发是我国煤层气产业化面临的最严峻的挑战之一[2~4],在此类煤层中钻进护孔技术是目前亟待解决的技术难题之一[5~6]。
为达到较好的护孔效果,通常在钻井液中添加纤维素、胍尔胶和生物聚合物等聚合物。纤维素和胍尔胶等起到增粘、降低摩阻和润滑作用以保持井壁稳定,而生物聚合物可以增强钻井液在水平井段内的岩屑悬浮能力。尽管这类钻井液对储层的伤害比传统泥浆要小,但还是会在井壁上形成了低渗透的滤饼。滤饼的不充分降解会极大地影响井壁的流动能力,结果是显著降低生产井的产量。因此,特别是在松散地层和高渗透性地层中,必须清除渗滤到地层中的钻井液以及沉积在井壁上的滤饼,以实现产量最大化。
近年来,针对松散地(储)层钻进中护孔和储层保护的矛盾,我们提出了一种环境友好的可降解钻井液的研究思路[7~11]:在钻进时能保持孔壁稳定,而在钻进工作结束后,钻井液能在生物酶和无机酸作用下实现降解、粘度下降,先前形成的滤饼破除、产层流体的流动性增强、恢复地下流体资源解吸扩散通道,达到提高地下流体资源产量效果的目的。
本文在上述研究基础上,在理论上分析了松散煤层钻进用可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对可降解钻井液的性能进行了综合研究。
2 可降解钻井液的作用机理
2.1 可降解钻井液的护孔作用机理
可降解钻井液主剂由粘土稳定剂(如KCl)、水溶型或酸溶型架桥粒子/加重剂(一般为细粒CaCO3或无机盐)、降滤失剂(主要是天然植物胶如淀粉或纤维素或胍尔胶)、流型调节剂(如生物聚合物XC)等组成,这些处理剂共同起到增粘和降低摩阻作用;当钻进结束后,加入能降解各种聚合物的生物酶破胶剂[12~15]和能溶解细粒CaCO3无机酸(通常是15%的HCl[12,14])或有机酸[13,16]来清除聚合物滤饼(主要由聚合物和CaCO3组成)对储层渗透性的伤害。下面分别阐述各种处理剂的作用机理。
(1)粘土稳定剂可以用来抑制煤岩中粘土矿物遇水后膨胀;
(2)水溶型或酸溶型架桥粒子可以在煤岩表面的孔隙或裂隙孔喉处形成架桥,起到防止钻孔漏失的目的,同时CaCO3或无机盐也可以适当增加钻井液的密度,起到平衡地层压力的作用;
(3)天然植物胶大分子物质相互桥接,滤余后附在孔壁上形成隔膜。这些隔膜薄而坚韧,渗透性极低,可以阻碍自由水继续向煤层渗漏(图1)。同时,这类聚合物钻井液具有良好的包被抑制性,能有效地抑制钻屑分散。另外,这类具有强亲水基团的长链环式高分子化合物易溶于水,形成的水溶液具有较高粘度,可以增强钻孔孔壁表面松散煤粒之间的胶结力,起到加固松软煤层孔壁的效果;
图1 Na-CMC在粘土颗粒上的吸附方式
(4)生物聚合物XC是一种优良的流型调节剂,用它处理的钻井液在高剪切速率下的极限粘度很低,有利于提高机械钻速;而在环形空间的低剪切速率下又具有较高的粘度,并有利于形成平板形层流,可增强钻井液在近水平煤层钻孔中的携岩效果。
2.2 可降解钻井液的生物降解作用机理
所谓降解,是指在物理因素、化学因素或生物因素等的作用下聚合物分子量降低的过程。从实用的角度出发,聚合物降解可分为热降解、机械降解、光化学降解、辐射化学降解、生物降解及化学降解等不同的引发方式[17]。下面以胍尔胶为例,阐述生物酶降解聚合物的作用机理。
胍尔胶属于半乳甘露聚糖类,所用胍尔胶分子主链由β-1,4糖甙键将D-甘露糖单元连接而成,D-半乳糖取代基通过α-1,6糖甙键接在甘露糖主链上,沿甘露糖主链随机分布,半乳糖与甘露糖单元之比约为1:1.6。半乳甘露聚糖特异复合酶可有效地水解半乳甘露聚糖,它由两种O键水解酶组合而成,两种酶的降解机理如图2所示。
第一种O键水解酶是α-半乳糖甙酶(蜜二糖酶),专门作用于半乳糖取代基,可用来水解末端的非还原性α-D-半乳糖甙键。第二种O键水解酶过去常用来分解胍尔胶分子,在此专门作用于甘露糖主链,这种水解酶被称作β-1,4甘露聚糖环内水解酶,可随机水解β-1,4-D-甘露糖甙键[18]。
后续室内实验采用的酶制剂是几种生物酶的复配物。特种酶1号(SE-1)以纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶为主,特种酶2号(SE-2)和特种酶4号(SE-4)以半乳甘露聚糖特异复合酶为主。
图2 胍尔胶糖甙键特异酶的降解机理
图3 胍尔胶钻井液的降粘曲线
3 可降解钻井液的室内试验
3.1 降粘效果评价
在理论分析基础上,进行了生物酶降解聚合物的室内实验,以钻井液流变参数为主要评价指标,用几种特种酶来降解单一聚合物或复配聚合物。将生物酶分别加入单一聚合物和复合聚合物中,研究生物酶对这些可降解钻井液的降粘效果,将表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)和动切力(YP)随时间的变化关系绘制成曲线如图3~图5所示。
3.1.1 单一聚合物钻井液
从图3可以看出,在特种酶SE-1的作用下,在48.5h之内,质量浓度为0.5%的胍尔胶钻井液的表观粘度从23.5mPa·s降低到5mPa·s。塑性粘度和动切力也呈现出类似的变化规律。
由图4可以看出,在特种酶SE-1的作用下,在48.5h之内,质量浓度为0.75%的羧甲基纤维素钻井液的表观粘度从20.5mPa·s降低到6mPa·s。
由于特种生物酶SE-1同时含有纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶,它对胍尔胶和羧甲基纤维素均有较好的降解效果。
3.1.2 复配聚合物
从图5可以看出,在特种酶SE-2的作用下,在46h之内,由质量浓度为0.3%羧甲基纤维素和0.2%胍尔胶组成的复合聚合物钻井液的表观粘度从25.5mPa·s降低到5mPa·s。随着时间的变化,塑性粘度和动切力也按类似的规律下降。
由图3~图5可以看出,在生物酶作用下,聚合物能实现有效的降解,聚合物大分子逐渐断链变成小分子,钻井液粘度降低,在煤储层中的流动性增强,从而恢复煤层气解吸释放的通道。
图4 羧甲基纤维素钻井液的降粘曲线
图5 复配聚合物钻井液的降粘曲线
3.2 滤饼清除实验
实验目的是通过观察可降解钻井液滤饼在生物酶破胶剂(和无机酸)的作用下滤饼表面的变化情况、考察滤饼的解堵效果(结果分别如图6~图7所示)。可降解钻井液的配方如下:
配方1:400ml水+2.6gCMC+4gDFD+4.8gCaCO3+NH4HCl(调节pH),先后采用0.00625%的SE-4溶液和5%HCl浸泡滤饼。
配方2:400ml水+1.6gCMC+8g膨润土,采用0.04%JBR溶液浸泡滤饼。
配方1的滤饼清除实验结果如图6所示,可以看出:单独使用生物酶SE-4只能清除该套体系中的CMC(图6-b),而对CaCO3等影响不大。当用5%HCl浸泡2h后,滤饼变得非常薄,说明CaCO3已与HCl充分反应[1]。
图6 滤饼的外观变化图
按照配方2所配制钻井液的滤饼清除实验结果如图7所示。由于这种配方中只有CMC这种聚合物,在用JBR溶液浸泡5h后,可降解钻井液的滤饼已基本降解完全。
图7 JBR作用下可降解钻井液(配方4)滤饼清除情况
3.3 煤岩气体渗透率测试
煤矿井下瓦斯抽放的最终目的就是恢复煤层的渗透率,获得较高的瓦斯抽放量。因此,渗透性的恢复对于可降解钻井液而言是一个更加直接的衡量指标。采用JHGP智能气体渗透率和JHLS智能岩心流动实验仪对可降解钻井液进行渗透性恢复实验,实验步骤详见参考文献[11]。
煤岩气体渗透率测试结果(表1)表明:晋-3煤样经过“污染—生物酶降解—酸化”三个阶段,其渗透率表现出“下降—上升—上升”的趋势,而且经过生物酶降解和酸化(也包括之前的加热处理)之后,煤岩的气体渗透率甚至超过了污染前的气体渗透率(如图8所示,推测盐酸亦与煤岩中的方解石和白云石发生反应,增大了煤岩孔隙裂隙),这也证实了“生物酶降解—酸化处理”的综合解堵工艺是有效的,有利于提高煤层气藏的采收率。
表1 煤岩气体渗透率
注:(1)下游压力(出口压力)为0.1MPa(即1个大气压);(2)△K=(K4-K1)*100/K1。
图8 不同处理阶段煤岩平均气体渗透率变化情况
4 结论
论文在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性评价、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等实验手段对可降解钻井液进行了综合研究,主要得出以下结论:
(1)可降解钻井液的降解性能人为可控,能适合煤矿井下作业环境;
(2)生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%~38.92%之间);
(3)研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题,也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。
参考文献
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不同煤体结构煤储层物性差异分析
李 松 汤达祯 许 浩 陶 树 蔡佳丽
( 中国地质大学 ( 北京) 能源学院 北京 100083)
摘 要: 本次研究以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，运用各种实验测试手段，探讨了煤体结构和煤储层物性的耦合关系。结果表明: 煤岩随着应力的增强，吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。煤体结构变形可分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段，表述了各阶段煤岩渗透率的变化规律。
关键词: 煤体结构 储层物性 孔隙 裂隙
基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ( 40730422) ; 国家科技重大专项课题 34 ( 2011ZX05034) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助
作者简介: 李 松，1985 年生，男，江苏省沛县人，博士研究生，从事能源地质方面的研究。E-mail: lisong85@ 126. com
Coal Reservoir Property Differences Analysis of Different Coal Structure
LI Song TANG Dazhen XU Hao TAO Shu CAI Jiali
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)
Abstract: This paper focused on the influence of coal structure types on the coal reservoir properties，using a variety of testing methods studied the connection between coal structure types and properties. The results showed that: with the stress increasing，the coal reservoir adsorption capacities improved，and the adsorption pores changed from enclosed types to open pores which are conducive to the adsorption，desorption and diffusion of the coalbed methane. Seepage pores and microfracures firstly sharply decreased with the stress increasing in the proto- cataclastic coal stage，then increased and most developed in the cataclastic coal stage，while in the mylonitic coal stage the seepage pores and microfractures reduced again，thus，the cataclastic coals are most favorable to the production of coalbed methane. The evolution of the coal structure can be divided into five stages，including the closing stages of fractures，the microfractures development stage，cracks development stage，damage along cer- tain fracture plane and rheological destruction stage.
Keywords: coal structure; reservoir properties; porosity; cracks
我国的含煤盆地具有复杂的构造演化史，尤其在中国南方地区，煤层受多期构造运动的叠加改造，不仅导致煤盆地结构发生变化，也使煤层结构发生了强烈变形，煤储层物性发生了根本性的变化，煤储层非均质性增强，从而加大了我国煤层气勘探和开发的难度(姜波等，1998;琚宜文等，2002;傅雪海等，1999)。目前我国在对构造煤储层物性特征方面缺乏深入研究和探讨，由于构造复杂，甚至将构造煤视为煤层气开发的“禁区”(杨陆武等，2001)。针对这一问题，本次研究采集了不同煤体结构的煤岩样品进行了各种测试及实验，以不同煤体结构的煤储层物性的差异分析为切入点，力求在煤体结构和煤储层物性的相互关系方面取得突破。
样品采自云南省老厂地区箐地沟煤矿，样品涵括了原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤。为了对具有不同煤体结构煤岩样品的物性特征进行多技术综合表征，本次研究设计并开展了多项测试及实验，对采集煤样的孔裂隙系统及物性参数进行了系统的分析。首先，从四种不同煤体结构的煤岩样品中分别钻取2个直径约25mm的岩心柱样，一套柱样用于压汞孔隙测试，另一套用于煤岩常规孔渗分析;然后将钻取柱样时剩余的块状样品用于制作煤岩光片，进行煤岩显微裂隙测定;剩余的颗粒状样品用于煤岩液氮比表面、孔径测试、工业分析和甲烷等温吸附实验。
1 煤储层孔隙结构特征
1.1 吸附孔隙结构特征
煤的吸附孔是指孔径小于100nm的孔隙，包括小孔、微孔等孔隙空间(XoДoTBBetal.，1996)。液氮吸附法能够非常有效地区分吸附孔中的微孔和小孔，对研究煤储层吸附孔径结构具有一定的优势(陈萍等，2001)。四块煤样的液氮吸附实验结果呈现出很好的规律性(表1)，原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受到的构造应力依次增大，随着应力条件的增强，各煤岩样品的BET比表面积和BJH总孔体积依次升高。微孔和小孔含量也随着应力的增大发生相应的变化，箐地沟煤矿煤的演化程度已经达到无烟煤阶段，因此该煤矿的原生结构煤的微孔含量较高，达83.3%，随着应力作用的增强，微孔趋于闭合，小孔变为更小的孔隙，部分大中孔变为小孔，相对来说，微孔数量的减少要大于小孔数量的减少，因此小孔含量相对增加。从原生结构煤到糜棱煤小孔含量从16.7%变为65.4%，平均孔直径也从10.6nm增大到17.8nm。
表1 液氮吸附实验测试数据表
四块煤样的液氮吸/脱附曲线呈现不同的形态，尤其糜棱煤与其他煤样存在较大的差异(图1)。糜棱煤的吸附曲线从压力接近P0时开始迅速增加，曲线变陡，吸附量迅速增大，最大吸附量可达2.0mL/g;而原生结构煤、初碎裂煤和碎裂煤的最大吸附量较小，均在0.6mL/g以下，吸附曲线整体比较平缓，吸附能力糜棱煤碎裂煤初碎裂煤原生结构煤。随着应力的增加，煤岩小孔含量逐渐高于微孔，煤储层的BET比表面，BJH总孔体积和平均孔直径相对增高，煤岩吸附能力随之增大。糜棱煤和碎裂煤的吸/脱附曲线都存在较为明显的吸附回线，反映的孔隙类型是开放型的圆筒孔和平行板状孔;而原生结构煤和初碎裂煤的吸/脱附曲线近乎重合，孔隙多为一端封闭型孔。总体而言，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，应力的增大使得煤岩吸附孔隙的吸附能力和孔隙类型变好，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。
图1 典型液氮孔隙模型
1.2 渗流孔隙结构特征
煤储层中孔径大于100nm的孔隙为渗流孔隙，主要由大孔和中孔组成，其孔径结构对煤的渗透性及开发阶段煤层气的产出具有重要意义。本文研究煤储层渗流孔隙结构采用了压汞测试方法，压汞法可以定量得到孔径大于3.75nm的孔隙参数，这种方法在测试煤的大孔和中孔的孔径结构上具有一定的优势［7］。煤样的压汞测试结果表明:四块煤样的微小孔含量基本相当，但大中孔含量差异较大(表2)，表明应力作用对煤岩的渗流孔隙的发育具有较强的控制作用。其中煤岩大孔含量碎裂煤糜棱煤原生结构煤初碎裂煤，碎裂煤的大孔含量最高，达15.53%，其他三块样品的大孔含量均低于5%，原生结构煤的大孔含量为3.53%，初始的应力使得部分大孔转化为中孔，初碎裂煤的大孔含量相对减少，为2.97%，随着应力的增大，煤岩开始破裂，产生大量裂隙和大孔径孔隙，大孔含量明显增高，为15.53%，随着应力的进一步增大，煤岩变为糜棱煤，煤岩结构被严重破坏，大孔含量再次减少到4.71%。
表2 压汞孔隙测试数据表
在通过压汞测试的进、退汞曲线形态分析煤的渗流孔隙结构时，发现四块样品的压汞测试的进、退汞曲线形态显示出较大的差异(图2)。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率最高，而其他样品的进汞饱和度都较低，在30%左右，糜棱煤退汞效率最低，为32.35%，而其他样品的退汞效率均在60%左右。排驱压力碎裂煤糜棱煤初碎裂煤原生结构煤。碎裂煤的进汞饱和度和退汞效率都较高，排驱压力低，渗流条件最好，而糜棱煤的进汞饱和度和退汞效率都较低，排驱压力高，渗流条件最差，原生结构煤和初碎裂煤基本相当，渗流条件一般。研究表明煤岩中孔径大于1000nm的大孔对煤层气渗流的贡献要优于其他孔隙，碎裂煤的大孔含量最高，对煤层气的开发最为有利。
图2 典型压汞曲线类型
2 煤储层微裂隙结构特征
微裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，其发育程度影响煤储层的渗透性能，借助于光学显微镜可直观地观测到煤岩中微裂隙的大小与形态。微裂隙可划分为A、B、C和D四种类型(Yao，Y.B.etal.，2009):类型A(宽度w5μm且长度L10mm)是宏观能清晰辨认的裂隙;类型B(w5μm且10mm≥11mm)是连续且较长的裂隙;类型C(w5μm且1mm≥1300μm)是时断时续的裂隙;类型D(w5μm且≤1300μm)是短裂隙。实验方法是首先将煤岩样品抛光制作成规格为30mm×30mm的煤岩光片，然后在50倍荧光显微镜下将该煤岩光片划分成10mm×10mm的9个微区，分别统计各级别微裂隙的发育程度。
2.1 微裂隙密度
四块煤岩样品的微裂隙发育密度差别较大，微裂隙以D型为主，C型和B型次之，而A型微裂隙极少见(表3)。其中，碎裂煤的微裂隙密度最大，可达165条/9cm2;初碎裂煤的微裂隙发育密度最小，仅为14条/9cm2;糜棱煤为25条/9cm2;而原生结构煤的微裂隙密度为67条/9cm2。原生结构煤和初碎裂煤都未见A型裂隙发育;碎裂煤和糜棱煤中存在A型裂隙，研究表明后期的构造应力作用是产生A型裂隙的主要因素。
表3 微裂隙类型和密度统计表
图3 微裂隙的显微镜下特征
2.2 微裂隙特征
原生结构煤以D型微裂隙和C型微裂隙为主，两者交叉分布，联通性一般;初碎裂煤的微裂隙密度非常小，镜下特征显示为几条孤立存在的D型裂隙，B和C型裂隙极少，未见A型裂隙发育，连通性最差;碎裂煤的微裂隙相对较发育，且裂隙方向杂乱无章，分布极不规律，但裂隙之间的连通性非常好，有利于煤层气的渗流;糜棱煤的微裂隙多呈树枝状，其中类型B宽度较大，多为树枝状裂隙的树干部分，而裂隙C多较细而且延伸远，为树枝状裂隙的树枝部分。
3 煤储层吸附性和渗流能力
3.1 煤储层吸附性
通常用等温吸附实验的兰氏(Langmuir)参数来评价煤储层的吸附性能，常用参数有兰氏体积和兰氏压力(姚艳斌等，2007;张群等，1999):兰氏体积是煤层气储层的极限吸附量，代表煤层气储层的吸附能力;兰氏压力是实际吸附量达到极限吸附量50%时的压力，代表煤层气储层吸附气体的难易程度。等温吸附测试结果表明:四块煤岩的原煤兰氏体积在26.87～30.96m3/t之间，可燃基兰氏体积在30.45～38.94m3/t之间，兰氏压力在1.22～2.37MPa之间(表4)。煤的变质程度对煤的吸附性能具有决定性的作用，四块煤样的变质程度高，因此煤岩兰氏体积普遍较高，随煤级增高，煤中孔隙结构发生规律性变化，其中大孔、中孔逐渐闭合，而小孔和微孔逐渐增加，大量的小孔和微孔为甲烷气体提供了更多的吸附空间，提高了煤的吸附能力。碎裂煤的可燃基兰氏体积最低，原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤依次增高，糜棱煤最大，达到38.94m3/t。而原煤兰氏体积糜棱煤最低，为26.87m3/t，这是因为该块样品灰分含量极高，达到27.73%，显著高于其他样品，影响了其煤岩整体吸附能力。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低。
表4 等温吸附和工业分析数据表
3.2 煤储层渗流能力
原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤的渗透率依次为0.0078mD、0.0028mD、3.53mD和0.00037mD，其中碎裂煤的渗透率最高，而其他煤样的渗透性较差。大孔含量、微裂隙密度与煤岩渗透率存在较好的正相关关系，大孔含量越高，微裂隙越发育，煤岩渗透性越好(图4)。碎裂煤的气测渗透率值为3.53mD，裂隙广泛发育是导致该样品的实测渗透率较高的主要原因。
煤体结构变形可分为五个阶段，包括AB段(裂隙闭合阶段)、BC段(微裂隙产生阶段)、CD段(宏观裂隙产生阶段)、DE段(沿某破裂面破坏阶段)和EF段(流变破坏阶段)(图5)。AB段(裂隙闭合阶段):煤岩在应力作用下裂隙受压闭合，其应力相对较小，而煤岩应变量较大，渗透率降低;BC段(微裂隙产生阶段):初期除产生弹性变形外，还表现为部分微裂隙摩擦滑动，开始不稳定扩展破裂，微裂隙的出现使得渗透率增大，随后随着应力作用的增强，煤岩非弹性体积增长，微裂隙大量出现并扩展，此阶段对应碎裂煤形成阶段，是渗透率增加速率最大阶段;CD段(宏观裂隙产生阶段):当扩容发生到一定程度时，煤岩便开始产生肉眼可以识别的宏观裂隙，此阶段对应碎裂煤，是渗透率极大值阶段;DE段(沿某破裂面破坏阶段):被贯通裂隙分割后煤岩沿贯通裂隙发生滑移，并有新裂隙面扩展贯通，此阶段对应碎裂煤晚期和碎粒煤早期，渗透率开始降低;EF段(流变破坏阶段):裂隙面不断扩展，形成流变破坏，对应糜棱煤阶段，渗透率急剧降低。
图4 渗透率的控制因素
图5 不同煤体结构煤岩渗透率变化特征
4 结论
将煤体结构变形分为五个阶段，包括裂隙闭合阶段、微裂隙产生阶段、宏观裂隙产生阶段、沿某破裂面破坏阶段和流变破坏阶段;原生结构煤、初碎裂煤、碎裂煤和糜棱煤所受的应力依次增大，随着应力的增强，煤岩吸附能力不断增大，煤中吸附孔隙类型由封闭型孔变为开放型孔，有利于煤层气的吸附、解吸和扩散。渗流孔隙和微裂隙随着应力的增强在初碎裂煤阶段骤减，而后增加，在碎裂煤阶段最为发育，而到了糜棱煤阶段，煤岩发生塑性变形，其发育程度再次减小，碎裂煤对煤层气的产出最为有利。碎裂煤、原生结构煤、初碎裂煤和糜棱煤的兰氏压力依次升高，其煤岩吸附难易程度依次降低;煤岩大孔含量及微裂隙密度与渗透率有较好的正相关关系。
参 考 文 献
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物理模拟实验原理与目的
根据煤粉产出特征及影响因素等方面的研究可知:煤岩自身性质是煤粉产出的基础,工程扰动是煤粉产出的诱因,而构造煤的发育是煤粉产出的关键。煤岩自身性质包括煤岩成分、煤体结构等,工程扰动包括钻井工程、储层改造、排采过程中流体、压力等储层特征的变化。因此,通过开展煤粉产出物理模拟实验,模拟煤层气的排采过程,分析不同因素对煤粉产出和运移的影响,揭示煤粉产出规律(姚征,2013)。
煤粉产出物理模拟实验是一种研究煤层气开发中煤粉从何产出、如何运移及煤粉特征、储层伤害等的室内分析方法。通过模拟煤储层静态地质特征及煤层气动态生产过程,还原再现煤粉在煤储层中的动态产出规律与流态运移方式,以此分析煤粉产出的影响因素、煤粉特征及储层伤害强度。煤粉产出物理模拟实验通过模拟煤储层物性特征及煤层气排采过程,讨论煤粉产出影响因素与动态变化规律。分析煤粉产出的静态地质因素从实验样品,即煤岩组分和煤体结构的差异性入手;分析煤粉产出的动态生产因素从实验条件,即不同流体驱替流速和不同围压条件入手。实验中讨论的变量包括煤岩组分、煤体结构、驱替流速、围压强度,应用控制变量法,逐一分析上述变量对产出煤粉的质量、粒度、组分、形态、表面特征及岩心渗透率变化的差异影响,进而揭示煤粉产出规律(曹代勇等,2013)。因此,煤粉产出物理模拟实验的原理及目的包括以下五点:
(1)通过模拟煤层气井排采生产中不同条件下的煤储层有效应力、地层围压、排水强度等状态,分析驱替流速及围压等因素对煤粉产出的动态影响,为初步查明韩城区块煤层气井煤粉产出规律提供实验依据;
(2)通过选择具有不同煤岩组分特征的煤岩样品进行物理模拟实验,对比分析煤储层的物质成分差异性对煤粉产出的影响;
(3)通过选择具有不同煤体结构类型的煤岩样品进行物理模拟实验,对比分析煤储层的煤体结构差异性对煤粉产出的影响;
(4)通过对比分析不同实验条件下煤粉的产出质量、组分构成、粒度分布、形态特征及煤岩样品渗透率的动态变化,揭示实验条件下煤粉产出规律,讨论煤粉在煤储层及排采系统中的赋存及运移状况,为查明煤粉对煤储层的渗透性伤害及排采设备的连续性危害提供理论证明。
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