煤层气储层阳离子交换容量及其对煤岩物性的影响

汪伟英

(油气资源与勘探技术教育部重点实验室 (长江大学) , 湖北 434023)

自然界中的粘土, 具有吸附一价Na+, K+,H+以及二价Ca2+, Mg2+等可交换阳离子的能力,这种能力称为阳离子交换容量, 阳离子交换容量的大小与粘土的水化、膨胀、带电性等相关, 是表征、判断粘土性质的重要指标。煤层气储层中亦含有一定量的粘土矿物, 为了研究煤层气储层阳离子交换容量对煤岩物性的影响, 本文借鉴石油系统推荐的氯化铵- 酒精分光光度法测定煤岩中的粘土矿物阳离子交换容量, 以了解煤岩的物性, 判断地层潜在的水敏性及水敏性对煤层气储层造成的损害程度, 并通过水敏实验进行了验证。

1 煤层水和配置泥浆清水的化学性质

煤层水性质是引起煤储层伤害的一个重要潜在因素。目前山西沁水煤层气储层多以清水 (地表水) 作为钻井液,或采用清水配制钻井液。经检测,煤层水矿化度在2000mg/L 左右, 水质呈弱碱性,pH 值为7．91～8．82。地表水的矿化度仅有396．82～618．51mg/L, pH 值为6．92～8．0。煤层水和地表水中均含有成垢离子Ca2+、CO2-3、HCO-3、SO2-4等离子。

从煤层水和配置泥浆清水的化学性质分析来看, 清水 (地表水) 的矿化度比煤层水的矿化度低的多, 当以清水配置的钻井液侵入煤层后, 粘土易发生膨胀, 因此储层存在潜在的损害。

2 煤岩粘土阳离子交换容量特性研究

阳离子交换即阳离子交换性吸附, 是粘土的重要特性之一。粘土矿物中的某些阳离子常被低价阳离子所取代 (如硅被铁, 铝被钙、镁离子所取代) ,其表面常带负电荷, 并吸附阳离子以达到电荷平衡。吸附在粘土矿物表面上的阳离子可以和溶液中的阳离子发生交换作用, 这种作用即为粘土的阳离子交换性吸附。粘土阳离子交换能力常用阳离子交换容量 (CEC) 表示, 定义为： 在pH 值为7 的条件下, 粘土表面所能交换的阳离子总量。它的单位是毫克当量/100g 样, 即每100g 干样品中所能交换的阳离子的毫克当量数。研究中测量粘土矿物的阳离子交换容量的目的在于了解煤岩的物性, 以判断地层潜在的水敏性及水敏性对煤层气储层造成的损害程度。

目前粘土类矿物的阳离子交换容量测定方法有多种：电导法、pH 计指示电位滴定法、六氨合钴离子交换法、NMR 法、吸蓝量法、计算法等等。我国石油系统推荐作法是氯化铵- 酒精分光光度法。

氯化铵- 酒精分光光度法的基本方法是： 使粘土样品与NH4Cl - 酒精溶液作用, NH+4便会进入粘土矿物层间并交换K+、Na+、Ca2+、Mg2+等交换性阳离子; 然后用高浓度K+溶液把交换到粘土上的NH+4交换下来。再用奈斯特试剂分光光度法测量交换下来的NH+4量。化学反应式如下：

2．1 实验方法

实验中所用煤样取自沁水煤田凤凰山和寺河矿, 将煤样经过磨砚、烘干、过筛处理后, 采用氯化铵- 酒精分光光度法进行测试。

2．2 实验结果及讨论

沁水煤田凤凰山和寺河矿煤样的阳离子交换容量的实验结果见表1。

表1 各区块阳离子交换容量数据表

从实验结果来看：

①凤凰山和寺河矿的阳离子交换容量均不大,说明粘土的膨胀性不强, 根据《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》 (SY/T5329 - 94) 中的建议, 当阳离子交换容量大于9mmol/100g 时, 就不能忽视粘土的水化膨胀。但从实验室测定的渗透率来看, 凤凰山和寺河矿的煤样渗透率都非常低 (测定的煤样中, 最大渗透率只有2．375 ×10-3μm2) ,因此, 虽然凤凰山和寺河矿的阳离子交换容量不大, 但即使有轻微的粘土膨胀, 也可能造成煤层气储层渗透率的大幅度下降, 因此, 煤层气储层仍然存在因水敏产生的潜在损害性。

②寺河矿的阳离子交换容量明显大于凤凰山的阳离子交换容量, 说明寺河矿的煤样潜在膨胀性大于凤凰山, 即寺河矿因为水敏产生的煤层损害可能性大于凤凰山。

③因为所取煤样有限, 并不能代表整个凤凰山和寺河矿的整体情况, 要判断是否有水敏现象发生, 还需要做进一步的水敏实验测试。

3 煤岩水敏性实验研究

在煤层钻井之前, 粘土矿物与地层水达到膨胀平衡, 在钻井过程中, 侵入地层的外来流体可能在化学成份和矿化度上都与地层水不一致, 而使得煤岩中的粘土进一步膨胀而造成储层的损害[10][11]。水敏就是指当与地层不配伍的外来流体进入地层后引起粘土膨胀、分散、运移, 从而导致渗透率不同程度降低的现象。进行水敏性评价实验的目的就是要了解这一膨胀、分散、运移的过程, 以及最终使煤储层渗透率下降的程度。

3．1 实验方法

本实验采用地层钻取的真实煤样进行测定。用模拟地层水饱和岩样并测定岩样的渗透率值, 然后用次地层水测定岩样的渗透率, 最后用淡水测定岩样的渗透率, 从而确定淡水引起岩石中粘土矿物水化膨胀而造成的损害。考虑到煤岩的应力敏感性,在实验时保持围压和入口压力不变, 通过测定流体流量来确定不同矿化度水的渗透率值。

水敏损害程度采用水敏指数评价, 水敏指数由下式计算：

式中 Iw——水敏指数;

Ki——用地层水测定的岩样渗透率, ×10-3μm2;

Kw——用蒸馏水测定的岩样渗透率, ×10-3μm2。

表2 岩样基础数据

3．2 实验结果及讨论

煤样基础数据见表2, 水敏评价实验数据见表3 和图1、2、3。从实验数据可以看出, F- 1 - 28号煤样无水敏损害, 而S- 1 - L3 号煤样、S- 2 -L1 号煤样具有强水敏性。这说明凤凰山无水敏伤害, 而寺河矿存在较强的水敏伤害。

表3 水敏实验数据

图1 F- 1- 28 号煤样水敏实验曲线

图2 S- 1- L3 号煤样水敏实验曲线

图3 S- 2- L1 号煤粉样水敏实验曲线

对比阳离子交换实验数据以及水敏实验数据,二者具有很好的吻合性, 这一结果说明：

①水敏伤害与阳离子交换量紧密相关。阳离子交换容量越大, 粘土的膨胀性就越强, 储层潜在水敏性亦强, 煤层气储层损害的可能性就越大。

②由于煤岩的渗透率比较低, 衡量煤岩粘土阳离子交换容量的大小区别于常规的油藏, 即使阳离子交换容量小于9mmol/100g, 也不能忽视煤岩粘土的水化膨胀, 需要与水敏实验相结合来判断水化作用对储层造成的伤害。

4 结论

(1) 沁水煤层水矿化度在2000mg/L 左右, 水质呈弱碱性, pH 值为7．91～8．88。配制泥浆的浅层地表水矿化度仅有396．82～618．51mg/L, 比煤层水矿化度低的多, 当以清水配置的钻井液侵入煤层后, 粘土易发生膨胀, 储层存在潜在的损害。

(2) 寺河矿和凤凰山区块煤样阳离子交换容量的实验结果表明, 凤凰山和寺河矿的煤层气储层存在因水敏产生的潜在损害性。且寺河矿因水敏产生的煤层损害可能性大于凤凰山。

(3) 煤岩水敏性实验研究证明了凤凰山无水敏伤害, 而寺河矿存在较强的水敏伤害。

(4) 水敏伤害与阳离子交换量紧密相关。阳离子交换容量越大, 粘土的膨胀性就越强, 储层潜在水敏性亦强, 煤层气储层损害的可能性就越大。

(5) 由于煤岩的渗透率比较低, 衡量煤岩粘土阳离子交换容量的大小区别于常规的油藏, 即使阳离子交换容量小于9mmol/100g, 也不能忽视煤岩粘土的水化膨胀, 需要与水敏实验相结合来判断水化作用对储层造成的伤害。

[1] 郭新锋, 黎艳, 王娟芳, 王晓军．几种测定膨润阳离子交换容量方法的比较 [J] ． 计量测试及检定,2008, 18 (1) ．

[2] 李克向．保护油气层钻井完井技术 [M] ．石油大学出版社, 1993： 61．

[3] 吴涛, 韩书华, 张春光, 侯万国, 孙德军, 等．电导法测定粘土矿物的阳离子交换容量 [J] ．油田化学, 2002, 19 (3) ： 205- 207．

[4] 张秀红．pH 计指示电位滴定法测定沸石的阳离子交换容量 [J] ．有色金属矿产与勘察, 1999 (2) ： 120- 121．

[5] 胡秀荣, 吕光烈, 杨芸, 等．六氨合钴离子交换法测定粘土中阳离子交换容量 [J] ． 油田化学2000,28 (11) ： 1402- 1405．

[6] 陈守军, 罗艳颖, 杜环虹, 等译．用NMR 岩心实验确定有效阳离子交换量Qv [J] ． 测井技术信息,2005, 18 (2) ： 9- 19．

[7] 夏宏泉, 张贤辉, 刘向君等．计算粘土束缚水含量和阳离子交换容量的新方法 [J] ．西南石油学院学报, 2000, 22 (1) ： 55- 58．

[8] 黎艳, 郭新锋, 王晓军, 王娟芳, 等．膨润土吸蓝量测定方法不确定度评价 [J ] ． 工业计量, 2007(增刊) ： 109- 111．

[9] 大庆石油学院．SY5359 - 91 粘土阳离子交换容量及盐基分量测定方法 [S]. 北京： 中华人民共和国能源部, 1992．

[10 ] B．W．Gash, Amoco Production Co． Measurement of“Rock Properties”in Coal for Coaled Methane Production． SPE 22909．1991．

[11] 郑秀华, 夏柏如．压裂液对煤层气井导流能力的损害与保护 [J] ．西部探矿工程, 2001．