沁水盆地南部煤层气储层敏感性评价与保护技术研究

王军鹏

(神华地质勘查有限责任公司，北京 100011)

沁水盆地南部煤层气储层敏感性评价与保护技术研究

王军鹏

(神华地质勘查有限责任公司，北京 100011)

钻井过程中对储层原始平衡状态的改变是造成储层伤害的根本原因，进而影响到煤层气产能。通过分析钻井过程中储层伤害原理，结合研究区储层物性及岩石学特征，对研究区储层敏感性进行评价，认为研究区储层整体敏感性较强，其主要的潜在伤害因素有:应力敏感、速敏、酸敏和水敏，并提出相应的保护建议。

沁水盆地南部 储层伤害 敏感性评价

煤层气的产出是一个解吸-扩散-渗流的过程，储层的通透性能是影响煤层气产能的关键。由于煤层特殊的孔隙结构和渗流特征，储层敏感性强，易受外界条件的改变而造成储层伤害。钻井过程中液相、固相的侵入及压力条件的变化，都会改变煤储层原始的平衡状态，造成储层伤害，降低煤层渗透率，进而影响产能。

随着煤层气产业的发展及对储层伤害原理研究的深入，人们逐渐认识到储层保护对煤层气开采的重要性，涌现出许多针对储层保护的开发技术和工艺，如欠平衡钻井、屏蔽暂堵工艺等。研究不同储层条件下储层保护工艺的前提是在深入了解储层伤害原理的基础上，结合储层物性及岩石学特征，进行储层伤害评价，明确造成储层伤害的因素及原理。

本文以沁水盆地南部煤层气地面直井开发工程为依托，结合研究区储层物性及岩石学特征，对储层敏感性进行评价，并提出对应的优化建议。

1 钻井储层伤害原理分析

钻井过程中由于外界条件的改变，储层原始稳定状态被打破，储层内部保持的稳定系统遭到破坏，表现为内部的重新调整，而这一调整过程势必会影响到储层原有的通透性能。此外，钻井液及井筒内的地层流体、岩屑等会与储层内的矿物、流体及离子发生复杂的物理、化学反应，各种作用相互影响、相互制约，使得储层在整个钻井过程中发生重新调整以达到新的平衡，这种调整对煤储层的损害表现为对储层孔裂隙系统的影响，使得储层的原始有效渗透率得到不同程度的下降，为后续的储层改造带来困难。

钻井造成储层伤害的原因可归纳为四类:

一是外来流体与储层岩石的相互作用，包括储层中粘土吸水膨胀造成的水敏伤害和酸敏性矿物遇酸性液体产生的酸敏伤害。

二是外来流体与储层流体的不配伍而产生的伤害，包括流体中固相颗粒堵塞、流体流速过大造成的储层微粒运移以及流体之间因发生化学反应产生的沉淀、结垢等。

三是由于压差造成的储层伤害，主要是指由于压差造成的储层裂隙被压缩，尤其对于塑性较强的煤储层，其渗透率的伤害往往难以恢复 (图1)，此外还有储层毛细管力形成的水锁损害。

四是由于钻井工艺不合理造成的伤害，主要是指起下钻、钻井液返速过快、钻具摩擦、钻井液浸泡时间过长等造成的伤害，主要由工程参数决定。

总体来看，造成储层伤害的因素可从内因和外因两个方面进行分析，内因主要是指储层的岩石矿物类型、成分、结构以及储层流体的物理化学性质，是储层敏感性的内在表现;外因是指钻井技术，主要包括压差、钻井液类型及性能、钻速及环空返速等。

为有效减小储层伤害，应在对储层物性及岩石学特征进行充分研究的基础上，进行储层敏感性评价，对造成储层伤害的原理及主要因素进行分析，并提出针对性的储层保护建议。

图1 煤层渗透率随有效压力的变化曲线

2 储层敏感性评价

储层敏感性是影响和决定储层伤害的内在因素，储层敏感性评价主要是指根据特定储层所含矿物以及孔隙结构特性等对储层的潜在伤害因素进行分析，预测其可能产生的危害，主要包括应力敏感、速敏、水敏、盐敏、酸敏和碱敏。

沁水盆地南部煤层气田位于山西省东南部晋城地区，其主体部分位于沁水县境内，总面积约3630km2，是我国发现的第一个高煤阶煤层气田，研究区煤层产气稳定，开发前景好，已进行规模化开采，区内煤层气主采煤层为山西组3号煤层。

2.1 储层物性特征

(1)储层孔隙特征

研究区煤样的压汞孔隙度测试结果显示:煤岩的孔隙度在3.91% ～5.26%之间，平均为4.46%，孔隙度较低，系统渗透性较差。

通过比较研究区内不同孔径孔隙所占孔隙含量的比例，可明显看出:孔隙分布特征呈现出明显的两极分布，微孔 (孔径小于10nm)和小孔 (10-100nm)占绝大多数，平均约占孔隙含量的77.29%，孔隙类型以分子间孔和残余气孔为主。大孔 (孔径大于1000nm)其次，约占16.42%，中孔 (100-1000nm)含量最少，仅占 6.29%(图2)。

煤储层中微孔和小孔含量高表明区内3号煤储层具有很强的吸附气能力，煤层储集气体的能力较强，但大孔尤其是中孔含量较少，煤中孔径分布不均匀，在中孔孔径段存在渗流瓶颈，孔隙连通性较差，因而会降低储层的通透性能。

(2)储层裂隙特征

图2 3号煤层不同孔径孔容分布图

对煤层裂隙的研究可从宏观和微观两个层次进行，相应地将裂隙分为宏观裂隙和微观裂隙两类。

宏观裂隙可进一步分为外生裂隙和内生裂隙。根据井下煤壁和钻井煤岩芯观察，区内宏观裂隙依走向主要分为NE和NW向两组，其中NE向发育最为发育，密度可达27-120条/米，但多为方解石等矿物充填，不利于改善储层渗透性 (图3)。

图3 井下煤岩芯内生裂隙观测

微观裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，依尺度不同可进一步分为显微裂隙 (在光学显微镜下可观测)和超显微裂隙 (仅在扫描电镜下可观察到)。

观察发现，研究区煤中显微裂隙和超显微裂隙都较发育，具方向性且成组出现，从图4可以看出，部分超显微裂隙与显微裂隙相贯通，且无矿物充填，有利于煤层气的扩散运移。

对裂隙的观测和统计结果表明，微观裂隙的发育程度要明显优于宏观裂隙，在连通孔隙不发育的情况下，显微裂隙成为衔接孔隙的良好渗透通道，将孤立的孔隙连结起来形成更大规模的孔隙-微观裂隙扩散-渗流系统，超显微裂隙也可作为煤层气扩散的重要通道，显微裂隙及超显微裂隙贯穿煤储层孔隙，成为重要的结构组成部分。

(3)储层渗透率

图4 煤岩超显微裂隙观测

利用压降试井法对研究区3号煤储层的渗透率进行了测试。测试结果表明区内煤储层属于低-中渗透率煤储层，储层渗透率介于0.1～6.7mD之间，大多分布在 0.5～3.0mD之间，一般小于1mD。渗透率值在全区变化较大，其中低渗透率储层相对发育。方解石对割理的充填作用对渗透率的影响非常显著，与未见方解石充填地区相比，即使割理相当发育的地区渗透率也要低1～2个数量级。

(4)储层压力特征

利用试井方法测得研究区储层压力介于5.10～10.60MPa，主要集中在6～8MPa之间，平均约为6.95MPa。孔隙压力系数介于 0.835 ～1.080 之间，平均约为0.961，低于静水压力 (0.98)。储层以欠压为主，储层应力敏性较强，在常规钻井过程中即使采用清水钻进也容易导致过平衡钻井，对储层保护不利。研究区内大部分区域为欠压煤储层，部分区域为常压，少数区域为超压储层。常压及超压异常状态仅分布于郑庄区块的北部地带(埋深＞1000m)。

2.2 储层岩石学特征

(1)储层矿物组成特征

储层岩石学特征是影响储层伤害的内部因素，通过对储层岩石学特征的测试分析可以定性地分析储层的潜在伤害因素，从而判别开发工艺与储层特征的适应性。

区内3号煤岩中的矿物含量约为3%～11%，矿物主要以充填物的形式填充于煤层割理中，以细分散状粘土类矿物为主，此外还包括部分方解石及黄铁矿。手标本观测充填物类型主要为方解石，多呈脉状充填。根据刘洪林等利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对沁水盆地大量的煤岩样品观测后认为:沁水盆地煤储层割理填充物主要可分为粘土矿物和碳酸盐矿物两类，偶见黄铁矿呈斑点状分布(图5)。以晋城地区为代表的高变质煤中粘土矿物以后生自形晶态的伊利石为主，伊利石形态多为尖角直边状薄片，且结晶度较高，此外还包括细纤维状坡缕石—海泡石类矿物，绒球状绿泥石、竹叶状绿泥石等，这些矿物都是一定温度下热液活动的反映。碳酸盐矿物以方解石最为常见。割理充填物类型在区域和地层上都有一定变化，一般黄铁矿先沉淀，然后是粘土矿物，最后是碳酸盐矿物。

图5 煤储层中的黄铁矿充填

根据傅雪海等人对沁水盆地南部顶底板砂岩和煤层方解石包裹体的测试结果，包裹体温度分为两期，一期为107～150℃，平均为125℃，占测试样品的68%，另一期为180～251℃，平均为197℃，占测试样品的32%。与粘土矿物的形成温度相对应，推测认为储层顶底板泥岩以高岭石和蒙脱石为主，此外含有一定的伊利石和绿泥石。蒙脱石的大量存在导致钻井过程中极易发生水化膨胀，在钻井过程中应采取一定措施。

(2)储层地下水化学特征

研究区主要位于弱径流区，为地下水的滞流边界，地下水富水程度高，水质差，矿化度高度1823.61mg/L。煤储层中水分含量较低，原煤水分(Mad)介于0.7% ～1.9%之间，平均约为1.3%，储层水分的化学性质与地下水保持一致，为高矿化度水。水质类型以HCO3--Ca2+、Mg2+、SO42-型为主，其中在屯留一带多为HCO3-K·Na型或HCO3·SO4-K·Na型，在赵庄、高平一带为HCO3-Ca·Mg型，在潘庄、大宁一带转变为HCO3·SO4-Ca·Mg型或HCO3-K·Na型。

2.3 储层敏感性评价

(1)应力敏感性:实验表明煤岩具有渗透率滞后现象，即随覆压压力升高煤岩裂隙会被压缩，渗透率下降，但卸压后渗透率只能恢复到原来的一部分 (图1)，这便是应力敏感的体现，在煤层气开采过程中，任何过平衡压差都会造成应力伤害。储层原始渗透性越差，由压力下降引起的渗透率下降程度就越严重，应力敏感效应对产量的影响越大。应力敏感效应会大大降低煤储层的渗透性，严重影响煤层气的产能，因此应加强煤层气井合理生产压差的研究，尽量降低应力敏感效应对煤层渗透性的损害程度。本区3号煤层中显微裂隙普遍发育且无矿物充填，渗透率一般小于1mD，应力敏感更为显著，为强应力敏感。

(2)速敏性:钻井过程中，当由于压力波动等外界条件造成储层流体流速大于极限流速时，储层中的细分散粘土矿物或胶结不牢靠颗粒会发生脱落、运移。煤层气开采过程中过高的压差、过高的水泥返速以及起下钻等作业过程中的压力波动都会加快流体在储层中的流动，造成储层中微粒的松动，从裂隙和孔隙表面脱落、运移，最后在孔喉处再次沉积下来，这种微粒的搬迁、运移造成孔隙堵塞，造成渗透率下降。区内煤层中孔喉直径小于0.1μm的微孔和小孔大量存在，储层中粘土矿物主要以细分散状分布，易受外来流体影响发生颗粒运移，速敏性强。

(3)水敏性:水敏性是指滤液及外来流体对储层水敏性矿物的影响，煤岩中常含有一定量的粘土矿物，当这些矿物为水敏性粘土矿物如蒙脱石、高岭石时，外来流体的侵入会造成粘土的水化膨胀、分散和运移，并堵塞孔隙，从而降低储层渗透率，区内储层顶底板泥岩中粘土成分以蒙脱石、高岭石为主，此外含有部分伊利石和绿泥石，水敏性矿物含量高，为强水敏性，易造成扩径或井壁坍塌等钻井事故，区内F11-10和G11-8在二开钻井过程中均出现过表层套管下沉的现象，可认为是泥岩水敏性的表现。煤储层割理中矿物含量为3%～11%，粘土含量不高，且以伊利石为主，伊利石的水敏性不强，但易发生分散。

(4)盐敏性:地层流体常具有稳定的离子组成，当外来流体与地层流体的化学性质不完全相同时，外来流体中离子的介入会改变流体的矿化度，从而改变了粘土矿物的原有稳定状态，使得粘土微粒发生分散和运移。此外，外来流体中的离子还可能与地层流体中的离子发生化学反应产生沉淀等，造成孔隙堵塞。研究区储层流体矿化度高，且离子类型以HCO3-—Ca2+、Mg2+、SO4

2-型为主，如外来流体与储层流体不匹配易发生反应生成CaCO3、CaSO4等无机沉淀而伤害储层。储层的盐敏度取决于矿化度的减小速率，研究区储层盐敏性较强。

(5)碱敏性:固井过程中工作液中的pH通常较高，粘土矿物会因碱性环境的变化与工作液发生反应产生硅酸盐沉淀物或硅凝胶体堵塞孔喉，此外，pH值的变化还可能使储层生成无机垢，造成煤储层伤害，研究区储层的碱敏性不明确。

(6)酸敏性:研究区煤储层割理多为粘土矿物或方解石充填，偶见黄铁矿呈斑状分布，黄铁矿和方解石均为强酸敏性矿物，其中黄铁矿对HCl非常敏感，在HCl水溶液作用下会生成Fe(OH)3沉淀，而方解石对HF尤其敏感，在HF作用下也会生成不溶解的CaF2，造成对储层的伤害。此外，HCl水溶液也会与伊利石等硅铝酸盐矿物发生反应，使其矿物晶间结构发生变化，打破原有平衡，造成微粒的分散或运移，研究区储层的酸敏性较强。

研究区3号煤储层各项敏感性评价结果如表1，分析可知，研究区储层整体敏感性较强，即储层的潜在伤害可能性较大，其主要的潜在伤害因素有:应力敏感、速敏、酸敏和水敏性。储层的各种敏感性伤害往往是相互联系和制约的，如酸性条件下发生的酸敏性伤害往往伴随有环境改变造成的离子反应的盐敏性特征。结合前人对储层伤害类型和原因的归纳和总结，一般认为:在钻井过程中造成储层伤害的各种作用类型按重要性排序依次为:压差伤害、微粒运移、固相颗粒堵塞、粘土膨胀及无机结垢。

表1 沁水盆地南部3号储层敏感性评价表

对储层敏感性的评价从理论上定性地说明了储层的各种潜在伤害原因及可能伤害程度，对确定有效的钻井技术手段和选择与储层适应性好的钻井液具有指导意义。

3 煤层气钻井的储层保护优化建议

根据上述储层敏感性分析，在煤层开发过程中应注意以下措施以保护储层。

(1)钻井液的选择:在打开储层时，钻井液应慎重使用水基钻井液，以防止水相圈闭和水敏性损害，尽量使用无固相或低固相钻井液，并注意工作液的配伍性;

(2)钻井工艺:尽量采用平衡或欠平衡钻井，降低压差对储层的应力损害，同时减少固相和滤液对储层的侵入;

(3)其它工程要求:工程中应控制合理的环空返速，提高钻速，减少非生产时间，以避免环空流速过大和钻井液浸泡时间过长对储层伤害的加剧，同时在起下钻等作业过程中应尽量避免大的压力波动。

4 结论

(1)钻井过程中对储层原始平衡状态的改变是造成储层伤害的根本原因，进而影响到煤层气产能。造成储层伤害的因素可从内因和外因两个方面进行分析，可归纳为四种情况。

(2)结合对储层物性及岩石学特征的分析认为，研究区储层敏感性整体较强，其主要的潜在伤害因素有:应力敏感、速敏、酸敏和水敏，储层敏感性的评价对确定有效的钻井技术手段和选择与储层适应性好的钻井液具有指导意义。

(3)在煤层气钻井过程中应通过改进钻井液和钻井工艺技术，控制合理的钻压和环空返速，通过工艺优化注重对储层的保护。

［1］张龙飞.柿庄北GSN-001煤层气井钻井工艺分析及优化 ［D］.太原:太原理工大学，2006.

［2］乐平，杨建，冯仁鹏.钻井过程中的储层损害和储层保护技术研究现状 ［J］.重庆科技学院学报 (自然科学版)，2009，11(5):27-29..

［3］秦建强，刘小康.煤层气钻井中煤储层的保护措施［J］.中国煤炭地质，2008，20(3):67-69.

［4］段利江.晋城地区郑庄区块煤层气解吸分馏特征研究 ［D］.北京:中国地质大学，2007.

［5］石书灿，林晓英，李玉魁.沁水盆地南部煤层气藏特征［J］.西南石油大学学报，2007，29(2):54-56.

［6］孙立东，赵永军.沁水盆地煤储层渗透性影响因素研究 ［J］.煤炭科学技术，2006，34(10):74-78.

Research on Sensitivity Evaluation and Protection Technology of Coalbed Methane Reservoir in Southern Qinshui Basin

WANG Junpeng
(Shenhua Geological Exploration Co.，Ltd，Beijing 100011)

Reservoir damage is attributed to the change of the originally balanced reservoir condition during drilling process，which will reduce the production capability.The paper assesses the sensibility of the reservoir by analyzing the principle of reservoir damage in drilling and reservoir physical properties and petrologic feature.It is considered that the methane reservoir is sensitive，the main potential damage factors include the sensitivity of stress，rate，acid and water，and put forward the corresponding optimization suggestions.

Southern Qinshui basin;reservoir damage;sensitivity evaluation

王军鹏，男，硕士，工程师，从事煤层气、页岩气等非常规油气研究工作。

(责任编辑 黄 岚)