沁水盆地北部某矿区储层特征及敏感性评价

王慧博，龚福华

(长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100)

随着全球经济的快速发展，常规能源日趋紧张。煤层气的开采对于缓解能源危机具有十分重要的意义。与常规油气储层不同，煤层气储层往往具有独特的储层特征，在勘探开发过程中也比常规油气储层更容易出现储层损害现象[1-5]。因此，在开发煤层气过程中必须要先了解其储层特征，并对其进行敏感性评价，找出可能造成储层损害的各种因素，为后期煤层气井的钻完井及开发生产提供必要的技术支持[6-9]。

沁水盆地煤层气资源丰富，具有良好的产能潜质。北部某矿区是沁水盆地内最具勘探开发潜力的区块之一，该区块属于新开发区块，有关其储层特征及损害因素方面的研究报道较少[10-12]。因此，作者以沁水盆地北部某矿区为研究对象，对其煤层气储层特征进行研究，并采用天然煤岩心进行储层敏感性评价，明确煤层气储层的潜在损害因素，为沁水盆地北部地区类似煤层气储层的高效合理开发提供理论依据和技术保障。

1 储层特征

1.1 煤岩显微组分分析

煤岩的显微组分特征影响着煤层气储层的吸附能力以及含气量。根据GB/T 15589-2013《显微煤岩类型分类》，煤岩显微组分分为镜质组、惰质组和壳质组。对目标矿区内的煤岩样品进行显微组分分析，结果见表1。

表1 目标矿区煤岩样品的显微组分/%

Tab.1 Macerals of coal rock samples from target mining area/%

井号镜质组惰质组壳质组Y-175.224.80Y-287.112.90Y-371.528.50Y-483.416.60

由表1可知，目标矿区煤岩样品的显微组分以镜质组为主(71.5%～87.1%)，其次为惰质组(12.9%～28.5%)，由于煤化程度比较高，基本检测不到壳质组，这将有利于煤层气的生成。

1.2 粘土矿物组分分析

目标矿区煤岩中的主要矿物组分为炭，还含有少量的石英、方解石、粘土矿物等，其中粘土矿物的含量在5%左右。研究粘土矿物组成对储层敏感性评价具有十分重要的意义。使用X-射线衍射仪分析目标矿区煤岩样品中粘土矿物的组分，结果见表2。

表2 目标矿区煤岩样品中粘土矿物组分/%

Tab.2 Components of clay minerals in coal rock samples from target mining area/%

样品编号高岭石绿泥石蒙脱石伊利石伊/蒙混层113.0011.0050.008.0018.0029.0028.0060.003.000.00310.0019.0066.005.000.0045.0010.0038.0015.0032.00平均9.2517.0053.507.7512.50

由表2可知，目标矿区煤岩样品中粘土矿物以蒙脱石(53.50%)为主，其次为绿泥石(17.00%)和伊/蒙混层(12.50%)，高岭石(9.25%)和伊利石(7.75%)的含量相对较少。

1.3 物性特征

煤层气储层的孔隙度、渗透率及孔隙直径是煤层气储层物性特征研究的主要内容。通过煤岩心物性分析和压汞实验对目标矿区煤层气储层进行物性特征研究，结果见表3。

表3 目标矿区煤层气储层的物性特征

Tab.3 Physical properties of coalbed methane reservoirs in target mining area

井号样品个数平均孔隙度/%平均渗透率/mD平均孔隙直径/nmY-1103.951.538.5Y-2154.072.849.3Y-3214.012.650.2Y-4183.891.643.6

由表3可知，目标矿区煤层气储层平均孔隙度在3.89%～4.07%之间，平均渗透率在1.5～2.8 mD之间，平均孔隙直径在38.5～50.2 nm之间。煤层气储层孔隙度和渗透率均较低，孔隙直径较小，整体物性较差。

1.4 含气量

目标矿区煤层气储层中含气量的平面分布特征与煤层气的埋藏深度有关，整体表现为随着埋藏深度的增加，含气量逐渐增大。目标矿区内煤层气埋藏深度在500 m以内的含气量一般低于10 m3·t-1；埋藏深度在500～1 000 m之间的含气量一般为12～15 m3·t-1；埋藏深度在1 000～1 500 m之间的含气量一般为15～21 m3·t-1；埋藏深度在1 500～2 000 m之间的含气量一般为21～28 m3·t-1。

2 敏感性评价

采用多功能岩心驱替装置，参照SY/T 5336-2006《岩心分析方法》和SY/T 5358-2010《储层敏感性流动实验评价方法》，评价目标矿区煤层气储层的敏感性(速敏、水敏、酸敏、碱敏、应力敏)，找出煤层气储层潜在的损害因素。

2.1 速敏性评价

室内选取目标矿区煤层气储层岩样1#、2#，将其处理成柱状岩心。以标准盐水作为驱替介质，测定煤岩心渗透率随驱替流速的变化情况，结果见图1。

图1 速敏性评价实验结果

由图1可以看出，煤岩心渗透率随着驱替流速的加快逐渐下降。1#和2#煤岩心的速敏损害率分别为22.9%和25.3%，速敏损害程度均为弱，临界驱替流速均为1.0 mL·min-1。这是由于，目标矿区煤层气储层段粘土矿物中速敏性矿物高岭石的相对含量较少所致。在煤层气储层开发过程中，速敏损害程度相对较弱，但仍需控制合理的生产速度，选择合适的施工工艺，最大限度降低速敏损害。

2.2 水敏性评价

室内选取目标矿区煤层气储层岩样3#、4#，将其处理成柱状岩心。配制不同矿化度的标准盐水作为驱替介质，测定煤岩心渗透率，结果见图2。

图2 水敏性评价实验结果

由图2可以看出，煤岩心渗透率随着驱替介质矿化度的下降逐渐降低。3#和4#煤岩心的水敏损害率分别为81.1%和75.1%，水敏损害程度均为强，临界矿化度均为5 000 mg·L-1。这是由于，目标矿区煤层气储层段粘土矿物含量较高，且蒙脱石的相对含量较高，所以，当驱替介质矿化度下降时，会引起粘土矿物的水化膨胀，堵塞煤岩心中的渗流通道，造成煤岩心渗透率下降。因此，在煤层气开采过程中，应注意控制入井驱替介质矿化度始终高于临界矿化度，避免水敏损害。

2.3 酸敏性评价

室内选取目标矿区煤层气储层岩样5#、6#，将其处理成柱状岩心。使用标准盐水测定煤岩心的初始渗透率，然后注入一定PV(孔隙体积)的盐酸或土酸，测定煤岩心渗透率，结果见表4。

表4 酸敏性评价实验结果

Tab.4 Results of acid sensitivity evaluation experiments

煤岩心注入酸液初始渗透率10-3 μm2注酸后渗透率10-3 μm2渗透率损害率%酸敏程度5#15%HCl1.710.8450.9中等偏强6#12%HCl+3%HF1.821.0144.5中等偏弱

由表4可知，5#煤岩心的盐酸敏损害率为50.9%，损害程度为中等偏强；6#煤岩心的土酸敏损害率为44.5%，损害程度为中等偏弱。这是由于，目标矿区煤层气储层段粘土矿物中含有较多的酸敏性矿物绿泥石，且煤层气储层填隙物以黄铁矿和方解石为主，这些矿物遇酸反应生成沉淀或凝胶，造成煤层气储层渗透率下降。因此，在煤层气储层酸化施工过程中，应注意防范酸敏损害。

2.4 碱敏性评价

室内选取目标矿区煤层气储层岩样7#、8#，将其处理成柱状岩心。配制不同pH值的标准盐水作为驱替介质，测定煤岩心渗透率，结果见图3。

由图3可以看出，煤岩心的渗透率随着驱替介质pH值的增大逐渐降低。7#和8#煤岩心的碱敏损害率分别为24.4%和20.5%，碱敏损害程度均为弱，临界pH值均为12。因此，在煤层气储层开采过程中应注意控制入井驱替介质的pH值在12以下。

2.5 应力敏性评价

室内选取目标矿区煤层气储层岩样9#、10#，将其处理成柱状岩心。以氮气作为驱替介质，保证煤岩心进口端驱替压力恒定，不断改变围压，测定煤岩心渗透率，结果见表5。

图3 碱敏性评价实验结果

表5 应力敏性评价实验结果

Tab.5 Results of stress sensitivity evaluation experiments

围压/MPa9#煤岩心渗透率10-3 μm2渗透率损害率%10#煤岩心渗透率10-3 μm2渗透率损害率%1.002.180.001.690.003.002.017.801.577.105.001.5927.061.3221.89升压过程7.001.3737.161.0537.879.000.8561.010.7356.8011.000.6271.560.5269.2313.000.5475.230.3579.2915.000.4280.730.2883.4313.000.5077.060.3181.6611.000.5873.390.4275.159.000.6769.270.5865.68降压过程7.000.7963.760.6362.725.000.9257.800.7853.853.001.1447.710.8450.301.001.2841.280.9543.79

由表5可知，升压过程中，煤岩心渗透率随着围压的升高逐渐下降，当围压升至15.00 MPa时，9#和10#煤岩心的渗透率损害率分别为80.73%和83.43%，应力敏损害程度为强；降压过程中，煤岩心渗透率随着围压的降低逐渐升高，但最终渗透率仍不能恢复至初始状态，当围压降至初始状态(1.00 MPa)时，9#和10#煤岩心的渗透率损害率仍在40%以上。这是因为，目标矿区煤层气储层物性较差，储层原始孔隙度和渗透率均较低，且孔隙较小，容易受到外部压力的影响，当压力变化时，储层平衡状态被打破，储层孔隙受到外力的挤压变得更小，储层孔隙度和渗透率同样下降，且具有一定的不可逆性。因此，在煤层气开采过程中应注意控制合理的施工压差和生产压差，降低应力敏损害。

3 结论

对沁水盆地北部某矿区的煤层气储层特征和敏感性评价进行了研究。结果表明，目标矿区煤岩显微组分以镜质组为主，其次为惰质组，不含壳质组；粘土矿物的含量在5%左右，以蒙脱石为主；储层平均孔隙度在3.89%～4.07%之间，平均渗透率在1.5～2.8 mD之间，平均孔隙直径在38.5～50.2 nm之间，整体物性较差；含气量随埋藏深度的增加而增大。煤层气储层的速敏损害程度为弱，水敏损害程度为强，盐酸敏损害程度为中等偏强，土酸敏损害程度为中等偏弱，碱敏损害程度为弱，应力敏损害程度为强。

根据以上储层特征及敏感性研究结果，在沁水盆地北部某矿区煤层气勘探开发过程中应注意采取一定的储层保护措施，如：控制入井驱替介质的矿化度大于临界矿化度，避免水敏损害；选择合适的压裂施工工艺，控制合理的生产压差，降低应力敏损害；选择合适的酸化液体系，避免酸化措施造成的二次损害；控制合理的生产速度以及入井驱替介质的pH值，避免速敏损害和碱敏损害。