煤层气储层破坏机理及其影响分析

朱家伟

(1.贵州省煤田地质局一四二队; 2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心 贵州 贵阳 550081)

社会经济发展逐年增速，工业化建设对煤层气资源的使用量需求越来越大。煤层气与常规天然气不同，具有孔渗特征、流体性特征以及裂隙特征，在实际开发利用过程中，还会对储层造成不同程度的影响。为避免因钻井作业而使储层失稳，研究人员从储层特征状态入手，需清晰储层的破坏机理，并进一步确定煤层气储层的破坏影响，继而为后续控制技术应用提供依据，这是提升煤层气开发利用效率的重要课题，需引起更多重视。在促进行业快速稳定发展的情况下，满足各行业建设对产量的使用需求。

1 研究煤层气储层破坏机理及影响的现实意义

作为煤层气的源岩与储集层，煤层气本身性质具有特殊性，如煤层气的生、储特征，与常规天然气的区别很大。要想明确煤层气储层特征，需从钻井过程的储层破坏机理与影响因素入手，来为勘探煤层气资源提供理论依据。具体来讲，钻井作业过程经常会因煤层而引发井壁出现煤岩坍塌等失稳问题，不仅会阻碍下钻，还会出现卡顿、接单困难等事故，严重影响了煤炭资源开发钻井的速度与效率。此外，还会扩大井眼直径，导致井深质量变差，无法保证固井效果。再加上，煤层既是储集层，还是烃源岩，故而，钻井过程应尽可能规避井壁失稳问题。对于储层污染问题，因我国煤层气储层渗透率较低，约90%的储层渗透率低于3×10-3，所以，开发建设者还要注重污染问题影响。为此，相关建设者应在明确煤层气储层特征的情况，研究破坏作用机理，进而找出可能会造成的影响。这样一来，就能采取具有针对性与适用性的措施进行控制，进而达到煤炭资源的开发利用目标。

2 煤层气的储层特征

2.1 岩石学特征

岩石学特性是煤层气储藏的基石，其受到沉积环境的限制。不同的煤岩具有不同的物理性质和化学组成，因此它们在生成、储存和解吸煤层气方面也存在差异。研究证实，煤储层含气量与亮煤占比因素有关。当亮煤占比较高，储层孔渗较好，煤层气含量就越高。再者，不同煤阶的割理发育情况，也会影响含气量与气饱和度，不利于煤层气的形成。而煤阶增高，煤演化程度增加，成熟度增加，储层含气量和含气饱和度较高，会为煤层气形成提供良好的环境条件。而当煤变质程度增加，煤层储集能力下降，无法为形成储藏提供必要条件。在研究煤储层的过程中，借助煤显微组分能够分析出煤的形成原因与煤相等。煤显微组分有两种，即有机显微组分和无机显微组分。有机显微组分又可被细化为镜质组、壳质组与惰质组。另外，煤层镜质组发育的情况下，其含气饱和度较高，且内部裂隙较发育，物性条件极佳，十分利于储层成藏。通过对煤储层特征的分析，发现其是非常容易受到破坏的。特别是化学成分，其与砂岩储集层不同，煤分子是由不同单元构成的高分子聚合物，使其容易受到外来流体的影响。

2.2 孔渗特征

孔渗特征能够反映出储层好坏程度。因为孔渗高低会受到煤层本身成岩的影响，还会受构造运动与变质作用等外在因素影响。与传统地层相比，煤地层的空隙构造有显著差异，主要表现在裂隙和基岩空隙上。其中，基岩空隙是最重要的，其不仅可以吸附煤层气，还能够有效地运用煤层气，从而发挥出更大的储集效果。因此，通过分析煤层空隙构造，可以确定煤的变化特性。截然不同的孔隙结构可能会导致截然不同的成因类型。例如：原生空隙中的气孔较多，这是由于煤在变化进程中空气发生凝聚造成的，可以用来反映煤层气储层的储存和释放特点。透气性是指煤层中流体在受到压力差时能够有效运行的能力。与常规储层不同，因煤层本身特性，敏感度较高，其受到的影响程度较大。由此可见，外界条件会严重影响煤储层的形成，在钻井作业过程，渗透率也会发生较大程度的变化[1]。

2.3 流体性特征

煤层中气体状态有游离、溶解和吸附这3种，其中游离气体状态是以自然状态作用于煤层环境，占比较低。会在压差条件下进行运移。具体煤层赋存环境为无占据物的裂隙与孔隙。当温度与压力超出界限，部分就会溶解于流体。从特征角度分析，天然气的游离状态与常规天然气相同。溶解气体状态是指一定温度压力下，溶解于地层水环境。由于煤储层会受到水的破坏影响，在钻井与完井过程中，如果钻井液与煤层水不匹配，煤层孔隙与裂缝就会因沉淀而出现堵塞问题，将大幅度降低储层渗透率。吸附气体状态是指煤层表面会产生一种作用于煤内部的吸力。吸力吸附周边的气体——煤层气，是以吸附状态存在于煤层表面，占比较高。当吸附环境变化，气体与煤层表面脱离，经吸附态转换为游离态，此过程为煤层气解吸过程，而煤层气也因吸附状态作用，与其他常规储集层存在本质差异。

2.4 裂隙特征

煤体中自然形成的裂隙，根据形态与成因分为割理、外生与继承性3 种。割理裂隙是指因煤化作用煤物质结构与构造发生变化产生的裂隙。按照层面形态与特征，可分为面割理与端割理。前者多与层面平行，通常呈板状延伸，具有较好的连续性；端割理存在于两个面割理之间，多与层面保持垂直，或是近乎垂直，连续性不好且缝壁不规则。因煤层中两种割理较发育，具有单体规模小、总体密度大以及空间环境上交割为立体网状特征，因此，可采用等效连续介质的渗流方式来完成煤储层中水与气体的运动状态描述。

外生裂隙是指在构造应力较大的情况下形成的裂缝，其可以根据形成的原因分为三大类，即剪切外生裂缝、劈理裂缝和张性外生裂缝。其中，剪切裂缝会与煤层表面以各种角度相交，并且可能出现在煤层的任何部位。特征表现为裂缝凹凸不平，呈现出波浪状或羽毛状的滑动痕迹。对于裂隙间距较宽的发育，会以两组并存的状态作用。劈理是指煤层间发生滑动时形成的波浪状且彼此平行的裂隙。张性外生裂隙与岩层张性裂隙相似，具有较小的尺寸，呈雁行顺序的特征。

继承性裂隙具有双重特征，一方面是由内部构造应力场形成的，另一方面是由外部构造应力场形成的。当这种情况发生时，先前形成的裂隙会得到加强，表现为部分裂隙向邻近层扩展延伸。继承性裂隙是一种位置不变的裂缝，因而被称为继承性裂隙。煤体中孔隙度变化范围在1%～6%之间，通常在2%上下的裂隙，表面裂隙孔隙度较小[2]。钻井过程可结合煤体裂隙发育特征和煤储层渗透性之间关系状态，对裂隙进行类型区分。具体区分指标为裂隙尺寸大小。

3 煤层气储层的破坏机理

3.1 微观破坏机理

煤孔隙结构是由煤挥发于成煤过程转变为固定炭过程中，形成的微小气孔组成。煤岩孔隙与裂隙系统，则是由微孔隙与颗粒间微裂隙组成。根据现有对煤结构观察实验分析结果可知，煤层气煤岩微观破坏形式沿着微孔隙某一方向穿粒断裂，或是沿着晶体断裂与其发生的相互耦合，如图1所示。

图1 煤微观断裂形式示意图

对于穿粒与沿晶断裂的类型，主要有两种：一是具有微孔隙与微裂隙的断裂；二是无微孔隙的沿晶断裂。图2是煤穿粒、沿晶断裂两种断裂的形态。

图2 煤穿粒、沿晶断裂形态

3.2 气体破坏机理

当煤体内部出现微小的裂纹时，范德华力不平衡问题就会出现。这种情况不仅会导致表面黏附力增强，还会阻碍裂纹的扩散[3]。但是，如果煤体内部存在空隙气体，那么这种情况就会得到缓解，范德华力不平衡现象也会得到减弱。当合理位置较低时，煤层气中的空隙气压会对裂纹扩大起到促进作用，从而降低黏聚力，也将会发挥重要作用，一般是通过控制煤骨架的阻抗变化来实现。宏观经济上，随着空隙气压的增大，变形模量也会呈现出显著的增长趋势。然而，当有效应力超过一定的阈值时，裂纹就会发生扩大，从而影响结构的稳定性。此时，孔隙压力深化了裂纹扩展前期的拉应力影响，促进了裂纹扩展作用。随着封闭裂纹面的压强降低，裂纹面间的变化模量也会相应降低，从而导致脆性损伤的加剧。当孔隙压强增大时，变形模量的降低幅度也会更加显著。

4 煤层气储层的破坏影响

4.1 钻井液破坏影响

当钻井液侵入煤层气储层后，不仅会导致煤岩膨胀，还会受储层敏感性问题的影响而出现破坏。当钻井液与煤层气储层中地层水不匹配时，就会出现沉淀现象，堵塞储层孔隙与裂缝[4]。例如：钻井液中的固相颗粒封堵煤层气储层孔隙。此现象发生，意味着煤层气储层渗透率与孔隙度大幅度下降，对煤层气储层造成了严重的破坏影响。钻井液固相颗粒的破坏，同样会封堵煤储层孔隙和裂缝，继而降低储层渗透率。研究表明：当带有的微粒较细时，其更易于进入煤层裂缝和空隙内部，导致储层空隙变小，渗透率降低。此外，钻井液中带有的固相微粒也会干扰煤层气的解溶速度。由于固相粒度的增大，煤层气的解吸速率变化率会降低。在我国煤炭资源中，开采气储存空隙和裂缝发育程度较高，因此，钻井过程中应尽可能采取措施来减少固相颗粒物的污染，以及采取其他有效措施来减轻对储层的破坏影响[5]。

破坏储层的不匹配问题，多指钻井液与地层水，作用于敏感性破坏。破坏对象为储层水敏性、碱敏性以及产生无机垢和有机垢。具体破坏影响就是当不匹配钻井液进入煤层气储层后，会引导至水敏型矿物出现水化膨胀现象，大幅度降低储层渗透率。由于煤层中有机质含量较高，与碱反应会破坏矿物结构，导致渗透率下降。滤液水锁的储层破坏影响是很难避免的，钻井液滤液会在煤层含水饱和度较低的情况下产生毛细管力。增加储层含水饱和度的同时，还会导致储层本身孔隙内外压力差低于毛细管力，且无法采取措施进行控制。据研究成果表明：液体饱和度处在35%上下时，气体会失去渗透能力[6]。由此可见，滤液水锁会极大破坏煤层气储层。

4.2 钻井压力破坏影响

由于煤层力学性能与常规储集层存在较大差异，具有泊松比较高、弹性模量小的特点，因此，天然裂缝会大幅度降低煤强度。当外界压力变化较小时，会导致煤层渗透发生较大程度的变化。故此可判断钻井压力会对煤层渗透性造成较大破坏。钻井的压力多来自钻柱、钻井液液柱以及下钻作业过程。特别是渗透率不高的储层，钻井压力带来的破坏影响会更大。当围压增加，煤层渗透率下降。即使围压减小，煤层水渗透率只能恢复至原数值的一部分，无法完全恢复。由此可以看出，钻井压力对储层渗透率的影响是不可逆的。

4.3 钻井井壁稳定性影响

煤层作为一种脆性较大的岩石，在开发利用过程，如钻井与生产加工容易造成破坏。特别是，水平井的钻井与大斜度井的钻井，更容易受到破坏影响。究其原因，井眼稳定性会对煤层甲烷气井造成影响。水平井钻井作业过程，会因为井壁坍塌事故而造成经济损失。这与钻井过程遇到欠平衡钻井、压力衰竭钻井有很大联系。此外，钻井作业所处的泥浆密度环境太高，就会导致拉伸破裂现象发生。而泥浆密度太低，又会破坏剪切力，造成井眼断裂。当井壁坍塌与井漏问题无法得到有效控制，煤层气储层钻井作业进度就无法保证，开发利用经济效益目标无法达成，还有破坏煤岩储层的风险[7]。为对其进行控制，应着手钻井过程的稳定性预测，以控制钻井决策。相关人员应采用预防措施来规避经济损失问题，如对水平井是否需要设置下衬管进行预测，以最大限度地降低经济损失。

4.4 水力压裂增产影响

通常情况下，煤层内部会因压裂问题影响而产生裂缝。经统计，裂缝呈现的几何类型多为水平缝合的T 形缝、多条分支裂缝。例如：煤层脆性较大，流体注入裂缝后，周边孔隙压力增加，原地应力发生变化引起剪切破坏。根据实验室结果，煤发生剪切破坏后，储层会出现煤粒。当煤粒在煤层中运移，就会影响煤层渗透率与裂缝导流能力。剪切破坏所带来的剪切膨胀，也会促使渗透率增加，对其控制，可在增产作业过程，对垂直裂缝所带来的应力变化与孔隙压力进行预测，进而分析出煤层中水力压裂所带来的剪切破坏影响。

4.5 甲烷生产过程影响

当煤层甲烷气井投入后，由于井底流压的下降，煤层会受到切割损坏的影响，而水压崩溃也会引起煤层的损坏[8]。这种切割损坏会使水平井塌陷，进而提高中煤粒的产出量，但同时也会引起岩层和裂隙的阻塞，进而对泵或加压机造成损坏。预计煤层破坏和煤粒产生的临界压力对于生产决策至关重要，需采取有效的预防措施，进而减少或避免损失。利用精确测量煤层破坏气压和煤粒产生的临界压力，能够有效减小甲烷气井的压差，减缓微粒运移对岩层和裂隙的阻塞，并有效填补井眼，同时也能够减少泵和压缩机设备的损耗。

5 结语

综上所述，煤层气储层会因钻井液、钻井压力、钻井井壁、水力压裂增产以及甲烷生产而破坏储层渗透性。具体优化控制工作开展，需从煤层气储层特征出发，在掌握其形成原因、裂隙形成状态及影响的情况下，分析破坏产生机理。而后，开发建设者就能从源头入手，对可能产生的裂缝、破坏以及堵塞等破坏影响进行预测，以采取对应的控制措施。例如：当井壁坍塌与井漏问题无法得到有效控制，煤层气储层钻井作业进度就无法保证，除了开发利用经济效益目标无法达成，还有破坏煤岩储层的风险。为对其进行控制，应着手钻井过程的稳定性预测，以控制钻井决策。例如：对水平井是否需要设置下衬管进行预测，以最大限度地降低经济损失。因此，才能降低煤层气储层本身不稳定特性所带来的负面影响，进而达到预期的钻井开采目的。