煤層氣儲層陽離子交換容量及其對煤巖物性的影響

汪偉英

(油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室 (長江大學) , 湖北 434023)

自然界中的粘土, 具有吸附一價Na+, K+,H+以及二價Ca2+, Mg2+等可交換陽離子的能力,這種能力稱為陽離子交換容量, 陽離子交換容量的大小與粘土的水化、膨脹、帶電性等相關, 是表征、判斷粘土性質的重要指標。煤層氣儲層中亦含有一定量的粘土礦物, 為了研究煤層氣儲層陽離子交換容量對煤巖物性的影響, 本文借鑒石油系統推薦的氯化銨- 酒精分光光度法測定煤巖中的粘土礦物陽離子交換容量, 以了解煤巖的物性, 判斷地層潛在的水敏性及水敏性對煤層氣儲層造成的損害程度, 并通過水敏實驗進行了驗證。

1 煤層水和配置泥漿清水的化學性質

煤層水性質是引起煤儲層傷害的一個重要潛在因素。目前山西沁水煤層氣儲層多以清水 (地表水) 作為鉆井液,或采用清水配制鉆井液。經檢測,煤層水礦化度在2000mg/L 左右, 水質呈弱堿性,pH 值為7．91～8．82。地表水的礦化度僅有396．82～618．51mg/L, pH 值為6．92～8．0。煤層水和地表水中均含有成垢離子Ca2+、CO2-3、HCO-3、SO2-4等離子。

從煤層水和配置泥漿清水的化學性質分析來看, 清水 (地表水) 的礦化度比煤層水的礦化度低的多, 當以清水配置的鉆井液侵入煤層后, 粘土易發生膨脹, 因此儲層存在潛在的損害。

2 煤巖粘土陽離子交換容量特性研究

陽離子交換即陽離子交換性吸附, 是粘土的重要特性之一。粘土礦物中的某些陽離子常被低價陽離子所取代 (如硅被鐵, 鋁被鈣、鎂離子所取代) ,其表面常帶負電荷, 并吸附陽離子以達到電荷平衡。吸附在粘土礦物表面上的陽離子可以和溶液中的陽離子發生交換作用, 這種作用即為粘土的陽離子交換性吸附。粘土陽離子交換能力常用陽離子交換容量 (CEC) 表示, 定義為： 在pH 值為7 的條件下, 粘土表面所能交換的陽離子總量。它的單位是毫克當量/100g 樣, 即每100g 干樣品中所能交換的陽離子的毫克當量數。研究中測量粘土礦物的陽離子交換容量的目的在于了解煤巖的物性, 以判斷地層潛在的水敏性及水敏性對煤層氣儲層造成的損害程度。

目前粘土類礦物的陽離子交換容量測定方法有多種：電導法、pH 計指示電位滴定法、六氨合鈷離子交換法、NMR 法、吸藍量法、計算法等等。我國石油系統推薦作法是氯化銨- 酒精分光光度法。

氯化銨- 酒精分光光度法的基本方法是： 使粘土樣品與NH4Cl - 酒精溶液作用, NH+4便會進入粘土礦物層間并交換K+、Na+、Ca2+、Mg2+等交換性陽離子; 然后用高濃度K+溶液把交換到粘土上的NH+4交換下來。再用奈斯特試劑分光光度法測量交換下來的NH+4量。化學反應式如下：

2．1 實驗方法

實驗中所用煤樣取自沁水煤田鳳凰山和寺河礦, 將煤樣經過磨硯、烘干、過篩處理后, 采用氯化銨- 酒精分光光度法進行測試。

2．2 實驗結果及討論

沁水煤田鳳凰山和寺河礦煤樣的陽離子交換容量的實驗結果見表1。

表1 各區塊陽離子交換容量數據表

從實驗結果來看：

①鳳凰山和寺河礦的陽離子交換容量均不大,說明粘土的膨脹性不強, 根據《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》 (SY/T5329 - 94) 中的建議, 當陽離子交換容量大于9mmol/100g 時, 就不能忽視粘土的水化膨脹。但從實驗室測定的滲透率來看, 鳳凰山和寺河礦的煤樣滲透率都非常低 (測定的煤樣中, 最大滲透率只有2．375 ×10-3μm2) ,因此, 雖然鳳凰山和寺河礦的陽離子交換容量不大, 但即使有輕微的粘土膨脹, 也可能造成煤層氣儲層滲透率的大幅度下降, 因此, 煤層氣儲層仍然存在因水敏產生的潛在損害性。

②寺河礦的陽離子交換容量明顯大于鳳凰山的陽離子交換容量, 說明寺河礦的煤樣潛在膨脹性大于鳳凰山, 即寺河礦因為水敏產生的煤層損害可能性大于鳳凰山。

③因為所取煤樣有限, 并不能代表整個鳳凰山和寺河礦的整體情況, 要判斷是否有水敏現象發生, 還需要做進一步的水敏實驗測試。

3 煤巖水敏性實驗研究

在煤層鉆井之前, 粘土礦物與地層水達到膨脹平衡, 在鉆井過程中, 侵入地層的外來流體可能在化學成份和礦化度上都與地層水不一致, 而使得煤巖中的粘土進一步膨脹而造成儲層的損害[10][11]。水敏就是指當與地層不配伍的外來流體進入地層后引起粘土膨脹、分散、運移, 從而導致滲透率不同程度降低的現象。進行水敏性評價實驗的目的就是要了解這一膨脹、分散、運移的過程, 以及最終使煤儲層滲透率下降的程度。

3．1 實驗方法

本實驗采用地層鉆取的真實煤樣進行測定。用模擬地層水飽和巖樣并測定巖樣的滲透率值, 然后用次地層水測定巖樣的滲透率, 最后用淡水測定巖樣的滲透率, 從而確定淡水引起巖石中粘土礦物水化膨脹而造成的損害。考慮到煤巖的應力敏感性,在實驗時保持圍壓和入口壓力不變, 通過測定流體流量來確定不同礦化度水的滲透率值。

水敏損害程度采用水敏指數評價, 水敏指數由下式計算：

式中 Iw——水敏指數;

Ki——用地層水測定的巖樣滲透率, ×10-3μm2;

Kw——用蒸餾水測定的巖樣滲透率, ×10-3μm2。

表2 巖樣基礎數據

3．2 實驗結果及討論

煤樣基礎數據見表2, 水敏評價實驗數據見表3 和圖1、2、3。從實驗數據可以看出, F- 1 - 28號煤樣無水敏損害, 而S- 1 - L3 號煤樣、S- 2 -L1 號煤樣具有強水敏性。這說明鳳凰山無水敏傷害, 而寺河礦存在較強的水敏傷害。

表3 水敏實驗數據

圖1 F- 1- 28 號煤樣水敏實驗曲線

圖2 S- 1- L3 號煤樣水敏實驗曲線

圖3 S- 2- L1 號煤粉樣水敏實驗曲線

對比陽離子交換實驗數據以及水敏實驗數據,二者具有很好的吻合性, 這一結果說明：

①水敏傷害與陽離子交換量緊密相關。陽離子交換容量越大, 粘土的膨脹性就越強, 儲層潛在水敏性亦強, 煤層氣儲層損害的可能性就越大。

②由于煤巖的滲透率比較低, 衡量煤巖粘土陽離子交換容量的大小區別于常規的油藏, 即使陽離子交換容量小于9mmol/100g, 也不能忽視煤巖粘土的水化膨脹, 需要與水敏實驗相結合來判斷水化作用對儲層造成的傷害。

4 結論

(1) 沁水煤層水礦化度在2000mg/L 左右, 水質呈弱堿性, pH 值為7．91～8．88。配制泥漿的淺層地表水礦化度僅有396．82～618．51mg/L, 比煤層水礦化度低的多, 當以清水配置的鉆井液侵入煤層后, 粘土易發生膨脹, 儲層存在潛在的損害。

(2) 寺河礦和鳳凰山區塊煤樣陽離子交換容量的實驗結果表明, 鳳凰山和寺河礦的煤層氣儲層存在因水敏產生的潛在損害性。且寺河礦因水敏產生的煤層損害可能性大于鳳凰山。

(3) 煤巖水敏性實驗研究證明了鳳凰山無水敏傷害, 而寺河礦存在較強的水敏傷害。

(4) 水敏傷害與陽離子交換量緊密相關。陽離子交換容量越大, 粘土的膨脹性就越強, 儲層潛在水敏性亦強, 煤層氣儲層損害的可能性就越大。

(5) 由于煤巖的滲透率比較低, 衡量煤巖粘土陽離子交換容量的大小區別于常規的油藏, 即使陽離子交換容量小于9mmol/100g, 也不能忽視煤巖粘土的水化膨脹, 需要與水敏實驗相結合來判斷水化作用對儲層造成的傷害。

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