山西沁水盆地南部煤層氣直井巖石理化性能膨脹特性研究

張艷 王朋 孫紅瑛 李洋冰 江安

摘 要：以山西沁水盆地煤層煤頁巖作為研究對象，對該煤巖的膨脹性進行試驗研究。研究結果表明：該煤層具有一定的膨脹性，且膨脹特性極不均勻。該數據可為煤層開采提供數據參考。

關鍵詞：膨脹性；膨脹率；頁巖

煤層井壁的穩定性是影響煤層安全生產和高效開采的一項重要指標，而煤層井壁的穩定性性主要取決于煤層巖石的強度及地質特征。在煤層開發特別是在鉆井過程中常遇到地層造漿、井壁失穩等復雜狀況造成儲層損害等問題，因此必須搞清楚儲層巖石膨脹特性，為穩定井壁、減輕儲層損害提供依據[1，2]。當鉆井開煤層時，鉆井液很容易隨煤巖空隙進入煤巖裂縫，從而與巖石發生理化反應，改變巖石的力學性質及受力狀況，直接影響到巖石的強度及硬度，使井壁穩定性受到影響，因此有必要對煤巖的理化性質進行準確的測定。本文在對煤層儲層巖石組成及理化性能特別是膨脹率分析的基礎上，通過測定不同煤層、底板及煤層頂板巖石的膨脹率，分析煤層穩定性能。本文選擇在山西沁水盆地3#煤層10口井煤層頂板、底板及煤層樣品進行膨脹性能測試，研究數據可供煤層開采作為參考。

1 試驗研究

1.1 巖樣制備

樣品分別取自山西沁水盆地3#煤層10口井煤層頂板、底板及煤層共計22個樣品。將煤巖樣品用銅研缽粉碎后過100目篩，在105℃士3℃烘干4h后冷卻至室溫，作為供試樣品。

1.2 實驗設備及方法

參照SY/T 5613-2000《泥頁巖理化性能試驗方法》中泥頁巖膨脹試驗方法[3]，采用WT-ZNP-2型膨脹量測定儀，進行膨脹性能測試。

膨脹性能測試實驗中，現將空筒測深，旋緊測筒底蓋，安裝好裝樣測筒，在測筒底蓋內墊一層濾紙，用游標卡尺測量測筒深度。稱取 l0g±0.01g樣品，裝入測筒內，將巖粉弄平。裝好塞桿上的密封圈，將塞桿插人測筒，一并放在壓力機（型號PM10）上均勻加壓，直至壓力表上指示4053kPa （40atm），穩壓5min。卸去壓力，取下測筒，將塞桿從測筒內慢慢取出，用游標卡尺測量加樣后測筒的深度。把測桿放人測筒內，蓋上測筒蓋，把測筒固定在測試架上，將測試架放入樣品杯中，調整中心桿上的調節螺母，使數字表顯示0.00。在測筒內注滿清水，數字表顯示樣心的線膨脹量，讀取并記錄規定時間的線膨脹量。儀器工作16h之后，拆下測筒、測桿并清洗干凈，分別計算2h和16h的線膨脹率[4]。

2 試驗結果及分析

2.1 樣品描述

3#煤為純黑色，煤層頂、底板樣品均為淺黑色，硬度較大。如圖1所示，為具有代表性的樣品描述。

注：（1）煤；（2）煤層頂；（3）煤底板

2.2 煤層氣井巖樣膨脹性分析

如圖2 所示，3#煤2h膨脹率平均為1.20%，16h膨脹率為1.43%；煤底板2h膨脹率平均為5.37%，16h膨脹率為6.06%；煤頂板2h平均膨脹率為2.52%，16h膨脹率為2.77%。山西沁水盆地3#煤層具有一定程度的水敏性，在清水中有一定的膨脹現象，但具體個別樣點膨脹特性極不均勻，如2號樣本膨脹率2h膨脹率即達到21.40%。

3 結論

山西沁水盆地3#煤層受地質因素影響，具有一定的膨脹性，且膨脹特性極不均勻，建議根據不同類型的煤巖特性采取區別對待的鉆井工藝，對強度大、膨脹性小的煤巖可采用清水鉆井配合欠平衡鉆井技術，而對于強度小、膨脹性大的煤巖則需采用新型無固相聚合物鉆井技術。研究數據表明16h膨脹率明顯大于2h膨脹率，因此建議在鉆井過程中盡量增快鉆井速度，從而降低對儲層的損害。以上數據可為山西沁水盆地3#煤層開發提供數據參考。

參考文獻：

[1]黃醒春.巖石力學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]湛祥惠.煤層氣儲層水平井鉆井過程中儲層傷害機理研究[D].長江大學，2012.

[3]SY/T 5613-2000. 泥頁巖理化性能試驗方法[S].北京：國家石油與化學工業局，2000.

[4]呂開河， 喬偉剛， 孫晗森等. 煤層氣儲層煤巖性質及其對煤層氣開發的影響研究[J].中國煤層氣，2012（02）：6-9.

作者簡介：張艷（1980—），本科，工程師，主要從事：油田化學、儲層保護研究及應用工作。