準南區塊煤層氣井排采階段儲層傷害及其控制

范毅剛，王 乾，2，夏大平，山 拓，孫俊義，余莉珠，王大猛

（1.河南理工大學資源環境學院，河南焦作 454003；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作 454003；3.中石油煤層氣有限責任公司臨汾采氣管理區，山西太原 030032）

煤層氣作為一種重要的非常規天然氣和低碳能源，其高效開發對“碳達峰、碳中和”目標的實現具有重要意義[1-2]。我國在20 世紀80 年代開始了對煤層氣的勘探開發，到2020 年煤層氣井數量約21 000余口，而年產氣量僅為58.2×108m3，遠低于“十三五”煤層氣勘探開發規劃預期值100×108m3[3]。地質條件與開發技術匹配性差是導致煤層氣井低產的主要因素。排采作為獲取煤層氣資源的重要環節，對煤層氣井產量有重要的控制作用，而排采階段嚴重的儲層傷害不僅會降低煤儲層滲透率，還會對煤層氣解吸擴散產生抑制作用，引發煤層氣井低產[4-5]。排采階段儲層傷害類型多樣，包括應力敏感傷害、速敏傷害、水鎖傷害等[6-8]。其中，應力敏感傷害強度與煤儲層埋深、力學性質和氣井排采強度等因素有關，表現為煤儲層埋深越大、力學強度越低、排采強度越高，應力敏感傷害越顯著[9-10]。另外，受地質時期煤體破碎、壓裂階段壓裂液和支撐劑對煤體的沖刷、打磨作用以及支撐劑破裂影響，煤儲層裂縫內存在大量微粒，排采階段這些微粒容易在流體攜帶下發生運移，進而引發裂縫吼道堵塞、儲層滲透率降低，即儲層速敏傷害；同時，產出的微粒沉降在井筒，容易引發埋泵、卡泵現象，對正常生產造成極大危害。一般來說，煤儲層滲透率越高、排采強度越大，越容易引發高強度的速敏傷害[11-14]。此外，壓裂液在滲吸作用下侵入煤儲層基質孔隙，并產生孔隙毛管壓力。排采階段，煤層氣需要克服毛管壓力的阻礙作用才能夠解吸產出，否則將導致煤層氣解吸率降低、擴散困難，引發儲層水鎖傷害，進而降低氣井產量。儲層水鎖傷害程度與孔隙發育特征密切相關，一般孔隙結構越復雜、水鎖傷害強度越高[15-16]。同時，不同類型壓裂液所引發的儲層水鎖傷害程度差異較大，而壓裂液優化正是抑制儲層水鎖傷害的有效途徑之一[17]。

前人針對各類儲層傷害開展了大量實驗研究，并從排采控制、壓裂液優化等方面提出了相應的技術對策，為煤層氣井排采階段儲層傷害的防控提供了重要依據。然而，不同地區、不同地質條件下的儲層傷害差異性極大，需要地質工程一體化分析，才能確定傷害的主因以及防控措施。為此，在室內實驗基礎上，結合準噶爾盆地南緣某區塊煤層氣井實際排采情況，對排采階段儲層傷害進行綜合分析，評價其對開發的影響，并探討應力敏感傷害、速敏傷害、水鎖傷害的綜合防治辦法，以期為煤層氣開發方案的制定、工藝的優化提供實驗和理論依據。

1 研究區概況

研究區位于準噶爾盆地南緣，區內主要含煤地層為侏羅系中統西山窯組（J2x）及侏羅系下統八道灣組（J1b），煤層氣開發主力煤為西山窯組43#煤、45#煤。西山窯組含煤地層總厚812.78～917.33 m，其中，43#煤和45#煤厚度分別為18.38 m 和21.83 m，厚度相對較大；最大鏡質組反射率0.59%～0.74%，平均含氣量相對較低，分別為5.69 m3/t 和5.77 m3/t，煤層氣資源豐度一般可達2×108m3/km2，資源條件普遍良好；另外，煤層煤體結構以原生結構和碎裂結構為主，煤層具有可改造性。

研究區普遍采用活性水作為壓裂液并對煤層實施水力壓裂，壓裂施工曲線顯示部分井儲層改造效果較好。然而，即使在良好的地質條件和可改造性下仍有較多煤層氣低產井存在，全區產量低于500 m3/d 的井占比達60%以上。分析認為，排采階段嚴重的儲層傷害是導致該區大量煤層氣井低產的原因之一，主要包括儲層應力敏感傷害、速敏傷害以及水鎖傷害。為此，結合室內實驗，探討3 類儲層傷害機制及其綜合防控辦法。

2 實驗與結果

2.1 材料準備

采集準噶爾盆地南部某區塊侏羅系西山窯組43#煤、45#煤樣品，按照不同實驗要求制備成不同規格的樣品。煤的工業分析和反射率見表1。另外，分別制備清水、活性水壓裂液（清水+1.5%KCl）、低傷害壓裂液（清水+1.5%KCl+0.07%AN）作為實驗液體，其中KCl 為黏土穩定劑，AN 為復配型親水性表面活性劑。

表1 煤的工業分析和反射率Table 1 Industrial analysis and reflectivity of coal

2.2 抗壓強度測試

依據GB/T 23561—2010 國家標準，將采集的煤巖樣制備為?50 mm×100 mm 的樣品，并用巖石力學試驗機（RMT-150B）測試樣品單軸抗壓強度。

西山窯組43#煤、45#煤及煤層底板抗壓強度如圖1。測試結果表明，西山窯組煤層抗壓強度遠低于其頂底板砂質泥巖層，其中43#煤、45#煤抗壓強度分別3.8 MPa 和5.1 MPa，而43#煤、45#煤頂板砂質泥巖與底板泥質砂巖抗壓強度分別達13.5～27.9 MPa 和10～17.5 MPa。

圖1 西山窯組43#煤、45#煤及煤層底板抗壓強度Fig.1 Compressive strength of 43# and 45# coal

2.3 潤濕性實驗

在碎樣機內破碎43#煤、45#煤，篩取粒徑為0.074 mm 煤粉，于769YP-24B 手動粉末壓片機（40 MPa 壓力）下，壓制直徑約為10 mm、厚度約1 mm的煤片。

采用JC2000D 型接觸角測量儀于25 ℃恒溫條件下開展潤濕性實驗，分別通過懸滴法和量角法測試各實驗液體的表面張力和液體與煤樣接觸角，具體實驗步驟見文獻［18］。

實驗結果顯示，清水、活性水壓裂液均具有較高的表面張力，而且對煤樣潤濕性較差，其表面張力分別為70.91 mN/m 和75.98 mN/m，與煤樣間接觸角分別為62.5°～63.5°和65.25°～66.75°。另外，加入親水性表面活性劑AN 后，液體表面張力、與煤樣接觸角均有顯著降低，分別為26.04 mN/m 和18.13°～19.75°。

由Laplace 方程計算煤孔隙毛管壓力pc如下：

式中：pc為毛管壓力，MPa；σ 為溶液與空氣的界面張力，mN/m；θ 為溶液與煤巖的接觸角，（°）；r為毛管半徑，μm。

結果表明，清水、活性水壓裂液均在煤孔隙內形成較高的毛管壓力，其在100 nm 孔隙內的毛管壓力分別達1.26～1.31 MPa 和1.2～1.27 MPa；然而，低傷害壓裂液形成的孔隙毛管壓力明顯降低，其在100 nm 孔隙處為0.98～0.99 MPa，有利于煤層氣產出。潤濕性實驗結果見表2。

表2 潤濕性實驗結果Table 2 Experiment results of wettability test

2.4 沉降實驗

分別取粒徑為0.074 mm 的43#煤、45#煤的煤粉0.5 g 置于3 只25 mL 的試管內，分別加入清水、活性水壓裂液、低傷害壓裂液20 mL，震蕩均勻后放置于實驗臺，觀測并記錄煤粉絮凝沉降情況[19]。

煤樣靜置沉降實驗如圖2。結果顯示，相較于清水、活性水壓裂液，低傷害壓裂液內的煤粉絮凝沉降速率快且沉降更為完全。靜置30 min 后，清水和活性水壓裂液內煤粉依然渾濁，試管中煤粉沉降效果差，低傷害壓裂液內的煤粉懸浮顆粒基本沉于試管底部。靜置180 min 后，清水和活性水壓裂液上部依然存在明顯積聚煤粉且無法沉降，而加入表面活性劑0.07%AN 的溶液中煤粉已全部沉于試管底部。

圖2 煤樣靜置沉降實驗Fig.2 Static settlement experiment of coal samples

2.5 直剪實驗

將43#煤破碎并篩取粒徑為0.2～0.3 mm 煤粉，縮分為7 份備用。以不同含液率（3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%）向煤粉內拌入清水、活性水壓裂液與低傷害壓裂液并攪拌均勻，裝袋密封保存24 h。依據GB/T 4934—1996 國標，采用ZJ 型應變控制式直剪儀進行實驗，試樣使用常規環刀制備，體積約60 cm3。在不同的豎向荷載作用下，對試樣施加等速剪應變，通過測量系統測定出相應的剪應力和水平位移，得到不同豎向荷載作用下破壞時的剪切力，根據庫侖定律確定試樣的黏聚力和內摩擦角[20]。

直剪實驗結果見表3，3 種溶液處理后煤粉黏聚力的變化如圖3。實驗結果顯示，不同液體處理后煤粉的黏聚力均隨含水率的增加呈先增后降的趨勢，而內摩擦角差異較小；清水和活性水的黏聚力分別為3.61～9.87 kPa 和13.59～19.86 kPa，而低傷害壓裂液的黏聚力顯著高于清水和活性水溶液為24.31～41.32 kPa。上述結果說明親水性表面活性劑AN 的加入使得煤粉黏聚性高，有利于煤粉的固定。

表3 直剪實驗結果Table 3 Results of direct shear test

圖3 3 種溶液處理后煤粉黏聚力的變化Fig.3 Changes in cohesion of pulverized coal after treatment with three solutions

2.6 吸附解吸實驗

將43#煤、45#煤破碎并篩取粒徑0.3～0.45 mm煤粉，分為4 份。1 份煤粉保持干燥，另3 份煤粉分別以含液率15%拌入清水、活性水壓裂液和低傷害壓裂液，裝袋保存。采用氮氣為實驗氣體，對各樣品開展吸附解吸實驗，具體實驗步驟見文獻［21］。

吸附/解吸實驗結果見表4，煤樣殘余氣百分比如圖4。結果顯示，經氣體吸附、解吸過程后，干燥樣殘余氣百分比最低，為10.74%～11.41%；拌清水樣和活性水壓裂液煤樣的殘余氣百分比明顯增大，分別為16.24%～17.22%和16.38%～16.69%；而拌低傷害壓裂液的煤樣殘余氣飽和度為10.91%～12.61%，接近于干燥樣的值。幾種液體中，低傷害壓裂液最有利于減緩水鎖效應對吸附氣解吸過程的不利影響。

表4 吸附/解吸實驗結果Table 4 Results of the sorption/desorption experiments

圖4 煤樣殘余氣百分比Fig.4 Percentage of residual gas in coal samples

3 分析與討論

3.1 排采階段的儲層傷害

3.1.1 CBM-01 井儲層傷害

以CBM-01 井為例進行儲層傷害的實例分析。CBM-01 井排采曲線如圖5。

圖5 CBM-01 井排采曲線Fig 5 Drainage curves of well CBM-01

起抽后105 d，井底流壓由9.76 MPa 降至3.48 MPa，平均降速為0.06 MPa/d，最大降速為0.32 MPa/d，排采強度相對較高。進入產氣階段后，250 d 產氣量達到峰值1 700 m3/d，排采過程中由于該井受煤粉產出的影響導致20 d 內降低至0。反復修井作業后，該井產水量由14.9 m3/d 降低為2.5 m3/d，700 d 后該井產氣量降低至0。

分析可知，CBM-01 井的低產是過快且不穩定的排采引發了嚴重的儲層應力敏感傷害和速敏傷害所致。由于該井排采強度較大、近井地帶壓降漏斗較陡，導致有效應力快速增加，進而造成近井地帶煤儲層裂縫開度降低，不利于流體的產出。根據單軸抗壓強度實驗結果，主采煤層煤樣的抗壓強度為5.1 MPa 左右。然而，CBM-01 井煤儲層埋深為1 017.03 m，最小水平主應力和儲層壓力為17.53 MPa 和8.2 MPa，初始有效應力為7.76 MPa，遠遠高于煤層抗壓強度，隨著儲層內部流體的排出，有效應力進一步增加。根據排采階段有效應力高于煤層抗壓強度情況判斷，該井容易發生支撐劑鑲嵌入裂縫壁面，進而造成近井地帶裂縫閉合，通道導流能力降低；同時，沿儲層方向降壓范圍減小，導致煤層面積小、供氣范圍有限。計算如下：

式中：K 為排采過程中儲層滲透率，μm2；q 為產水量，m3/d；μ 為水的黏度，mPa·s；B 為體積系數；m為壓降曲線直線段斜率；h 為煤層（壓裂段）厚度，m。

式中：pw為排采階段井底壓力，MPa；pw0為原始井底流壓，MPa；ts為生產時間，d。

式中：v 為單相流階段流體流速；ρ 為液體密度；g 為重力加速度，m/s2；I 為水力梯度。

式中：Vt為顆粒的自由沉降速度，m/s；g 為重力加速度，m/s2；ρs、ρm分別為顆粒密度和混合氣液密度顆粒密度，kg/m3；ds為球形顆粒直徑，m；η 為混合氣液黏度，Pa·s。

由式（2）、式（3）計算CBM-01 井排采初期（單相水階段）儲層滲透率為0.38×10-3μm2[21]，代入式（4）得到排采初期（單相水階段）流體的流速為0.000 873～0.023 5 m/s[22]。根據式（5）計算得到煤儲層裂縫內最大直徑沉降顆粒的臨界啟動流速為0.000 86 m/s[23]。

上述結果表明，在過高的排采強度下，該井排采初期裂縫內流體流速遠超過煤粉等已沉降微粒的啟動流速，造成大量微粒被流體攜帶運移。此外，該井儲層改造采用了配比為清水+1.5 %KCl 的活性水壓裂液，而沉降實驗結果顯示煤粉在該壓裂液中難以完全沉降，大量煤粉以懸浮、漂浮態存在，并且容易在流體的攜帶下發生運移。受上述情況綜合影響，CBM-01 井排采階段儲層應力敏感傷害和速敏傷害嚴重，卡泵情況頻繁，進而造成該井產氣周期短，1 000 d 內平均產氣量僅為290 m3/d，開發效果差。

3.1.2 CBM-02 井儲層傷害

以CBM-02 井為例，對43 號煤層進行儲層傷害的實例分析。CBM-02 井排采曲線如圖6。

圖6 CBM-02 井排采曲線Fig.6 Drainage curves of well CBM-02

井起抽后26 d，井底流壓由4.51 MPa 降低至3.79 MPa，其平均降速為0.03 MPa/d。之后進入產氣階段，25 d 后產氣量達到峰值537 m3/d，此后產氣量始終保持在500 m3/d 以下且不斷降低，240 d 后產氣量下降至0，產水量保持在2 m3/d 左右。

該井排采階段井底流壓平均降速保持在0.01 MPa/d 左右，排采強度較低，并且在排采階段未出現卡泵、埋泵等現象，儲層應力敏感傷害和速敏傷害相對較弱。然而，根據體積法估算得到該井壓裂影響范圍內的煤層氣儲量為1.8×107m3，而520 d 內總產氣量僅5.5×104m3，煤層氣采收率不足1%；同時，該井在儲層改造時壓裂液總量為1 280 m3，但該井產氣量達到峰值時（55 d）累計產水量僅為90 m3，在產氣量降至0 時（240 d）累計產水量為345 m3，壓裂液返排率分別為7%和26%，大量壓裂液滯留于煤儲層。CBM-02 井儲層改造采用配比為清水+1.5%KCl 的活性水壓裂液，而潤濕性實驗和吸附解吸實驗結果表明，該壓裂液具有較高的表面張力和孔隙毛管壓力，其引發的儲層水鎖效應相對較強，容易對煤層氣解吸造成較大的阻礙。由上述情況分析，CBM-02 井排采階段的水鎖傷害嚴重，導致其產氣階段平均產氣量僅為100 m3/d 且采收率極低，開發效果差。

3.2 儲層傷害防控措施

1）應力敏感傷害防治。排采階段中受到的應力敏感傷害不可避免，但是可以有效緩解。首先，排采初期的單相水流階段應嚴格控制壓降速率，使漏斗曲線盡可能平緩，壓降范圍盡可能擴大，為增大煤層氣井解吸范圍提供前提條件。同時，隨著煤層氣開始解吸，從單相流階段到兩相流階段，也應該保持較低的壓降速率，以保證近井與遠井地帶維持較為均勻的降壓幅度，并促使壓降漏斗進一步向遠端延伸，使煤層氣解吸面積最大化。另外，該地區煤層氣井具有較高的地應力，且煤儲層的最大抗壓強度始終小于煤儲層的最小水平主應力。但煤儲層頂底板抗壓強度一般為10～27.9 MPa，遠遠大于煤儲層抗壓強度，排采過程中抗支撐劑鑲嵌能力強。因此，該地區煤層氣井需要對煤層圍巖進行改造并進行開發。對煤層的圍巖及夾矸進行增產改造，不僅能夠通過縫網溝通煤儲層，而且在煤巖層中易形成長期不易發生應力敏感通道，為煤層氣高效產出提供高速通道。

2）速敏傷害防治。煤層氣井排采過程中排采速率過大，容易造成沉降在裂縫底部的煤巖粉隨流體運移產出，這無疑增加速敏傷害的風險。因此，排采過程中需要嚴格控制排采強度，使裂縫內流體運移速度限制在微粒發生運移的啟動流速以下。另外，除沉降的煤巖粉外，煤儲層裂縫內還存在漂浮和懸浮狀態的煤巖粉，只要流體運移，煤巖粉隨之運移堵塞通道，這些煤粉無法通過控制排采強度抑制其運移。根據潤濕性實驗、沉降實驗、直剪實驗結果顯示，低傷害壓裂液（清水+1.5%KCL+0.07%AN）具有較強的煤粉潤濕能力，能夠促使漂浮、懸浮態煤粉快速沉降；同時，可以增加煤巖粉顆粒的表面親水性，并且在煤巖粉顆粒的接觸點及其附近形成液橋，液橋的形成改變了煤巖粉顆粒之間的作用力，有利于增強顆粒間的液橋力，促使顆粒孔隙形成一定的負壓將煤粉的距離拉近而團聚，使顆粒具有極強的黏聚性。由于液橋力的增加，煤巖粉顆粒間的黏聚力和內摩擦角增大且相互作用，彼此間不容易發生相對移動，從而起到固定煤粉作用[24]。因此，通過低強度排采并采用低傷害壓裂液，能夠促使煤粉長期沉降、積聚于裂縫底部，防控煤粉運移，進而抑制儲層速敏傷害并促使煤層氣高效產出。

3）水鎖傷害防治。針對儲層水鎖傷害，煤層氣井排采前期需要保持較低的排采強度促使煤儲層壓降漏斗盡可能平緩，壓降范圍盡可能擴大，并且在煤層氣解吸前，促使煤層水在較高的液相滲透率下更大限度地產出，減緩產氣階段由于液相滲透率降低而造成的液相滯留，從而減緩儲層水鎖傷害。另外，根據潤濕性實驗和吸附解吸實驗結果，親水性表面活性劑AN 的加入能夠顯著降低溶液的表面張力和孔隙毛管壓力，進而促進煤層氣解吸、產出。因此，在保持排采初期低強度排采的同時，煤層氣井儲層改造可采用低傷害壓裂液，實現對儲層水鎖傷害的防控。

4 結 語

通過對準南區塊2 口煤層氣井的排采情況分析，發現儲層應力敏感傷害、速敏傷害和水鎖傷害均會對氣井產量造成極大影響。煤儲層力學強度低、壓裂液不當或排采速率過快是造成上述傷害的重要原因。排采階段堅持“連續、緩慢、穩定”的排采方針,一方面增大壓降漏斗擴展范圍，促進儲層水高效產出，抑制水鎖傷害，同時強化解吸收縮滲透率正效應而抑制應力敏感傷害；另一方面保持裂縫流體流速在微粒啟動流速之下，減緩速敏傷害。同時，低傷害壓裂液能夠顯著降低孔隙毛管壓力，并促使微粒快速沉降、積聚，有助于儲層水鎖、速敏傷害防治。另外，利用煤層圍巖力學強度高的優勢，通過圍巖壓裂并由圍巖水力裂縫作為煤層氣產出通道，將有助于減緩儲層應力敏感傷害。