煤層氣儲層破壞機理及其影響分析

朱家偉

(1.貴州省煤田地質(zhì)局一四二隊; 2.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心 貴州 貴陽 550081)

社會經(jīng)濟發(fā)展逐年增速，工業(yè)化建設(shè)對煤層氣資源的使用量需求越來越大。煤層氣與常規(guī)天然氣不同，具有孔滲特征、流體性特征以及裂隙特征，在實際開發(fā)利用過程中，還會對儲層造成不同程度的影響。為避免因鉆井作業(yè)而使儲層失穩(wěn)，研究人員從儲層特征狀態(tài)入手，需清晰儲層的破壞機理，并進一步確定煤層氣儲層的破壞影響，繼而為后續(xù)控制技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)，這是提升煤層氣開發(fā)利用效率的重要課題，需引起更多重視。在促進行業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展的情況下，滿足各行業(yè)建設(shè)對產(chǎn)量的使用需求。

1 研究煤層氣儲層破壞機理及影響的現(xiàn)實意義

作為煤層氣的源巖與儲集層，煤層氣本身性質(zhì)具有特殊性，如煤層氣的生、儲特征，與常規(guī)天然氣的區(qū)別很大。要想明確煤層氣儲層特征，需從鉆井過程的儲層破壞機理與影響因素入手，來為勘探煤層氣資源提供理論依據(jù)。具體來講，鉆井作業(yè)過程經(jīng)常會因煤層而引發(fā)井壁出現(xiàn)煤巖坍塌等失穩(wěn)問題，不僅會阻礙下鉆，還會出現(xiàn)卡頓、接單困難等事故，嚴(yán)重影響了煤炭資源開發(fā)鉆井的速度與效率。此外，還會擴大井眼直徑，導(dǎo)致井深質(zhì)量變差，無法保證固井效果。再加上，煤層既是儲集層，還是烴源巖，故而，鉆井過程應(yīng)盡可能規(guī)避井壁失穩(wěn)問題。對于儲層污染問題，因我國煤層氣儲層滲透率較低，約90%的儲層滲透率低于3×10-3，所以，開發(fā)建設(shè)者還要注重污染問題影響。為此，相關(guān)建設(shè)者應(yīng)在明確煤層氣儲層特征的情況，研究破壞作用機理，進而找出可能會造成的影響。這樣一來，就能采取具有針對性與適用性的措施進行控制，進而達到煤炭資源的開發(fā)利用目標(biāo)。

2 煤層氣的儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

巖石學(xué)特性是煤層氣儲藏的基石，其受到沉積環(huán)境的限制。不同的煤巖具有不同的物理性質(zhì)和化學(xué)組成，因此它們在生成、儲存和解吸煤層氣方面也存在差異。研究證實，煤儲層含氣量與亮煤占比因素有關(guān)。當(dāng)亮煤占比較高，儲層孔滲較好，煤層氣含量就越高。再者，不同煤階的割理發(fā)育情況，也會影響含氣量與氣飽和度，不利于煤層氣的形成。而煤階增高，煤演化程度增加，成熟度增加，儲層含氣量和含氣飽和度較高，會為煤層氣形成提供良好的環(huán)境條件。而當(dāng)煤變質(zhì)程度增加，煤層儲集能力下降，無法為形成儲藏提供必要條件。在研究煤儲層的過程中，借助煤顯微組分能夠分析出煤的形成原因與煤相等。煤顯微組分有兩種，即有機顯微組分和無機顯微組分。有機顯微組分又可被細化為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組與惰質(zhì)組。另外，煤層鏡質(zhì)組發(fā)育的情況下，其含氣飽和度較高，且內(nèi)部裂隙較發(fā)育，物性條件極佳，十分利于儲層成藏。通過對煤儲層特征的分析，發(fā)現(xiàn)其是非常容易受到破壞的。特別是化學(xué)成分，其與砂巖儲集層不同，煤分子是由不同單元構(gòu)成的高分子聚合物，使其容易受到外來流體的影響。

2.2 孔滲特征

孔滲特征能夠反映出儲層好壞程度。因為孔滲高低會受到煤層本身成巖的影響，還會受構(gòu)造運動與變質(zhì)作用等外在因素影響。與傳統(tǒng)地層相比，煤地層的空隙構(gòu)造有顯著差異，主要表現(xiàn)在裂隙和基巖空隙上。其中，基巖空隙是最重要的，其不僅可以吸附煤層氣，還能夠有效地運用煤層氣，從而發(fā)揮出更大的儲集效果。因此，通過分析煤層空隙構(gòu)造，可以確定煤的變化特性。截然不同的孔隙結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致截然不同的成因類型。例如：原生空隙中的氣孔較多，這是由于煤在變化進程中空氣發(fā)生凝聚造成的，可以用來反映煤層氣儲層的儲存和釋放特點。透氣性是指煤層中流體在受到壓力差時能夠有效運行的能力。與常規(guī)儲層不同，因煤層本身特性，敏感度較高，其受到的影響程度較大。由此可見，外界條件會嚴(yán)重影響煤儲層的形成，在鉆井作業(yè)過程，滲透率也會發(fā)生較大程度的變化[1]。

2.3 流體性特征

煤層中氣體狀態(tài)有游離、溶解和吸附這3種，其中游離氣體狀態(tài)是以自然狀態(tài)作用于煤層環(huán)境，占比較低。會在壓差條件下進行運移。具體煤層賦存環(huán)境為無占據(jù)物的裂隙與孔隙。當(dāng)溫度與壓力超出界限，部分就會溶解于流體。從特征角度分析，天然氣的游離狀態(tài)與常規(guī)天然氣相同。溶解氣體狀態(tài)是指一定溫度壓力下，溶解于地層水環(huán)境。由于煤儲層會受到水的破壞影響，在鉆井與完井過程中，如果鉆井液與煤層水不匹配，煤層孔隙與裂縫就會因沉淀而出現(xiàn)堵塞問題，將大幅度降低儲層滲透率。吸附氣體狀態(tài)是指煤層表面會產(chǎn)生一種作用于煤內(nèi)部的吸力。吸力吸附周邊的氣體——煤層氣，是以吸附狀態(tài)存在于煤層表面，占比較高。當(dāng)吸附環(huán)境變化，氣體與煤層表面脫離，經(jīng)吸附態(tài)轉(zhuǎn)換為游離態(tài)，此過程為煤層氣解吸過程，而煤層氣也因吸附狀態(tài)作用，與其他常規(guī)儲集層存在本質(zhì)差異。

2.4 裂隙特征

煤體中自然形成的裂隙，根據(jù)形態(tài)與成因分為割理、外生與繼承性3 種。割理裂隙是指因煤化作用煤物質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造發(fā)生變化產(chǎn)生的裂隙。按照層面形態(tài)與特征，可分為面割理與端割理。前者多與層面平行，通常呈板狀延伸，具有較好的連續(xù)性；端割理存在于兩個面割理之間，多與層面保持垂直，或是近乎垂直，連續(xù)性不好且縫壁不規(guī)則。因煤層中兩種割理較發(fā)育，具有單體規(guī)模小、總體密度大以及空間環(huán)境上交割為立體網(wǎng)狀特征，因此，可采用等效連續(xù)介質(zhì)的滲流方式來完成煤儲層中水與氣體的運動狀態(tài)描述。

外生裂隙是指在構(gòu)造應(yīng)力較大的情況下形成的裂縫，其可以根據(jù)形成的原因分為三大類，即剪切外生裂縫、劈理裂縫和張性外生裂縫。其中，剪切裂縫會與煤層表面以各種角度相交，并且可能出現(xiàn)在煤層的任何部位。特征表現(xiàn)為裂縫凹凸不平，呈現(xiàn)出波浪狀或羽毛狀的滑動痕跡。對于裂隙間距較寬的發(fā)育，會以兩組并存的狀態(tài)作用。劈理是指煤層間發(fā)生滑動時形成的波浪狀且彼此平行的裂隙。張性外生裂隙與巖層張性裂隙相似，具有較小的尺寸，呈雁行順序的特征。

繼承性裂隙具有雙重特征，一方面是由內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力場形成的，另一方面是由外部構(gòu)造應(yīng)力場形成的。當(dāng)這種情況發(fā)生時，先前形成的裂隙會得到加強，表現(xiàn)為部分裂隙向鄰近層擴展延伸。繼承性裂隙是一種位置不變的裂縫，因而被稱為繼承性裂隙。煤體中孔隙度變化范圍在1%～6%之間，通常在2%上下的裂隙，表面裂隙孔隙度較小[2]。鉆井過程可結(jié)合煤體裂隙發(fā)育特征和煤儲層滲透性之間關(guān)系狀態(tài)，對裂隙進行類型區(qū)分。具體區(qū)分指標(biāo)為裂隙尺寸大小。

3 煤層氣儲層的破壞機理

3.1 微觀破壞機理

煤孔隙結(jié)構(gòu)是由煤揮發(fā)于成煤過程轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄌ窟^程中，形成的微小氣孔組成。煤巖孔隙與裂隙系統(tǒng)，則是由微孔隙與顆粒間微裂隙組成。根據(jù)現(xiàn)有對煤結(jié)構(gòu)觀察實驗分析結(jié)果可知，煤層氣煤巖微觀破壞形式沿著微孔隙某一方向穿粒斷裂，或是沿著晶體斷裂與其發(fā)生的相互耦合，如圖1所示。

圖1 煤微觀斷裂形式示意圖

對于穿粒與沿晶斷裂的類型，主要有兩種：一是具有微孔隙與微裂隙的斷裂；二是無微孔隙的沿晶斷裂。圖2是煤穿粒、沿晶斷裂兩種斷裂的形態(tài)。

圖2 煤穿粒、沿晶斷裂形態(tài)

3.2 氣體破壞機理

當(dāng)煤體內(nèi)部出現(xiàn)微小的裂紋時，范德華力不平衡問題就會出現(xiàn)。這種情況不僅會導(dǎo)致表面黏附力增強，還會阻礙裂紋的擴散[3]。但是，如果煤體內(nèi)部存在空隙氣體，那么這種情況就會得到緩解，范德華力不平衡現(xiàn)象也會得到減弱。當(dāng)合理位置較低時，煤層氣中的空隙氣壓會對裂紋擴大起到促進作用，從而降低黏聚力，也將會發(fā)揮重要作用，一般是通過控制煤骨架的阻抗變化來實現(xiàn)。宏觀經(jīng)濟上，隨著空隙氣壓的增大，變形模量也會呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢。然而，當(dāng)有效應(yīng)力超過一定的閾值時，裂紋就會發(fā)生擴大，從而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此時，孔隙壓力深化了裂紋擴展前期的拉應(yīng)力影響，促進了裂紋擴展作用。隨著封閉裂紋面的壓強降低，裂紋面間的變化模量也會相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致脆性損傷的加劇。當(dāng)孔隙壓強增大時，變形模量的降低幅度也會更加顯著。

4 煤層氣儲層的破壞影響

4.1 鉆井液破壞影響

當(dāng)鉆井液侵入煤層氣儲層后，不僅會導(dǎo)致煤巖膨脹，還會受儲層敏感性問題的影響而出現(xiàn)破壞。當(dāng)鉆井液與煤層氣儲層中地層水不匹配時，就會出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，堵塞儲層孔隙與裂縫[4]。例如：鉆井液中的固相顆粒封堵煤層氣儲層孔隙。此現(xiàn)象發(fā)生，意味著煤層氣儲層滲透率與孔隙度大幅度下降，對煤層氣儲層造成了嚴(yán)重的破壞影響。鉆井液固相顆粒的破壞，同樣會封堵煤儲層孔隙和裂縫，繼而降低儲層滲透率。研究表明：當(dāng)帶有的微粒較細時，其更易于進入煤層裂縫和空隙內(nèi)部，導(dǎo)致儲層空隙變小，滲透率降低。此外，鉆井液中帶有的固相微粒也會干擾煤層氣的解溶速度。由于固相粒度的增大，煤層氣的解吸速率變化率會降低。在我國煤炭資源中，開采氣儲存空隙和裂縫發(fā)育程度較高，因此，鉆井過程中應(yīng)盡可能采取措施來減少固相顆粒物的污染，以及采取其他有效措施來減輕對儲層的破壞影響[5]。

破壞儲層的不匹配問題，多指鉆井液與地層水，作用于敏感性破壞。破壞對象為儲層水敏性、堿敏性以及產(chǎn)生無機垢和有機垢。具體破壞影響就是當(dāng)不匹配鉆井液進入煤層氣儲層后，會引導(dǎo)至水敏型礦物出現(xiàn)水化膨脹現(xiàn)象，大幅度降低儲層滲透率。由于煤層中有機質(zhì)含量較高，與堿反應(yīng)會破壞礦物結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致滲透率下降。濾液水鎖的儲層破壞影響是很難避免的，鉆井液濾液會在煤層含水飽和度較低的情況下產(chǎn)生毛細管力。增加儲層含水飽和度的同時，還會導(dǎo)致儲層本身孔隙內(nèi)外壓力差低于毛細管力，且無法采取措施進行控制。據(jù)研究成果表明：液體飽和度處在35%上下時，氣體會失去滲透能力[6]。由此可見，濾液水鎖會極大破壞煤層氣儲層。

4.2 鉆井壓力破壞影響

由于煤層力學(xué)性能與常規(guī)儲集層存在較大差異，具有泊松比較高、彈性模量小的特點，因此，天然裂縫會大幅度降低煤強度。當(dāng)外界壓力變化較小時，會導(dǎo)致煤層滲透發(fā)生較大程度的變化。故此可判斷鉆井壓力會對煤層滲透性造成較大破壞。鉆井的壓力多來自鉆柱、鉆井液液柱以及下鉆作業(yè)過程。特別是滲透率不高的儲層，鉆井壓力帶來的破壞影響會更大。當(dāng)圍壓增加，煤層滲透率下降。即使圍壓減小，煤層水滲透率只能恢復(fù)至原數(shù)值的一部分，無法完全恢復(fù)。由此可以看出，鉆井壓力對儲層滲透率的影響是不可逆的。

4.3 鉆井井壁穩(wěn)定性影響

煤層作為一種脆性較大的巖石，在開發(fā)利用過程，如鉆井與生產(chǎn)加工容易造成破壞。特別是，水平井的鉆井與大斜度井的鉆井，更容易受到破壞影響。究其原因，井眼穩(wěn)定性會對煤層甲烷氣井造成影響。水平井鉆井作業(yè)過程，會因為井壁坍塌事故而造成經(jīng)濟損失。這與鉆井過程遇到欠平衡鉆井、壓力衰竭鉆井有很大聯(lián)系。此外，鉆井作業(yè)所處的泥漿密度環(huán)境太高，就會導(dǎo)致拉伸破裂現(xiàn)象發(fā)生。而泥漿密度太低，又會破壞剪切力，造成井眼斷裂。當(dāng)井壁坍塌與井漏問題無法得到有效控制，煤層氣儲層鉆井作業(yè)進度就無法保證，開發(fā)利用經(jīng)濟效益目標(biāo)無法達成，還有破壞煤巖儲層的風(fēng)險[7]。為對其進行控制，應(yīng)著手鉆井過程的穩(wěn)定性預(yù)測，以控制鉆井決策。相關(guān)人員應(yīng)采用預(yù)防措施來規(guī)避經(jīng)濟損失問題，如對水平井是否需要設(shè)置下襯管進行預(yù)測，以最大限度地降低經(jīng)濟損失。

4.4 水力壓裂增產(chǎn)影響

通常情況下，煤層內(nèi)部會因壓裂問題影響而產(chǎn)生裂縫。經(jīng)統(tǒng)計，裂縫呈現(xiàn)的幾何類型多為水平縫合的T 形縫、多條分支裂縫。例如：煤層脆性較大，流體注入裂縫后，周邊孔隙壓力增加，原地應(yīng)力發(fā)生變化引起剪切破壞。根據(jù)實驗室結(jié)果，煤發(fā)生剪切破壞后，儲層會出現(xiàn)煤粒。當(dāng)煤粒在煤層中運移，就會影響煤層滲透率與裂縫導(dǎo)流能力。剪切破壞所帶來的剪切膨脹，也會促使?jié)B透率增加，對其控制，可在增產(chǎn)作業(yè)過程，對垂直裂縫所帶來的應(yīng)力變化與孔隙壓力進行預(yù)測，進而分析出煤層中水力壓裂所帶來的剪切破壞影響。

4.5 甲烷生產(chǎn)過程影響

當(dāng)煤層甲烷氣井投入后，由于井底流壓的下降，煤層會受到切割損壞的影響，而水壓崩潰也會引起煤層的損壞[8]。這種切割損壞會使水平井塌陷，進而提高中煤粒的產(chǎn)出量，但同時也會引起巖層和裂隙的阻塞，進而對泵或加壓機造成損壞。預(yù)計煤層破壞和煤粒產(chǎn)生的臨界壓力對于生產(chǎn)決策至關(guān)重要，需采取有效的預(yù)防措施，進而減少或避免損失。利用精確測量煤層破壞氣壓和煤粒產(chǎn)生的臨界壓力，能夠有效減小甲烷氣井的壓差，減緩微粒運移對巖層和裂隙的阻塞，并有效填補井眼，同時也能夠減少泵和壓縮機設(shè)備的損耗。

5 結(jié)語

綜上所述，煤層氣儲層會因鉆井液、鉆井壓力、鉆井井壁、水力壓裂增產(chǎn)以及甲烷生產(chǎn)而破壞儲層滲透性。具體優(yōu)化控制工作開展，需從煤層氣儲層特征出發(fā)，在掌握其形成原因、裂隙形成狀態(tài)及影響的情況下，分析破壞產(chǎn)生機理。而后，開發(fā)建設(shè)者就能從源頭入手，對可能產(chǎn)生的裂縫、破壞以及堵塞等破壞影響進行預(yù)測，以采取對應(yīng)的控制措施。例如：當(dāng)井壁坍塌與井漏問題無法得到有效控制，煤層氣儲層鉆井作業(yè)進度就無法保證，除了開發(fā)利用經(jīng)濟效益目標(biāo)無法達成，還有破壞煤巖儲層的風(fēng)險。為對其進行控制，應(yīng)著手鉆井過程的穩(wěn)定性預(yù)測，以控制鉆井決策。例如：對水平井是否需要設(shè)置下襯管進行預(yù)測，以最大限度地降低經(jīng)濟損失。因此，才能降低煤層氣儲層本身不穩(wěn)定特性所帶來的負(fù)面影響，進而達到預(yù)期的鉆井開采目的。