煤层气储层破坏机理分析及其影响探讨

＊李 峰

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司 山西 048000）

前言

随着我国社会和经济的不断增长，我国的工业化进程对煤层气的需求量也在不断增加。煤层气是一种特殊的气体，其孔隙、渗流、裂缝等特征，在开采过程中会对储层产生一定的影响。为了防止钻井过程中储层的不稳定，需要从储层的特性状况出发，明确储层的损伤机制，进而判断储层的损害程度[1]。本项目研究成果可为提高煤层气开采效率、促进煤层气高效开采提供理论基础。在推动产业高速平稳发展的同时，也能满足各行各业的生产需要。

1.研究煤层气储层破坏机理及影响的现实意义

煤层是煤层气的主要来源，也是其主要的储层，其生储特征与普通天然气有很大的不同。为了更好地认识煤层储层的特点，需要从储层的损伤机制和对其的控制等方面进行研究，从而为我国的煤层气开发利用奠定基础。在钻孔施工中，由于受煤岩层的影响，常发生井壁煤岩体垮塌等不稳定现象，这不但会妨碍下钻，而且会造成卡死、接单困难等意外事件，从而极大地降低了煤矿开采的进度和效率。另外，还会增大钻孔的孔径，影响固井质量和固井效果。

另外，煤是一种储层，也是一种烃源岩。所以在施工中要尽量避免井壁的不稳定。在储层污染方面，由于我国煤层储层的渗透率不高，近90%储层渗透率在3×10-3以下，因此，在开采中仍需关注环境污染问题。有关人员必须在弄清煤层气储层特性的前提下，对其产生的损伤机制进行研究，从而确定其所带来的影响。进而可以有针对性地实施有效的防治措施，从而实现煤炭资源的开采和利用。

2.煤层气的储层特征

（1）岩石学特征。岩石学性质是煤层瓦斯赋存的基础，而岩石学性质又受沉积环境的制约。由于不同类型的煤岩体，其物性及化学成分各不相同，其形成、赋存及解吸特征也不尽相同。研究结果表明：煤的含气性与亮煤组分的关系密切。亮煤所占比例越大，储层的孔渗性越好，则煤层气的含气性也就越高。此外，各煤级裂隙的发育状况对瓦斯含量、瓦斯饱和度都有一定的影响，对煤层气的生成不利。但随着煤级的提高，煤的演化程度、成熟度的提高，使得储层的含气性有所提高，这将为煤层气的生成创造有利的环境条件。但随着煤的不断变质，其储存量也随之降低，不具备油气的生成条件。在对煤层储层进行研究时，可以利用煤岩显微成分来进行煤成因的解析。煤岩的显微组分可分为两类，一类是有机质显微组分，另一类是无机显微组分。在此基础上，还可以进一步细分为镜质组、壳质组和惰性组分。此外，如果煤中存在着大量的镜质体，则具有更高的气体饱和度和更多的裂缝，其物理性质非常好，非常适合油气聚集。通过对煤层储层特性的研究，认为煤层气具有很强的破坏性。尤其是在组分上，它与砂岩储层有很大区别，它是一种大分子聚合物，由多个单体组成，易受外界液体的作用。

（2）孔渗特征。孔渗特性是评价储层优劣的重要指标。这是由于孔渗的大小不仅受煤自身的成岩的影响，还受外部的构造活动和变质等外部条件的控制。相对于常规储层，煤层中的孔隙结构明显不同于常规储层，其以裂缝及基岩孔隙为主。在这些孔隙中，最主要的是孔隙结构，它既具有对煤层气的吸收作用，又具有对煤层气的高效利用作用，因此，储层具有较好的储集效应。所以，通过对其孔隙结构的研究，可以判断其在不同条件下的变形特征。当孔隙结构存在较大差异时，可能或导致变形特征的较大差异。研究表明，煤岩演化过程中，煤体内部存在大量孔隙，这些孔隙主要是由煤体内部的气体凝聚而成，能够很好地反映出煤层瓦斯的赋存与释放特征。渗透率是指当存在压差时，煤体中的液体能否高效流动。与普通储层相比，由于其自身的特点，敏感性更高，对储层的作用也更大。因此，外部环境因素对煤层储层的发育有重要的作用，在钻探施工中，煤层气的渗透率也会有很大的改变。

（3）流体性特征。煤中的瓦斯赋存形式有游离态、溶态和吸附态，而自由态则是以天然的方式发生在煤岩体中的赋存状态，相对较少，会在压力差的情况下发生迁移。煤层的具体赋存环境是不占压的裂缝和孔隙。当温度和压强超出了极限时，部分气体就会溶于流体中。从性质上看，其自由态与普通天然气是一样的。在一定的温压条件下，溶解在地层水中呈溶解状态。在钻井、完井过程中，若地层水与钻井液不相配，则易造成孔、裂隙的淤堵，从而造成储层的渗透率会明显下降。所谓吸附气态，就是煤的表面将对煤产生一种吸引力。抽吸周围环境中的气体-煤层气，以吸附态赋存于煤层表层，其含量相对较高。瓦斯在吸附条件发生改变时，由吸附状态转变为自由状态，这是煤层气的解吸过程。同时，由于吸附态的影响，煤层气的性质也不同于一般的常规储层。

（4）裂隙特征。煤体内天然产生的裂缝按其形状和来源可分为3种，即为割理、外生与继承性。割理型裂缝是煤化过程中，由于煤质化过程中材料结构和结构的改变而形成的裂缝。根据层理的形状和性质，可以将其划分为面割理和端割理。面割理多数平行于水平面，多为板状伸展，连续性好。端割理一般是指两个面割理之间，它们大多垂直于水平面，或者接近于垂直。由于两类割理均发育于煤层，其单体尺寸小，总体密度高，且在空间上呈立体网络状分布，故可利用等效连续介质渗流对其水和气体的运动进行描述。

3.煤层气储层的破坏机理

（1）微观破坏机理。煤的孔隙结构是煤在成煤过程中转化为固碳时所产生的微细孔隙。而煤岩孔隙和裂缝体系，主要是以微观孔隙和粒之间的微观裂缝构成的。已有的煤体构造观测试验研究表明，煤岩体的显微破裂模式可能会沿显微孔隙的某个方向或者沿晶缝的交互作用而产生，如图1所示。

图1 煤微观断裂形式示意图

穿粒和沿着晶体的断裂形式可分为两种：一是含微孔隙和微裂缝的断裂；二是在不存在微孔隙的情况下，发生了沿晶断口。图2为煤的贯通断裂和沿晶断裂的两种形式。

图2 煤穿粒、沿晶断裂形态

（2）气体破坏机理。煤体内存在着极细的裂隙，就会产生范德华力失衡问题。在此条件下，界面黏着力增加，并抑制裂纹扩展。而当煤体中有孔隙气体时，上述现象将有所减轻，范德华作用力的失衡也将被削弱。在适当的低位，瓦斯气体压力会加速裂隙扩展，进而导致内聚力下降，这也是一个很重要的影响因素。目前常用的方法是通过对煤体结构阻抗的改变进行调节。从宏观角度来看，空气压力越大，变形模量越大。但是，如果有效应力大于某一临界值，则会导致裂缝扩展，对结构的稳定产生不利影响。在这种情况下，孔压加深了在裂缝扩展过程中的张应力效应，加速了裂缝的扩展。当压缩量减小时，裂缝面间变形模量也随之下降，这将进一步加重脆性破坏，随着孔隙压强度的增加，其减小的程度也随之更加明显。

4.煤层气储层的破坏影响

（1）钻井液破坏影响。在煤层储层开采过程中，由于地层敏感问题，会引起煤岩体的膨胀，进而造成伤害。在煤层气储层中，钻井液与地层水的匹配性差，易产生沉降，造成储层孔、缝的堵塞。比如，固体微粒在钻井液中堵塞了煤层气储层的孔隙。这种情况表明，该地区的煤层气储层的渗透率和孔隙度均显著降低，对煤层气储层产生了较大的损害。钻井液固相的破碎，也会导致煤储层的孔缝堵塞，从而导致储层的渗透率下降。研究发现，颗粒越细小，越容易渗入到裂隙及孔隙中，从而减小了孔隙，从而减小了渗透率。另外，在钻井过程中，还存在着大量的固体颗粒，这些颗粒对煤层气的解吸速率有一定的影响。随着固相颗粒尺寸的增加，解吸速率的改变速度也随之减小。我国煤炭资源中，采出气体赋存的孔隙、裂隙较为发育，所以，在钻探时要尽量降低固体颗粒的污染，并采用其他有效的方法减少对油藏的损害。破坏储层的失配问题，主要是指钻井液和地层水之间的敏感损伤。对储层的损害主要是水敏性、碱敏性及生成的无机、有机垢。其危害主要表现在非匹配钻井液进入煤层储层后，将引入水敏感矿物使其发生水化膨胀，从而导致储层渗透率大幅下降。煤中含有丰富的有机质，其与碱性物质的作用将引起矿物结构的破坏，从而降低了渗透率。在低含水饱和度条件下，钻井液滤液会对储层产生毛细管力，从而对储层造成损害。随着储层的含水饱和度提高，储层自身的孔内压差也将小于毛细管力。根据实验结果，当饱和度为35%左右时，气体将丧失其渗透性。由此可以看出，滤后水锁对煤层气储层的损害是很大的。

（2）钻井压力破坏影响。煤的力学性质不同于普通储层，其高泊松比和小弹性模量，自然裂隙对煤体的强度有显著影响，外部压力的微小变化将引起煤体渗透性的显著改变。由此可以断定，钻压对煤体渗透性的损害是很大的。钻进过程中，钻进的压力主要来源于钻柱、钻井液液柱和下钻过程。尤其是对于渗透率较低的油藏，钻压对其造成的损害更为严重。随着围压的增大，煤体的渗透率逐渐降低。

（3）钻井井壁稳定性影响。由于煤是一种高强度的脆性岩层，在开采和生产加工中极易受到损伤。尤其是相对于大斜度井，水平井更易遭受损害。这主要是因为钻孔的稳定程度直接影响到了甲烷气井的生产。在水平钻井作业中，由于井壁发生垮塌等原因，会给水平井带来巨大的经济损失。这与钻井施工中所遭遇的欠平衡钻井和泄压钻井有着密切的关系。为了有效地进行钻探作业，必须进行钻探作业时的稳定预测，以便更好地进行钻探决策。

（4）水力压裂增产影响。在煤层中，由于压裂问题的作用，往往会在煤层内部形成裂隙。通过分析，发现该断裂的几何形态以“T”形缝和多条分枝缝为主。比如，煤的脆性很大，当流体进入裂隙时，周围的孔压增大，原位应力的改变导致了剪切破坏的发生。在实验研究中发现，当煤体受到剪切损伤时，其储层中将产生煤粒。煤体颗粒的运移将对煤体的渗透性和裂隙的传导性产生一定的影响。由于剪切破坏而产生的剪胀，同样可以促进渗透性的提高，可以在压裂的操作中加以控制从而提升产出率，在此基础上，通过数值模拟的方法，研究在不同条件下，煤体水力压裂对煤体剪切损伤的影响。

（5）甲烷生产过程影响。煤层气井开采后，因井下流体压力的降低，将产生切削损伤，同时，水压崩溃也可导致煤体损伤。这类切削损伤可导致水平井井壁坍塌、中煤粒产率增加，但易堵塞地层及裂缝，对泵及压力装置产生损害。预测煤的损伤程度及颗粒生成的临界压力，是生产决策的关键，需要采取相应的防范措施，从而防止或避免事故的发生。准确测定煤体破裂压力及煤粒生成临界压力，可有效降低瓦斯井压差，减缓颗粒运移对地层及裂缝的堵塞，实现高效充填井眼。同时，还可以降低对水泵、压缩机等设备造成的损失。

5.结语

总之，煤层气储层的形成与钻井液、钻井压力、井壁的关系密切，水力压裂和瓦斯开采都会对储集层的渗透性造成损害。针对煤层储层的特点，在把握其成因、发育状态和对其的作用规律的基础上，进行合理的优化控制工作。然后，开发商就可以从源头预估可能出现的裂缝、破坏和堵塞等不利因素，从而采取相应的防治措施。如果不能有效地控制井壁塌陷、渗漏等问题，则不能确保煤层储层的正常钻进，不仅不能达到开采和使用的目的，而且还会对煤层储层造成损害。为了实现这一目标，必须对钻进过程进行稳定预测，从而实现对钻进决策的控制。