赵庄区块松软低渗煤层煤层气低产机理研究_季长江.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 试验 研究 我国在成煤环境过程中，煤体结构受构造运动 影响显著，松软低渗煤层普遍发育。导致煤层渗透 赵庄区块松软低渗煤层煤层气低产机理研究 季长江 1,2,3， 信 凯 4， 杨昌永1,3， 常会珍1,3， 田庆玲1,3， 贾晋生1,3 （1.煤与煤层气共采国家重点实验室， 山西 晋城 048000； 2.河南理工大学， 河南 焦作 454000； 3.易安蓝焰煤与煤层气 共采技术有限责任公司， 山西 晋城 048000； 4.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司， 山西 晋城 048000） 摘要 为探究沁水盆地南部赵庄区块松软低渗煤层煤层气井低产原因， 以 3 号煤层为研究对 象， 采用液氮吸附、 扫描电镜及 X 衍射等手段， 对目的煤层的孔-裂隙发育特征、 黏土矿物组成等 进行分析， 查明松软低渗储层的物性特征。通过水敏性伤害实验， 进一步分析松软低渗储层煤层 气低产的机理。研究结果表明 赵庄 3 号煤层多数为开放型孔， 少量发育一端封闭的不透气型 孔； 孔隙发育较密， 孔径以小、 中孔为主； 微裂隙较宽， 延伸距离远， 但密度低， 孔-裂隙中矿物填 充显著； 黏土矿物成分为铵伊利石/蒙皂石间层， 水敏性强。因此， 赵庄 3 号煤层水力压裂后渗透 率差， 难以获得理想的增透效果。 关键词 赵庄区块； 煤层气； 松软低渗煤层； 储层特征； 低产机理 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0001-05 Low Production Mechanism of Coalbed Methane in Soft and Low Permeability Coal Seam of Zhaozhuang Block JI Changjiang1,2,3, XIN Kai4, YANG Changyong1,3, CHANG Huizhen1,3, TIAN Qingling1,3, JIA Jinsheng1,3 （1.State Key Laboratory of Coal and CBM Co-mining, Jincheng 048000, China;2.Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;3.Yi’ an Lanyan Coal and CBM Co-mining Technology Co., Ltd., Jincheng 048000, China;4.Shanxi Lanyan Coalbed Methane Co., Ltd., Jincheng 048000, China） Abstract In order to explore the cause of coalbed methane wells with low production in soft and low permeability coal seam of Zhaozhuang block in southern Qinshui Basin, taking No.3 coal seam as the research object. The pore -fracture development characteristic and clay mineral composition of the target coal seam and so on were analyzed by means of liquid nitrogen adsorption （BET） , scanning electron microscopy（SEM）and X-ray diffraction（XRD） , to ascertain the physical characteristic of soft and low permeability reservoir. The mechanism of low production of CBM in soft and low permeability reservoir was further analyzed by water sensitive injury experiment. The results showed that Zhaozhuang No.3 coal seam was mostly open -type pores, a small number of closed and impermeable pores were developed. The No.3 coal had dense pore development and the pore size was mainly small and medium. The micro-fracture was wide and long extension distance, but the density was low. The mineral filling of pore and fracture was obvious. The clay mineral composition was ammonium-bearing illite-smectite interlayer with strong water sensitivity. Therefore, Zhaozhuang No.3 coal seam resulted in poor permeability after hydraulic fracturing, and was difficult to achieve ideal permeability enhancement effect. Key words Zhaozhuang block; coalbed methane; soft and low permeability coal seam; reservoir characteristic; low production mechanism DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.001 季长江， 信凯， 杨昌永， 等.赵庄区块松软低渗煤层煤层气低产机理研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7 ） 1-5. JI Changjiang, XIN Kai, YANG Changyong， et al. Low Production Mechanism of Coalbed Methane in Soft and Low Permeability Coal Seam of Zhaozhuang Block ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 1-5. 移动扫码阅读 基金项目国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05067001- 008） ； 山西省科技重大专项资助项目 （20191102001， MQ2015- 02） 1 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 率多数介于 0.1～0.00110-3μm2间[1]， 严重制约了我 国煤层气开发效率。影响煤层气产能的主要因素可 大致分为地质构造[2-4]、 储层物性[5-6]、 工程施工[7-8]等 几类。而地质构造和储层物性条件是煤层气开发的 先决性、 基础性条件。目前， 已有学者开展了相关研 究。王勃等分析了构造在提高生气能力，改善物性 和煤层气富集等方面的作用[9]。康永尚等从煤体结 构、 宏观裂隙、 割理/裂隙系统充填状况等方面， 分析 了我国煤储层渗透率的影响因素[10]。许耀波等探讨 了孔隙结构特征、临储比、含气饱和度和力学性质 等储层物性对赵庄井田煤层气产出特征的影响[11]。 降文萍等探究了构造煤的孔隙系统对煤层气储集、 运移的影响[12]。沁水盆地南部赵庄区块 3 号煤层虽 为无烟煤，但其受构造影响显著，煤层顶底部煤体 结构较为破碎，属典型的松软低渗煤层，区块内煤 层气井产量显著低于临近区块的煤层气井。因此， 针对该区块 3 号煤层，从微观尺度深入研究煤层气 低产的机理，为松软低渗储层煤层气开发及低产井 改造提供依据和指导。 1研究区概况 赵庄区块地处山西省高平市北 12 km 处，地层 总体走向北北东， 倾向北西， 倾角 5～10， 区块整体 形态上为一正断层和陷落柱发育的单斜构造，并在 此基础上发育了一系列北北东向的宽缓褶曲。区块 内主要发育 3 号、 15 号煤层，但多数煤层气井主要 开采 3 号煤层。 3 号煤层厚度一般在 5 m 左右， 煤层 瓦斯含量一般在 10～16 m3/t， 西北部瓦斯含量较高。 3 号煤软煤分层较为发育， 局部由上到下呈现出软- 硬-软的 3 层结构， 软分层厚度在 0.2～0.3 m 左右。 2煤层孔隙发育特征 2.1煤储层孔径分布特征 煤层气作为一种典型的自生自储型气藏，孔隙 是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气的运 移通道，显微裂隙则是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁 与中间通道，其中宏观裂隙与显微裂隙对渗透率影 响最大[13]。采用液氮法对赵庄 3 号煤层的孔隙发育 情况进行测试。依据常用的煤储层孔隙分类方法， 孔隙可分为 4 大类 大孔 （孔径＞1 000 nm） 、 中孔 （孔 径 100～1 000 nm） 、 过渡孔或小孔 （孔径 10～100 nm） 和微孔 （孔径＜10 nm） [14]。赵庄 3 号煤层孔隙度测试 结果见表 1，煤样孔容比和比表面积比情况如图 1， 煤样孔径分布图如图 2。 由图 1、图 2 及表 1 可知， 3 号煤孔隙的孔径集 中在 30～80 nm，大于 100 nm 的中孔也占了较大的 部分， 对煤样总孔容的贡献仅次于小孔。 在孔径 80～ 125 nm 间， 孔体积随孔径增大而急剧上升， 表明煤 样中该孔径分布极不均匀。因此， 3 号煤孔隙以中 孔、 小孔为主， 储层吸附能力强， 气含量高， 且绝大 多数为吸附孔中的吸附气， 少量含有一定的游离气。 2.2孔隙类型 依据吸附和凝聚理论，液氮在煤的吸附中常会 出现吸附线与脱附线分离现象， 从而形成吸附回线。 ZZ-01 ZZ-02 0.303 4 0.965 3 0.000 623 0.003 021 16.647 2 23.172 7 0.000 093 0.000 291 0.000 293 0.001 591 0.000 238 0.001 140 0.042 0.209 0.006 0.028 样品 BET 比表面积 / （m2 g-1） BJH 孔容 / （cm3 g-1） 平均孔径 /nm 孔容/ （cm3 g-1） 中孔 ＞100 nm 中孔 ＞100 nm 0.104 0.286 比表面积/ （m2 g-1） 微孔 ＜10 nm 小孔 10～100 nm 微孔 ＜10 nm 小孔 10～100 nm 表 13 号煤层孔隙度测试结果 Table 1Porosity test results of No.3 coal seam 图 1煤样孔容比和比表面积比情况 Fig.1Pore volume ratio and specific surface area ratio of coal samples 2 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 依据前人对吸附解吸曲线的研究成果， 结合 de Boer 对滞后环形态的分类方法[15]， 实验结果分析如 下 赵庄 3 号煤层具有吸附回线， 说明在该煤中存在 一定数量的不透气型Ⅱ类孔[16]， 如一端封闭的圆筒 形孔、 一端封闭的平行板状孔、 一端封闭的楔形孔以 及一端封闭的锥形孔。低压区吸附线平稳上升， 说 明开放孔的直径较小。 在相对压力为 0.8 以后， 吸附 线显著上升， 超过 0.9 后吸附量急剧增加， 发生显著 的毛细凝聚现象， 孔隙直径较大。在解吸时， 压力稍 微下降， 解吸量急剧增加， 毛细蒸发明显， 进一步说 明大量存在直径较大的开放型板状孔、圆筒状孔。 随后压力降低，解吸量也缓慢下降，当相对压力降 到 0.5 时， 解吸量突然下降， 说明煤中也发育一定程 度的 “墨水瓶” 状孔。 所以， 赵庄 3 号煤中孔隙系统复杂， 绝大多数为 开放型孔， 少量发育不透气性Ⅱ类孔和瓶状孔， 且开 放型孔所占比例较高。 2.3煤储显微特征扫描 为进一步更深入、直观地分析赵庄 3 号煤层孔 隙、 裂隙系统特征， 借助扫描电镜对样品微观孔、 裂 隙进行观察， 煤层孔裂隙发育情况如图 4。 赵庄 3 号煤层孔隙与微裂隙系统较为发育。 中、 煤的孔隙大小与形状不同，造成液氮低温吸附曲线 形状差异性较大。因此，煤的吸附回线特征不仅可 以反映储层的吸附解吸性，还可以用以分析孔隙形 态的发育情况。赵庄 3 号煤层煤样液氮吸附解吸曲 线如图 3。相对压力为氮气分压与液氮温度下氮气 的饱和蒸气压之比。 图 4煤层孔裂隙发育情况 Fig.4Pore-fracture system development of coal seam 图 3煤样液氮吸附解吸曲线 Fig.3Liquid nitrogen adsorption-desorption curves of coal samples 图 2煤样孔径分布图 Fig.2Pore size distribution of coal samples 3 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 小孔隙较为密集，中孔以上的孔也分布较多。微裂 隙相对较宽， 延伸距离较远， 但裂隙密度小， 不利于 众多孔隙的沟通和气体的运移产出。 3煤样矿物成分差异性 煤层气产能不仅受微观孔隙、裂隙系统发育情 况影响，还与煤层矿物组分有很大关系。由扫描电 镜观察结果可以看出，赵庄 3 号煤层孔隙和裂隙中 均有一定程度的矿物填充，不仅降低了煤层孔隙间 的连通性， 造成原始渗透率下降。同时， 若孔隙内充 填的矿物为水敏性黏土矿物，还可能引起煤层发生 不同程度的水敏感性，从而降低煤层后期水力压裂 的改造效果。 因此， 采用 D8 DWASCOVER 型 X 射线 衍射仪， 对煤层的黏土矿物成分进行测试， 3 号煤层 黏土矿物成分测试结果见表 2。 由全岩定量分析测试结果得出，煤样的主要矿 物成分是黏土矿物，而黏土矿物成分全部为铵伊利 石/蒙皂石间层，伊蒙混层中蒙皂石层的含量为 30， 未见高岭石和伊利石。 在常见黏土矿物中， 膨胀能力最强的为蒙皂石， 伊利石/蒙皂石和绿泥石/蒙皂石间层矿物次之， 绿 泥石的膨胀力较弱，伊利石很弱，而高岭石则无膨 胀性。储层中蒙皂石 （尤其是钠蒙皂石） 含量越多， 则水敏强度越大[17]。赵庄 3 号煤层中全部为铵伊利 石/蒙皂石间层， 这种矿物具有较强的水敏性。 所以， 综合判断赵庄 3 号煤层水敏性强，给水力压裂改造 带来不利影响。 4水敏性实验评价 采用 LSY-IA 型压裂液伤害仪，进行水敏性伤 害实验。实验介质分别为 1 000、 500 mg/L 浓度的氯 化钾 （KCl）溶液和蒸馏水， 采用恒压方式， 持续注 入， 3 号煤层水敏性实验参数见表 3。不同介质水敏 性测试结果如图 5。 测试结果显示，在相同的注入压力和围压条件 下，赵庄 3 号煤样的渗透率随着 KCl 浓度的降低， 下降显著， 降幅在 30以上。因此， 赵庄 3 号煤层的 水敏性明显， 很大程度上影响煤层气井的产能。 5结论 1） 赵庄 3 号煤多数孔隙直径集中在 30～80 nm， 大于 100 nm 的中孔含量也较多。孔隙绝大多数为 开放型孔， 少量发育不透气性Ⅱ类孔和瓶状孔， 储层 吸附能力强， 气含量高。大量中孔、 开放型孔的存在 可能造成煤层气井见气速率快，但产气量也下降迅 速， 难以稳产， 这与赵庄井田绝大多数煤层气井的实 际生产曲线相符。 2） 赵庄 3 号煤中孔、 大孔发育， 微裂隙相对较 宽， 延伸距离远， 但发育密度低， 且孔、 裂隙中均有 不同程度的矿物充填， 造成孔隙系统的连通性降低。 3） 赵庄 3 号煤层黏土矿物为铵伊利石/蒙皂石 间层， 水敏性强。因此， 赵庄 3 号煤层虽然具有孔隙 直径大， 分布密集， 微裂隙宽度大， 延伸远等优势。 但由于储层所含黏土矿物的水敏性强，矿物膨胀易 堵塞原始孔隙与裂隙系统，导致改造后储层渗透率 下降明显， 反而造成煤层气产能差， 难以取得理想的 改造增透效果。 4） 在赵庄 3 号或与之具有相似特性的松软低渗 煤层中进行煤层气开发或改造中，要对压裂增透层 位进行优选，避开局部构造煤发育的软分层，可尝 图 5不同介质水敏性测试结果 Fig.5Test results of water sensitivity in different mediums 表 33 号煤层水敏性实验参数 Table 3Experimental parameters of water sensitivity for No.3 coal seam 样品 编号 孔隙度 / 气体 渗透率 /10-3μm2 样品 长度 /cm 孔隙 体积 /cm3 注入 压力 /MPa 净围 压 /MPa ZZSM-11.6960.02175.370.4332.22 注 样品为 450 ℃高温处理后的灰分分析结果。 表 23 号煤层黏土矿物成分测试结果 Table 2Test results of clay mineral composition in No.3 coal seam ZZ-3-18113861 样品 编号 全岩矿物含量占比/ 黏土总量石英方解石白云石赤铁矿硬石膏 4 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 试顶、底板虚拟储层作为改造层。在压裂增透介质 的选择上， 尽量选择低水敏性的介质， 可尝试液氮、 二氧化碳等介质进行改造。 参考文献 ［1］ 赵阳升， 杨栋， 胡耀青， 等.低渗透煤储层煤层气开采 有效技术途径的研究 ［J］ .煤炭学报， 2001， 26 （5） 455-458. ［2］ 张小东， 张硕， 孙庆宇， 等.基于 AHP 和模糊数学评价 地质构造对煤层气产能的影响 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （9） 2385-2392. ［3］ 倪小明， 杨艳辉， 王延斌， 等.沁中南断层不发育区多 期构造运动作用下煤层气直井产水产气特征 ［J］ .煤 炭学报， 2016， 41 （4） 921-930. ［4］ 季长江， 郝海金， 郝春生， 等.赵庄区块地下水特征对 煤层气开发的影响分析 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （6） 149-154. ［5］ 郭广山， 邢力仁， 廖夏， 等.基于储层 “三品质” 的煤层 气产能主控地质因素分析 ［J］ .天然气地球科学， 2018， 29 （8） 1198-1204. ［6］ 赵欣， 姜波， 张尚锟， 等.鄂尔多斯盆地东缘三区块煤 层气井产能主控因素 ［J］ .石油学报， 2017， 38 （11） 1310-1319. ［7］ 贾宗文， 刘书杰， 耿亚楠， 等.柿庄区块钻完井工程对 煤层气井产能的影响研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2017， 45 （12） 182-188. ［8］ 王志荣， 杨杰， 陈玲霞， 等.水力压裂条件下焦作矿区 低渗煤层气试验井产能预测 ［J］ .煤田地质与勘探， 2019， 47 （3） 70-76. ［9］ 王勃， 姚红星， 王红娜， 等.沁水盆地成庄区块煤层气 成藏优势及富集高产主控地质因素 ［J］ .石油与天然 气地质， 2018， 39 （2） 366-372. ［10］ 康永尚， 孙良忠， 张兵， 等.中国煤储层渗透率主控因 素和煤层气开发对策 ［J］ .地质论评， 2017， 63 （5） 1401-1418. ［11］ 许耀波， 朱玉双， 张培河.沁水盆地赵庄井田煤层气 产出特征及其影响因素 ［J］ .天然气地球科学， 2019， 30 （1） 119-125. ［12］ 降文萍， 张群， 姜在炳， 等.构造煤孔隙结构对煤层气 产气特征的影响 ［J］ .天然气地球科学， 2016， 27 （1） 173-179. ［13］ 傅雪海， 秦勇， 李贵中， 等.山西沁水盆地中、 南部煤 储层渗透率影响因素 ［J］ .地质力学学报， 2001， 7 （1） 45-52. ［14］ 范俊佳， 琚宜文， 侯泉林， 等.不同变质变形煤储层孔 隙特征与煤层气可采性 ［J］ .地学前缘， 2010， 17 （5） 325-335. ［15］ De Boer J, Van Den Heuvel A, Linsen B. Studies on pore systems in catalysts IV. The two causes of reversible hysteresis ［J］ . Journal of Catalysis, 1964, 3 （3） 268-273. ［16］ 陈萍， 唐修义.低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研 究 ［J］ .煤炭学报， 2001， 26 （5） 552-556. ［17］ 于兴河.油气储层地质学基础 ［M］ .北京 石油工业出 版社， 2009 298-299. 作者简介 季长江 （1986） ， 江苏徐州人， 工程师， 河南 理工大学在读博士研究生，主要从事煤层气勘探与开发方 面的研究。 （收稿日期 2019-09-20； 责任编辑 王福厚） 5 ChaoXing