煤层气储层破坏机理及其影响分析

煤层气储层破坏机理及其影响分析

李祥杨晓晨

拜城县非常规能源科技开发有限责任公司 新疆阿克苏地区拜城县 842300  新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一煤田地质勘探队  新疆乌鲁木齐市 830000

摘要：在社会经济的发展中，煤层气是重要的能源，其可以替代天然气，具有良好利用价值。本文首先研究煤层气储层破坏机理及影响的现实意义，其次探讨煤层气储层的破坏机理，最后就煤层气储层的破坏影响进行研究，为后续研究提供依据。

关键词：煤层气储层；储层特征；破坏机理；勘探

引言

煤层气作为一种清洁能源，其开发利用能够有效弥补中国常规天然气资源开采量不足的现状。山西省煤层气资源丰富，经过近30年的勘探开发，已逐渐在沁水盆地实现了商业化开发，其开发利用符合城市发展需求，有效缓解冬季电力及采暖供应紧张的局面。中国先后在沁水盆地、鄂尔多斯的煤层气开发及技术应用上取得成功，但总体而言，单井的平均产气量偏低，产气效果差异大，影响了开发成熟区块的煤层气工艺技术推广。

1研究煤层气储层破坏机理及影响的现实意义

作为煤层气的源岩与储集层，煤层气本身性质具有特殊性，如煤层气的生、储特征，与常规天然气的区别很大。要想明确煤层气储层特征，需从钻井过程的储层破坏机理与影响因素入手，来为勘探煤层气资源提供理论依据。具体来讲，钻井作业过程经常会因煤层而引发井壁出现煤岩坍塌等失稳问题，不仅会阻碍下钻，还会出现卡顿、接单困难等事故，严重影响了煤炭资源开发钻井的速度与效率。此外，还会扩大井眼直径，导致井深质量变差，无法保证固井效果。再加上，煤层既是储集层，还是烃源岩，故而，钻井过程应尽可能规避井壁失稳问题。对于储层污染问题，因我国煤层气储层渗透率较低，约90%的储层渗透率低于3×10-3，所以，开发建设者还要注重污染问题影响。为此，相关建设者应在明确煤层气储层特征的情况，研究破坏作用机理，进而找出可能会造成的影响。这样一来，就能采取具有针对性与适用性的措施进行控制，进而达到煤炭资源的开发利用目标。

2煤层气储层的破坏机理

2.1煤层气小修作业

煤层气修井方式主要分为常规修井和带压修井两种，相对于煤层气井常规的小修作业，煤层气带压修井作业多移植常规油气田的带压修井设备，利用密封设备密封井口，试图在修井过程中保持井底压力，以减少修井过程对储层的伤害。如果使用现有的常规带压修井作业设备，在修井过程中利用防喷器等设备对井口进行密封，不进行放空和压井，可保证在起下杆、管、泵和修井过程中井筒内压力的稳定。但作业时间过长，一般在7~10天，作业效率较低，由于储层水的不断产出，将形成事实压井，使得使用现行不压井作业设备进行煤层气井修井时，储层保护的效果下降，每次作业均造成减产20%以上，不能满足煤层气井修井的需要。

2.2微观破坏机理

煤孔隙结构是由煤挥发于成煤过程转变为固定炭过程中，形成的微小气孔组成。煤岩孔隙与裂隙系统，则是由微孔隙与颗粒间微裂隙组成。根据现有对煤结构观察实验分析结果可知，煤层气煤岩微观破坏形式沿着微孔隙某一方向穿粒断裂，或是沿着晶体断裂与其发生的相互耦合。对于穿粒与沿晶断裂的类型，主要有两种：一是具有微孔隙与微裂隙的断裂；二是无微孔隙的沿晶断裂。

3煤层气储层的破坏影响

3.1钻井液

煤层气钻井施工过程中，钻井液会侵入储层原生裂隙，对储层造成伤害，控制钻井液性能，有效降低储层伤害，对煤层气井的压裂、排采至关重要。其他井在井身质量、固井质量、钻井液等方面均合格，有效保障各井后续的压裂、排采工程。

3.2地应力

目前有关地应力对煤层气储层水力裂缝扩展行为机制研究主要侧重于地应力的大小、分布和方向。结果表明，当水平主应力差越大时，水力裂缝越容易在井壁处沿垂直最小水平主应力的方位起裂并延伸，且在扩展中发生偏转的可能性越小，从而产生形态较单一的水力裂缝。但这并不意味着高水平应力差能够在储层中形成有利于流体流出的裂缝网络，反而有可能难以通过水力裂缝来激活天然裂缝，而导致裂缝网络的规模减小。在低水平应力差条件下，水力裂缝易于沿天然裂缝进行扩展，在不同形状天然裂缝的约束下形成复杂的网状裂缝。在微观上，越小的水平地应力差会使微裂缝在扩展过程中更均匀，从而具有更好的连通性。总体而言，水力裂缝形态可根据三种地应力的相对大小进行分为正断层应力机制、逆断层应力机制、走滑断层应力机制3类。煤层中的地应力分布也是影响水力裂缝扩展的重要因素。通常高地应力各向异性会抵消了应力阴影对裂缝转向的影响，迫使裂缝向最大应力方向移动，导致裂缝有限发散；而低地应力各向异性会更倾向于产生复杂的水力裂缝网络，裂缝之间的互斥作用也会导致裂缝几何形状的显著差异。进一步来讲，原位应力各向异性可细分为水平应力各向异性和垂直应力各向异性。当水平应力各向异性较小时，水力裂缝会在多个方向上形成复杂的裂缝网络；反之，水力裂缝沿最大水平主应力进行延伸，易形成平面裂缝。当垂直应力各向异性较小时，垂直水力裂缝无法穿越垂向上的层间界面，从而转变为水平裂缝；反之，水力裂缝倾向于穿越层间界面。

3.3水力压裂增产影响

通常情况下，煤层内部会因压裂问题影响而产生裂缝。经统计，裂缝呈现的几何类型多为水平缝合的T形缝、多条分支裂缝。例如：煤层脆性较大，流体注入裂缝后，周边孔隙压力增加，原地应力发生变化引起剪切破坏。根据实验室结果，煤发生剪切破坏后，储层会出现煤粒。当煤粒在煤层中运移，就会影响煤层渗透率与裂缝导流能力。剪切破坏所带来的剪切膨胀，也会促使渗透率增加，对其控制，可在增产作业过程，对垂直裂缝所带来的应力变化与孔隙压力进行预测，进而分析出煤层中水力压裂所带来的剪切破坏影响。

3.4多分支水平井煤层气预抽技术

多分支水平井，是集煤层气钻完井、增产、排采等于一体的集成新技术。与其他井型相比，可最大限度沟通煤层割理裂隙系统，增强流体渗流能力，增大井控和排水泄压面积，大幅度提高单井产量，减少钻井数量和占地面积，但其钻井、排采过程中井眼稳定性差、易变形垮塌，后期维护难度大等劣势，对气井高效生产带来不利影响。基于煤层气开发区块地质工程、煤储层物性及特征和钻井工程等因素对多分支水平井进行优化设计，形成了单煤层对接井单主分支多分支、单煤层对接井多主分支多分支、多煤层对接井合采多分支及单一煤层对接井多井共采多分支水平井等四种多分支水平井类型。随着钻井、排采技术的不断发展，适宜煤储层物性特点的钻井液及煤层气排采技术体系相继涌现，多分支水平井井壁坍塌失稳、储层保护及排采难题得到了有效解决，进而形成了单井多分支水平井，较对接多分支水平井开发成本得到有效降低。

结语

综上所述，煤层气储层会因钻井液、钻井压力、钻井井壁、水力压裂增产以及甲烷生产而破坏储层渗透性。具体优化控制工作开展，需从煤层气储层特征出发，在掌握其形成原因、裂隙形成状态及影响的情况下，分析破坏产生机理。而后，开发建设者就能从源头入手，对可能产生的裂缝、破坏以及堵塞等破坏影响进行预测，以采取对应的控制措施。例如：当井壁坍塌与井漏问题无法得到有效控制，煤层气储层钻井作业进度就无法保证，除了开发利用经济效益目标无法达成，还有破坏煤岩储层的风险。为对其进行控制，应着手钻井过程的稳定性预测，以控制钻井决策。例如：对水平井是否需要设置下衬管进行预测，以最大限度地降低经济损失。因此，才能降低煤层气储层本身不稳定特性所带来的负面影响，进而达到预期的钻井开采目的。

参考文献

[1]刘天授.柳林区块煤层气储层特征及产量控制因素分析[J].中国煤层气,2021,18(6):8-10.

[2]汪国庆.浅析高阶煤煤层气储层参数评价方法与发展[J].内蒙古煤炭经济,2021(23):225-227.

[3]卢海兵,朱卫平,易新斌,等.煤层气储层压裂优化设计软件开发及应用研究[J].中国石油和化工标准与质量,2021,41(7):11-14,16.