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煤层气储层破坏机理及其影响研究
煤层气储层特征:
煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙,含有双重孔隙结构。煤层中基质被天然裂缝网分成很多方块(基质块体):基质是关键储气空间,而裂隙是关键渗透通道。
煤层气储层基质孔隙基质孔隙又称微孔隙,直径通常为0.5～1nm,煤微孔隙极其发育,煤层气绝大部分是吸附在微孔隙表面,因为微孔隙直径很小,通常认为水不能抵达微孔隙系统中。煤基质微孔隙与通常砂岩孔隙结构不一样是煤层孔隙大都是煤层本身整体结构一部分。在煤层微孔中常填充了不一样组成物质,这些物质组成和体积常伴随煤阶改变而改变。通常煤储层中孔隙大小约1～1000μm,而与通常砂岩孔隙相比小一个数量级。这种超微孔隙结构伴随煤化作用进展而发生改变,所以会对煤层储层特征产生很大影响
表1 煤层气藏储层孔隙大小分类
微孔
孔径﹤2nm
中孔
孔径2nm-50nm
大孔
孔径﹥50nm
煤孔隙相差很大,大到数微米级裂缝,小到连氮分子(直径为0·178nm)都无法经过。比较常见孔隙大小分级标准见表1。
煤层气储层裂隙特征
裂隙是煤中自然形成,大家认识到其存在至今已经有一百多年历史。在总结前人对裂隙分类基础上,苏现波根据裂隙形态和成因将煤裂隙分为三类,见图1。

图1　煤岩中裂隙分类
割理(内生裂隙)
煤层割理关键是由煤化作用过程中煤物质结构、 结构等改变而产生裂隙。依据在层面上形态和特征,能够将割理分为面割理和端割理。其中面割理通常是与层面平行或近平行,通常呈板状延伸,连续性很好,是煤层中关键内生裂隙。端割理只发育于两条面割理之间,常与层面垂直或近似垂直,通常连续性较差,缝壁不规则,是煤层中次内生裂隙。因为煤岩中面割理和端割理都比较发育,单体规模小,总体密度大,在空间上交割成立体网状,能够使用等效连续介质渗流方法来描述煤储层中气、 水运动。
外生裂隙
外生裂隙是指煤层在较强结构应力作用下形成裂隙,按成因可分为三种:剪性外生裂隙、 张性外生裂隙和劈理。剪性外生裂隙与煤层面以多种角度相交,可出现在煤层任何部位,裂隙凹凸不平,且有滑动痕迹多呈羽毛状、 波状;裂隙间距较宽,常两组并存。张性外生裂隙与岩石张性裂隙一样,规模较小,雁行排列。劈理是指煤层存在层间滑动时,形成一系列波状相互平行裂隙。
继承性裂隙
继承性裂隙兼具割理和外生裂隙双重性质,属过渡类型。假如割理形成前后结构应力场方向不变,早先割理就会被深入强化,表现为部分割理由其发育煤层向相邻分层延伸扩展,但方向保持不变,这部分裂隙称为继承性裂隙。煤中裂隙孔隙度较小,改变范围为1%～6%,通常在2%左右。从研究煤中裂隙发育特征与煤储层渗透性关系角度出发,将肉眼可见煤中裂隙按尺寸大小划分为五种类型。
总而言之,煤基质微小孔隙系统含有很大比表面积,极强吸附能力,不过渗透率却极低;相反,煤中裂隙系统孔隙度很小,储集能力小,不过其渗透率却很高,是气、 水渗流关键通道。
煤层气储层破坏机理
煤微观破坏机理: 煤孔隙结构是煤中挥发分在成煤过程中转变为固定炭时形成很多微小气孔组成。煤岩孔隙裂隙系统能够看成由微孔隙和颗粒间微裂隙组成。经过前人进行煤结构观察试验分析能够得出,煤层气煤岩微观破坏形式是沿微孔隙某个方向穿粒断裂和沿晶(即沿裂隙或节理层理)断裂及它们之间相互耦合,如图2所表示。

图2 煤微观断裂形式
穿粒和沿晶断裂关键有两种类型:第一类是含有微孔隙和微裂隙断裂;第二类是无微孔隙存在沿晶断裂,如图3所表示。

（a）存在微孔隙断裂 (b)无孔隙沿晶断裂
煤层气体对煤破坏影响: 煤体内部微裂隙表面形成,肯定造成范德华力不平衡,从而产生表面相互吸引粘聚作用,不利于裂缝扩展。在有孔隙气体出现时,裂隙面对气体分子吸附减弱了范德华力不平衡现象,使粘聚力降低,有利于裂纹扩展。
在煤层气中,孔隙压力由煤层气体产生,当有效应力较低未能使裂缝扩展时,孔隙压力作用关键为了帮助煤骨架抵御变形,表现为宏观变形模量增加。孔隙压力越高,则宏观变形模量增加幅度就越大。
当有效应力超出门槛值后,裂缝开始扩展。这时,孔隙压力加强扩展裂纹前段拉应力,帮助裂纹扩展。同时减小闭合裂缝面压力,使断裂面间变形模量下降,脆性破坏增加。孔隙压力越高则变形模量下降幅度越大。
煤岩破坏影响
钻井作业中井壁稳定性影响: 煤层是一个相对较脆岩石,所以在钻井和生产过程中,尤其是钻水平井和大斜度井时非常轻易受到破坏。井眼稳定性影响着煤层甲烷气井,尤其是水平井钻井和生产经济性。水平井钻井常常受到井壁坍塌影响,尤其是采取欠平衡钻进或钻进压力衰竭煤层时。假如泥浆密度太高,会造成拉伸破裂(即会压裂煤层);假如泥浆密度太低,又会造成剪切破坏(即井眼断裂)。不管是井漏还是井壁坍塌,都会影响煤层气钻进进度,增大钻井成本,甚至严重损害煤岩储层。
进行钻井过程中井眼稳定性估计,对钻井决议有很大影响,能够让作业者提前采取预防方法,从而避免或降低经济损失。经过估计也能够确定水平井是否需要下衬管。
水力压裂增产方法影响: 煤层压裂通常会在煤层内产生复杂裂缝几何形态(包含多条分支裂缝、 水平缝合T形缝)。在脆煤层中,因为流体注入裂缝周围孔隙压力增加,从而造成原地应力(包含水平应力和垂直应力)发生很大改变会引发剪切破坏。当煤剪切破坏后,由试验室所得现象可知,储层中会采出煤粒。煤粒产生和运移会降低煤层渗透率和裂缝导流能力,但剪切破坏引发剪膨也会使渗透率增加。
经过估计增产作业中产生垂直裂缝引发孔隙压力和应力改变,能够分析煤层中水力压裂剪切破坏。
煤层甲烷生产过程影响
煤层甲烷气井投产后,井底流压降低会使煤层发生剪切破坏。一样,压力衰竭也会使煤层发生破坏。剪切破坏会造成水平井坍塌(带衬管或不带衬管),增加煤粒采出。煤粒产出又会不一样程度堵塞地层和裂隙,在井筒内淤积,进而对泵或压缩机产生损害。
进行生产过程中煤层破坏和煤粒产出临界生产压差估计,对生产决议相关键意义,能够在生产作业中采取预防方法,从而避免或降低经济损失。经过估计煤层临界破坏压力和煤粒采出临界生产压差,降低煤层甲烷气井生产压差以减缓煤层破坏,减轻微粒运移对地层和裂缝堵塞以及对井眼充填,并降低泵和压缩机设备损坏。
结论与认识
煤基质微小孔隙系统含有很大比表面积,极强吸附能力,不过渗透率却极低;相反,煤中裂隙系统孔隙度很小,储集能力小,不过其渗透率却很高,是气、 水渗流关键通道。
煤层气煤岩微观破坏形式是沿微孔隙某个方向穿粒断裂和沿晶(即沿裂隙或节理层理)断裂及它们之间相互耦合。穿粒和沿晶断裂关键有两种类型:第一类是含有微孔隙和微裂隙断裂;第二类是无微孔隙存在沿晶断裂。
在煤层气钻井、 水力压裂及生产过程中,都会因为不一样机理使煤层产生破坏,影响作业实施,增大作业成本,对气藏经济开采产生不良影响。应针对各作业步骤不一样破坏机理及形式,采取估计和处理方法,确保煤层气顺利开发。