煤层气储层水锁损害机理及防水锁剂的研究

煤层气储层水锁损害机理及防水锁剂的研究

胡友林1,2,乌效鸣1

【摘 要】水锁效应是造成煤层气储层损害的主要因素之一,研究其水锁损害机理和防水锁技术有利于保护煤层气储层,从而提高煤层气采收率。以山西沁水盆地3号煤样为研究对象,实验研究了外来流体侵入对煤层气解吸时间和渗透率的影响。结果表明,外来流体侵入延长煤层气解吸时间和降低渗透率,随着含水率上升,煤层气解吸时间延长和渗透率降低。在此基础上进行了防水锁剂的研究,优选出了防水锁剂FSSJ,并对其性能进行了评价。结果表明,FSSJ起泡性弱、降低表面张力、增大接触角、降低煤芯自吸水量、减少煤层气储层水锁损害,具有较好的防水锁效果。煤层气储层水锁损害应具备自然条件、物质条件以及压力条件。 【期刊名称】煤炭学报 【年(卷),期】2014(039)006 【总页数】5

【关键词】煤层气储层;水锁损害;防水锁剂;外来流体;解吸时间;渗透率

煤层气(俗称瓦斯)是以吸附状态储存于煤层内的一种非常规天然气[1-2]。煤岩特殊的基质孔隙和割理组成的孔隙结构特征以及微裂缝分布广的特点使得煤层气储层极易因外来流体侵入而发生水锁损害,严重影响煤层气的解吸、扩散、渗流及后期开采[3-6],因此开展煤层气储层水锁损害机理和防水锁研究具有非常重要意义。与常规石油天然气储层相比,煤岩特殊的孔隙裂缝结构及煤层气的储存机制、产出方式的特性决定了煤层气储层水锁损害机理具有其特殊性,因此常规油气储层的水锁损害机理应用于煤层气储层存在一定局限性。针对煤层气储层水锁损害机理及防水锁问题,目前国内主要是单方面研究水锁损害对储层渗透率

的影响,或者是单方面研究水锁损害对煤层气解吸的影响,并未将二者综合起来研究煤层气储层水锁损害机理和防水锁技术,煤层气储层水锁损害机理及防水锁研究相对不够完善[7-15]。笔者以山西沁水盆地3号煤样为研究对象,将外来流体侵入煤样后对煤层气解吸时间和对储层渗透率的影响二者结合起来开展煤层气储层水锁损害机理及防水锁研究。

1 煤层气储层水锁损害机理

煤储层天然裂隙内径很小,可将其看作是无数大小不等、形状各异、彼此曲折的毛细管,当外来流体侵入裂隙后,井眼周围含水饱和度上升,从而降低煤层气的解吸速率和渗透率,该现象称为“水锁效应”[16]。煤层气储层发生水锁损害与其天然裂隙内径大小、外来流体侵入量和表面张力相关。 1.1 水锁损害实验评价

煤层气解吸速率和渗流能力是煤层气开发的重要参数,煤层气解吸速率常用解吸时间表征其大小,煤层气渗流能力常用渗透率表征其大小。为研究煤层气储层水锁损害机理,需要通过测定同一煤样在相同条件下外来流体侵入前后煤层气解吸时间和渗透率。实验中满足以下4个条件:①含煤层气的煤样必须是处于吸附平衡状态;②必须保证外来流体是在煤样吸附平衡后侵入;③必须保证外来流体与煤样有较好配伍性;④实验过程中必须保证煤样不发生其他损害。实验采用山西沁水盆地3号煤样,为避免外来流体对煤样造成其他损害,实验所用的外来流体为0.45μm以下微孔滤膜,过滤后并加入3%KCl的沁水河水。

具体实验步骤为:①测定煤样孔隙度;②测定煤样初始渗透率K1;③通过真空泵对煤样进行真空脱气;④煤样在甲烷平衡压力为0.5 MPa时吸附一定时间,直至达到吸附平衡状态;⑤煤样出口端反向注入外来流体(模拟外来流体侵入),在煤样中

建立不同含水率;⑥填煤管的压力降为0,且没有甲烷排出的时间记录为煤层气解吸时间;⑦煤样完全解吸后测定煤样渗透率K2,并计算损害率;⑧重复实验步骤③～⑦测定不同含水率煤样的煤层气解吸时间和渗透率。实验结果见表1。 表1结果表明,外来流体侵入后延长煤层气解吸时间和降低煤样渗透率,随着含水率上升,煤层气解吸时间延长和渗透率降低,储层损害程度越严重。主要是因为外来流体侵入对煤储层的解吸和渗流具有水锁阻碍作用。煤储层是一种复杂的多孔介质,外来流体侵入后将裂隙中气体推向储层深部,并在气、水界面形成一个凹向水相的弯液面,进而形成毛细管阻力,当孔隙内部与外部环境之间的压力差不足以克服该毛细管阻力时,便阻碍煤层气解吸和渗流。 1.2 水锁损害机理分析 (1)自然条件。

煤储层多孔隙、多裂隙性,且天然裂隙内径很小以及所处的近似干燥的环境是外来流体侵入时储层发生水锁损害的自然条件。 (2)物质条件。

外来流体吸附在煤体表面,储层中煤层气由吸附态变为游离态,并在外来流体的驱替、携带作用下外排。外来流体侵入后,在孔隙两端产生毛细管自吸作用,并在煤层气运移孔隙通道中形成毛细管阻力,驱动压力不足以克服毛细管阻力,从而延长煤层气解吸时间和降低煤储层渗透率,外来流体侵入是储层发生水锁损害的物质条件。 (3)压力条件。

毛细管压力计算公式为

式中,Pc为毛细管压力,Pa/cm;σ为表面张力,mN/ cm;θ为接触角,(°);r为毛细管