壽陽七元煤礦15#煤層煤巖特性研究

金鑫

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

冷炎,鄧拓

(中聯(lián)煤層氣有限責任公司太原分公司，山西 太原 030000)

任維娜

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

王順波

(中海油山西清潔能源技術(shù)開發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

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壽陽七元煤礦15#煤層煤巖特性研究

金鑫

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

冷炎,鄧拓

(中聯(lián)煤層氣有限責任公司太原分公司，山西 太原 030000)

任維娜

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

王順波

(中海油山西清潔能源技術(shù)開發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

[摘要]利用掃描電子顯微鏡和室內(nèi)煤樣試驗手段，分析研究了壽陽七元煤礦15#煤層的煤巖特性，包括全巖礦物及黏土礦物分析、掃描電鏡分析、煤巖對鉆井液的膨脹性、煤巖表面潤濕性等。研究結(jié)果表明，壽陽七元煤礦15#煤層煤巖中含有少量黏土礦物及碳酸鹽巖礦物，煤巖內(nèi)部微裂縫與溶孔發(fā)育，個別孔隙中充填有黏土礦物；煤巖在蒸餾水中表現(xiàn)出較強的水化膨脹效應(yīng)，其次是KCl和聚合物溶液，且隨著KCl和聚合物含量增加，膨脹性減弱；煤樣表面對清水接觸角68.3°，但親水性比砂巖弱很多，屬于弱親水性。研究結(jié)果可為鉆井工程實施方案的制定及分析判斷鉆井過程中煤儲層的傷害機理研究提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]煤巖特性；15#煤層；膨脹性；潤濕性

七元煤礦位于山西省壽陽縣，該煤礦煤層含氣量高：15#煤層北一盤區(qū)工作面日產(chǎn)量為7000t時的最大相對瓦斯涌出量為22.82m3/t，絕對瓦斯涌出量為135.93m3/min，在考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù)后高峰期則為203.90m3/min；南一盤區(qū)工作面日產(chǎn)量為7303t時最大相對瓦斯涌出量為23.69m3/t，絕對瓦斯涌出量為145.14m3/min，在考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù)后高峰期則為217.71m3/min[1]。七元煤礦煤層氣井屬于高瓦斯礦井[2]。為使礦井瓦斯含量降低到礦井安全標準范圍內(nèi)，七元煤礦實施瓦斯地面抽采(生產(chǎn)煤層氣)，但在使用清水為鉆井液的鉆井施工過程中多次出現(xiàn)煤層坍塌等復(fù)雜情況，而所使用鉆井液對煤層的傷害機理又缺少考證。為此，筆者針對礦區(qū)內(nèi)主要目的煤層15#煤層進行煤巖特性研究。

1七元煤礦15#煤層儲層特征

七元煤礦位于沁水盆地東北緣，礦區(qū)面積195km2，其中首采區(qū)面積26.3km2。七元煤礦含煤地層有石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組及下石盒子組。其中本溪組及下石盒子組的煤層為不可采煤層，無經(jīng)濟價值。太原組與山西組為勘查區(qū)主要含煤地層。煤層自上而下編號為1、2、3、4、5、6、8、9、11、12、13、15、16，其中1～6#煤層為山西組煤層，其余為太原組煤層，8#和15#煤層全區(qū)發(fā)育，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

15#煤層為主要目的煤層，厚度變化在3～4.5m，平均厚度在3.77m。埋深在600～920m，平均埋深730m，該區(qū)煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～4層夾矸，多數(shù)區(qū)域只有上下2層夾矸。最穩(wěn)定發(fā)育的是下夾矸，厚度0.3～0.5m，發(fā)育在距底層1～1.5m。該煤層煤質(zhì)為中灰、低硫、低磷、高熱值煤，以半亮型煤為主，局部含黃鐵礦。該煤層滲透率較低，通過煤田鉆孔求取的滲透率平均值為0.045mD，煤層氣參數(shù)井獲取的滲透率平均值為0.29mD，試井滲透率平均值為0.48mD。該區(qū)塊前期部分鉆井取心不帶壓測試的孔隙度平均值5.8%左右，部分煤層氣參數(shù)井試井獲得的地層壓力平均4.54MPa，地層凈水柱壓力平均7.82MPa，地層壓力系數(shù)平均為0.56，比正常的靜水壓力系數(shù)低很多。15#煤層儲層溫度20.44～33.43℃，平均儲層溫度27.21℃，500m以上地溫梯度平均1.15℃/100m，500m以下地溫梯度平均1.45℃/100m。

2煤心制取及試驗方案

2.1煤心制取

煤樣取自壽陽區(qū)塊七元煤礦礦井內(nèi)15#號煤層(干樣)，采用干冰將煤樣冰凍36h后在小幅增加鉆壓的基礎(chǔ)上，用液氮作為鉆頭冷卻劑，鉆取直徑2.5cm、長度5～7cm的巖心。這樣可以提高煤巖的取心成功率，同時也保持了煤巖的原始特性。

2.2試驗方案

2.2.1全巖礦物和黏土礦物分析

按相關(guān)標準《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T5163-2010)[3]執(zhí)行，主要是測試煤巖的礦物組成和含量、黏土礦物種類和相對含量，為分析煤巖在遇到水性流體時可能發(fā)生的變化提供參考依據(jù)。

2.2.2掃描電鏡分析

按相關(guān)標準《沉積巖中自生粘土礦物掃描電子顯微鏡及X射線能譜鑒定方法》(GB/T17361-1998)[4]執(zhí)行，掃描電鏡分析(SEM)可以直觀反映煤巖表面性質(zhì)、孔隙和微裂縫發(fā)育程度以及黏土礦物在煤巖中的分布狀態(tài)等。

2.2.3膨脹性測試

將塊狀煤樣粉碎過100目篩，烘干后稱重10g在6MPa、10min下壓制成圓柱形樣品，在30℃、6MPa下測試其在不同介質(zhì)中的膨脹率，并進行對比。

2.2.4表面潤濕性

利用接觸角法測定煤樣對清水(現(xiàn)場鉆井水)潤濕性，以接觸角大小表征煤樣對清水的潤濕性。

3研究結(jié)果

煤巖特性研究是認識煤層地質(zhì)特性的必要手段，煤層的敏感性評價、損害機理研究、綜合診斷、保護儲層技術(shù)方案的設(shè)計都必須建立在煤巖特性研究之上，所以煤巖特性研究是煤層氣勘探開發(fā)中不可缺少的重要組成部分。煤巖特性研究可以全面認識煤層物理性質(zhì)及煤層中敏感性礦物的類型、產(chǎn)狀、含量以及分布特點；確定煤層潛在損害類型、程度及原因；為各項作業(yè)中保護儲層技術(shù)方案設(shè)計提供依據(jù)和建議[5]。

3.1全巖礦物/黏土礦物種類分析

對七元煤礦15#煤層的2種樣品進行了全巖礦物和黏土礦物分析，具體結(jié)果見表1和表2。從表1和表2可見，壽陽七元煤礦15#煤層中含有少量黏土礦物及碳酸鹽巖礦物。其中硫鐵礦易發(fā)生酸敏性損害，黏土礦物伊利石與高嶺石易發(fā)生速敏性損害，伊/蒙混層有發(fā)生水敏性損害的可能。

表1　15#煤層煤樣全巖礦物分析

3.2掃描電鏡分析

采用JSM-6610LV分析型掃描電子顯微鏡，對15#煤層煤樣的表面進行高分辨微觀形貌觀察與樣品表面微區(qū)化學成分的定性分析，分析分為垂直割理方向和水平割理方向2部分，具體結(jié)果見圖1、圖2、表3、表4。

表2　15#煤層煤樣黏土礦物分析

圖1　15#煤層煤樣垂直割理方向掃描電鏡照片

圖片號放大倍數(shù)解釋 圖1(a)30 全貌,致密,見層間條紋;圖1(b)396 層間黏土礦物,元素成分為Si、Al和O;圖1(c)2500 碳質(zhì)粒內(nèi)孔隙、碳質(zhì)成分為C和少量Si、Al、O、S;圖1(d)3010 約2～10μm有機質(zhì)粒內(nèi)孔隙;

煤巖的掃描電鏡照片顯示了微裂縫與溶孔的微觀狀態(tài)。微裂縫的存在加劇了應(yīng)力敏感性，也是固相微粒侵入以及大分子處理劑內(nèi)吸附等損害的有利條件。楊宇等通過計算煤層孔隙分形維數(shù)發(fā)現(xiàn)低階煤主要以大孔及微孔-過渡孔為主，孔隙連通性好，利于煤層氣的開發(fā)；高階煤主要以微孔-過渡孔為主，利于煤層氣的聚集[6]。從圖1和圖2可看出，煤巖較均質(zhì)，個別孔隙中充填有黏土礦物，有潛在的水敏損害趨勢；從表3和表4可見，有機質(zhì)中主要的元素為C，少量的Si、Al、O、S元素屬于表面附著的黏土礦物。

圖2　15#煤層煤樣水平割理方向掃描電鏡照片

圖片號放大倍數(shù)解釋 圖2(a)30 全貌,致密,元素成分為C和少量的Si、Al、O、S;圖2(b)800 見一有機質(zhì)裂縫,有機質(zhì)成分為C和少量的Si、Al、O、S;圖2(c)1500 有機質(zhì)表面附著黏土微粒,成分為C和少量的Si、Al、O、S;圖2(d)2210 有機質(zhì)表面附著黏土微粒;

圖3　15#煤層煤巖在不同工作液中的膨脹性

3.3膨脹性研究

為驗證常用煤層氣鉆井液對七元煤礦15#煤層煤巖膨脹性的影響，取現(xiàn)場煤屑粉碎磨細，稱10g，在6MPa下壓制10min制成圓柱形樣品。配制一定量的不同工作液，利用線性膨脹儀測定煤樣在各工作液中的膨脹率，采用蒸餾水做對比試驗，膨脹試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，煤巖膨脹主要發(fā)生在開始與水接觸的3h時間內(nèi)。其在蒸餾水中表現(xiàn)出較強的水化膨脹效應(yīng)，其次是KCl和聚合物溶液，且隨著KCl和聚合物含量增加，膨脹性減弱。煤層氣井鉆井液必須具有良好的抑制性[7]，鉆井液中加入一定量的KCl和聚合物能有效抑制煤巖的膨脹，同時減少外來液體進入煤巖也是降低煤巖膨脹的途徑之一。

3.4表面潤濕性研究

液體在煤巖表面潤濕(鋪展)的傾向性稱為煤巖的潤濕性。煤巖的潤濕性一般可分為親水性和親油性2大類。煤巖的潤濕性取決于礦物的晶體結(jié)構(gòu)、地層流體的活性組分性質(zhì)，工作液侵入也可以改變煤巖的潤濕性[8～10]。

采用接觸角法和自吸高度法對七元煤礦15#煤層煤巖進行潤濕性測試，其中接觸角法試驗測得壽陽七元煤礦15#煤層煤巖對清水接觸角為68.3°，屬于弱親水性；自吸高度法測量結(jié)果見表5。與強水濕石英砂相比，煤巖自吸高度低得多，說明煤巖的親水性比砂巖弱得多。

表5　七元煤礦15#煤層自吸高度法潤濕性測試結(jié)果

4結(jié)論

1)壽陽七元煤礦15#煤層中含有少量黏土礦物及碳酸鹽巖礦物，其中硫鐵礦易發(fā)生酸敏性損害，黏土礦物伊利石與高嶺石易發(fā)生速敏性損害，伊/蒙混層有發(fā)生水敏性損害的可能。

2)15#煤層煤巖微裂縫與溶孔發(fā)育，微裂縫的存在加劇了應(yīng)力敏感性，也是固相微粒侵入以及大分子處理劑內(nèi)吸附等損害的有利條件。

3)15#煤層煤巖較均質(zhì)，個別孔隙中充填有黏土礦物，有潛在的水敏損害趨勢。

4)15#煤層煤巖膨脹主要發(fā)生在開始與水接觸的3h內(nèi)，其在蒸餾水中膨脹率最大，KCl鹽水和聚合物溶液能夠有效抑制其膨脹。

5)15#煤層煤巖對清水接觸角68.3°，親水性比砂巖弱得多，屬于弱親水性。

[參考文獻]

[1]陳洋.陽泉七元煤礦投產(chǎn)初期瓦斯涌出量預(yù)測[J].煤礦安全,2013,44(11):155～161.

[2]秦艷紅.高瓦斯礦井采煤工作面瓦斯治理策略[J].技術(shù)與市場,2014,21(5):354～355.

[3]SY/T5163-2010，沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法[S].

[4]GB/T17361-1998，沉積巖中自生黏土礦物掃描電子顯微鏡及X射線能譜鑒定方法[S].

[5]岳前升,馬玄,陳軍.沁水盆地煤層氣水平井井壁垮塌機理及鉆井液對策研究[J].長江大學學報(自科版),2014,11(32):73～76.

[6]楊宇,孫晗森,彭小東,等.煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)分形特征定量研究[J].特種油氣藏,2013, 20(1):31～33.

[7]張振華.遼河盆地小龍灣地區(qū)煤層氣井鉆井液技術(shù)探討[J].特種油氣藏,2005,12(5):68～71.

[8]李慶會,游藝,歐陽云麗,等.淺析影響煤巖潤濕性的因素[J].石油化工應(yīng)用,2013,32(1):88～90.

[9]李相臣,康毅力,尹中山.不同化學環(huán)境下煤巖表面電性與潤濕性特征[J].中國礦業(yè)大學學報,2014, 43(5):864～869.

[10]何杰.煤的表面結(jié)構(gòu)與潤濕性[J].選煤技術(shù),2000(5):13～15.

[編輯]趙宏敏

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)13-0022-05

[中圖分類號]TE135.1；P618.13

[作者簡介]金鑫(1982-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事非常規(guī)能源鉆完井工藝方面的研究工作；E-mail jinxin2@cnooc.com.cn

[基金項目]中國海洋石油總公司煤層氣科技攻關(guān)項目(GC2014SRZCS011)。

[收稿日期]2016-01-26

[引著格式]金鑫，冷炎,鄧拓，等.壽陽七元煤礦15#煤層煤巖特性研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(13)：22～26.