煤层气开采中的储层伤害

煤层机械强度弱，脆而软，既易压性破裂又易张性破损，这必然造成煤层的压力敏感性，煤层中的微孔隙、裂缝及孔隙喉道受压会变得更加细微或者变形，甚至于闭合。起压初期停抽时间较长或停抽比较频繁，井内液面升高，近井地带的气体停止解吸，而远端的气体并未停止解吸，气体会逐渐增大成气泡，堵塞住孔隙喉道，形成气锁。而且煤层气井在长期的排采过程中，容易由于停抽造成煤粉堵塞问题，造成煤层气井产量的下降和渗透性的降低，不利于煤层气的开发。

（1）煤粉堵塞伤害

煤岩的力学性质决定了其容易破碎，天然构造变动和压裂施工过程中，煤储层受到外力作用与煤岩表面的剪切与磨损作用产生了大量的煤粉及大小不一的煤碎屑。这些颗粒聚集在一起，不仅容易导致压裂过程中施工压力过高，而且在排采过程中容易造成大量煤粉悬浮，沉降聚集，阻塞先期形成的流体的运移通道。我们将煤层流体运移过程中，煤粉沉降，阻塞煤层中已经形成的运移通道的现象称为煤粉堵塞。

煤粉正常通过通道排出时，顺着较大裂隙，随水排出，运移时悬浮于水中或处于流体的底部，进入井筒后由泵排出。但当煤粉运移过程中，遇到裂隙通道狭窄地带，当前端流体速度由于某些原因突然变缓时，后端流体速度仍然较快速运移，在这种速度差条件下，极容易导致煤粉的堵塞，煤层气井排采过程中煤粉运移示意图见图6－14。

图6－14　煤层气井排采过程中煤粉运移示意图

在排采过程中，投产初期或产气初期，由于水动力及气体张力作用易携带煤粉产出，常见水质发生明显变化，如此间出现停抽现象，可能导致煤粉在近井地带沉积，堵塞水和气体运移通道，导致后期产水及产气量变化明显。

煤粉堵塞伤害井生产表现见图6－15。

图6－15　樊庄ZJ1井排采曲线图

沁水盆地樊庄区块ZJ1井，2007年6月4日投产，初期产水量2.5～3.0m3／d，在产气前，水量最高达到8.3m3／d。产水期间，一直有大量的煤粉产出，频繁地停抽造成大量的煤粉堵塞近井地带，水量由8.3m3／d下降到后期的1.0m3／d，产气量由最初的2692m3／d锐减到后期的148m3／d（图6－15），可见煤粉堵塞得严重。

（2）地层气锁伤害

煤层气井见气起压初期，由于停抽时间较长或停抽比较频繁，使井内液面上升，井底流压升高。这样近井地带的甲烷气体停止解吸，而远端的气体并未停止解吸，煤基质微孔隙和微裂隙内小气泡会逐渐聚集成大气泡，在排驱压力较小的情况下大气泡无法排出微孔隙堵塞住孔隙喉道，形成气锁。

孔道中毛细管效应附加阻力，由于毛细管中毛细管压力的存在，多相流体在岩石中流动时，出现附加阻力，常见有3种形式。

①气泡处于静止状态的阻力。气泡在孔道中静止状态受力情况见图6－16。

图6－16　气泡处于孔道中静止状态示意图

气柱两端球面毛管力在水平方向上大小相等，方向相等，因而相互抵消，但它可以施加于管壁上，可理解为液体压强传递定律所致，它使薄膜变薄。同时圆柱体曲面产生指向毛细管轴心的毛管力，它使薄膜增厚，两力使液膜保持平衡厚度时气泡在孔道中为静止状态。

圆柱表面的液体薄膜具有高黏滞力和高强度，因此，在总毛管力作用下，气柱要移动，必须要有足够的外加压差，才能克服薄膜造成的摩擦阻力。

②在压差作用下，当气柱欲移动时的阻力。润湿之后，气柱弯液面要产生变形，导致弯液面两端的曲率半径不等。两端毛管力P′、P″及其引起的附加阻力P1，与流动方向相反，故气泡要移动，则所加压差大于P1，PⅡ和液膜摩擦阻力之和。但不是简单地相加，还需要考虑管壁上气柱水膜的摩擦阻力系数等，气泡处于孔道中运动状态示意图见图6－17。(www.xing528.com)

图6－17　气泡处于孔道中运动状态示意图

③当气泡流到孔道窄口时的阻力。当气泡流动到孔道窄口时（由于其直径大于孔道直径）遇阻变形，前后端弯曲面曲率不相等，产生第二种毛管效应附加阻力PⅢ，又称“气阻效应”，或贾敏效应（Jamin）。只有当气泡前端变形到与孔道最狭窄处一样大时，该气泡才能通过孔道狭窄口而流动，因此只有当外加压差大于PⅢ，气泡才能通过狭窄口，气泡处于孔道窄口运动状态示意图见图6－18。

图6－18　气泡处于孔道窄口运动状态示意图

在煤层气生产过程中，多相流动（气水混流区）现象经常会产生上述的阻力作用。尽管珠泡的阻力很大，但并不意味着它将堵死气流的渠道，因为压裂改造后煤岩的流体通道是不规则的、空间联系的网络，一个空隙堵塞了，其他气泡还可以绕道迂回而过，但当珠泡很多时，堵死气流渠道也是很可能的，这种情况下就可能形成煤层气的气堵。煤层气井不同程度气堵，将造成煤层气压降不能向更远端延伸。

在煤层气井生产中孔道大小不一、孔道很多，使得各种阻力效应十分明显。当两相流动时，珠泡个数很多，上述毛管效应累加起来，阻力将是相当可观的。毛细管阻力效应对煤层气开采是有害的，在钻井完井、井下作业及开发过程中，避免出现两相流。

地层气锁伤害井生产表现见图6－19。

沁水盆地樊庄区块的ZJ2井，2006年11月12日投产，投产初期水量最高为13.7m3／d，见气起压初期，由于停抽时间较长或停抽比较频繁，使井内液面上升，井底流压升高，产水量锐减到了0.5m3／d，产气量也徘徊在500～800m3／d。

（3）应力敏感伤害

煤层是对地应力非常敏感的天然储集层，煤层气开采过程中由于排水降压而使煤层气井周围地层有效应力重新分布。多项研究表明，煤层渗透率是有效应力的函数。排水降压强度，直接关系到压降的传播程度和范围，压降不仅影响煤层气的解吸过程，也改造了煤储层的有效应力及渗透性指标。

图6－19　樊庄ZJ2井排采曲线图

煤层渗透率的应力敏感机制可以通过煤储层裂隙应力闭合和煤基质收缩两方面来解释。

①有效应力增大导致裂缝闭合。对于高阶煤，煤储层的渗透率与有效应力关系主要为渗透率随有效应力的增加而呈现大幅度降低的趋势，可以用指数形式递减趋势表征，但也具有一定的方向性。有效应力增大，有利于割理和裂隙发育，但随着有效应力的增加，渗透率明显降低。当有效应力方向与岩层优势裂隙组发育方向一致时，应力增大有利于裂隙空间的增大和渗透率的提高；相反，可以导致裂隙面受到挤压作用，裂隙空间减小，渗透率下降，这种现象称为煤储层的裂隙应力闭合。

②煤基质收缩导致储层伤害。煤基质吸附气、水发生膨胀，当气水介质被抽排后发生收缩，这种有效应力的改变引起煤基质的自调节及收缩作用。目前研究认为，对于中低煤阶煤的煤层气储层，随着煤层气排采时间增长，煤体发生收缩，煤储层的渗透率和抽放量不断增大。而对于高煤阶（R0大于2%）煤储层来说，煤基质自调节效应和储层渗透率之间的关系就不明显，在高煤阶煤基质解吸初期基质收缩可能使煤层渗透率增大，即产生正效应，但随着气体的解吸，煤层的基质收缩超过某值，在地应力作用下，可能导致煤基质的应力闭合，出现这种现象加大了后期排采解吸气的难度。

应力闭合伤害井生产表现见图6－20。

图6－20　樊庄ZJ3井排采曲线图

沁水盆地樊庄区块的ZJ3井，2007年6月28日投产，投产初期水量最高为14.2m3／d，见气起压初期。由于停抽时问较长或停抽比较频繁，造成井底流压下降快，产水量锐减到了0.9m3／d，产气量也由最初的2304m3／d下降到后期的773m3／d，井底压力的急剧变化，造成了煤层应力的变化，影响了该井的正常产能的发挥。