0 引 言
我国煤层气已进入商业化开发阶段，但是煤层气单井产气量总体偏低[1]。煤层沉积之后，在地质演化历史中生烃，物理性质改变，整体比较敏感与脆弱，具有易碎、易受压缩、孔隙度与渗透率低等特点。这些性质控制了煤储层的含气性和物性，进而影响了储层的敏感性。煤层敏感性普遍包括速敏性、水敏性、酸敏性、盐敏性和应力敏感性。目前认为储层的速敏性不仅与流体流速有关，还与流体力场改变有关，此外，流体的盐度等化学性质也是影响速敏性的重要因素[2-3]。水敏性试验主要是通过研究煤储层中如蒙脱石等水敏矿物来实现[4-6]，其损害产生的原因有2个方面：一是膨胀性黏土遇水膨胀，堵塞了储层孔隙通道；二是非膨胀性黏土遇水产生分散脱落，释放微粒，堵塞孔隙通道。水敏损害程度与注入水盐度以及盐度递减速率有关,煤岩在不含水敏性黏土矿物时为无或弱水敏[7-9]。酸敏性是指酸液与煤储层中矿物发生反应的程度，较低渗透率的岩心酸敏损害程度一般比较高，含铁矿物酸化后铁沉淀较为严重，最易发生酸敏性的矿物是含铁较高的绿泥石[10-12]。盐敏性是由于注入矿化度不同的流体，造成地层水盐度急剧变化，由于黏土矿物对不同类型和强度的离子产生敏感，破坏了黏土矿物表面与流体的离子平衡,引起黏土膨胀，分散或运移，结构稳定性减弱[13-15]。在流体流动状态下,对煤储层的渗透率产生不同程度的破坏。煤储层应力敏感性是会对煤层气井产能的产生影响的一个关键地质因素，煤储层渗透性对应力的响应极为敏感，并且随有效应力的增加呈现负指数函数规律降低，下降趋势呈现由快变慢，最后趋于稳定[16]。在碱敏过程中发生碱液对裂缝的侵蚀，加剧了应力敏感程度。破碎的裂缝和在裂缝中加入支撑剂是产生应力敏感性的主要原因，选择合适的支撑剂是降低应力敏感程度的关键[17]。
煤层损害因素研究方面，对于前期钻完井作业中所涉及的钻完井液等流体造成的煤层损害比较重视，而对于煤层气井的压裂液与地层水之间的不配伍引起的煤层损害问题重视不够[18]。若压裂液与地层水之间的配伍性差，混合后易结垢造成储层堵塞，会降低煤层渗透率，对储层造成一定的损害，加剧后续工作的处理难度[19-21]。这种不配伍造成的煤层损害会严重降低煤层气井的产能。
目前敏感性试验内容大多集中在应力敏感和钻井液、压裂液对煤层渗透率的伤害上，对其他敏感性研究鲜有报道。基于此，通过对筠连地区煤储层五敏性即速敏性、水敏性、酸敏性、盐敏性和应力敏感性以及流体配伍性试验测试，分析储层压裂改造、下泵投产与排采设计优化过程中的储层影响因素，查明储层敏感性的强弱及影响因素，以期对现场技术提供支持，提高煤层气开采效率。
1 区域地质背景
筠连县地形整体南高北低，是四川盆地向云贵高原过渡地带。沐爱地区位于四川省筠连县东部，地表出露最新的地层为第四系全新统，最老地层为志留系中统韩家店组，除缺失志留系上统、泥盆系及石炭系、三叠系中上统、侏罗系、白垩系、第四系和新近系之外，其他地层皆有出露。沐爱地区构造上位于东西向云台寺断层、NE—SW向的武德向斜、老牌坊背斜、铁厂沟向斜与沐爱断层的交汇区(图1)。
图1 筠连沐爱区域构造图
Fig.1 Regional structural distribution of Junlian Muai Area
二叠系上统乐平组为海陆交互相或陆相含煤沉积，与下伏峨眉山玄武岩组呈平行不整合接触。乐平组上段平均厚45.27 m，发育C1、C2、C3、C5、C7、C8、C9号煤层，主力煤层为C2、C3、C7、C8。C2和C3煤层分布较稳定，煤层间距一般变化不大。C7和C8煤层之间的层间距变化较大，变化规律与其间的岩性组合密切相关，当其间岩性主要为砂岩时，则层间距随砂岩厚度增大而增加，而随泥岩含量增多而减小。C7煤层及其顶底板中常见团块状黄铁矿；C8煤中黄铁矿主要分布在煤的上分层，特别是顶部分层中，以线理状和小透镜状为主。
2 煤岩煤质特征
乐平组煤层的镜质体反射率Ro为2.2%～3.2%，该煤为高煤阶煤(无烟煤)。煤质以半暗型煤为主，C2+3煤层镜质组体积分数为43.5%～64.2%，平均体积分数为54.6%，惰质组体积分数为8.9%～56.5%，平均体积分数为27.5%。C7+8煤层镜质组体积分数为44.4%～64.6%，平均体积分数为52.25%；惰质组体积分数为35.4%～69.9%，平均体积分数为52.2%。C7+8和C2+3煤层镜质组体积分数均超过50%，C7+8较C2+3镜质组体积分数略高，利于气体生成和割理发育(表1)。由表1知C7+8和C2+3煤为中高灰分煤。该处的煤层密度偏大，C2+3煤层的密度为1.61 g/cm3，C7+8煤层的密度为1.68 g/cm3。
表1 乐平组主要煤层显微组分和灰分特征
Table 1 Maceral composition and ash yield of main coal from
煤层宏观煤岩类型有机显微组分体积分数/%镜质组惰质组密度/(g·cm-3)灰分/%C2+3半暗煤43.5～64.254.68.9～56.527.51.6115.62～24.4421.18C7+8半暗煤44.4～64.652.2535.4～69.952.21.6816.91～26.6521.76
注：数据格式
3 储层孔渗特征
采用低温液氮吸附法表征JL-1井和JL-2井煤样的孔隙特征(表2)，在此以JL-2井为例进行阐述。由表2数据可知，7组样品的BET比表面积为0.56～11.16 m2/g，平均为4.55 m2/g。BJH总孔体积为0.001 5～0.012 mL/g，平均值为0.004 9 mL/g。孔直径为4.35～12.31 nm，平均为7.50 nm。对于不同的井，其C2+3和C7+8号煤层的孔隙分布差别不大。
样品的核磁共振测试结果见表2，结果表明：在饱和水状态下，煤岩样品中核磁共振弛豫时间小于10 ms的孔隙占总孔隙体积的98%以上，表明煤储层孔隙直径总体较小，大孔径孔隙比例极低。煤样的T2谱主峰，基本位于低弛豫时间(0.01～10.00 ms)。T2谱总体表现形态为：1个主峰和1个很小的次峰，指示煤样中发育极少量较大的孔隙或裂隙，以微孔和小孔占优势，且2个峰之间不连续，说明微孔-小孔与较大孔隙之间的连通性较差。
表2 低温液氮吸附和核磁共振测试结果
Table 2 Results of low temperature liquid nitrogen adsorption and nuclear magnetic resonance test
井号井段/m煤层BET比表面积/(m2·g-1)BJH总孔容/(cm3·g-1)平均孔直径/nm核磁共振孔隙度/%可动流体束缚流体JL-1494.00—494.35C2+30.990.001 88.739.81990.181JL-1494.85—495.15C2+36.380.006 85.339.44590.555JL-1496.95—497.30C7+80.720.001 610.069.95390.047JL-1504.35—504.65C7+810.550.012 05.5310.53689.464JL-2465.10—465.40C2+30.560.001 512.316.45093.550JL-2471.60—471.90C2+31.460.001 66.1610.51589.485JL-2507.05—507.40C7+811.160.009 14.359.83490.166平均4.550.004 97.509.51090.490
基于核磁(水测)孔隙度的结果，可进一步将孔隙度划分为可动流体孔隙度和束缚流体孔隙度。研究区煤岩的可动流体孔隙占比很小，仅为6.45%～10.536%；束缚流体孔隙占89.464%～93.55%，远远高于可动流体孔隙，同样表明煤岩孔隙类型以吸附孔为主，渗流孔发育程度很差。
4 五敏性分析及煤层伤害机理
岩心流动试验是评价储层应力敏感性的常规方法，是认识和评价煤层和煤层损害的重要手段。试验涉及的储层敏感性相关研究参照SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》执行，在煤储层中，使用盐水作为试验流体进行岩心流动试验以对储层敏感性做出评价。
4.1 速敏性
速敏性评价试验的目的在于了解地层渗透率的变化与地层中的流体流速变化的关系，并找出其临界流速或临界流量，为室内及现场选择合适的流速提供依据。在20 ℃条件下，配置质量分数为8%的标准盐水(NaCl∶CaCl2∶MgCl2·6H2O=7.0∶0.6∶0.4，质量比)，将完全饱和的岩石装入岩心夹持器中，加2.0 MPa围压；按照流量0.10、0.25、0.50、0.75和1.00 cm3/min依次进行测定；按照要求测量压力、流量、时间及温度，待流动状态趋于稳定后，记录检测数据；在一定流速及不间断流动的情况下，迅速切换流体注入方向，通过岩心正反向渗透率的变化来研究流动对岩心渗透率的影响程度。
目标储层为低孔、低渗储层，通过岩心取样发现其岩心非常致密，在较高的驱替压力下流体流动依然十分缓慢，不足以引起由于地层微粒运移而造成的堵塞或者形成“桥堵”，因此，基本不具备发生速敏伤害的条件。
速敏损害程度评价指标为：≤5%为无损害程度，5%～<30%为弱速敏性，30%～<50%中等偏弱速敏性，50%～<70%为中等偏强速敏性，≥70%表现为强速敏性。由试验结果可知，JL-1井段和JL-2井段岩心伤害率分别为20.74%和25.26%，临界流速分别为0.75 cm3/min和0.50 cm3/min，2个井段岩心均表现出弱速敏性(图2)。
图2 JL-1和JL-2岩心速敏曲线
Fig.2 Core velocity sensitivity curve of JL-1 and JL-2
4.2 水敏性测试
配制质量分数为8%的标准盐水，岩样抽空饱和标准盐水；将饱和标准盐水岩样放入岩心夹持器中，加2.0 MPa围压；测定岩样渗透率；用1/2初始流体矿化度盐水驱替10～15倍岩样孔隙体积，停止驱替，保持围压和温度不变(12 h以上)，再用1/2初始流体矿化度盐水测定岩样的渗透率；采用同样方法进行蒸馏水驱替试验，并测定蒸馏水条件下岩样渗透率。
水敏损害程度评价指标为：≤5%为无损害程度，5%～<30%为弱水敏性，30%～<50%为中等偏弱水敏性，50%～<70%为中等偏强水敏性，70%～<90%为强水敏性，≥90%表现为极强水敏性。由试验结果可知，JL-1井段和JL-2井段岩心均表现出弱水敏性(图3)。经过由高矿化度到低矿化度的地层水依顺序注入岩心后测试，伤害率分别为12.52%和19.29%(图3)。
图3 JL-1和JL-2岩心水敏曲线
Fig.3 Core water sensitivity curve of JL-1 and JL-2
4.3 盐敏性测试
配制质量分数为8%的标准盐水，岩样抽空饱和标准盐水；将饱和标准盐水后的岩样放入岩心夹持器中，加2.0 MPa围压；测定岩样渗透率；用体积分数7%标准盐水驱替岩样10～15倍孔隙体积，停止驱替，保持围压和温度不变(12 h以上)，再用体积分数7%标准盐水测定岩样的渗透率；采用同样方法进行6%～0的驱替试验，并分别测定岩样渗透率；依据试验结果，绘制渗透率随盐度的变化曲线，确定出临界盐度，即岩心在注入液盐度下降到某一值时，岩心渗透率明显下降，此时注入液盐度叫做临界盐度。
盐敏损害程度评价指标为：≤5%为无损害程度，5%～<30%为弱盐敏性，30%～<50%为中等偏弱盐敏性，50%～<70%为中等偏强盐敏性，70%～<90%为强盐敏性，≥90%表现为极强盐敏性。由试验结果可知，JL-1井段和JL-2井段岩心渗透率最大变化率分别为14.68%和19.84%，2个井段岩心渗透率均为弱盐敏(图4)。
图4 JL-1和JL-2盐敏性曲线
Fig.4 Salt sensitivity curve of JL-1 and JL-2
4.4 酸敏性测试
岩样抽空饱和模拟地层水,将饱和好的地层岩样装入岩心夹持器中，测定岩心渗透率。反向注入1倍孔隙体积的体积分数为15%的盐酸，停止驱替，充分反应2 h，正向注入模拟地层水，测定渗透率。
酸敏损害程度评价指标为：≤5%为无损害程度，5%～30%为弱酸敏性，30%～50%为中等偏弱酸敏性，50%～70%为中等偏强酸敏性，>70%为强酸敏性。由试验结果可知，JL-1井段和JL-2井段岩心酸敏损害率均为负伤害，分别是-0.077%和-0.057%，说明酸液的正向作用大于负向作用，且2个井段均没有酸敏(图5)。
图5 JL-1和JL-2岩心酸敏曲线
Fig.5 Rock heartbreak sensitivity curve of JL-1 and JL-2
4.5 应力敏感性测试
试验流体为8%的氯化钾溶液配置8%的氯化钾溶液。采用标准盐水抽空饱和岩样，浸泡24 h；将饱和好的地层岩样装入岩心夹持器中，保持进口压力不变；以初始净压力5.5 MPa为初始围压，慢慢增加围压至最大值，在每个设定的围压点上保持30 min以上，在该期间按照要求测定每个点的压力、流量、时间及温度，待流动状态趋于稳定后，记录检测数据；加载到最大围压(净压力)后，按照试验规定的净压力间隔，依次缓慢降低净压力至原始静压力点(在每个设定的净压力点上应保持1 h以上)，再次按照要求测定每个点的压力、流量、时间及温度，待流动状态趋于稳定后，记录检测数据。
应力敏感性损害程度评价指标为：≤5%为无损害程度，5%～<30%为弱应力敏感性，30%～<50%为中等偏弱应力敏感性，50%～<70%为中等偏强应力敏感性，≥70%为强应力敏感性。试验结果表明，JL-1井段和JL-2井段最大岩心伤害损害率分别为76.82%和47.67%，损害程度分别为强和中等偏弱(图6)。
图6 JL-1岩心应力敏感性曲线
Fig.6 Core stress sensitivity curve of JL-1
4.6 储层敏感性综合分析
综上所述，JL-1的551.2—557.5井段和JL-2的493.6—504.6井段岩心的敏感性试验测试分析结果见表3。
表3 JL-1和JL-2岩心敏感性评价
Table 3 Core sensitivity evaluation of JL-1 and JL-2
敏感性敏感程度速敏弱速敏,伤害程度均低于26%水敏弱水敏,伤害均低于20%盐敏无盐敏酸敏无酸敏,负伤害应力敏感JL-1为强,JL-2为中等偏弱
由五敏试验结果可知，煤层主要伤害因素是应力敏感，在应力较高区域产气量较低。对比普遍高产的YSL103平台和普遍低产的YSL104平台，2个平台位置相邻，测井参数相近,但YSL104井压裂施工过程中裂缝延伸压力及停泵压力都较高，其渗透率的应力敏感性更强，导致该井产量偏低。
5 配伍性分析
对于配伍性分析主要针对煤层水和压裂液之间的配伍。当注入水和不配伍的地层水相遇时，使原有的地层水和煤岩之间的离子化学平衡被破坏，注入水和地层水之间随注入水不断介入将逐渐建立一个新的化学平衡。在打破旧的平衡建立新的平衡过程中，只要流体中遇到2种以上不配伍的水存在或在流动过程中随压力和温度或流体的化学组分不平衡，都存在结垢的可能，不可避免的造成对储层的一定损害。
配伍性研究方法为常温及地层温度下注入水的自身稳定性，反映了注入水在管柱及储层中结垢状况。在地层温度(30 ℃)的条件下，通过测定水中形成的沉淀对光的吸收效果，即结垢趋势。注入水与地层流体不配伍主要表现在两者按不同比例混合后是否产生固相物质。将地层水与注入水过滤后分别按不同体积比例混合(0∶1、1∶1、1∶2)测其浊度。压裂液配方为煤粉分散剂质量浓度0.5%+助排剂质量浓度0.5%+杀菌剂质量浓度0.05%+质量浓度1% KCl，地层水本身浊度较大，经过过滤后外观清亮。
浊度的测量方法：采用国际标准ISO 7027—1984《水质—浊度的测定》，主要方法有2种：分光光度法和目视比色法。试验结果表明，施工过程中压裂液与各井地层流体的配伍性良好，无沉淀产生(表4，图7)。
表4 压裂液配伍性试验结果
Table 4 Experimental results of fracturing fluid compatibility
井号压裂液∶地层水(质量比)混合后现象浊度209-50∶1清亮341∶1清亮411∶2清亮43205-20∶1清亮231∶1清亮271∶2清亮33205-40∶1清亮371∶1清亮401∶2清亮43204-20∶1清亮421∶1清亮481∶2清亮50204-10∶1清亮221∶1清亮261∶2清亮31
图7 配伍性试验
Fig.7 Experiment of compatibility test
6 结 论
1)沐爱区块乐平组煤镜质体反射率Ro为在2.2%～3.2%，该煤为高煤阶煤(无烟煤)；煤质以半暗型煤为主，中高灰分、密度偏大。BET比表面积平均为4.55 m2/g，BJH总孔体积平均值为0.004 9 mL/g。煤储层孔径总体较小，微孔和小孔占90%以上，孔隙连通性较差，可动孔隙在10%以下。
2)JL-1和JL-2井岩心速敏伤害率分别为20.74%和25.26%；水敏伤害率分别为12.52%和19.29%；盐敏损害程度分别为14.68%和19.84%；酸敏损害率分别为-0.077%和-0.057%；应力敏感性损害程度分别为76.82%和47.67%，均表现为弱速敏性、弱水敏性和弱盐敏性，应力敏感性分别表现为强和中等偏弱，基本无酸敏。煤层伤害的主要因素应力敏感。
3)通过现场压裂液与地层水混合进行配伍性实验，压裂液与地层水按不同比例混合后浊度均表现为清亮，无沉淀产生，证明压裂液与地层流体的均配伍性良好。为煤层气开展规模化压裂施工奠定了基础。
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