热处理提高煤岩渗透率的机理

第34卷第4期2012年7月石油钻采工艺OILDRILLINCPRODUCTIONTECHNOLOGYVO134NO4JULY2012文章编号10007393201204009604热处理提高煤岩渗透率的机理刘浩蔡记华肖长波王济君陈宇中国地质大学工程学院，湖北武汉430074引用格式刘浩，蔡记华，肖长波，等热处理提高煤岩渗透率的机理J石油钻采工艺，2012，3449699摘要为了探索煤岩渗透率与温度的关系及其机理，通过加热实验研究了二者在200以内的关系，通过X衍射分析、电镜扫描等手段，并从煤化学、煤地质学等角度对其机理进行了分析。结果表明初始渗透率在05MD以内的煤岩，经加热处理后其渗透率可显著增至15MD以上。分析认为煤岩热处理后渗透率提高的机理为煤岩脱水以及部分挥发组分的逸散会产生新的渗流孔隙；甲烷分子的解吸以及基质凝胶化组分脱水，导致煤基质收缩；煤岩中碳氢原子发生氧化生成气态产物并逸散，形成了微小裂缝并降低了煤岩的致密程度；热应力作用下煤岩内部变形不均产生了微小裂缝。最后提出可以对煤层注入热CO提高采收率。关键词煤岩热处理；渗透率；微裂隙；机理中图分类号TE37文献标识码AMECHANISMEXPLORATIONONIMPROVINGCOALROCKPERMEABILITYBYHEATTREATINGLIUHAO，CAIJIHUA，XIA0CHANGB0，WANGJIJUN，CHENYUFACULOFENGINEERING，CHINAUNIVERSITYOFGEOSCIENCES，WUHAN430074，CHINAABSTRACTTHISPAPERINVESTIGATEDTHERELATIONSHIPBETWEENCOALROCKPERMEABILITYANDHEATINGTEMPERATUREINLESSTHAN200THROUGHLABORATORYEXPERIMENTSANDBYMEANSOFXRAYDIFFRACTIONANALYSISANDSCANNINGELECTRONMICROSCOPE，THEINFLUENCEOFHEATONCOALROCKPERMEABILITYWASANALYZEDFROMPERSPECTIVEOFCOALCHEMISTRYANDCOALGEOLOGYTHERESULTSSHOWSTHATCOALROCKPERMEABILITYCOULDBESIGNIFICANTLYINCREASEDFROMLESSTHAN05MDTO15MDBYHEATTREATINGANALYZINGRESULTSINDICATETHATMECHANISMSMAYBEEXPLAINEDASFOLLOWSFIRSTLY,DEHYDRATIONOFCOALROCKANDPARTLYVOLATILECOMPONENTSRELEASINGOFCOALROCKWILLFORMNEWPORESSECONDLY,DESORPTIONOFMETHANEMOLECULESANDDEHYDRATIONOFGELATINOUSMICROCOMPONENTINTHEMATRIXLEADTOTHESHRINKAGEOFCOALMATRIXTHIRDLY,COALROCKGENERATESHYDROCARBONGASESAFTEROXIDIZINGREACTIONOFCARBONANDHYDROGENATOMS，ANDTHEGASRELEASINGFORMSTINYCRACKSANDREDUCESTHEDEGREEOFCOALROCKCOMPACTIONFOURTH，COALROCKENCOUNTERSINHOMOGENEOUSDEFORMATIONUNDERTHERMALSTRESS，ANDPRODUCESUNEVENSMALLCRACKSFINALLY,THEPAPERPROPOSESANEWMODEOFCOALBEDMETHANECBMEXPLOITATIONTOENHANCECBMRECOVERYBYINJECTINGTHERMALCO2ABOVERESEARCHESMAYBEOFGREATHELPTOTHEEXPLOITATIONOFCBMRESERVOIRSWITHLOWPERMEABILITYINCHINAKEYWORDSCOALROCK；HEATINGTREATMENT；PERMEABILITY；MICROCRACKS；MECHANISM煤层气是我国清洁能源研究与开发中的热点与难点问题之一。我国煤层渗透率极低一般不超过1MD，制约着煤层气的高效开发。国内外煤层气增产技术措施主要有水力压裂改造技术、煤层多元气体驱替技术、定向羽状水平井技术等。但从国内实际应用效果来看，这3种技术均存在一些不足。笔者在研究中发现，对煤岩加热处理可以大幅度提高其渗透率，并对此实验现象进行了机理上的基金项目国家自然科学基金“纳米架桥材料在低孔低渗煤层气藏钻完井过程中的暂堵机理研究”编号41072111；“可降解钻井液在松软煤层瓦斯抽采孔钻进中的护孔和储层保护机理研究”编号40802031O作者简介刘浩，1987年生。中国地质大学武汉地质工程专业硕士研究生，主要从事煤层气钻井方面研究工作。EMAIL493671873QQCOM。通讯作者蔡记华，从事钻井液与储层保护方面的教学和研究工作，博士，副教授。EMAILCATCHERCAI126EOM。刘浩等热处理提高煤岩渗透率的机理97初步探索。国内外对加热煤岩提高渗透率的研究并不多见。文献3研究了在20300OC条件下煤岩热解时微孔体积和渗透率的变化，表明二者均在适度增加。文献4研究了煤岩渗透率与温度和应力变化的关系，表明高应力下渗透率随温度升高而降低，低应力下渗透率随温度升高而升高。文献5研究了低渗透煤层煤层气注热增产的机理。以上文献均从宏观方面对加热煤岩提高渗透率进行了分析，对加热过程中煤岩微观结构的变化几乎没有涉及。笔者通过研究煤岩渗透率随温度的变化情况，从微观结构方面对煤岩加热增加渗透率的机理进行了探讨，并提出了向煤层注入热CO2气体的煤层气开发新模式，有助于加快低孔低渗煤层气藏的开发。1室内实验11煤样制备煤样为无烟煤，取自晋城矿区太原组3煤层，煤样的矿物鉴定结果见表1。使用立式取心机垂直煤岩层理方向钻取直径25MM、长度35MM的煤心，并使用端面切磨二用机对煤样端面进行切割打磨。使用智能烘箱对煤样加热处理，使用JHGP气体渗透率测定仪测定煤岩的渗透率。实验中将煤的加热温度控制在200以内。为避免加热处理过的煤样吸收空气中的水分，煤样测试前后均密封保存。表1煤样的矿物鉴定及矿物热稳定性注13个样品均取自同一块煤样；2矿物鉴定依靠中国地质大学GPMR国家重点实验室X射线衍射测试仪完成。12实验方法及结果1测试L煤样的初始渗透率，然后将煤样放置在烘箱中在120OC条件下加热，每次加热2H后，立即测其渗透率，直至加热16H。测试结果见图1。图11煤样加热过程中渗透率变化由图1可以看出，在120OC条件下对煤样加热，随着加热时间的延长，前10H渗透率基本呈直线上升，由038MD增至1626MD，而后6H渗透率基本没有增大，表明10H内煤样中的微观变化已经结束。2测试2煤样的初始渗透率，然后将煤样放置在烘箱中加热，以20为梯度，每个温度点加热2H后，立即测其质量和渗透率，直至测试到180CC为止。测试结果见图2。图22群煤样加热过程中煤样渗透率和质量变化由图2可以看出，随着加热温度的逐渐升高，煤样的渗透率不断增大，由初始时的05MD增至180时的389MD，而煤样的质量逐渐下降。在120时渗透率和质量均出现一个拐点，之后渗透率继续增大，但质量的变化幅度减小。2煤岩渗透率增加的机理探讨对煤岩进行X衍射分析和SEM分析，结合上述实验结果，认为煤岩热处理后渗透率增大由以下4个方面的原因所致。21煤岩脱水及挥发成分的逸散岩石矿物中一般存在有吸附水、层间水和结构水。研究表明，吸附水和层问水与矿物的结合比较松弛，在200以内可以完全脱出，而结构水脱出晶格的温度则需要达到400800OC。本文实验中的处理温度是200以内，因此可知此过程中质量下降的原因之一是煤岩内的吸附水和层问水不断从煤岩中脱出，而结构水由于煤岩处理温度相对较低依然保留在煤岩中。煤岩中各种水分子的体积与煤岩的孔隙体积相比是不可忽略的。因此，随着不断升温，孔隙通道中的水被蒸发，煤层气渗流通道体积增大，有利于气流的流动，从而使煤岩渗透率得以大幅增加。煤岩干重不断减小的另一个原因是矿物中的某些组分发生了变化，比如受热分解、挥发等。如表1中，120OC处理后煤样的方解石含量降低3，说明方解石可能分解成了石灰、二氧化碳和水。这些组分会以气态的形式从煤岩中挥发出来，挥发后在煤刘浩等热处理提高煤岩渗透率的机理3煤基质孔隙中的甲烷分子在受热后会脱离煤基质的表面引力，另外煤基质中的吸附水在受热后会挥发导致煤基质干缩，这2个因素都会导致煤基质的收缩，从而增加煤岩的渗透率。4受热过程中，煤分子的共价键会发生断裂并生成多种气态产物，产生裂缝并使煤岩的致密程度降低，提高了煤岩的渗透性。5根据热作用下煤岩的渗透率显著增大的规律，从理论上提出一种向煤层U型井中注入热CO，来提高煤层气采收率的设想。6受实验条件的限制，无法直接观测到煤岩受热后微裂隙的发育情况，由于煤层本身的不均质性，注气过程中可能会存在“指进”现象，如何解决这一问题还需要进行更深入的研究。参考文献1叶建平，史保生，张春才中国煤储层渗透性及其主要影响因素J煤炭学报，1999，2421181222杨新乐低渗煤储层煤层气注热增产机理的研究D阜新辽宁工程技术大学，200913JZHAOYANGSHENG，QUFANG，WANZHIJUN，ETA1EXPERIMENTALINVESTIGATIONONCORRELATIONBETWEENPERMEABILITYVARIATIONANDPORESTRUCTIONDURINGCOALPYROLYSISJJTRANSPORTINPOROUSMEDIA，2010，82【2，4014124李志强，鲜学福煤体渗透率随温度和应力变化的实验研究J辽宁工程技术大学学报自然科学版，200928SO1561595WANGGX，MASSAROTTOP，RUDOLPHVANIMPROVEDPERMEABILITYMODELOFCOALFORCOALBEDMETHANERECOVERYANDCO2GEOSEQUESTRATIONLJJINTERNATIONALJOURNALOFCOALGEOLOGY，2009，771271366刘均荣，吴晓东岩石热增渗机理初探J石油钻采工艺，2003，25543497陈金刚，张世雄，秦勇，等煤基质收缩能力内在控制因素的试验研究J煤田地质与勘探，2004，325262818JPANZHEJUN，CONNELLD，CAMILLERIMLABORATORYCHARACTERIZATIONOFCOALRESERVOIRPERMEABILITYFORPRIMARYANDENHANCEDCOALBEDMETHANERECOVERYJJINTERNATIONALJOURNALOFCOALGEOLOGY，2010，822522619邱晓玲煤岩成分中水分变化规律刍议J煤，200312648491O严荣林，钱国胤煤的分子结构与煤氧化自燃的气体产物J煤炭学报，1995，20SO586511李增华煤炭自燃的自由基反应机理J中国矿业大学学报，1996，253L11一L1412刘均荣，吴晓东热处理岩石微观实验研究J西南石油大学学报自然科学版，2008，30415一L813郭树才炼焦工艺学M北京冶金工业出版社，1961I4唐书恒晋城地区煤储层特征及多元气体的吸附一解吸特性D徐州中国矿业大学，2001修改稿收到日期20120524编辑朱伟|奎警争争I乎砻夺|砻|砻安全钻穿抗塑性泥岩层的新措施2012年6月1日，由西部钻探国际钻井公司XDEC18队承钻的哈萨克斯坦阿克纠宾项目5149井顺利三开。该井二开后钻遇高压塑性泥岩。作业中，这支钻井队创造了该油田施工密度最高、安全钻穿大段塑性泥岩的纪录，挑战塑性泥岩技术取得重大突破。5149井是一口边缘性滚动开发井。该井设计提示塑性泥岩段在24802520111，在2100111钻遇盐层，在2432448M、24532483M层段出现了两套塑性泥岩。塑性泥岩蠕变会造成起下钻遏阻、测井遏阻，增加了很多可变未知因素，严重影响安全施工。实际塑性泥岩并段比设计提前近501TI，实际钻遇塑性泥岩钻井液密度比设计高出031GCM