张艳 王朋 孙红瑛 李洋冰 江安

摘 要：以山西沁水盆地煤层煤页岩作为研究对象，对该煤岩的膨胀性进行试验研究。研究结果表明：该煤层具有一定的膨胀性，且膨胀特性极不均匀。该数据可为煤层开采提供数据参考。

关键词：膨胀性；膨胀率；页岩

煤层井壁的稳定性是影响煤层安全生产和高效开采的一项重要指标，而煤层井壁的稳定性性主要取决于煤层岩石的强度及地质特征。在煤层开发特别是在钻井过程中常遇到地层造浆、井壁失稳等复杂状况造成储层损害等问题，因此必须搞清楚储层岩石膨胀特性，为稳定井壁、减轻储层损害提供依据[1，2]。当钻井开煤层时，钻井液很容易随煤岩空隙进入煤岩裂缝，从而与岩石发生理化反应，改变岩石的力学性质及受力状况，直接影响到岩石的强度及硬度，使井壁稳定性受到影响，因此有必要对煤岩的理化性质进行准确的测定。本文在对煤层储层岩石组成及理化性能特别是膨胀率分析的基础上，通过测定不同煤层、底板及煤层顶板岩石的膨胀率，分析煤层稳定性能。本文选择在山西沁水盆地3#煤层10口井煤层顶板、底板及煤层样品进行膨胀性能测试，研究数据可供煤层开采作为参考。

1 试验研究

1.1 岩样制备

样品分别取自山西沁水盆地3#煤层10口井煤层顶板、底板及煤层共计22个样品。将煤岩样品用铜研钵粉碎后过100目筛，在105℃士3℃烘干4h后冷却至室温，作为供试样品。

1.2 实验设备及方法

参照SY/T 5613-2000《泥页岩理化性能试验方法》中泥页岩膨胀试验方法[3]，采用WT-ZNP-2型膨胀量测定仪，进行膨胀性能测试。

膨胀性能测试实验中，现将空筒测深，旋紧测筒底盖，安装好装样测筒，在测筒底盖内垫一层滤纸，用游标卡尺测量测筒深度。称取 l0g±0.01g样品，装入测筒内，将岩粉弄平。装好塞杆上的密封圈，将塞杆插人测筒，一并放在压力机（型号PM10）上均匀加压，直至压力表上指示4053kPa （40atm），稳压5min。卸去压力，取下测筒，将塞杆从测筒内慢慢取出，用游标卡尺测量加样后测筒的深度。把测杆放人测筒内，盖上测筒盖，把测筒固定在测试架上，将测试架放入样品杯中，调整中心杆上的调节螺母，使数字表显示0.00。在测筒内注满清水，数字表显示样心的线膨胀量，读取并记录规定时间的线膨胀量。仪器工作16h之后，拆下测筒、测杆并清洗干净，分别计算2h和16h的线膨胀率[4]。

2 试验结果及分析

2.1 样品描述

3#煤为纯黑色，煤层顶、底板样品均为浅黑色，硬度较大。如图1所示，为具有代表性的样品描述。

注：（1）煤；（2）煤层顶；（3）煤底板

2.2 煤层气井岩样膨胀性分析

如图2 所示，3#煤2h膨胀率平均为1.20%，16h膨胀率为1.43%；煤底板2h膨胀率平均为5.37%，16h膨胀率为6.06%；煤顶板2h平均膨胀率为2.52%，16h膨胀率为2.77%。山西沁水盆地3#煤层具有一定程度的水敏性，在清水中有一定的膨胀现象，但具体个别样点膨胀特性极不均匀，如2号样本膨胀率2h膨胀率即达到21.40%。

3 结论

山西沁水盆地3#煤层受地质因素影响，具有一定的膨胀性，且膨胀特性极不均匀，建议根据不同类型的煤岩特性采取区别对待的钻井工艺，对强度大、膨胀性小的煤岩可采用清水钻井配合欠平衡钻井技术，而对于强度小、膨胀性大的煤岩则需采用新型无固相聚合物钻井技术。研究数据表明16h膨胀率明显大于2h膨胀率，因此建议在钻井过程中尽量增快钻井速度，从而降低对储层的损害。以上数据可为山西沁水盆地3#煤层开发提供数据参考。

参考文献：

[1]黄醒春.岩石力学[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]湛祥惠.煤层气储层水平井钻井过程中储层伤害机理研究[D].长江大学，2012.

[3]SY/T 5613-2000. 泥页岩理化性能试验方法[S].北京：国家石油与化学工业局，2000.

[4]吕开河， 乔伟刚， 孙晗森等. 煤层气储层煤岩性质及其对煤层气开发的影响研究[J].中国煤层气，2012（02）：6-9.

作者简介：张艳（1980—），本科，工程师，主要从事：油田化学、储层保护研究及应用工作。