在深层煤层气开采过程中，盐分析出以及由此导致的水库损害

《International Journal of Coal Geology》：Salt precipitation and reservoir damage during deep coalbed methane extraction

深层煤bed甲烷开采中盐沉淀导致储层损害的机理与防控研究。通过SEM观测和渗透率实验，揭示了盐晶体形态（片状/颗粒状/花椰菜状）与分布对裂缝-基质双重介质储层动态特性的影响规律，发现无烟煤盐沉淀使渗透率先升后降，而烟煤因水驱作用增强渗透率。

　　本研究聚焦于深部煤层气（CBM）储层及二氧化碳封存过程中，盐分结晶对储层结构和气体流动特性的影响。通过结合高分辨率扫描电子显微镜（SEM）成像技术，研究人员对煤层孔隙-裂隙网络中盐结晶的形态与空间分布进行了详细表征，并利用孔隙度与渗透率测量方法量化了储层损害的程度。此外，还通过气体驱动流动实验，解析了水分迁移与蒸发过程在孔隙-裂隙层级中的动态变化，从而模拟了CBM开采过程中气体流动行为的变化。

研究发现，在深部CBM开采过程中，气体流动首先会驱替裂隙中的水分，随后残余水分在蒸发过程中伴随盐分结晶析出。这种盐结晶不仅会堵塞裂隙，还可能对煤基质中的孔隙造成影响。在裂隙-基质系统中，盐结晶主要在裂隙中析出，其形态受蒸发速率和盐浓度的影响，表现为颗粒状或片状。在高盐度条件下，裂隙中盐结晶的堆积对孔隙度和绝对渗透率的影响更为显著。对于无烟煤，盐结晶主要发生在孔隙中，导致气体渗透率在初期上升后持续下降。而对于烟煤，由于水分迁移和蒸发所形成的空隙空间大于盐结晶堵塞的影响，气体渗透率则表现出持续增强的趋势。

中国作为全球最大的煤层气生产国之一，正积极开发深部CBM资源。特别是在鄂尔多斯盆地的东部边缘，水平钻井与压裂技术的成功应用大幅提升了深部煤层的甲烷产量。例如，在丹宁-鸡西区块，水平井Jishen 6–7的日均气产量已超过10万立方米，这表明深部CBM在保障中国天然气供应方面具有重要作用。然而，深部CBM储层的开发面临诸多挑战，如复杂的地质条件、高压高温环境以及高盐度的地层水。这些因素共同作用，使得深部CBM储层的开发难度远高于浅部储层。

近年来，研究发现深部煤层气储层中的地层水盐度极高。例如，在鄂尔多斯盆地东部边缘的南延川区块，位于800至1200米深度的地层水盐度范围为30至100克/升。而在鄂尔多斯盆地东缘的义山斜坡区域，超过2000米深度的CBM井所产出的水体中总溶解固体含量甚至高达193.08克/升。这种高盐度现象主要由地下水流动缓慢、蒸发作用导致的浓度升高以及地下水与相邻岩层之间的离子交换反应所驱动。此外，深部含水层中钠离子和氯离子的浓度较高，这进一步加剧了盐结晶的风险。

在深部CBM开采过程中，地层水的蒸发伴随着储层温度、压力和气体流动的变化。随着蒸发过程的进行，溶解在水中的盐分浓度不断上升。当盐浓度超过其在储层热力学条件下的溶解度极限时，多余的盐分会从水相中析出，形成固体盐结晶。这些盐结晶在煤层核心样本和煤样SEM图像中均有明显表现，尤其是在丹宁-鸡西区块和神木区块的深部CBM生产区域。盐结晶的堆积会导致储层孔隙和裂隙的堵塞，从而显著影响气体的流动，降低开采效率。

此外，煤层作为一种潜在的二氧化碳封存介质，其在应对人为二氧化碳排放方面具有重要意义。然而，在向深部煤层注入超临界二氧化碳的过程中，盐结晶析出同样可能对封存效果产生负面影响。由于地层水的蒸发作用，盐分在煤层中析出，形成堵塞，进而影响二氧化碳的注入能力。因此，无论是深部CBM开采还是二氧化碳封存，都需要充分考虑盐结晶对储层造成的损害。

盐结晶对多孔介质的静态和动态特性均会产生显著影响。其主要作用是通过减少孔隙度和渗透率来影响储层性能。在实际应用中，二氧化碳注入实验表明，在盐水含水层中，井周会出现低渗透性区域，这些区域的形成与盐结晶有关。在实验室研究中，使用含NaCl浓度为22%至25%的盐水对贝雷亚砂岩核心样本进行实验，结果显示绝对渗透率可降低50%至60%，甚至某些情况下下降高达86%。此外，不同多孔介质（如白云岩石灰岩和贝雷亚砂岩）的实验结果表明，多孔介质的固有物理特性，如孔隙度、渗透率和毛细管压力，对盐结晶如何影响渗透率和孔隙度具有决定性作用。

与砂岩和碳酸盐岩相比，煤作为多孔介质在反应性、可压缩性、孔隙结构、表面润湿性和矿物成分等方面存在显著差异。然而，目前对煤中盐结晶形态及其对渗透率影响的研究仍较为有限。因此，本研究重点探讨了不同煤阶煤中的盐结晶微观特征。通过SEM成像技术，研究人员直接观察了盐结晶在裂隙和孔隙中的形态特征。结果显示，煤中的NaCl盐结晶主要呈现出片状、颗粒状和花椰菜状等不同形态。这些形态的形成与盐溶液浓度变化速率密切相关。

在微观尺度上，盐结晶在孔隙中的分布模式决定了不同的堵塞机制，从而影响储层渗透率的损害程度。例如，盐结晶可能优先沉积在不规则孔隙表面或亲水矿物界面附近，而微孔中由于空间限制，盐结晶析出的可能性较低。这种盐结晶的分布特征不仅影响储层的物理结构，还可能对气体流动路径产生深远影响。

本研究通过实验手段，对煤样进行了气体注入实验，并在实验过程中监测了水分蒸发和孔隙度、渗透率的变化。实验结果表明，盐结晶对孔隙度和渗透率的降低是储层损害的主要原因。这种损害在深部CBM开采过程中尤为显著，因为它不仅影响气体的流动，还可能降低整个储层的开采效率。因此，理解盐结晶在煤层中的形成机制及其对储层性能的影响，对于优化深部CBM开采和二氧化碳封存技术具有重要意义。

在实际应用中，深部CBM开采和二氧化碳封存技术的发展需要综合考虑多种因素。一方面，必须深入了解盐结晶的形成机制及其对储层结构的影响；另一方面，还需要探索有效的应对措施，以减轻盐结晶对储层性能的损害。例如，通过优化开采工艺、控制蒸发速率、调整气体流动路径等方式，可以降低盐结晶对储层的负面影响。此外，针对不同煤阶煤的特性，可能需要采取不同的技术策略，以实现最佳的储层保护效果。

综上所述，本研究通过高分辨率SEM成像、孔隙度与渗透率测量以及气体驱动流动实验，系统分析了深部CBM储层中盐结晶的形成机制及其对储层性能的影响。研究结果表明，盐结晶在裂隙和孔隙中的分布模式与蒸发速率和盐浓度密切相关，而不同煤阶煤对盐结晶的响应也存在显著差异。这些发现为深部CBM开采和二氧化碳封存技术的优化提供了重要的理论依据和实践指导。未来的研究可以进一步探索盐结晶对储层长期性能的影响，以及如何通过工程手段有效缓解盐结晶对储层造成的损害。