煤層氣鉆井工程多因素損害機理研究

鄒來方 田中蘭 汪偉英 楊恒林

(1．中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195;2．長江大學，湖北 434023)

中國煤層氣開發(fā)自“十一五”以來多分支水平井先導試驗及開發(fā)建產(chǎn)的不斷探索，基本掌握了裸眼完井方式下的煤層氣多分支井鉆井配套技術，但作為煤層氣少井高產(chǎn)的高效開發(fā)，尚存在技術瓶頸，特別是單井產(chǎn)量偏低的問題非常突出。中國高煤階煤儲層普遍具有低滲透率、低壓力和低含水飽和度的特點，影響煤層氣單井產(chǎn)量的主要因素包括煤巖滲透率、孔隙度、吸附能力、含氣量、臨界解吸壓力、相對滲透率等幾個方面，然而煤層氣藏是與常規(guī)砂巖、碳酸鹽巖儲層有很大差別的有機巖，不僅具有高吸附、低滲透，強度低、膠結(jié)差、易破碎等特點，而且鉆井過程中損害煤儲層滲透率的因素紛繁復雜，目前普遍認為煤層氣儲層損害主要來自于兩方面，一是鉆井液中的微粒運移堵塞孔隙、濾液侵入儲層引起粘土膨脹和水鎖以及流體不配伍等造成的損害;二是鉆井壓力對煤層氣儲層造成的應力敏感性損害。盡管鉆井過程中儲層損害的主要因素是滲透率，但鉆井施工過程中外來流體侵入煤儲層，引起煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)以及大分子有機物的物理化學變化同樣不能忽視。目前國內(nèi)煤層氣多分支水平井均多為裸眼完井方式，空氣鉆井、泡沫鉆井、清水鉆井尚不能解決井壁穩(wěn)定與煤層保護的矛盾問題，既能保護儲層，又能穩(wěn)定井壁的鉆井液尚未成熟。

本文針對山西沁水盆地山西組3號煤組，實驗煤巖樣品取至山西長治地區(qū)長子縣李村煤礦和晉城地區(qū)長畛煤礦，選取現(xiàn)場使用過的鉆井液單組分，淀粉類包括0.2%黃原膠XC、1.5%羧甲基淀粉CMS、1.5%預膠化淀粉API;纖維素類包括0.5%高粘羧甲基纖維素鈉鹽Hv－CMC、0.3%羥乙基纖維素HEC以及鹽類的3%氯化鉀KCl、含0.5%助排劑和絮凝劑的氯化鉀KCl。單組分鉆井液對煤層氣儲層損害評價分別采用解吸率和滲透率恢復率、X射線衍射、溶劑抽提后質(zhì)譜分析、掃描電鏡、低溫氮吸附和壓汞法，評價單組分鉆井液侵入煤儲層后對有機煤巖孔隙結(jié)構(gòu)、大分子有機物的物理化學特性的影響，并對四種不同類型鉆井液在壓力波動下滲透率損害、鉆井壓力波動下鉆井液侵入性損害以及鉆井液侵入后的儲層損害進行了系統(tǒng)研究，分析煤層氣水平井鉆井過程中儲層損害的潛在因素，并提出了減小儲層損害的應對措施。

1 鉆井液單組分對煤層氣儲層損害機理

1.1 滲透率與煤層氣解吸率損害評價

沁水盆地煤層氣儲層主要是中高煤階，滲透率低，采用壓力振蕩法的正弦波振幅和相位的變化計算滲透率，同時以吸附等溫線和朗格繆爾方程為理論基礎，模擬煤儲層在鉆井液污染后的煤層氣解吸率。單組分鉆井液對煤巖滲透率、煤層氣解吸率損害評價實驗結(jié)果如圖1所示，實驗結(jié)果表明，單組分鉆井液對煤巖滲透率和煤層氣解吸率的損害趨勢一致，磺化類對煤巖的損害率最大，清水的損害率最小，淀粉類、纖維素類單組分鉆井液對煤巖的損害率都很高，無機鹽類對煤巖中粘土膨脹起到抑制作用，但也對滲透率和解吸率產(chǎn)生一定的損害。

圖1 鉆井液單組分對煤巖滲透率和煤層氣解吸率損害率評價結(jié)果

1.2 煤巖分子結(jié)構(gòu)變化

X射線衍射技術研究鉆井液單組分對煤大分子芳香層結(jié)構(gòu)的影響的主要參數(shù)包括:芳香層單層之間的距離d002;微晶層片平均堆砌厚度Lc;面網(wǎng)的芳香度fa002等三個方面，圖2為鉆井液單組分對煤大分子芳香層結(jié)構(gòu)的影響測試結(jié)果。

圖2 鉆井液單組分對煤大分子芳香層結(jié)構(gòu)的影響

鉆井液單組分對原煤的微晶層片平均堆砌厚度和平均堆砌層數(shù)變化不大，對于網(wǎng)面芳香度比較明顯:經(jīng)XC作用后煤巖的芳香度略微增大了5.36%，經(jīng)其它單組分浸泡后芳香度減小。CMS作用后煤巖的芳香度減小了22.90%、API作用后煤巖的芳香度減小了26.07%、HEC作用后煤巖的芳香度減小了7.73%、Hv－CMC作用后煤巖的芳香度減小了13.34%。顯然，無論是淀粉類聚合物還是纖維素類聚合物對煤巖的大分子結(jié)構(gòu)均有一定影響，淀粉類聚合物對煤大分子芳香層結(jié)構(gòu)影響大于纖維素類聚合物。

通過苯、環(huán)己烷和四氫呋喃對原煤及單組分鉆井液浸泡的原煤進行萃取，并進行萃取抽提物的質(zhì)譜分析。三種溶劑萃取物中檢測出的化合物如表1所示，四氫呋喃萃取物最多，苯萃取物次之，環(huán)己烷萃取物最少。纖維素類的Hv－CMC、HEC和XC浸泡煤樣后溶劑萃取物中檢測到的化合物數(shù)量均多于CMS和API浸泡煤樣后的萃取物，證明纖維素類聚合物與煤巖的化學作用較強，而淀粉類聚合物分子較大，堵塞孔道，不利于小分子物質(zhì)的溶出，反映出物理作用的損害。

表1 鉆井液單組分浸泡煤巖后溶劑萃取實驗結(jié)果

1.3 煤巖割理和基質(zhì)結(jié)構(gòu)變化

利用掃描電鏡煤巖觀測煤巖及其受外來流體作用后的微觀結(jié)構(gòu)變化特性。原煤及清水、KCl溶液、含助排劑和絮凝劑的KCl溶液浸泡后的微觀結(jié)構(gòu)特性如圖3所示。原煤經(jīng)水浸泡后，1～2μm寬度裂隙增多，斷口整齊，裂隙附近，礦物碎屑較多，表明水對原煤有一定的脆性破壞作用，同時對粘土礦物產(chǎn)生了一定的溶脹作用。經(jīng)KCl溶液處理過的原煤，外形較圓整，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙，碎屑多吸附在煤芯表面。含助排劑和絮凝劑的KCl溶液處理后的原煤，顆粒外形圓整，吸附包覆現(xiàn)象突出，分析認為是含助排劑和絮凝劑的KCl溶液從煤巖的割理和孔隙中帶出來一部分小顆粒煤粉。

圖3 鉆井液單組分作用下煤巖微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析

1.4 煤巖基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)變化

低溫氮吸附測試煤巖孔隙是將一種吸附質(zhì)分子吸附在待測粉末樣品表面，根據(jù)吸附量的多少來評價待測粉末樣品的比表面及孔隙分布大小，主要用于測量納米級孔隙。原煤經(jīng)水和KCl溶液浸泡后，總比表面積和總孔容呈減小趨勢，而平均孔徑呈增大趨勢，原因是水對粘土礦物膨脹作用，堵塞了微孔;而KCl溶液分子進入微孔，堵塞微孔，這兩效應都造成微孔含量相對降低，平均孔徑增大，同時引起總比表面積和總孔容的減小。對微孔結(jié)構(gòu)影響次序:含助排劑和絮凝劑KCl水溶液＜水＜KCl水溶液。

壓汞法是測量不同外壓下汞進入煤巖中、大孔中的量，即可知相應孔大小和孔體積。經(jīng)水浸泡后，原煤平均孔徑減小，總孔容和總比表面積分別增大了14.3%和11.8%;經(jīng)KCl水溶液、含助排劑和絮凝劑KCl水溶液浸泡后平均孔徑分別減小了31.2%、13.0%?？偙缺砻娣e分別增大31.9%和20.1%。含助排劑和絮凝劑KCl水溶液中分子進入煤孔隙和裂隙中帶出來一部分微小顆粒，堵塞中孔，平均孔徑減小，比表面積增大。對中大孔結(jié)構(gòu)影響結(jié)果為:水＜含助排劑和絮凝劑KCl溶液＜KCl溶液 (圖4)。

圖4 煤巖基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)變化

圖5 壓力波動條件下裂縫寬度隨時間的變化

圖6 壓力波動條件下煤巖滲透率隨時間的變化

2 鉆井過程中煤層氣儲層損害機理

2.1 壓力波動導致的滲透率損害

鉆井施工是造成煤層氣儲層損害的一個重要環(huán)節(jié)，鉆井壓力必然導致煤巖周圍應力的改變，由于煤巖易脆易壓縮的物理性質(zhì)，以及特殊的基質(zhì)孔隙和割理組成的雙重孔隙結(jié)構(gòu)，使得煤儲層更易隨外部應力變化產(chǎn)生滲透性損害。鉆井壓力變化對煤儲層的損害，通常有兩種因素造成:一種是鉆井液柱壓力的變化;二是起下鉆時壓力激動導致的壓力變化。圖5和圖6分別是壓力波動幅度為3.5MPa和3MPa時，煤巖裂縫寬度和滲透率隨時間變化的實驗結(jié)果，當鉆井壓力波動時，井壁圍巖中裂縫的寬度變化表現(xiàn)為:壓力增大時裂縫寬度增大;壓力減小，裂縫寬度減小;壓力波動幅度越大，裂縫寬度變化越大。壓力波動停止以后，裂縫寬度小于原始裂縫寬度。

井壁圍巖在壓力波動下裂縫寬度的變化，直接反映的煤巖滲透率的變化:壓力增大一瞬間，煤巖滲透率迅速升高;壓力減小一瞬間，煤巖滲透率又快速下降。壓力波動幅度越大，對煤巖滲透率產(chǎn)生的損害越大。煤層氣藏的應力敏感性主要是有效壓力的改變導致裂隙的開啟和閉合，進而導致滲透率的改變，而且這些裂隙閉合后在卸壓過程中不易張開，宏觀上表現(xiàn)為隨著有效壓力的增加滲透率滯后現(xiàn)象。

2.2 鉆井壓力波動導致鉆井液侵入性損害

由于煤層井壁難以形成泥餅，鉆井液濾液侵入儲層越多，損害越嚴重。鉆井壓力波動后不僅導致煤層滲透率顯著降低，同時使鉆井液向裂縫性煤巖中的侵入量大大增加，加重儲層損害。不同類型鉆井液在壓力波動時的侵入量不同，通過室內(nèi)巖心流動實驗，分別進行井筒壓力無變化和波動條件下，測定不同類型鉆井液向巖心裂縫中的侵入量，鉆井壓力波動下不同鉆井液濾失量如表2所示，壓力波動條件下不同類型鉆井液的侵入量依次為:清水鉆井液﹥聚合物鉆井液﹥含固相聚合物鉆井液﹥泡沫鉆井液。顯然減小壓力波動導致的鉆井液濾失量，選擇泡沫鉆井液是最好的選擇。

表2 鉆井壓力波動下不同鉆井液濾失量

2.3 鉆井液侵入后導致的儲層損害

煤層氣生產(chǎn)過程中構(gòu)造裂縫和面割理是主要滲流通道，而流體在裂縫和煤巖割理中的滲流規(guī)律不同，因此應考慮鉆井液侵入后不同裂縫寬度的變化導致的儲層損害。同樣采用四種不同類型鉆井液，模擬不同裂縫寬度，研究在不同縫寬煤巖中不同類型鉆井液的損害程度，進而優(yōu)選浸入煤層的鉆井液類型。

實驗結(jié)果如表3所示，清水鉆井液對縫寬為61.76μm的大裂縫滲透率幾乎沒有損害，但對縫寬為2.43μm的割理的損害率達到21.6%。說明微裂縫煤儲層在清水鉆井液作用下更容易發(fā)生水敏性傷害;泡沫鉆井液對于縫寬為57.84μm的大裂縫損害率達30%以上，裂縫寬度越小，損害程度越大，說明泡沫鉆井液進入微裂縫中更容易造成儲層損害;無固相的聚合物鉆井液對大裂縫的煤巖損害較小，而對小裂縫煤巖的損害率達到74.85%;含固相聚合物鉆井液中固相顆粒對大裂縫和微裂隙煤巖均造成較大程度的損害。對比分析可知，不同鉆井液對微裂縫的損害大小程度依次為:含固相聚合物鉆井液、無固相聚合物鉆井液、泡沫鉆井液、清水鉆井液，對大裂縫的損害程度大小依次為:含固相聚合物鉆井液、泡沫鉆井液、無固相聚合物鉆井液、清水鉆井液。煤層氣水平井鉆井過程中，不能在煤巖井壁形成泥餅和井底壓力波動無法避免的情況下，由于地層壓力系數(shù)普遍小于1，鉆井液滲入煤巖裂隙和割理等滲流通道無法避免，采用清水鉆井液是儲層損害最小的方法。

3 應對措施

國內(nèi)煤層的含水飽和度普遍較低，許多煤層打開后排水量很少，有時甚至沒有水排出。在地層相對穩(wěn)定條件下，首選空氣鉆井;對需要鉆井液具有一定的密度以維持井底壓力的情況下，使用可循環(huán)微泡沫鉆井液技術，泡沫鉆井液的優(yōu)點在于能夠在煤層井壁難以形成泥餅的條件下，減小壓力波動導致的鉆井液濾失量;由于清水與地層水相比，礦化度偏低，存在水敏性損害;與地層水配伍性差，有結(jié)垢現(xiàn)象;不能有效絮凝細小煤屑顆粒，造成固相污染儲層;返排能力不足，通過引入無機鹽、防垢劑、表面活性劑和低分子量絮凝劑對清水鉆井液進行改進，形成的無固相改性清水鉆井液是一個理想的選擇。

表3 不同鉆井液對裂縫和割理的損害率

煤層氣儲層損害不僅包括應力敏感性損害以及鉆井液中的微粒運移堵塞孔隙、濾液侵入儲層引起粘土膨脹、水鎖、流體不配伍等造成的損害，鉆井液中淀粉類、纖維素類、無機鹽類均會導致煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)以及大分子有機物的物理化學性質(zhì)產(chǎn)生變化，且淀粉類影響最大、纖維素類次之，無機鹽類最小，因而鉆井液中不能添加淀粉類和纖維素類聚合物。

煤巖具有強度低、膠結(jié)差、易破碎等特點，鉆井過程中的壓力波動不僅使得煤巖容易發(fā)生疲勞損傷破壞，加速井壁煤巖微裂紋的擴展，直至井壁垮塌;井壁圍巖在壓力波動下裂縫寬度張開閉合，直接反映了煤巖滲透率的變化，而且這些裂隙閉合后在卸壓過程中不易張開，宏觀上表現(xiàn)為隨著有效壓力的增加滲透率滯后現(xiàn)象，為了保護煤層氣儲層，維持井壁穩(wěn)定，應嚴格控制起下鉆速度。

4 結(jié)論

在單組分鉆井液作用下，對煤巖滲透率、解吸率以及煤巖有機大分子結(jié)構(gòu)、割理和基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)均有很大影響，說明外來流體不僅損害了煤儲層的滲透率，同時也會改變煤巖的其他物理化學性質(zhì)，對比分析表明，淀粉類影響最大，纖維素影響次之，無機鹽類相對較小。

由于煤巖具有較強的應力敏感性，鉆井過程中鉆井壓差和壓力波動會對井壁圍巖的裂縫寬度和滲透產(chǎn)生不可恢復的損害，因此，在鉆井過程中應當合理的控制鉆井壓力和鉆柱的起下鉆次數(shù)及幅度，實現(xiàn)保護儲層和穩(wěn)定井壁的作用。

常用鉆井液侵入微裂隙煤儲層后的損害程度依次為:含固相聚合物鉆井液＞無固相聚合物鉆井液＞泡沫鉆井液＞清水鉆井液。綜合考慮鉆井液向煤層中的侵入量、侵入后的儲層損害以及井壁穩(wěn)定性，建議煤層氣水平井鉆井選擇無固相改性清水鉆井液。

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