沁水盆地煤層氣水平井井壁垮塌機理及鉆井液對策研究

岳前升，馬玄，陳軍

（長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

蔣光忠

（長江大學(xué)，湖北 荊州434023）

水平井在煤層氣開發(fā)中應(yīng)用越來越普遍，其井型包括羽狀水平井和U型井［1］。在煤層氣水平井鉆井液中，雖然也有其他種類鉆井液的研究和應(yīng)用報道［2－10］，但基于煤層氣低成本戰(zhàn)略，以及煤層氣儲層易受污染等因素，目前煤層氣水平井鉆井液仍以清水為主。近年來煤層氣開發(fā)實踐也證明，煤層吸附氣自身能量弱、解吸壓力普遍較低，易受鉆井液組分尤其是水溶性聚合物污染堵塞，而且這種污染在水平井裸眼完井條件下不易得到解除，這也是清水在煤層氣水平井得以廣泛應(yīng)用的根本原因［11－13］。清水雖然具有成本低、來源廣和煤層保護效果好的特點，但在水平段鉆進時井壁垮塌現(xiàn)象非常嚴重，煤層保護和井壁穩(wěn)定矛盾十分突出，已經(jīng)嚴重制約了水平井在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用。筆者以沁水盆地山西組3號煤為研究對象，從煤巖成分、黏土礦物組成、微觀掃描分析、膨脹性、表面性質(zhì)和不同流體對煤巖強度影響等化學(xué)和力學(xué)方面研究水平井煤層垮塌機理，并以此為依據(jù)，提出煤層氣水平井鉆井液技術(shù)對策。

1 煤心制取

煤巖較脆，常規(guī)取心時一般采用自來水來冷卻小鉆頭，這樣做會帶來2個方面的問題：經(jīng)自來水浸泡后煤巖（心）強度可能會發(fā)生變化，給煤巖強度測試帶來影響；因煤巖較脆，強度降低后煤巖取心成功率低。筆者采用干冰將煤塊冷凍24h后，用液氮作為鉆頭冷卻劑，小幅度增加鉆壓可以明顯提高煤巖取心成功率，重要的是保持了煤巖的原始性。

2 試驗部分

2.1 樣品及藥品

1）煤樣。晉城寺河礦和長畛礦3號煤樣（干樣），鉆取直徑2.50cm、長度5～7cm的巖心柱若干；現(xiàn)場清水鉆井液。

2）藥品。水解聚丙烯酰胺HPAM、氯化鉀，均為工業(yè)品。

3）主要試驗儀器。CLPZ－Ⅱ型智能型膨脹性測試儀、壓力機、接觸角測定儀和巖心流動實驗裝置。

2.2 煤樣全巖礦物和黏土礦物分析

按相關(guān)標(biāo)準執(zhí)行［14－15］。主要是測試煤巖的礦物組成和含量、黏土礦物種類和相對含量，為分析煤巖在遇到水性流體時可能發(fā)生的變化提供參考依據(jù)。

2.3 煤樣掃描電鏡分析

按相關(guān)標(biāo)準執(zhí)行［16］。掃描電鏡分析（SEM）可以直觀反映煤巖表面性質(zhì)、孔隙和微裂縫發(fā)育程度以及黏土礦物在煤巖中的分布狀態(tài)等。

2.4 煤樣膨脹性測試

將塊狀煤樣粉碎過100目篩，烘干后稱重5g在5MPa、3min下壓制成圓柱形樣品，在30℃、5MPa下測試其在不同流體介質(zhì)中的膨脹率。

2.5 煤巖表面潤濕性

利用接觸角法測定煤樣對清水（現(xiàn)場鉆井水）潤濕性，以接觸角大小表征煤樣對清水的潤濕性。

2.6 不同流體對煤巖強度影響

將煤心放入耐壓容器中在不同流體介質(zhì)中加壓5MPa浸泡24h后測試其單軸抗壓強度。

2.7 煤層保護效果

將煤心用地層水飽和并測其液相滲透率，在3.5MPa壓差用不同流體污染0.5h后測其液相滲透率，用煤心滲透率恢復(fù)值來表征不同流體對煤心損害程度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 煤巖全巖礦物和黏土礦物分析

從煤巖全巖礦物和黏土礦物分析結(jié)果來看，煤巖中大部分為非晶質(zhì)部分（即有機質(zhì)部分），除此之外尚含有一定量的碳酸鹽和黏土礦物等無機礦物（見表1），其中黏土礦物中以伊利石、高嶺石和伊／蒙混層為主（見表2），伊蒙混層中的蒙脫石泥層比較低，總體上看黏土礦物膨脹性不強。

表1 煤巖全巖礦物分析

表2 煤巖黏土礦物種類及相對含量

3.2 煤樣掃描電鏡分析

煤巖樣品通過電子掃描分析結(jié)果表明，寺河礦和長畛礦煤巖比較致密（見圖1和圖2），已經(jīng)發(fā)育的裂隙（微裂縫）多被泥質(zhì)或碳酸鹽充填，這也說明了沁水盆地煤層氣單井產(chǎn)量較國外低的原因；也與煤層中清水鉆進未發(fā)生漏失的現(xiàn)象相符合。

圖1 長畛礦煤巖SEM

3.3 煤巖膨脹性測試

總體來看，煤巖在清水的膨脹性并不強（見圖3），24h的膨脹率接近1%左右，而在氯化鉀鹽水和聚合物溶液中膨脹率更低，說明氯化鉀和聚合物可以有效抑制煤巖中黏土礦物水化膨脹。

3.4 煤巖表面潤濕性測試

試驗測得寺河礦和長畛礦3號煤樣對清水接觸角分別為69.5°和68.3°，屬于弱親水性。

3.5 不同流體浸泡對煤巖強度影響

通過對晉城地區(qū)寺河礦3號煤樣在不同介質(zhì)中浸泡前后強度變化進行測試后發(fā)現(xiàn)：清水浸泡后煤樣強度下降幅度最大，而聚合物膠液浸泡后煤樣強度下降幅度最小，鹽水浸泡后煤樣強度略高于清水。在加壓浸泡過程中，由于鹽水／清水黏度低，易沿割理等煤巖膠結(jié)薄弱處侵入煤層，造成煤巖中黏土礦物水化膨脹，這種膨脹作用直接導(dǎo)致脆性煤巖強度下降；而HPAM聚合物溶液因具有較強的黏彈性，其侵入煤層的速度要遠低于清水或鹽水，而且其防膨性也要強于清水和鹽水，因此造成煤巖中黏土礦物水化膨脹程度最弱，最終其強度下降幅度也最小，這對于保持煤巖井壁穩(wěn)定性至關(guān)重要。

3.6 煤層保護測試

由不同介質(zhì)污染后的煤心儲層保護結(jié)果（見表3）可見，鹽水對煤層的污染最小，其次為清水，而聚合物污染最為嚴重。聚合物對煤層的污染需引起重視，因為這直接關(guān)系到煤層氣產(chǎn)量。

圖2 寺河礦煤巖SEM

圖3 煤巖的膨脹性

表3 無固相清潔鹽水鉆井液儲層保護效果

4 煤層氣水平井井壁垮塌機理分析

根據(jù)以上沁水盆地煤巖理化性能測試結(jié)果，認為煤層氣水平井煤層垮塌有4方面原因：

1）工程因素。由于煤層多為低壓甚至是干煤層，在煤層實際鉆進過程中鉆井液液柱壓差很大，會造成鉆井液侵入煤層。

2）煤巖的特殊性。由于煤巖表面的親水性、微裂縫（割理）發(fā)育以及應(yīng)力敏感性，會造成對水（鉆井液）的 “自吸”現(xiàn)象，水（鉆井液）一旦進入煤巖，勢必會與煤巖中的各種礦物發(fā)生作用。

3）煤巖脆性。煤巖被清水侵入后會引起其內(nèi)部黏土礦物膨脹，雖然這種膨脹性不強但足以引起煤巖強度大幅度下降，最終造成煤巖破壞形成碎塊。

4）當(dāng)煤巖一旦因黏土礦物膨脹造成破裂后，這一過程會持續(xù)，不斷有新的微裂縫產(chǎn)生，當(dāng)這些縫隙互相貫通時，煤巖因發(fā)生所謂的 “水力切割”效應(yīng)而與井筒中的鉆井液處于相同的壓力系統(tǒng)，此時煤巖會因鉆井液流動而發(fā)生掉塊從而導(dǎo)致井壁垮塌。

5 煤層氣水平井防塌鉆井液對策

從上述分析可知，水相進入煤層并引起煤巖礦物出現(xiàn)變化是煤層氣水平井井壁失穩(wěn)的根本原因。因此從穩(wěn)定井壁的角度出發(fā)，必需阻止或延緩水相進入煤層，對于低滲的煤層而言，比較可行的鉆井液技術(shù)措施就是提高鉆井液液相黏度或在煤層表面成膜以阻止或延緩鉆井液水相進入煤層。加強煤層氣水平井井壁穩(wěn)定的技術(shù)措施有很多，但必須與煤層氣儲層保護結(jié)合起來，若穩(wěn)定了煤層井壁而犧牲了煤層保護顯然是無意義的。從穩(wěn)定井壁、保護煤層的技術(shù)角度出發(fā)，具有適宜黏度的無固相、可降解聚合物鉆井液是煤層氣水平井鉆井液首選。

6 結(jié)論

1）采用干冰冷凍、液氮鉆取煤心方法可以有效保持煤巖的原始性，避免鉆出的煤心因污染出現(xiàn)失真的問題。

2）沁水盆地3號煤層膠結(jié)致密，表面對清水具弱親水性，煤巖中含有一定量的黏土礦物，其種類以伊利石、高嶺石和低混層比的伊／蒙混層為主，微裂縫多被泥質(zhì)和碳酸鹽充填。

3）高壓差下侵入煤層并導(dǎo)致黏土礦物水化膨脹是清水鉆井液造成水平井煤層井壁垮塌的主要原因。

4）提高黏度或成膜性是有效控制煤層氣井壁失穩(wěn)的鉆井液技術(shù)措施。

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