煤层气钻井工程多因素损害机理研究

2013-11-26邹来方田中兰汪伟英杨恒林

中国煤层气 2013年4期

邹来方田中兰汪伟英杨恒林

(1．中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195;2．长江大学，湖北 434023)

中国煤层气开发自“十一五”以来多分支水平井先导试验及开发建产的不断探索，基本掌握了裸眼完井方式下的煤层气多分支井钻井配套技术，但作为煤层气少井高产的高效开发，尚存在技术瓶颈，特别是单井产量偏低的问题非常突出。中国高煤阶煤储层普遍具有低渗透率、低压力和低含水饱和度的特点，影响煤层气单井产量的主要因素包括煤岩渗透率、孔隙度、吸附能力、含气量、临界解吸压力、相对渗透率等几个方面，然而煤层气藏是与常规砂岩、碳酸盐岩储层有很大差别的有机岩，不仅具有高吸附、低渗透，强度低、胶结差、易破碎等特点，而且钻井过程中损害煤储层渗透率的因素纷繁复杂，目前普遍认为煤层气储层损害主要来自于两方面，一是钻井液中的微粒运移堵塞孔隙、滤液侵入储层引起粘土膨胀和水锁以及流体不配伍等造成的损害;二是钻井压力对煤层气储层造成的应力敏感性损害。尽管钻井过程中储层损害的主要因素是渗透率，但钻井施工过程中外来流体侵入煤储层，引起煤储层孔隙结构以及大分子有机物的物理化学变化同样不能忽视。目前国内煤层气多分支水平井均多为裸眼完井方式，空气钻井、泡沫钻井、清水钻井尚不能解决井壁稳定与煤层保护的矛盾问题，既能保护储层，又能稳定井壁的钻井液尚未成熟。

本文针对山西沁水盆地山西组3号煤组，实验煤岩样品取至山西长治地区长子县李村煤矿和晋城地区长畛煤矿，选取现场使用过的钻井液单组分，淀粉类包括0.2%黄原胶XC、1.5%羧甲基淀粉CMS、1.5%预胶化淀粉API;纤维素类包括0.5%高粘羧甲基纤维素钠盐Hv－CMC、0.3%羟乙基纤维素HEC以及盐类的3%氯化钾KCl、含0.5%助排剂和絮凝剂的氯化钾KCl。单组分钻井液对煤层气储层损害评价分别采用解吸率和渗透率恢复率、X射线衍射、溶剂抽提后质谱分析、扫描电镜、低温氮吸附和压汞法，评价单组分钻井液侵入煤储层后对有机煤岩孔隙结构、大分子有机物的物理化学特性的影响，并对四种不同类型钻井液在压力波动下渗透率损害、钻井压力波动下钻井液侵入性损害以及钻井液侵入后的储层损害进行了系统研究，分析煤层气水平井钻井过程中储层损害的潜在因素，并提出了减小储层损害的应对措施。

1 钻井液单组分对煤层气储层损害机理

1.1 渗透率与煤层气解吸率损害评价

沁水盆地煤层气储层主要是中高煤阶，渗透率低，采用压力振荡法的正弦波振幅和相位的变化计算渗透率，同时以吸附等温线和朗格缪尔方程为理论基础，模拟煤储层在钻井液污染后的煤层气解吸率。单组分钻井液对煤岩渗透率、煤层气解吸率损害评价实验结果如图1所示，实验结果表明，单组分钻井液对煤岩渗透率和煤层气解吸率的损害趋势一致，磺化类对煤岩的损害率最大，清水的损害率最小，淀粉类、纤维素类单组分钻井液对煤岩的损害率都很高，无机盐类对煤岩中粘土膨胀起到抑制作用，但也对渗透率和解吸率产生一定的损害。

图1 钻井液单组分对煤岩渗透率和煤层气解吸率损害率评价结果

1.2 煤岩分子结构变化

X射线衍射技术研究钻井液单组分对煤大分子芳香层结构的影响的主要参数包括:芳香层单层之间的距离d002;微晶层片平均堆砌厚度Lc;面网的芳香度fa002等三个方面，图2为钻井液单组分对煤大分子芳香层结构的影响测试结果。

图2 钻井液单组分对煤大分子芳香层结构的影响

钻井液单组分对原煤的微晶层片平均堆砌厚度和平均堆砌层数变化不大，对于网面芳香度比较明显:经XC作用后煤岩的芳香度略微增大了5.36%，经其它单组分浸泡后芳香度减小。CMS作用后煤岩的芳香度减小了22.90%、API作用后煤岩的芳香度减小了26.07%、HEC作用后煤岩的芳香度减小了7.73%、Hv－CMC作用后煤岩的芳香度减小了13.34%。显然，无论是淀粉类聚合物还是纤维素类聚合物对煤岩的大分子结构均有一定影响，淀粉类聚合物对煤大分子芳香层结构影响大于纤维素类聚合物。

通过苯、环己烷和四氢呋喃对原煤及单组分钻井液浸泡的原煤进行萃取，并进行萃取抽提物的质谱分析。三种溶剂萃取物中检测出的化合物如表1所示，四氢呋喃萃取物最多，苯萃取物次之，环己烷萃取物最少。纤维素类的Hv－CMC、HEC和XC浸泡煤样后溶剂萃取物中检测到的化合物数量均多于CMS和API浸泡煤样后的萃取物，证明纤维素类聚合物与煤岩的化学作用较强，而淀粉类聚合物分子较大，堵塞孔道，不利于小分子物质的溶出，反映出物理作用的损害。

表1 钻井液单组分浸泡煤岩后溶剂萃取实验结果

1.3 煤岩割理和基质结构变化

利用扫描电镜煤岩观测煤岩及其受外来流体作用后的微观结构变化特性。原煤及清水、KCl溶液、含助排剂和絮凝剂的KCl溶液浸泡后的微观结构特性如图3所示。原煤经水浸泡后，1～2μm宽度裂隙增多，断口整齐，裂隙附近，矿物碎屑较多，表明水对原煤有一定的脆性破坏作用，同时对粘土矿物产生了一定的溶胀作用。经KCl溶液处理过的原煤，外形较圆整，没有发现明显的裂隙，碎屑多吸附在煤芯表面。含助排剂和絮凝剂的KCl溶液处理后的原煤，颗粒外形圆整，吸附包覆现象突出，分析认为是含助排剂和絮凝剂的KCl溶液从煤岩的割理和孔隙中带出来一部分小颗粒煤粉。

图3 钻井液单组分作用下煤岩微观结构扫描电镜分析

1.4 煤岩基质孔隙结构变化

低温氮吸附测试煤岩孔隙是将一种吸附质分子吸附在待测粉末样品表面，根据吸附量的多少来评价待测粉末样品的比表面及孔隙分布大小，主要用于测量纳米级孔隙。原煤经水和KCl溶液浸泡后，总比表面积和总孔容呈减小趋势，而平均孔径呈增大趋势，原因是水对粘土矿物膨胀作用，堵塞了微孔;而KCl溶液分子进入微孔，堵塞微孔，这两效应都造成微孔含量相对降低，平均孔径增大，同时引起总比表面积和总孔容的减小。对微孔结构影响次序:含助排剂和絮凝剂KCl水溶液＜水＜KCl水溶液。

压汞法是测量不同外压下汞进入煤岩中、大孔中的量，即可知相应孔大小和孔体积。经水浸泡后，原煤平均孔径减小，总孔容和总比表面积分别增大了14.3%和11.8%;经KCl水溶液、含助排剂和絮凝剂KCl水溶液浸泡后平均孔径分别减小了31.2%、13.0%。总比表面积分别增大31.9%和20.1%。含助排剂和絮凝剂KCl水溶液中分子进入煤孔隙和裂隙中带出来一部分微小颗粒，堵塞中孔，平均孔径减小，比表面积增大。对中大孔结构影响结果为:水＜含助排剂和絮凝剂KCl溶液＜KCl溶液 (图4)。

图4 煤岩基质孔隙结构变化

图5 压力波动条件下裂缝宽度随时间的变化

图6 压力波动条件下煤岩渗透率随时间的变化

2 钻井过程中煤层气储层损害机理

2.1 压力波动导致的渗透率损害

钻井施工是造成煤层气储层损害的一个重要环节，钻井压力必然导致煤岩周围应力的改变，由于煤岩易脆易压缩的物理性质，以及特殊的基质孔隙和割理组成的双重孔隙结构，使得煤储层更易随外部应力变化产生渗透性损害。钻井压力变化对煤储层的损害，通常有两种因素造成:一种是钻井液柱压力的变化;二是起下钻时压力激动导致的压力变化。图5和图6分别是压力波动幅度为3.5MPa和3MPa时，煤岩裂缝宽度和渗透率随时间变化的实验结果，当钻井压力波动时，井壁围岩中裂缝的宽度变化表现为:压力增大时裂缝宽度增大;压力减小，裂缝宽度减小;压力波动幅度越大，裂缝宽度变化越大。压力波动停止以后，裂缝宽度小于原始裂缝宽度。

井壁围岩在压力波动下裂缝宽度的变化，直接反映的煤岩渗透率的变化:压力增大一瞬间，煤岩渗透率迅速升高;压力减小一瞬间，煤岩渗透率又快速下降。压力波动幅度越大，对煤岩渗透率产生的损害越大。煤层气藏的应力敏感性主要是有效压力的改变导致裂隙的开启和闭合，进而导致渗透率的改变，而且这些裂隙闭合后在卸压过程中不易张开，宏观上表现为随着有效压力的增加渗透率滞后现象。

2.2 钻井压力波动导致钻井液侵入性损害

由于煤层井壁难以形成泥饼，钻井液滤液侵入储层越多，损害越严重。钻井压力波动后不仅导致煤层渗透率显著降低，同时使钻井液向裂缝性煤岩中的侵入量大大增加，加重储层损害。不同类型钻井液在压力波动时的侵入量不同，通过室内岩心流动实验，分别进行井筒压力无变化和波动条件下，测定不同类型钻井液向岩心裂缝中的侵入量，钻井压力波动下不同钻井液滤失量如表2所示，压力波动条件下不同类型钻井液的侵入量依次为:清水钻井液﹥聚合物钻井液﹥含固相聚合物钻井液﹥泡沫钻井液。显然减小压力波动导致的钻井液滤失量，选择泡沫钻井液是最好的选择。

表2 钻井压力波动下不同钻井液滤失量

2.3 钻井液侵入后导致的储层损害

煤层气生产过程中构造裂缝和面割理是主要渗流通道，而流体在裂缝和煤岩割理中的渗流规律不同，因此应考虑钻井液侵入后不同裂缝宽度的变化导致的储层损害。同样采用四种不同类型钻井液，模拟不同裂缝宽度，研究在不同缝宽煤岩中不同类型钻井液的损害程度，进而优选浸入煤层的钻井液类型。

实验结果如表3所示，清水钻井液对缝宽为61.76μm的大裂缝渗透率几乎没有损害，但对缝宽为2.43μm的割理的损害率达到21.6%。说明微裂缝煤储层在清水钻井液作用下更容易发生水敏性伤害;泡沫钻井液对于缝宽为57.84μm的大裂缝损害率达30%以上，裂缝宽度越小，损害程度越大，说明泡沫钻井液进入微裂缝中更容易造成储层损害;无固相的聚合物钻井液对大裂缝的煤岩损害较小，而对小裂缝煤岩的损害率达到74.85%;含固相聚合物钻井液中固相颗粒对大裂缝和微裂隙煤岩均造成较大程度的损害。对比分析可知，不同钻井液对微裂缝的损害大小程度依次为:含固相聚合物钻井液、无固相聚合物钻井液、泡沫钻井液、清水钻井液，对大裂缝的损害程度大小依次为:含固相聚合物钻井液、泡沫钻井液、无固相聚合物钻井液、清水钻井液。煤层气水平井钻井过程中，不能在煤岩井壁形成泥饼和井底压力波动无法避免的情况下，由于地层压力系数普遍小于1，钻井液渗入煤岩裂隙和割理等渗流通道无法避免，采用清水钻井液是储层损害最小的方法。

3 应对措施

国内煤层的含水饱和度普遍较低，许多煤层打开后排水量很少，有时甚至没有水排出。在地层相对稳定条件下，首选空气钻井;对需要钻井液具有一定的密度以维持井底压力的情况下，使用可循环微泡沫钻井液技术，泡沫钻井液的优点在于能够在煤层井壁难以形成泥饼的条件下，减小压力波动导致的钻井液滤失量;由于清水与地层水相比，矿化度偏低，存在水敏性损害;与地层水配伍性差，有结垢现象;不能有效絮凝细小煤屑颗粒，造成固相污染储层;返排能力不足，通过引入无机盐、防垢剂、表面活性剂和低分子量絮凝剂对清水钻井液进行改进，形成的无固相改性清水钻井液是一个理想的选择。

表3 不同钻井液对裂缝和割理的损害率

煤层气储层损害不仅包括应力敏感性损害以及钻井液中的微粒运移堵塞孔隙、滤液侵入储层引起粘土膨胀、水锁、流体不配伍等造成的损害，钻井液中淀粉类、纤维素类、无机盐类均会导致煤储层孔隙结构以及大分子有机物的物理化学性质产生变化，且淀粉类影响最大、纤维素类次之，无机盐类最小，因而钻井液中不能添加淀粉类和纤维素类聚合物。

煤岩具有强度低、胶结差、易破碎等特点，钻井过程中的压力波动不仅使得煤岩容易发生疲劳损伤破坏，加速井壁煤岩微裂纹的扩展，直至井壁垮塌;井壁围岩在压力波动下裂缝宽度张开闭合，直接反映了煤岩渗透率的变化，而且这些裂隙闭合后在卸压过程中不易张开，宏观上表现为随着有效压力的增加渗透率滞后现象，为了保护煤层气储层，维持井壁稳定，应严格控制起下钻速度。