沁水盆地煤层气水平井井壁垮塌机理及钻井液对策研究

2014-12-01岳前升马玄陈军

长江大学学报(自科版) 2014年32期

岳前升，马玄，陈军

（长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434023）

蒋光忠

（长江大学，湖北荆州434023）

水平井在煤层气开发中应用越来越普遍，其井型包括羽状水平井和U型井［1］。在煤层气水平井钻井液中，虽然也有其他种类钻井液的研究和应用报道［2－10］，但基于煤层气低成本战略，以及煤层气储层易受污染等因素，目前煤层气水平井钻井液仍以清水为主。近年来煤层气开发实践也证明，煤层吸附气自身能量弱、解吸压力普遍较低，易受钻井液组分尤其是水溶性聚合物污染堵塞，而且这种污染在水平井裸眼完井条件下不易得到解除，这也是清水在煤层气水平井得以广泛应用的根本原因［11－13］。清水虽然具有成本低、来源广和煤层保护效果好的特点，但在水平段钻进时井壁垮塌现象非常严重，煤层保护和井壁稳定矛盾十分突出，已经严重制约了水平井在煤层气开发中的应用。笔者以沁水盆地山西组3号煤为研究对象，从煤岩成分、黏土矿物组成、微观扫描分析、膨胀性、表面性质和不同流体对煤岩强度影响等化学和力学方面研究水平井煤层垮塌机理，并以此为依据，提出煤层气水平井钻井液技术对策。

1 煤心制取

煤岩较脆，常规取心时一般采用自来水来冷却小钻头，这样做会带来2个方面的问题：经自来水浸泡后煤岩（心）强度可能会发生变化，给煤岩强度测试带来影响；因煤岩较脆，强度降低后煤岩取心成功率低。笔者采用干冰将煤块冷冻24h后，用液氮作为钻头冷却剂，小幅度增加钻压可以明显提高煤岩取心成功率，重要的是保持了煤岩的原始性。

2 试验部分

2.1 样品及药品

1）煤样。晋城寺河矿和长畛矿3号煤样（干样），钻取直径2.50cm、长度5～7cm的岩心柱若干；现场清水钻井液。

2）药品。水解聚丙烯酰胺HPAM、氯化钾，均为工业品。

3）主要试验仪器。CLPZ－Ⅱ型智能型膨胀性测试仪、压力机、接触角测定仪和岩心流动实验装置。

2.2 煤样全岩矿物和黏土矿物分析

按相关标准执行［14－15］。主要是测试煤岩的矿物组成和含量、黏土矿物种类和相对含量，为分析煤岩在遇到水性流体时可能发生的变化提供参考依据。

2.3 煤样扫描电镜分析

按相关标准执行［16］。扫描电镜分析（SEM）可以直观反映煤岩表面性质、孔隙和微裂缝发育程度以及黏土矿物在煤岩中的分布状态等。

2.4 煤样膨胀性测试

将块状煤样粉碎过100目筛，烘干后称重5g在5MPa、3min下压制成圆柱形样品，在30℃、5MPa下测试其在不同流体介质中的膨胀率。

2.5 煤岩表面润湿性

利用接触角法测定煤样对清水（现场钻井水）润湿性，以接触角大小表征煤样对清水的润湿性。

2.6 不同流体对煤岩强度影响

将煤心放入耐压容器中在不同流体介质中加压5MPa浸泡24h后测试其单轴抗压强度。

2.7 煤层保护效果

将煤心用地层水饱和并测其液相渗透率，在3.5MPa压差用不同流体污染0.5h后测其液相渗透率，用煤心渗透率恢复值来表征不同流体对煤心损害程度。

3 结果分析与讨论

3.1 煤岩全岩矿物和黏土矿物分析

从煤岩全岩矿物和黏土矿物分析结果来看，煤岩中大部分为非晶质部分（即有机质部分），除此之外尚含有一定量的碳酸盐和黏土矿物等无机矿物（见表1），其中黏土矿物中以伊利石、高岭石和伊／蒙混层为主（见表2），伊蒙混层中的蒙脱石泥层比较低，总体上看黏土矿物膨胀性不强。

表1 煤岩全岩矿物分析

表2 煤岩黏土矿物种类及相对含量

3.2 煤样扫描电镜分析

煤岩样品通过电子扫描分析结果表明，寺河矿和长畛矿煤岩比较致密（见图1和图2），已经发育的裂隙（微裂缝）多被泥质或碳酸盐充填，这也说明了沁水盆地煤层气单井产量较国外低的原因；也与煤层中清水钻进未发生漏失的现象相符合。

图1 长畛矿煤岩SEM

3.3 煤岩膨胀性测试

总体来看，煤岩在清水的膨胀性并不强（见图3），24h的膨胀率接近1%左右，而在氯化钾盐水和聚合物溶液中膨胀率更低，说明氯化钾和聚合物可以有效抑制煤岩中黏土矿物水化膨胀。

3.4 煤岩表面润湿性测试

试验测得寺河矿和长畛矿3号煤样对清水接触角分别为69.5°和68.3°，属于弱亲水性。

3.5 不同流体浸泡对煤岩强度影响

通过对晋城地区寺河矿3号煤样在不同介质中浸泡前后强度变化进行测试后发现：清水浸泡后煤样强度下降幅度最大，而聚合物胶液浸泡后煤样强度下降幅度最小，盐水浸泡后煤样强度略高于清水。在加压浸泡过程中，由于盐水／清水黏度低，易沿割理等煤岩胶结薄弱处侵入煤层，造成煤岩中黏土矿物水化膨胀，这种膨胀作用直接导致脆性煤岩强度下降；而HPAM聚合物溶液因具有较强的黏弹性，其侵入煤层的速度要远低于清水或盐水，而且其防膨性也要强于清水和盐水，因此造成煤岩中黏土矿物水化膨胀程度最弱，最终其强度下降幅度也最小，这对于保持煤岩井壁稳定性至关重要。

3.6 煤层保护测试

由不同介质污染后的煤心储层保护结果（见表3）可见，盐水对煤层的污染最小，其次为清水，而聚合物污染最为严重。聚合物对煤层的污染需引起重视，因为这直接关系到煤层气产量。

图2 寺河矿煤岩SEM

图3 煤岩的膨胀性

表3 无固相清洁盐水钻井液储层保护效果

4 煤层气水平井井壁垮塌机理分析

根据以上沁水盆地煤岩理化性能测试结果，认为煤层气水平井煤层垮塌有4方面原因：

1）工程因素。由于煤层多为低压甚至是干煤层，在煤层实际钻进过程中钻井液液柱压差很大，会造成钻井液侵入煤层。

2）煤岩的特殊性。由于煤岩表面的亲水性、微裂缝（割理）发育以及应力敏感性，会造成对水（钻井液）的 “自吸”现象，水（钻井液）一旦进入煤岩，势必会与煤岩中的各种矿物发生作用。

3）煤岩脆性。煤岩被清水侵入后会引起其内部黏土矿物膨胀，虽然这种膨胀性不强但足以引起煤岩强度大幅度下降，最终造成煤岩破坏形成碎块。

4）当煤岩一旦因黏土矿物膨胀造成破裂后，这一过程会持续，不断有新的微裂缝产生，当这些缝隙互相贯通时，煤岩因发生所谓的 “水力切割”效应而与井筒中的钻井液处于相同的压力系统，此时煤岩会因钻井液流动而发生掉块从而导致井壁垮塌。

5 煤层气水平井防塌钻井液对策

从上述分析可知，水相进入煤层并引起煤岩矿物出现变化是煤层气水平井井壁失稳的根本原因。因此从稳定井壁的角度出发，必需阻止或延缓水相进入煤层，对于低渗的煤层而言，比较可行的钻井液技术措施就是提高钻井液液相黏度或在煤层表面成膜以阻止或延缓钻井液水相进入煤层。加强煤层气水平井井壁稳定的技术措施有很多，但必须与煤层气储层保护结合起来，若稳定了煤层井壁而牺牲了煤层保护显然是无意义的。从稳定井壁、保护煤层的技术角度出发，具有适宜黏度的无固相、可降解聚合物钻井液是煤层气水平井钻井液首选。