宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术

凡帆， 郑玉辉， 吕海燕（.川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院·低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安700；.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，西安700）

凡帆等.宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：48-51.



宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术

凡帆1， 郑玉辉1， 吕海燕2
（1.川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院·低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710021；2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710021）

凡帆等.宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：48-51.

摘要对宁武盆地煤层气储层进行了应力敏感、碱敏和水敏评价实验。研究结果表明，宁武盆地煤层气储层为强应力敏感性、中等碱敏性和中等偏强水敏性。提出通过控制钻井液密度和pH值、提高钻井液的封堵性和抑制性，降低钻井液对储层伤害的技术思路，并研究出一套适合煤层气井的封堵成膜CQ-FDC钻井液：（0.2%～0.3%） 有机硅G304+（2%～5%）复合盐FHY-2+（0.3%～0.5%）提黏剂G310+（1%～3%）降滤失剂G301+（1%～2%）封堵剂G325+NaOH。室内评价结果表明，该钻井液12 h线性膨胀降低率为71.56%，具有良好的抑制性；储层保护效果好，对储层4#煤和9#煤的伤害率小于15%。该钻井液技术在宁武盆地煤层气井现场试验了6口井，均取得成功，其平均井径扩大率为15.77%，对储层岩心的平均伤害率为16.73%，利于保护储层，且平均机械钻速较高。

关键词煤层气井；储层敏感性；钻井完井液；抑制性；宁武盆地

Study on Coalbed Methane Reservoir Sensitivity in Ningwu Basin and Drill-in Fluid Technology

FAN Fan1, ZHENG Yuhui1, LYU Haiyan2
(1. National Key Laboratory of Low Permeability Oil Field Exploration and Development, Research Institute of Drilling and Production Technology, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Ltd., Xi’an Shaanxi 710021, China; 2. Research Institute of Oil and Gas Technology, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an Shaanxi 710021, China)

Abstract Stress sensitivity, alkali sensitivity and water sensitivity conducted on rock samples taken from coalbed methane reservoir of the Ningwu Basin demonstrate that strong stress sensitivity, moderate alkali sensitivity and moderate-strong water sensitivity exist in the reservoir formations. It is suggested that the drilling fluid used in reservoir drilling in the Basin should have controlled mud weight and pH value, high temporary plugging capacity and inhibitive capacity, which help minimize damage to the permeability of reservoir rocks. A set of filming drill-in fluid, CQ-FDC, suitable for drilling the coalbed methane is as follows: (0.2%-0.3%)G304 (organosilicon) + (2%-5% )FHY-2 (compound salts) + (0.3%-0.5%) G310 (viscosifier) + (1%-3%)G301 (filter loss reducer) + (1% -2%) G325 (temporary plugging agent) + NaOH. This drill-in fluid showed in laboratory experiment percent reduction in linear swelling of cores by 71.56% after 12 h of test. Permeability recovery experiment showed that damage of the drill-in fluid to the permeability of coal samples 4#and 9#was less than 15%. CQ-FDC has been successfully applied in 6 coalbed methane wells in Ningwu Basin, average hole enlargement of these wells being 15.77%, and average rate of permeability impairment of the reservoir rocks was 16.73%. Average ROP of the six wells was increased in comparison with offset wells.

Key words Coalbed methane well; Sensitivity of reservoir; Drill-in fluid; Inhibitive capacity; Ningwu Basin

宁武盆地煤层埋深300～1 500 m， 含气面积876 km2，主要含煤地层为石炭系上统太原组9#煤层和二叠系下统山西组4#煤层。其中9#煤层厚度为8～14 m，分布稳定，煤层渗透率普遍为0.1×10-3～1.0×10-3μm2，孔隙度为3.97%～5.2%，属于特低渗透、低压煤层气田；在煤层气钻井施工中由于煤层孔隙裂隙发育、地层压力低和地层水敏性等特点，钻井液中固相、液相、气相的侵入会造成储层的伤害，同时水平井裸露段长，煤层易受伤害；此外，煤岩常常与泥页岩互层，往往含有水敏性黏土矿物，保护储层难度大，严重制约了煤层气的开发。通过对煤层气储层敏感性进行评价，确定了煤层的伤害机理，形成了一套适合于宁武盆地煤层气储层保护要求的钻井液体系[1-5]。

1　煤岩敏感性实验研究

1.1 应力敏感性

应力敏感性评价实验的目的在于了解岩石所受净上覆压力改变时孔喉喉道变形、裂缝闭合或张开的过程，并导致岩石渗流能力变化的程度[6]。应力对煤岩渗透率的影响如表1所示。从表1可以看出，随着围压增加，对煤岩所造成的损害率非常大（大于70%），围压降低后，煤岩的渗透率恢复值很小，即使围压可降低到原始值，对煤岩的损害率高于50%，属于强应力伤害。钻井过程中的压力变化，很可能引起煤层发生这种变化。这就要求在煤层气开发的各个环节中尽量避免由应力敏感性造成的损害，特别是尽量降低钻井液密度，减小钻井液与储层之间的正压差，在满足井下安全的前提下实现近平衡压力钻井。

表1　围压变化对煤岩渗透率的影响（驱替压力为3.5 MPa）

1.2 碱敏性

如表2所示，煤岩渗透率随KCl盐水pH值的升高而降低，pH值过高的强碱性钻完井液会与呈弱酸性的煤层气储层中的HCO3-反应，产生易沉淀的CO32-离子，因此钻井液的pH值不要超过9，煤岩的碱敏程度属于中等碱敏性[2-4]。

表2　不同煤岩的碱敏性实验数据

1.3 水敏性

水敏性实验的目的在于评价产生黏土膨胀或微粒运移时引起储层渗透率变化的最大程度[2-4]。实验过程中依次向煤岩注入模拟地层水、模拟次地层水和蒸馏水，结果见表3。实验结果表明，煤岩的水敏程度属于中等偏强水敏性，因此设计的钻井液体系不仅要有强的抑制性，还需要较强的封堵性，尽量减少滤液侵入储层。

表3　煤岩的水敏性实验结果

2　钻井液室内研究

结合煤层气储层潜在伤害因素及机理分析，制定的钻井液的技术思路为：强的封堵性、具有良好的抑制性、合理的钻井液密度和低的pH值。

2.1 钻井液的基本配方

按照以上研究思路，开展了大量提黏剂、降滤失剂、封堵剂等处理剂筛选实验，研发出了封堵成膜CQ-FDC钻井液体系，其性能见表4，配方如下。

（0.2%～0.3%） 有机硅G304+（2%～5%）复合盐FHY-2+（0.3%～0.5%）提黏剂 G310+（1%～3%）降滤失剂G301+（1%～2%） 封堵剂G325+NaOH

表4　钻井液性能参数

2.2 钻井液抑制性

优选一种有机硅抑制剂与复合盐进行复配，G304分子中的Si—OH键容易与黏土上的Si—OH键缩聚成Si—O—Si键，形成牢固的化学吸附，可在黏土表面形成一层钾基朝外的CH3—Si≡吸附层，使黏土由亲水反转成亲油，阻止或减缓了黏土表面和层间的水化作用；FHY-2能降低水的活度，增强抑制性，复配作用效果更好。利用页岩膨胀仪测试钻井液对膨润土的岩心线性膨胀率，结果见图1。

图1　岩心的线性膨胀实验

由图1可知，膨润土在钻井液中的膨胀量在48 h后为1.74 mm，而使用清水的膨润土膨胀量在12 h就达到4.29 mm，12 h线性膨胀降低率为71.56 %，48 h线性膨胀降低率为68.36%。结果表明，有机硅G304和复合盐FHY-2复配，使得膨润土在钻井液中的线性膨胀量明显降低，能够抑制煤岩中黏土矿物的水化膨胀和分散，减少对储层的损害。

2.3 储层保护性

实验分别取煤层气井MBS26-9、MBS26-10、MBS26-11井不同井深的钻井液，用山西组4#煤和太原组9#煤岩的露头煤岩钻取岩心，在模拟现场条件下按照动态模拟现场钻井液损害时的实验步骤，测定了钻井液损害后岩心的渗透率恢复值，结果见表5。由表5可以看出，煤层气井现场所用的钻井液对煤岩储层的伤害大，在切除了伤害端面5 mm后，测得的渗透率平均恢复率也不高于66%。说明钻井液对储层的侵入深度大是造成储层伤害的主要原因之一。

表5　煤层气井现场钻井液储层保护效果实验数据

所选的封堵剂 G325的粒度分布范围主要是在1～100 μm之间，其中在10 μm左右达到了峰值，而煤层的孔隙一般是在10～100 μm之间，表明该封堵剂与煤岩的孔隙尺寸有很好的配伍性，能对储层进行有效封堵。测定封堵成膜CQ-FDC钻井液体系损害后岩心的渗透率恢复值，结果见表6。

表6　封堵成膜CQ-FDC钻井液岩心伤害实验数据

上述实验结果表明，4#煤和9#煤在切除伤害端面5 mm后煤岩平均伤害恢复率能达到85%以上，说明该钻井液体系能阻止钻井液的侵入，对于储层造成的损害在后期的射孔压裂中能轻松解除。

3　现场试验及应用情况

宁武盆地煤层气井井身结构为二开结构，二开为斜井段，研究的封堵成膜CQ-FDC钻井液体系在武1-4、武1-5井等6口井得到成功应用。现场试验结果表明，该钻井液能提高煤岩表面形成的泥饼质量，提高承压能力，解决了宁武盆地煤层气井井壁失稳和储层保护等难题。

1）井壁稳定防塌性好。钻进期间无坍塌、无卡钻事故，起下钻顺畅，测井、下套管施工顺利，从而极大地提高了钻井施工的效率，6口井平均井径扩大率为15.77%（见图2）。

图2　试验前后井径扩大率对比图

2）储层保护效果好。对现场储层段钻井液取样，经室内煤岩岩心伤害评价得到，武1-5、武1-4、武15-1、 武15-2、 MBS26-11、 武15-3井的伤害率分别为14.83%、17.66%、17.46%、16.76%、17.28%和16.39%，宁武盆地煤层气井储层岩心经过钻井液伤害后，岩心平均伤害率为16.73%，证明该钻井液具有较好的成膜封堵性，伤害基本集中在伤害端面，在后期的射孔也可以解除。

3）提速效果明显。现场试验井表明，该钻井液体系提高机械钻速作用明显，其中在武1-5井二开井段（井径为222 mm）平均机械钻速为15.2 m/h，高于该区块的平均机械钻速13.32 m/h。

4　结论

1.引起宁武盆地煤层气储层的伤害主要是应力敏感、碱敏和水敏，针对储层敏感性结果，研制出了一套封堵成膜CQ-FDC钻井液体系。

2.该钻井液技术进行了6口井的试验，经室内岩心伤害评价证明，该钻井液技术保护储层效果好，解决了宁武盆地煤层气井储层保护的难题。

3.扩大该钻井液体系的应用范围，继续加大该钻井液体系在煤层气井尤其是煤层气水平井中的应用，通过实践进一步优化和改进钻井液配方。

参 考 文 献

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收稿日期（2015-11-15；HGF=1601N7；编辑 王小娜）

作者简介：第一凡帆，工程师，1986年生，2011年毕业于西南石油大学，现在从事钻完井液技术研究工作。 电话 （029）86594778；E-mail：gcy_fan043@cnpc.com.cn。

基金项目：中国石油川庆钻探工程有限公司科技项目“山西、陕西煤层气安全钻井及储层保护钻井液技术研究”（CQ2012B-8-2-3）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.010

中图分类号：TE254.3

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0048-04