煤层气水平井聚合物钻井液对煤层损害试验研究

马二龙，都诚，刘亦凡，鲁盈，胡伟，岳前升 (长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

中国煤层气单井产量普遍较低，为提高单井产能，利用水平井开采煤层气比较广泛[1，2]，在水平井钻井作业过程中，煤层保护和井壁稳定之间的矛盾尚未有效解决。聚合物钻井液也常用于煤层水平井段钻进，这些聚合物的使用在提高煤层井壁稳定能力的同时，也带来了煤层污染与损害问题[3～11]，目前煤层损害的评价方法尚缺乏统一标准，基本参照油气储层损害评价方法，但该评价参数和方法与煤岩特性和煤层气钻井实际情况出入较大[12,13]；同时，聚合物钻井液对煤层损害程度及影响因素尚不明确。为此，笔者以煤层岩心驱替流动试验为基础，深入分析了围压、返排压力和污染压力等岩心流动参数变化对煤层岩心渗透率的影响规律，对煤层气钻井过程中聚合物钻井液造成的煤层损害因素、程度及解除措施进行研究，旨在为煤层气水平井钻井过程中的储层保护措施提供参考依据。

1 试验部分

1.1 试验仪器

驱替和污染一体化的岩心夹持器(荆州市塔林机电有限公司生产)；电子分析天平，感量0.1mg(上海舜宇恒平科学仪器有限公司)。

1.2 试验药品

聚丙烯酰胺PAM(北京恒聚化工集团有限公司)；黄原胶XC(山东阜丰集团公司)；羧甲基纤维素HV-CMC(河北燕兴化工有限公司)；AD680，一种澳大利亚泥浆服务公司产品，用做煤层气井壁稳定剂；工业KCl，含量98%；氧化剂型破胶剂JPC。

1.3 试验方法

将煤层岩心干燥后抽空饱和1%KCl(百分数为质量分数，下同)盐水； 配制不同浓度的水溶性聚合物胶液；正向用1%KCl盐水测定煤层岩心的水相渗透率K0；反向用水溶性聚合物胶液在一定的压力下静态污染煤层岩心2h；正向用1%KCl盐水在一定驱替压力下测定污染后煤层岩心的水相渗透率Kd。

1.4 试验内容

1.4.1 煤岩的应力敏感性

KCl盐水驱替压力1MPa，改变煤层岩心围压：3、4、5、6、7、8MPa，测定不同围压条件下煤层岩心的KCl盐水渗透率。

1.4.2 返排压力对煤层岩心渗透率恢复值的影响

聚合物胶液反向污染压力2MPa，围压4MPa，煤层岩心污染后的KCl盐水返排压力分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3MPa，测定污染后煤层岩心在不同返排压力时的渗透率。

1.4.3 污染压力对煤层岩心渗透率恢复值的影响

KCl盐水驱替压力2MPa，围压4MPa，聚合物胶液反向污染压力0.5、1、1.5、2、2.5、3MPa，测定煤层岩心在不同压力经聚合物胶液污染后的KCl盐水渗透率。

1.4.4 不同种类水溶性聚合物对煤层岩心的污染

KCl盐水驱替压力2MPa，聚合物胶液反向污染压力2 MPa，围压3MPa，测定煤层岩心经不同种类聚合物胶液污染后的渗透率。

1.4.5 破胶剂对污染后煤层岩心渗透率的影响

1)直接浸泡 将0.5%聚合物胶液污染后的煤层岩心直接放在2%破胶剂溶液中浸泡12h后测其KCl盐水的渗透率恢复值。

2)加压浸泡 将0.5%聚合物胶液污染后的煤层岩心用2%破胶剂溶液在3.5MPa下反向加压挤入5mL，并在破胶液中浸泡12h后测其KCl盐水的渗透率恢复值。

2 结果与讨论

2.1 煤岩的应力敏感性

图1 围压对煤层岩心水相渗透率的影响

在驱替压力不变情况下，仅改变围压时2块煤层岩心的水相渗透率变化见图1。由图1可以看出，围压的变化可以显著影响煤层岩心的渗透率，即煤层岩心存在应力敏感性[3,11]，主要是因为围压变化会影响煤层岩心的微裂缝开启程度，因此，要尽可能模拟煤层损害的评价条件，使其客观反映聚合物钻井液对煤层的污染情况。

2.2 返排压力对煤层岩心渗透率恢复值的影响

在固定污染压力2MPa、围压4MPa条件下，返排压力对污染后煤层岩心渗透率恢复值的影响见图2。返排压力增加，污染后的煤层岩心渗透率也随之增大，试验中发现只有当返排压力不低于污染压力时，煤层岩心才有渗透率恢复值存在，说明水溶性聚合物胶液对煤层岩心污染仅靠返排是难以完全解除的，当返排压力达到3MPa时，煤层岩心的渗透率恢复值还不到50%，说明聚合物胶液对煤层污染较为严重。实际上，煤层气井在排采生产过程中，只有当井筒液柱压力小于煤层的解吸压力时，煤层气才会从吸附态向游离态转变并形成一定的产能，因此，返排压力最大值即为煤层的解吸压力。我国沁水盆地很多煤层解吸压力在2MPa以下，而钻井过程中实际钻井液造成的污染压力往往在3MPa以上，这种条件下聚合物钻井液造成的煤层污染仅靠返排是不能解除的[4]。

2.3 污染压力对煤层岩心渗透率恢复值的影响

在固定返排驱替压力2MPa、围压4MPa条件下，污染压力对煤层岩心渗透率恢复值的影响见图3。随污染压力增大，煤层岩心渗透率恢复值急剧降低，在污染压力大于返排压力时，煤层渗透率恢复值非常低，说明高污染压力下聚合物进入煤层较深，不易被返排出。而实际钻井过程中污染压力取决于钻井液液柱压力与煤层流体压力之间的压差，钻井液液柱压力取决于钻井液密度以及起下钻、开泵时压力激动造成的附加压力，因此，采用低密度钻井液、合理高效使用地面固控设备、提高煤层钻遇率、控制起下钻速度等(即降低钻井液的当量循环密度)均有利于降低钻井压差，降低聚合物钻井液侵入煤层深度，减轻煤层损害程度。

图2 返排压力对污染后煤层岩心渗透率恢复值的影响 图3 污染压力对污染后煤层岩心渗透率恢复值的影响

2.4 不同种类水溶性聚合物对煤层岩心的损害

图4 不同种类水溶性聚合物污染后煤层岩心渗透率恢复值

以上试验结果表明，对于未受污染的煤层岩心，增大围压会显著降低煤层岩心的渗透率；对于污染后的煤层岩心，污染压力和返排压力对煤层岩心的渗透率也有较大影响，而且当污染压力大于驱替压力时，煤层岩心渗透率恢复值很低。驱替压力的确定应参考煤层的解吸压力，污染压力应参考煤层实际钻井过程中钻井液液柱压力与煤层流体压力之间的压差。试验过程中应固定围压，且较驱替压力大1MPa。

根据以上原则，在驱替压力2MPa、污染压力2MPa和围压3MPa条件下评价了不同种类水溶性聚合物污染后煤层岩心的渗透率恢复值，结果见图4。

试验结果表明，在驱替压力和污染压力相同情况下，4种不同种类的水溶性聚合物均对煤层岩心造成很严重污染，国外钻井液材料AD680也不例外，污染后的煤层岩心渗透率恢复值都很低，而且不同种类水溶性聚合物对煤层岩心渗透率损害均较严重，渗透率恢复值均在20%以下。

2.5 破胶剂对聚合物污染的解除作用

被聚合物钻井液污染后的煤层岩心经破胶液直接浸泡和加压挤入后浸泡的试验结果分别见图5和图6。聚合物钻井液污染后的煤层岩心经破胶液直接浸泡后只能将污染端表面及浅层聚合物降解清除掉，而加压浸泡后挤入煤层岩心的破胶液还可以解除煤层岩心的深部污染，所以加压浸泡效果要明显优于直接浸泡。对于煤层气水平井采用裸眼下筛管完井而言，破胶液的作用是至关重要的，否则水溶性聚合物造成的煤层污染是难以解除的，而在洗井破胶作业中将清洁的破胶液挤入煤层进行深部破胶效果会更好。

图5 破胶液直接浸泡对污染后煤层岩心 图6 破胶液加压挤入后浸泡对污染后煤层岩心 渗透率恢复值的影响 渗透率恢复值的影响

该试验方法是在传统方法的基础上，结合煤层的特性(主要是应力敏感性，较低的储层压力和钻井过程中的压差等)，确定出适宜于煤层特点的岩心流动试验参数。

3 结论与认识

1)适合煤层特点的岩心流动试验条件为：污染压力3MPa，围压4MPa，驱替压力1～1.5MPa。由于煤层岩心具有较强的应力敏感性，在评价钻井液污染的岩心流动试验时应保持岩心夹持器围压恒定。

2)聚合物钻井液对煤层有损害作用，污染压力越大，损害程度越严重，降低钻井液的当量循环密度可以减轻这种损害。

3)污染压力是聚合物钻井液造成煤层损害的主要因素，该损害靠煤层自身能量难以解除，需要后期采用破胶技术进行解除。将破胶液挤入煤层进行深部破胶要比单纯静态浸泡效果要好。