彭春洋 祁丽莎 柯文丽 游 艺 欧阳云丽

(长江大学石油工程学院,湖北 434023)

1 我国煤层气勘探开发现状和前景

我国煤层气的基础研究起步较晚,但20世纪90年代以来进行了大量的研究工作,尤其是国家973煤层气项目研究工作的开展,使煤层气在成因类型划分及其判识、煤层储气机理和储层评价、煤层气吸附和解吸机理、煤层气藏形成的动力场及成藏过程、煤层气资源评价等方面取得了较大的进展。同时,近年来通过研发和引进,煤层气地球物理勘探、煤层气钻井、煤层气完井和煤层气增产技术也得到了很大的提高。深化煤层气成藏、吸附-解吸机理等方面的研究、加强选区评价工作和发展羽状水平井等先进的开采工艺及煤层气采出水的处理工艺是今后煤层气勘探开发的重点。

2 煤层气钻井储层伤害机理研究

2.1 煤层气储层孔隙和裂隙系统特征研究

对于煤储层来说,含气饱和度、渗透性和储层压力是控制其可采性的最重要地质参数。低含气饱和度、低渗透率和低压力是影响我国煤层气单井和先导性开发试验井组稳定日产气量低的最重要因素。煤层气储层渗透性的主要贡献来自于裂隙系统,煤储层孔裂隙系统发育特征和煤储层渗透性是科学评价煤储层的重要内容之一。

对于煤层孔隙结构研究,目前多采用霍多特的分类方法,即将煤孔隙分成大孔 (孔径大于1μm)、中孔 (孔径0.1～1μm)、过渡孔或小孔 (孔径0.01～0.1μm)、微孔 (孔径小于0.01μm)。据我国138个样品的压汞测试数据显示,煤的孔径结构虽然变化极大,但是在总体上则以微孔为主、过渡孔次之,中孔和大孔的比例相对较小。以沁水盆地北端煤层气储层为例,该区域储层孔喉半径多分布在0～0.1μm之间。

2.2 钻井过程中造成煤层损害的机理研究

钻井过程中诱发煤层气损害的根源是钻井液,其对煤层的伤害主要为以下几个方面：

(1)钻井液中固相颗粒对煤层的损害

固相颗粒主要来自钻屑、煤粉及配浆材料。取山西柳林地区某煤样,在正压差为3.5MPa、温度为50℃和时间为2h的条件下,经过3%的膨润土浆污染后,该煤样气测渗透率下降68.03%。

(2)煤与钻井液中的高分子聚合物相互作用产生的堵塞

钻井液滤液中的高分子聚合物被吸附在煤表面或堵塞在裂缝中。取山西柳林地区的某煤样,在正压差为3.5MPa和时间为2h的条件下,污染介质的配方是：水+2%PAC-141+3%FT-346+0.5%K-HPAN+3%KCl,污染后煤样气测渗透率下降65.42%。

(3)煤基质吸附膨胀造成的损害

将晋试1井某煤样经过4%KCl溶液浸泡后,气测渗透率下降61.65%。

(4)压力敏感性对煤层的损害

取沁水煤田煤样,当围压为10MPa时,渗透率降低到初始值的20%～30%,而砂岩为原始值的90%～95%;当煤样有效围压由10MPa降低到原始值时,渗透率只能恢复到原始值的50%～80%,即造成20%～50%的永久性伤害。

3 煤层气钻井储层保护技术

3.1 煤层气钻井储层保护的难点

由于煤是具有不同于常规油气层的特点,决定了煤层比常规油气层更容易受到损害。与常规油气层相比,煤既是生气层又是储集层,煤岩的弹性模量较低,泊松比较高,吸附能力强 (内表面积一般为10～40m2/g),抗压和抗拉强度均较低、脆性大、易破碎、易压缩,同时煤层割理和裂隙发育,属典型的双孔隙储层。如果煤层的孔隙和裂缝一旦受到损害,其受伤害程度将比常规油气层严重得多,不仅使气体的渗流通道受损,而且还会影响到煤层气的解吸过程。因此,一方面煤层极易污染,特别是受钻井液中固相颗粒的污染;另一方面煤层破碎和高剪切应力造成井眼不稳定。为了保证安全钻穿煤层,其主要措施就是提高钻井液密度,也就是增加其固相含量,但这样又容易污染煤层,因而实施煤层保护技术较常规油气层更困难。

3.2 煤层气钻井储层保护技术

综合以上原因分析,煤层气储层保护技术要点是：①采用低固相或无固相钻井液;②采用欠平衡钻井技术;③采用屏蔽暂堵技术;④加强固相控制技术。

(1)采用低固相或无固相钻井液

钻井液中的各种固相会对煤储层产生伤害。因此在煤储层钻进时,应减少造浆土的含量,使用低固相或无固相钻井液。通过加入一定量的聚合物如NH4HPAN、KPAM、XC、PHP、CMC等,使钻井液具有“低密度、低粘度、低切力、低失水”的特性。该类型的钻井液能减轻过大压力对煤储层的伤害;减轻钻井液对煤储层井壁的冲刷作用;能够迅速在井壁上形成一层薄而致密的泥饼,以封堵煤层的微裂缝,减轻滤液对煤储层的伤害。

大港油田泥浆技术服务公司在山西煤层气钻探中使用了低固相聚合物钻井液。在预水化膨润土浆中加入NH4HPAN和适量的FLOWZAN进行处理,即可得到低固相聚合物钻井液。典型钻井液性能参数是：密度为1.05g/cm3,粘度30～32s,API失水量6ml,切力2/4Pa,固相含量小于4%。

(2)采用空气钻井和泡沫钻井等欠平衡钻井技术,减少储层裸露时间

空气钻井技术已被国内外钻井界公认为是提高钻井速度、缩短钻井周期一项实用革命性技术。通常使用空气钻井可以将钻速提高2～15倍;但并非所有的井段都适合空气钻井,在井壁稳定比较好、不含水、不含硫化氢等地段可以采用空气钻井技术;空气钻井对设备配套要求比较高,涉及到的主要设备包括供气注入系统、旋转控制系统、排砂取样系统、数据采集处理系统及附属配套工具等。

泡沫钻井也是经常使用的欠平衡钻井技术之一。泡沫钻井液中的表面活性剂具有两亲结构,它能够有效地降低钻井液体系的表面张力,相应降低滤液在地层裂缝通道中的毛细管力,从而有利于减轻水锁效应。目前常用的表面活性剂有十二烷基苯磺酸钠 (ABS)、十二烷基硫酸钠 (K12)、OP-10、油酸钠、太古油等,具体用量和类型应根据泥浆体系和地层情况来确定。另外,泡沫钻井液的低密度特性使得液柱压力较低,有利于减少由于压力过大而对煤储层的伤害。

(3)采用屏蔽暂堵技术

屏蔽暂堵理论最早针对保护空隙型油气储层而提出的,已发展成为我国钻井完井储层保护的一个重要技术,获得广泛应用。对于中、低渗储层,常规屏蔽暂堵型聚合物钻井液体系的屏蔽暂堵效果较好,封堵率较高。

笔者认为,应在已获得煤层气储层孔喉分布曲线、孔喉平均直径和渗透率大小的基础上,根据屏蔽暂堵理论,采用细目或超细目碳酸钙等材料来研究与孔喉直径配伍的酸溶性暂堵剂;采用羧甲基纤维素钠、胍尔胶和魔芋等聚合物、生物酶和无机破胶剂,继续深入研究暂堵型钻井液,使得钻井液在钻进期间有良好的护壁效果,在钻进结束后,聚合物自动降解或人为破胶,从而恢复煤储层的渗透性。

(4)加强固相控制技术

加强固相控制技术,及时清除钻井液中的无用固相,也是减轻钻井液对储层伤害的有效技术途径之一。应充分利用地表的循环槽,循环槽端面尺寸一般高200～250mm,宽300mm,长度16～25m不等,坡度在1/100～1/300之间;采用机械净化方法,配齐振动筛-除砂器-离心机等固控设备;结合化学净化方法,采用PAM、PHP等化学絮凝剂清除微小固相颗粒。要确定PAM、PHP加量的多少,需做小样实验,不可盲目地一次性加量过大。

4 结论

论文分析了我国煤层气勘探开发现状和前景,分析研究了煤层气钻进过程中的储层伤害机理,针对煤层气钻井的储层保护难点,提出了相应的储层保护技术,主要得出如下结论：

(1)在煤层气钻井过程中,钻井液对储层的伤害来源于以下几点：①钻井液中固相颗粒对煤层的损害,②煤与钻井液中的高分子聚合物相互作用产生的堵塞,③煤基质吸附膨胀造成的损害,④压力敏感性对煤层的造成损害;

(2)与常规油气层相比,煤既是生气层又是储集层,煤岩的弹性模量较低,泊松比较高,吸附能力强,抗压和抗拉强度均较低、脆性大、易破碎、易压缩,同时煤层割理和裂隙发育,储层保护难度大;

(3)煤层气钻井储层保护技术包括：①采用低固相或无固相钻井液,保持钻井液的“低密度、低粘度、低切力、低失水”特性;②推广空气钻井、泡沫钻井等欠平衡钻井技术,减少储层裸露时间;③开展煤层气钻井屏蔽暂堵技术的研究,研究酸溶性暂堵剂和暂堵型钻井液;④加强固相控制技术,采用地表循环槽、机械除砂和化学除砂结合的方法,减少钻井液中无用固相对煤储层的伤害。

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