煤層氣鉆井儲(chǔ)層保護(hù)新技術(shù)研究

彭春洋 祁麗莎 柯文麗 游 藝 歐陽云麗

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 434023)

1 我國煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀和前景

我國煤層氣的基礎(chǔ)研究起步較晚,但20世紀(jì)90年代以來進(jìn)行了大量的研究工作,尤其是國家973煤層氣項(xiàng)目研究工作的開展,使煤層氣在成因類型劃分及其判識(shí)、煤層儲(chǔ)氣機(jī)理和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、煤層氣吸附和解吸機(jī)理、煤層氣藏形成的動(dòng)力場及成藏過程、煤層氣資源評(píng)價(jià)等方面取得了較大的進(jìn)展。同時(shí),近年來通過研發(fā)和引進(jìn),煤層氣地球物理勘探、煤層氣鉆井、煤層氣完井和煤層氣增產(chǎn)技術(shù)也得到了很大的提高。深化煤層氣成藏、吸附-解吸機(jī)理等方面的研究、加強(qiáng)選區(qū)評(píng)價(jià)工作和發(fā)展羽狀水平井等先進(jìn)的開采工藝及煤層氣采出水的處理工藝是今后煤層氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)。

2 煤層氣鉆井儲(chǔ)層傷害機(jī)理研究

2.1 煤層氣儲(chǔ)層孔隙和裂隙系統(tǒng)特征研究

對(duì)于煤儲(chǔ)層來說,含氣飽和度、滲透性和儲(chǔ)層壓力是控制其可采性的最重要地質(zhì)參數(shù)。低含氣飽和度、低滲透率和低壓力是影響我國煤層氣單井和先導(dǎo)性開發(fā)試驗(yàn)井組穩(wěn)定日產(chǎn)氣量低的最重要因素。煤層氣儲(chǔ)層滲透性的主要貢獻(xiàn)來自于裂隙系統(tǒng),煤儲(chǔ)層孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征和煤儲(chǔ)層滲透性是科學(xué)評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層的重要內(nèi)容之一。

對(duì)于煤層孔隙結(jié)構(gòu)研究,目前多采用霍多特的分類方法,即將煤孔隙分成大孔 (孔徑大于1μm)、中孔 (孔徑0.1～1μm)、過渡孔或小孔 (孔徑0.01～0.1μm)、微孔 (孔徑小于0.01μm)。據(jù)我國138個(gè)樣品的壓汞測試數(shù)據(jù)顯示,煤的孔徑結(jié)構(gòu)雖然變化極大,但是在總體上則以微孔為主、過渡孔次之,中孔和大孔的比例相對(duì)較小。以沁水盆地北端煤層氣儲(chǔ)層為例,該區(qū)域儲(chǔ)層孔喉半徑多分布在0～0.1μm之間。

2.2 鉆井過程中造成煤層損害的機(jī)理研究

鉆井過程中誘發(fā)煤層氣損害的根源是鉆井液,其對(duì)煤層的傷害主要為以下幾個(gè)方面：

(1)鉆井液中固相顆粒對(duì)煤層的損害

固相顆粒主要來自鉆屑、煤粉及配漿材料。取山西柳林地區(qū)某煤樣,在正壓差為3.5MPa、溫度為50℃和時(shí)間為2h的條件下,經(jīng)過3%的膨潤土漿污染后,該煤樣氣測滲透率下降68.03%。

(2)煤與鉆井液中的高分子聚合物相互作用產(chǎn)生的堵塞

鉆井液濾液中的高分子聚合物被吸附在煤表面或堵塞在裂縫中。取山西柳林地區(qū)的某煤樣,在正壓差為3.5MPa和時(shí)間為2h的條件下,污染介質(zhì)的配方是：水+2%PAC-141+3%FT-346+0.5%K-HPAN+3%KCl,污染后煤樣氣測滲透率下降65.42%。

(3)煤基質(zhì)吸附膨脹造成的損害

將晉試1井某煤樣經(jīng)過4%KCl溶液浸泡后,氣測滲透率下降61.65%。

(4)壓力敏感性對(duì)煤層的損害

取沁水煤田煤樣,當(dāng)圍壓為10MPa時(shí),滲透率降低到初始值的20%～30%,而砂巖為原始值的90%～95%;當(dāng)煤樣有效圍壓由10MPa降低到原始值時(shí),滲透率只能恢復(fù)到原始值的50%～80%,即造成20%～50%的永久性傷害。

3 煤層氣鉆井儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)

3.1 煤層氣鉆井儲(chǔ)層保護(hù)的難點(diǎn)

由于煤是具有不同于常規(guī)油氣層的特點(diǎn),決定了煤層比常規(guī)油氣層更容易受到損害。與常規(guī)油氣層相比,煤既是生氣層又是儲(chǔ)集層,煤巖的彈性模量較低,泊松比較高,吸附能力強(qiáng) (內(nèi)表面積一般為10～40m2/g),抗壓和抗拉強(qiáng)度均較低、脆性大、易破碎、易壓縮,同時(shí)煤層割理和裂隙發(fā)育,屬典型的雙孔隙儲(chǔ)層。如果煤層的孔隙和裂縫一旦受到損害,其受傷害程度將比常規(guī)油氣層嚴(yán)重得多,不僅使氣體的滲流通道受損,而且還會(huì)影響到煤層氣的解吸過程。因此,一方面煤層極易污染,特別是受鉆井液中固相顆粒的污染;另一方面煤層破碎和高剪切應(yīng)力造成井眼不穩(wěn)定。為了保證安全鉆穿煤層,其主要措施就是提高鉆井液密度,也就是增加其固相含量,但這樣又容易污染煤層,因而實(shí)施煤層保護(hù)技術(shù)較常規(guī)油氣層更困難。

3.2 煤層氣鉆井儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)

綜合以上原因分析,煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)要點(diǎn)是：①采用低固相或無固相鉆井液;②采用欠平衡鉆井技術(shù);③采用屏蔽暫堵技術(shù);④加強(qiáng)固相控制技術(shù)。

(1)采用低固相或無固相鉆井液

鉆井液中的各種固相會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)生傷害。因此在煤儲(chǔ)層鉆進(jìn)時(shí),應(yīng)減少造漿土的含量,使用低固相或無固相鉆井液。通過加入一定量的聚合物如NH4HPAN、KPAM、XC、PHP、CMC等,使鉆井液具有“低密度、低粘度、低切力、低失水”的特性。該類型的鉆井液能減輕過大壓力對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害;減輕鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層井壁的沖刷作用;能夠迅速在井壁上形成一層薄而致密的泥餅,以封堵煤層的微裂縫,減輕濾液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。

大港油田泥漿技術(shù)服務(wù)公司在山西煤層氣鉆探中使用了低固相聚合物鉆井液。在預(yù)水化膨潤土漿中加入NH4HPAN和適量的FLOWZAN進(jìn)行處理,即可得到低固相聚合物鉆井液。典型鉆井液性能參數(shù)是：密度為1.05g/cm3,粘度30～32s,API失水量6ml,切力2/4Pa,固相含量小于4%。

(2)采用空氣鉆井和泡沫鉆井等欠平衡鉆井技術(shù),減少儲(chǔ)層裸露時(shí)間

空氣鉆井技術(shù)已被國內(nèi)外鉆井界公認(rèn)為是提高鉆井速度、縮短鉆井周期一項(xiàng)實(shí)用革命性技術(shù)。通常使用空氣鉆井可以將鉆速提高2～15倍;但并非所有的井段都適合空氣鉆井,在井壁穩(wěn)定比較好、不含水、不含硫化氫等地段可以采用空氣鉆井技術(shù);空氣鉆井對(duì)設(shè)備配套要求比較高,涉及到的主要設(shè)備包括供氣注入系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、排砂取樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及附屬配套工具等。

泡沫鉆井也是經(jīng)常使用的欠平衡鉆井技術(shù)之一。泡沫鉆井液中的表面活性劑具有兩親結(jié)構(gòu),它能夠有效地降低鉆井液體系的表面張力,相應(yīng)降低濾液在地層裂縫通道中的毛細(xì)管力,從而有利于減輕水鎖效應(yīng)。目前常用的表面活性劑有十二烷基苯磺酸鈉 (ABS)、十二烷基硫酸鈉 (K12)、OP-10、油酸鈉、太古油等,具體用量和類型應(yīng)根據(jù)泥漿體系和地層情況來確定。另外,泡沫鉆井液的低密度特性使得液柱壓力較低,有利于減少由于壓力過大而對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。

(3)采用屏蔽暫堵技術(shù)

屏蔽暫堵理論最早針對(duì)保護(hù)空隙型油氣儲(chǔ)層而提出的,已發(fā)展成為我國鉆井完井儲(chǔ)層保護(hù)的一個(gè)重要技術(shù),獲得廣泛應(yīng)用。對(duì)于中、低滲儲(chǔ)層,常規(guī)屏蔽暫堵型聚合物鉆井液體系的屏蔽暫堵效果較好,封堵率較高。

筆者認(rèn)為,應(yīng)在已獲得煤層氣儲(chǔ)層孔喉分布曲線、孔喉平均直徑和滲透率大小的基礎(chǔ)上,根據(jù)屏蔽暫堵理論,采用細(xì)目或超細(xì)目碳酸鈣等材料來研究與孔喉直徑配伍的酸溶性暫堵劑;采用羧甲基纖維素鈉、胍爾膠和魔芋等聚合物、生物酶和無機(jī)破膠劑,繼續(xù)深入研究暫堵型鉆井液,使得鉆井液在鉆進(jìn)期間有良好的護(hù)壁效果,在鉆進(jìn)結(jié)束后,聚合物自動(dòng)降解或人為破膠,從而恢復(fù)煤儲(chǔ)層的滲透性。

(4)加強(qiáng)固相控制技術(shù)

加強(qiáng)固相控制技術(shù),及時(shí)清除鉆井液中的無用固相,也是減輕鉆井液對(duì)儲(chǔ)層傷害的有效技術(shù)途徑之一。應(yīng)充分利用地表的循環(huán)槽,循環(huán)槽端面尺寸一般高200～250mm,寬300mm,長度16～25m不等,坡度在1/100～1/300之間;采用機(jī)械凈化方法,配齊振動(dòng)篩-除砂器-離心機(jī)等固控設(shè)備;結(jié)合化學(xué)凈化方法,采用PAM、PHP等化學(xué)絮凝劑清除微小固相顆粒。要確定PAM、PHP加量的多少,需做小樣實(shí)驗(yàn),不可盲目地一次性加量過大。

4 結(jié)論

論文分析了我國煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀和前景,分析研究了煤層氣鉆進(jìn)過程中的儲(chǔ)層傷害機(jī)理,針對(duì)煤層氣鉆井的儲(chǔ)層保護(hù)難點(diǎn),提出了相應(yīng)的儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù),主要得出如下結(jié)論：

(1)在煤層氣鉆井過程中,鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害來源于以下幾點(diǎn)：①鉆井液中固相顆粒對(duì)煤層的損害,②煤與鉆井液中的高分子聚合物相互作用產(chǎn)生的堵塞,③煤基質(zhì)吸附膨脹造成的損害,④壓力敏感性對(duì)煤層的造成損害;

(2)與常規(guī)油氣層相比,煤既是生氣層又是儲(chǔ)集層,煤巖的彈性模量較低,泊松比較高,吸附能力強(qiáng),抗壓和抗拉強(qiáng)度均較低、脆性大、易破碎、易壓縮,同時(shí)煤層割理和裂隙發(fā)育,儲(chǔ)層保護(hù)難度大;

(3)煤層氣鉆井儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)包括：①采用低固相或無固相鉆井液,保持鉆井液的“低密度、低粘度、低切力、低失水”特性;②推廣空氣鉆井、泡沫鉆井等欠平衡鉆井技術(shù),減少儲(chǔ)層裸露時(shí)間;③開展煤層氣鉆井屏蔽暫堵技術(shù)的研究,研究酸溶性暫堵劑和暫堵型鉆井液;④加強(qiáng)固相控制技術(shù),采用地表循環(huán)槽、機(jī)械除砂和化學(xué)除砂結(jié)合的方法,減少鉆井液中無用固相對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。

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