煤巖儲層保護技術研究進展

陳 飛 池曉明 王祖文 張 冕 韓文哲 廖樂軍

(川慶鉆探長慶井下技術作業(yè)公司，陜西 710000)

煤巖儲層保護技術研究進展

陳 飛 池曉明 王祖文 張 冕 韓文哲 廖樂軍

(川慶鉆探長慶井下技術作業(yè)公司，陜西 710000)

中國煤巖儲層具有低孔、低滲、裂縫發(fā)育但分布不均等特征，所以煤巖儲層比常規(guī)儲層更容易發(fā)生損害。煤巖儲層的損害不僅導致煤層氣采收率下降，且增加開發(fā)成本，延緩工程進程，嚴重制約煤層氣的開發(fā)效果。主要從煤層氣鉆井完井及壓裂、排采三個方面，介紹了損害發(fā)生的影響因素、過程機理、預防措施等研究進展，指出了煤層氣的開發(fā)過程中外來流體不配伍、煤粉運移和壓力變化等是誘發(fā)儲層損害的主要因素，如何保護煤巖儲層是煤層氣經(jīng)濟、高效開發(fā)的重要條件。最后提出了煤巖儲層保護技術存在的問題以及未來發(fā)展趨勢，為保護煤巖儲層發(fā)提供新的思路。

非常規(guī)儲層 煤層氣 儲層保護 儲層損害

1 煤層氣鉆完井技術發(fā)展

1.1 鉆井液對煤巖儲層的損害

(1)微粒運移、粘土膨脹造成的煤巖儲層損害

由于煤巖裂隙的孔隙度很低 (1% ～2%)，當鉆井液濾液進入煤巖后，煤基質膨脹會引起煤巖裂隙孔隙度和滲透率降低。鉆井液中的固相顆粒沿裂隙流動，殘留在孔隙中無法清除互換，從而造成儲層永久性的損害。

(2)外來流體與儲層不配伍造成的煤巖儲層損害

當外來流體與儲層中的粘土礦物不配伍時，將會引起粘土礦物水化膨脹、分散及絮凝沉淀，導致儲層滲透率降低;堿液進入儲層后，還可能與儲層流體中的無機離子結合形成鹽垢，造成儲層損害。賈軍等 (1995)通過實驗得出堿性大的鉆井液對酸性地層水的煤層氣儲層有較大損害。汪偉英(2010)指出地表水配置的鉆井液侵入時容易有結垢趨勢，輕微結垢也極有可能導致滲透率大幅度降低。

(3)固相、液相侵入造成的煤巖儲層損害

聚合物類泥漿侵入煤層造成的儲層損害聚合物類泥漿侵入煤層后，因高分子聚合物的吸附作用會引起粘土絮凝堵塞和羧基水化作用引起粘土膨脹堵塞，從而降低儲層滲透率。趙慶波、劉兵 (1998)研究了煤層在鉆井過程中的損害機理，認為鉆井液中固相顆粒侵入、鉆井液中高分子聚合物的滯留、煤基質吸附液體后膨脹以及在鉆進過程中應力加大是造成煤層氣儲層損害的主要因素。秦建強(2008)通過實驗研究指出鉆井液成分中顆粒分散的越細，顆粒侵入對煤層滲透性傷害越嚴重，并且0～0.51um的顆粒起決定作用。

1.2 鉆井液技術現(xiàn)狀

(1)煤層氣直井鉆井液技術現(xiàn)狀

自1990年起我國開始煤層氣開發(fā)以來，一直重視鉆井過程中的煤巖儲層保護。主要以保護常規(guī)儲層的鉆井液研究方法為基礎，根據(jù)煤層一些相關特性進行改進。如煤層屬裂縫性地層和煤本身具有親油性，在鉆井液中通常添加磺化瀝青，以希望通過磺化瀝青在煤層表面形成泥餅，而起到防塌、防漏作用。實際應用中，磺化瀝青不能在煤層表面形成致密封堵層。儲層的保護未能達到應有的效果。

2000年以后，主要是以低固相、低密度鉆井液被廣泛用于煤層氣開發(fā)。其特點是pH值較低，濾失量小，泥餅致密光滑，可以起到保護井壁和煤層的作用;由于固相質量分數(shù)低，鉆井液性能穩(wěn)定，維護處理簡單，可以節(jié)約鉆井液材料費用。它的基礎配方由膨潤土、純堿和多功能處理劑構成。在基礎配方中加入低粘增效粉形成低固相鉆井液體系。在基礎配方上通過儲層巖石表面形成橋式膠體結構，阻止外來顆粒和濾液侵入的MMH正電膠體系鉆井液技術。

由于PHPA(水解聚丙烯酰胺)起到絮凝鉆井液中鉆屑和劣質粘土、改善鉆井液流動性、減小摩阻、提高鉆速的作用;鈉羧甲基纖維素 (CMC)或聚丙烯腈銨鹽 (NPAN)降失水劑可降低鉆井液濾失量，抑制泥巖水化膨脹和保持井壁穩(wěn)定，提高鉆井液懸浮和攜帶巖屑能力;潤滑劑可提高鉆井液的潤滑攜砂能力，減少鉆具回轉阻力;超細碳酸鈣等暫堵劑具有封堵煤巖割理的作用。由以上成份形成的低固相鉆井液體系也可應用于煤層氣開發(fā)。

煤層氣儲層保護始終圍繞著屏蔽暫堵技術。煤屬非均一組成的有機化合物，其性質極其復雜，鉆井液在其上不能形成致密的泥餅，因而屏蔽暫堵效果較差。

煤是一種含多孔介質的大分子聚合物，具有大分子聚合物的一些特點，如很強的吸收或吸附各種液體和氣體而發(fā)生煤巖基質膨脹的能力。為了保護煤儲層的需要，上世紀80年代美國普遍使用清水作為鉆井液。我國目前煤層氣儲層鉆井也采用清水作為鉆井液在煤層段鉆進，這是因為煤儲層的裂隙中充滿水和成本低。但是我國儲層特點不同于美國，且它的缺點是易發(fā)生坍塌和漏失，影響安全鉆井。

(2)煤層氣多分支水平井鉆井液技術現(xiàn)狀

多分支水平井能增加有效供給范圍，提高導流能力和單井產(chǎn)量，特別適合我國低孔、低滲、低壓和高煤階煤層氣開發(fā)的需要。然而，多分支水平井由于與儲層接觸面積大，其儲層保護問題一直備受關注。為了達到保護煤儲層的目的，目前我國多分支井常用的是欠平衡充氣鉆井，應用充氣方法降低井筒液柱壓力，達到欠平衡保護煤儲層的目的。杜鶴等 (2010)指出在煤層氣水平井鉆井應用甲酸鹽+PD09鉆井液體系能夠很好的保護儲層，預防防塌，降低損害。

1.3 鉆井壓力對儲層的損害

鉆井壓力變化對儲層的損害通常由壓力變化造成。由于煤層氣儲層具有較強的應力敏感性，并具有不可逆性，試驗證明當圍壓增加以后，煤巖滲透率降低，圍壓降低后，滲透率不能完全恢復，且降低幅度較大，而鉆井過程中壓力變化不可避免，因此容易造成儲層滲透率降低。

2 煤層氣壓裂液發(fā)展

水力壓裂是目前國內(nèi)外煤層氣井增產(chǎn)的主要技術手段。美國煤層氣井中90%以上經(jīng)過水力壓裂改造，目前我國的煤層氣井幾乎全都進行了壓裂施工。而壓裂過程中對煤巖儲層造成的損害是其增產(chǎn)效果不理想的重要原因。

2.1 壓裂液對煤層基質的損害

壓裂液對煤層基質的損害主要是由于壓裂液的濾失造成的。主要表現(xiàn)在:

(1)堵塞滲流通道。由于壓裂液濾餅不一定沿著整個裂縫壁面形成，滲流通道堵塞所造成的煤層滲透率損害較砂巖地層更為嚴重。如果煤層薄，孔隙度低而滲透率高，壓裂液在煤層中的侵入會更深，潛在的損害比預想的要嚴重得多。煤巖儲層滲流通道堵塞損害通?？煞譃槟z液殘渣堵塞損害、煤粉堵塞傷害和機械雜質堵塞損害。

(2)壓裂液體被煤巖吸附。煤是由許多相似結構單元構成的高分子化合物，因此煤巖儲層與砂巖儲層不同，有很強的吸附或吸收各類液體和氣體的能力。煤層吸附液體的后果之一是造成煤基質的膨脹，膨脹程度取決于液體的化學性質。煤巖總的孔隙度僅為1%～2%，即使壓裂液發(fā)生吸附導致基質的膨脹極其輕微，也會引起割理孔隙度及滲透率大幅下降。而由于煤質對液體的吸附和所引起的基質膨脹過程是不可逆的，通過降壓解除吸附在煤層上的液體化學劑難以實現(xiàn)，因此煤質與液體化學劑接觸會對煤巖儲層滲透率及孔隙度造成嚴重的損害。

R Puri等人 (1991)利用美國圣胡安盆地和黑勇士盆地的煤芯首次研究了煤樣吸附交聯(lián)凍膠壓裂液的破膠過濾液引起滲透率的損害。研究表明，煤樣吸附液體引起煤基質的膨脹會導致煤樣滲透率受到巨大的傷害，用酸或水沖洗煤樣以恢復滲透率均未獲得成功。此后，國內(nèi)外學者進一步研究了煤層吸附壓裂液引起的傷害。叢連鑄等人 (2007)通過無煙煤和長焰煤對壓裂液的吸附試驗及IR分析發(fā)現(xiàn)，煤樣對有機成分有更強的吸附性能。陳進等人 (2008)通過實驗研究指出隨著溫度的升高，各種配方的壓裂液對煤樣的吸附損害均減小，稠化劑HPG(特)的濃度逐漸增大，煤樣對壓裂液的吸附量增大。

線性膠和交聯(lián)凍膠破膠液對煤層的傷害率在60%左右，有的甚至更高，活性水和清潔壓裂液的傷害率一般為10%～30%。研究發(fā)現(xiàn)壓裂液殘渣對支撐裂縫導流能力傷害顯著。

(3)壓裂液與儲層不配伍

壓裂液與儲層流體乳化造成的乳化堵塞。用水基壓裂液時，壓裂液與流體互不相容，形容乳化液。乳化液中的分散相通過毛管、喉道產(chǎn)生賈敏損害。壓裂液與儲層溫度不配伍，對儲層冷卻造成的溫度損害。

2.2 壓裂液技術現(xiàn)狀

(1)活性水壓裂液

活性水壓裂液屬于清水壓裂液的一種，清水壓裂液就是防膨清水或加有降阻劑的水。20世紀80年代中后期，在美國的圣勇士盆地和黑勇士盆地大規(guī)模使用，取得良好效果。采用活性水壓裂液，施工中常存在兩個問題:第一，摩阻高限制了施工排量和施工規(guī)模，進而影響壓裂整體效果;第二，煤層壓裂施工中產(chǎn)生的煤粉不易分散于壓裂液中，從而極易聚集起來阻塞壓裂裂縫的前緣，改變裂縫的方向。在裂縫前緣形成一個阻力屏障，導致壓裂處理壓力過高，增加了施工難度。此外，壓裂施工中產(chǎn)生的煤粉在支撐裂縫中運移、沉積堵塞支撐裂縫的孔喉通道，引起壓裂裂縫導流能力降低，影響煤層氣的解吸，最終導致氣產(chǎn)量的降低。

(2)清潔壓裂液

清潔壓裂液或稱為粘彈性表面活性劑壓裂液，是一種基于粘彈性表面活性劑的溶液。返排過程中，常規(guī)壓裂液破膠不徹底，對油氣藏滲透率造成很大傷害。清潔壓裂液是為解決這一問題而開發(fā)研制的一種新型壓裂液體系。目前國內(nèi)外廣泛使用的清潔壓裂液主要為長鏈脂肪酸鹽衍生物所形成的季銨鹽作為表面活性劑加入到氯化鉀、氯化鎂、氯化銨、氯甲基四銨或水楊酸鈉溶液中配制而成。

(3)泡沫壓裂液

泡沫壓裂液由于對煤巖儲層傷害小、返排能力強、濾失量低、壓裂效率高、粘度高、攜砂能力強等特點。目前國內(nèi)外使用的泡沫壓裂液主要是CO2、N2，但是由于成本較高，一直沒有得到廣泛的應用。

2.3 應力集中造成的損害

由于煤層本身的低滲透和可塑性，煤層水力壓裂在導致裂隙擴張的同時，受壓裂和支撐劑嵌入的影響，在裂縫壁面附近會形成應力的集中區(qū)，將形成“壓縮帶”，水力裂縫形成的同時壓縮了其他天然裂隙，從而降低了水力裂縫周圍煤巖的儲層滲透率，造成儲層損害，影響壓裂效果。

3 煤層氣排采工藝技術進展

煤層氣的開采方式主要通過排水降壓使吸附在煤層中的甲烷氣體解吸來實現(xiàn)的，需要長期、連續(xù)、穩(wěn)定的排水降壓。由于沒有成熟排采技術可借鑒，每個區(qū)塊目前只能不斷摸索、積累經(jīng)驗，但排采的過程中不可避免造成儲層損害，導致煤層氣井的產(chǎn)能下降或報廢。

3.1 煤層氣排采過程中造成的損害機理

(1)煤粉堵塞損害

煤巖儲層受到外力作用與煤巖表面的剪切與磨損作用產(chǎn)生了大量的煤粉及大小不一的煤碎屑。煤巖的微粒在排采過程中會發(fā)生運移，運移到較窄的裂縫處，會形成架橋堵塞裂縫，因此容易造成儲層滲透率降低。田文濤等 (2011)等指出排采過程的煤粉運移發(fā)生使得儲層滲透性嚴重降低，最終致使煤層氣井既不產(chǎn)水也不產(chǎn)氣。湯繼丹等 (2011)指出在沁水盆地排采過程中裂隙、人工裂縫被煤粉堵塞，導致煤層滲透性的永久性損害，使得氣、水產(chǎn)量難以達到理想狀態(tài)。張公社等 (2011)研究了煤層氣儲層煤粉運移規(guī)律，指出了裂縫寬度、流動速度、煤粉粒徑與出粉量、滲透率的關系。

(2)應力損害

排采中的壓力變化產(chǎn)生的損害在煤層氣排采初期，有效水平應力起主導作用，隨著有效應力的增大，滲透率逐漸減小;當割理內(nèi)部流體壓力降低到解吸壓力之后，由于基質收縮，滲透率可得到一定程度恢復 (表1)。

表1 應力效應對煤巖儲層滲透率的影響研究

3.2 煤層氣排采技術的發(fā)展

我國目前主要采用桿泵、螺桿泵和電潛泵油管排水，套管采氣的方法。煤層氣的排采根據(jù)多年開發(fā)總結得出需要“連續(xù)、穩(wěn)定、漸變”，排采制度直接影響煤粉的運移和應力的變化，是關系到煤層氣井產(chǎn)量的最關鍵環(huán)節(jié)之一，國內(nèi)越來越關注排采強度的研究。

蘇俊 (2011)提出煤層氣直井“五段三壓法”科學排采控制制度，其管理核心是井底流壓和煤粉。五段分別為排水段、憋壓、控壓段、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)段、衰竭段。三個壓力指井底流壓、解吸壓力、地層壓力。張義、鮮保安等 (2010)指出排采過程中套壓和排采速度的合理控制是獲得高產(chǎn)的關鍵，煤層氣排采的原則是“緩慢-長期-持續(xù)-穩(wěn)定”。排采過程中套壓控制不合理、排采速度過快或長時間停泵停抽，易造成煤粉堵塞、煤儲層應力傷害等，致使開發(fā)直井單井產(chǎn)量大幅降低且無法恢復。

排采強度是排采制度中最重要的工作，倪小明等 (2007)以沁南區(qū)塊現(xiàn)場排采數(shù)據(jù)為基礎，用微分幾何學理論和達西定律對煤層氣井排采初期最佳排采強度進行理論推導，建立了排采強度計算公式。

4 結論

國外對煤層氣儲層損害的研究報道較少，主要集中在對壓裂液的敏感性和應力場的敏感性上，主要結論為煤巖應力敏感性損害強，鉆井液和壓裂液中的高分子聚合物對煤層氣儲層的堵塞損害比對砂巖要大的多。然而，關于工作液鹽、流速對煤層滲透性的影響以及表面活性劑在煤巖中的作用情況等都未詳細研究。煤層由于其低孔低滲、裂隙發(fā)育及吸附性等特點，決定了它更容易被損害，在煤層氣的開發(fā)當中要注重煤層的保護工作。綜合以上研究，得出以下結論:

(1)鉆井過程中主要是液體不配伍，固相、液相侵入造成的損害，完善鉆井液體系，研究完成適合保護煤層的屏蔽暫堵技術。

(2)壓裂液體系應該主要采用活性水或者清潔壓裂液，但是活性水壓裂煤層存在管路摩阻高、煤粉不易分散的問題，加入降阻劑、分散劑又會帶給儲層損害，必須優(yōu)選添加劑;清潔壓裂液存在成本相對較高的問題，必須做好回收利用。

(3)煤巖儲層存在強應力敏感，所以在施工中特別是排采中，應避免因排采速度過快造成的應力損害。

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The Research Progress of Coal Reservoir Protection Techniques

Chen Fei，Chi Xiaoming，Wang Zuwen，Zhang Mian，Han Wenzhe，Liao Lejun
(Changqing Underground Technical Service Company，Shaanxi 710000)

Coalbed formation has the characteristic of low-porosity，low-permeability，and developedfracture but heterogeneous distribution in China.Therefore，compared to conventional formation，the formation of CBM has more possibility to be damaged.The formation damage of CBM can not only make the EOR of CBM declines，but also increase cost，delay engineering progress and seriously restrict development effect of CBM.Based on three progresses of drilling and completion，fracturing and drainage gas recovery，this paper introduces the influencing factors，progress mechanism and prevention action of the cause of formation damage.The paper points out factors such as incompatibility of foreign fluid，migration of pulverized coal and the change of pressure are the main causes of CBM formation damage.It also indicates that formation protection is a key point of economically and efficiently developing CBM resource.In the end，the paper put forward the existing problem and development tendency of the of CBM formation protection technology.It provides a new idea for the CBM formation protection technology.

Unconventional reservoir;coalbed methane;reservoir protection;formation damage

陳飛，博士后，研究方向為非常規(guī)油氣資源開發(fā)。層氣開發(fā)的經(jīng)驗，在煤巖儲層保護方面沿用低滲透油氣藏儲層保護的思路，以滲流理論為基礎，建立相應的配套工藝。其結果很可能是所鉆煤層氣井都產(chǎn)氣，但日產(chǎn)量低，達不到工業(yè)化開采的要求。因此，基于我國煤巖儲層實際情況的儲層保護研究，對高效開發(fā)煤層氣資源具有重要意義。

煤巖儲層與常規(guī)儲層相比，滲透率更低、孔隙度更小及微裂隙發(fā)育導致其更易發(fā)生損害，且不可逆。以往我國煤層氣開發(fā)基本上是消化吸收美國煤

(責任編輯 劉 馨)