寧武盆地煤層氣儲層敏感性研究及鉆井液技術(shù)

凡帆， 鄭玉輝， 呂海燕（.川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院·低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安700；.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安700）

凡帆等.寧武盆地煤層氣儲層敏感性研究及鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：48-51.

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寧武盆地煤層氣儲層敏感性研究及鉆井液技術(shù)

凡帆1， 鄭玉輝1， 呂海燕2
（1.川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院·低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710021；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710021）

凡帆等.寧武盆地煤層氣儲層敏感性研究及鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：48-51.

摘要對寧武盆地煤層氣儲層進(jìn)行了應(yīng)力敏感、堿敏和水敏評價實驗。研究結(jié)果表明，寧武盆地煤層氣儲層為強(qiáng)應(yīng)力敏感性、中等堿敏性和中等偏強(qiáng)水敏性。提出通過控制鉆井液密度和pH值、提高鉆井液的封堵性和抑制性，降低鉆井液對儲層傷害的技術(shù)思路，并研究出一套適合煤層氣井的封堵成膜CQ-FDC鉆井液：（0.2%～0.3%） 有機(jī)硅G304+（2%～5%）復(fù)合鹽FHY-2+（0.3%～0.5%）提黏劑G310+（1%～3%）降濾失劑G301+（1%～2%）封堵劑G325+NaOH。室內(nèi)評價結(jié)果表明，該鉆井液12 h線性膨脹降低率為71.56%，具有良好的抑制性；儲層保護(hù)效果好，對儲層4#煤和9#煤的傷害率小于15%。該鉆井液技術(shù)在寧武盆地煤層氣井現(xiàn)場試驗了6口井，均取得成功，其平均井徑擴(kuò)大率為15.77%，對儲層巖心的平均傷害率為16.73%，利于保護(hù)儲層，且平均機(jī)械鉆速較高。

關(guān)鍵詞煤層氣井；儲層敏感性；鉆井完井液；抑制性；寧武盆地

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

寧武盆地煤層埋深300～1 500 m， 含氣面積876 km2，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組9#煤層和二疊系下統(tǒng)山西組4#煤層。其中9#煤層厚度為8～14 m，分布穩(wěn)定，煤層滲透率普遍為0.1×10-3～1.0×10-3μm2，孔隙度為3.97%～5.2%，屬于特低滲透、低壓煤層氣田；在煤層氣鉆井施工中由于煤層孔隙裂隙發(fā)育、地層壓力低和地層水敏性等特點，鉆井液中固相、液相、氣相的侵入會造成儲層的傷害，同時水平井裸露段長，煤層易受傷害；此外，煤巖常常與泥頁巖互層，往往含有水敏性黏土礦物，保護(hù)儲層難度大，嚴(yán)重制約了煤層氣的開發(fā)。通過對煤層氣儲層敏感性進(jìn)行評價，確定了煤層的傷害機(jī)理，形成了一套適合于寧武盆地煤層氣儲層保護(hù)要求的鉆井液體系[1-5]。

1　煤巖敏感性實驗研究

1.1 應(yīng)力敏感性

應(yīng)力敏感性評價實驗的目的在于了解巖石所受凈上覆壓力改變時孔喉喉道變形、裂縫閉合或張開的過程，并導(dǎo)致巖石滲流能力變化的程度[6]。應(yīng)力對煤巖滲透率的影響如表1所示。從表1可以看出，隨著圍壓增加，對煤巖所造成的損害率非常大（大于70%），圍壓降低后，煤巖的滲透率恢復(fù)值很小，即使圍壓可降低到原始值，對煤巖的損害率高于50%，屬于強(qiáng)應(yīng)力傷害。鉆井過程中的壓力變化，很可能引起煤層發(fā)生這種變化。這就要求在煤層氣開發(fā)的各個環(huán)節(jié)中盡量避免由應(yīng)力敏感性造成的損害，特別是盡量降低鉆井液密度，減小鉆井液與儲層之間的正壓差，在滿足井下安全的前提下實現(xiàn)近平衡壓力鉆井。

表1　圍壓變化對煤巖滲透率的影響（驅(qū)替壓力為3.5 MPa）

1.2 堿敏性

如表2所示，煤巖滲透率隨KCl鹽水pH值的升高而降低，pH值過高的強(qiáng)堿性鉆完井液會與呈弱酸性的煤層氣儲層中的HCO3-反應(yīng)，產(chǎn)生易沉淀的CO32-離子，因此鉆井液的pH值不要超過9，煤巖的堿敏程度屬于中等堿敏性[2-4]。

表2　不同煤巖的堿敏性實驗數(shù)據(jù)

1.3 水敏性

水敏性實驗的目的在于評價產(chǎn)生黏土膨脹或微粒運(yùn)移時引起儲層滲透率變化的最大程度[2-4]。實驗過程中依次向煤巖注入模擬地層水、模擬次地層水和蒸餾水，結(jié)果見表3。實驗結(jié)果表明，煤巖的水敏程度屬于中等偏強(qiáng)水敏性，因此設(shè)計的鉆井液體系不僅要有強(qiáng)的抑制性，還需要較強(qiáng)的封堵性，盡量減少濾液侵入儲層。

表3　煤巖的水敏性實驗結(jié)果

2　鉆井液室內(nèi)研究

結(jié)合煤層氣儲層潛在傷害因素及機(jī)理分析，制定的鉆井液的技術(shù)思路為：強(qiáng)的封堵性、具有良好的抑制性、合理的鉆井液密度和低的pH值。

2.1 鉆井液的基本配方

按照以上研究思路，開展了大量提黏劑、降濾失劑、封堵劑等處理劑篩選實驗，研發(fā)出了封堵成膜CQ-FDC鉆井液體系，其性能見表4，配方如下。

（0.2%～0.3%） 有機(jī)硅G304+（2%～5%）復(fù)合鹽FHY-2+（0.3%～0.5%）提黏劑 G310+（1%～3%）降濾失劑G301+（1%～2%） 封堵劑G325+NaOH

表4　鉆井液性能參數(shù)

2.2 鉆井液抑制性

優(yōu)選一種有機(jī)硅抑制劑與復(fù)合鹽進(jìn)行復(fù)配，G304分子中的Si—OH鍵容易與黏土上的Si—OH鍵縮聚成Si—O—Si鍵，形成牢固的化學(xué)吸附，可在黏土表面形成一層鉀基朝外的CH3—Si≡吸附層，使黏土由親水反轉(zhuǎn)成親油，阻止或減緩了黏土表面和層間的水化作用；FHY-2能降低水的活度，增強(qiáng)抑制性，復(fù)配作用效果更好。利用頁巖膨脹儀測試鉆井液對膨潤土的巖心線性膨脹率，結(jié)果見圖1。

圖1　巖心的線性膨脹實驗

由圖1可知，膨潤土在鉆井液中的膨脹量在48 h后為1.74 mm，而使用清水的膨潤土膨脹量在12 h就達(dá)到4.29 mm，12 h線性膨脹降低率為71.56 %，48 h線性膨脹降低率為68.36%。結(jié)果表明，有機(jī)硅G304和復(fù)合鹽FHY-2復(fù)配，使得膨潤土在鉆井液中的線性膨脹量明顯降低，能夠抑制煤巖中黏土礦物的水化膨脹和分散，減少對儲層的損害。

2.3 儲層保護(hù)性

實驗分別取煤層氣井MBS26-9、MBS26-10、MBS26-11井不同井深的鉆井液，用山西組4#煤和太原組9#煤巖的露頭煤巖鉆取巖心，在模擬現(xiàn)場條件下按照動態(tài)模擬現(xiàn)場鉆井液損害時的實驗步驟，測定了鉆井液損害后巖心的滲透率恢復(fù)值，結(jié)果見表5。由表5可以看出，煤層氣井現(xiàn)場所用的鉆井液對煤巖儲層的傷害大，在切除了傷害端面5 mm后，測得的滲透率平均恢復(fù)率也不高于66%。說明鉆井液對儲層的侵入深度大是造成儲層傷害的主要原因之一。

表5　煤層氣井現(xiàn)場鉆井液儲層保護(hù)效果實驗數(shù)據(jù)

所選的封堵劑 G325的粒度分布范圍主要是在1～100 μm之間，其中在10 μm左右達(dá)到了峰值，而煤層的孔隙一般是在10～100 μm之間，表明該封堵劑與煤巖的孔隙尺寸有很好的配伍性，能對儲層進(jìn)行有效封堵。測定封堵成膜CQ-FDC鉆井液體系損害后巖心的滲透率恢復(fù)值，結(jié)果見表6。

表6　封堵成膜CQ-FDC鉆井液巖心傷害實驗數(shù)據(jù)

上述實驗結(jié)果表明，4#煤和9#煤在切除傷害端面5 mm后煤巖平均傷害恢復(fù)率能達(dá)到85%以上，說明該鉆井液體系能阻止鉆井液的侵入，對于儲層造成的損害在后期的射孔壓裂中能輕松解除。

3　現(xiàn)場試驗及應(yīng)用情況

寧武盆地煤層氣井井身結(jié)構(gòu)為二開結(jié)構(gòu)，二開為斜井段，研究的封堵成膜CQ-FDC鉆井液體系在武1-4、武1-5井等6口井得到成功應(yīng)用?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該鉆井液能提高煤巖表面形成的泥餅質(zhì)量，提高承壓能力，解決了寧武盆地煤層氣井井壁失穩(wěn)和儲層保護(hù)等難題。

1）井壁穩(wěn)定防塌性好。鉆進(jìn)期間無坍塌、無卡鉆事故，起下鉆順暢，測井、下套管施工順利，從而極大地提高了鉆井施工的效率，6口井平均井徑擴(kuò)大率為15.77%（見圖2）。

圖2　試驗前后井徑擴(kuò)大率對比圖

2）儲層保護(hù)效果好。對現(xiàn)場儲層段鉆井液取樣，經(jīng)室內(nèi)煤巖巖心傷害評價得到，武1-5、武1-4、武15-1、 武15-2、 MBS26-11、 武15-3井的傷害率分別為14.83%、17.66%、17.46%、16.76%、17.28%和16.39%，寧武盆地煤層氣井儲層巖心經(jīng)過鉆井液傷害后，巖心平均傷害率為16.73%，證明該鉆井液具有較好的成膜封堵性，傷害基本集中在傷害端面，在后期的射孔也可以解除。

3）提速效果明顯?，F(xiàn)場試驗井表明，該鉆井液體系提高機(jī)械鉆速作用明顯，其中在武1-5井二開井段（井徑為222 mm）平均機(jī)械鉆速為15.2 m/h，高于該區(qū)塊的平均機(jī)械鉆速13.32 m/h。

4　結(jié)論

1.引起寧武盆地煤層氣儲層的傷害主要是應(yīng)力敏感、堿敏和水敏，針對儲層敏感性結(jié)果，研制出了一套封堵成膜CQ-FDC鉆井液體系。

2.該鉆井液技術(shù)進(jìn)行了6口井的試驗，經(jīng)室內(nèi)巖心傷害評價證明，該鉆井液技術(shù)保護(hù)儲層效果好，解決了寧武盆地煤層氣井儲層保護(hù)的難題。

3.擴(kuò)大該鉆井液體系的應(yīng)用范圍，繼續(xù)加大該鉆井液體系在煤層氣井尤其是煤層氣水平井中的應(yīng)用，通過實踐進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)鉆井液配方。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期（2015-11-15；HGF=1601N7；編輯 王小娜）

作者簡介：第一凡帆，工程師，1986年生，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，現(xiàn)在從事鉆完井液技術(shù)研究工作。 電話 （029）86594778；E-mail：gcy_fan043@cnpc.com.cn。

基金項目：中國石油川慶鉆探工程有限公司科技項目“山西、陜西煤層氣安全鉆井及儲層保護(hù)鉆井液技術(shù)研究”（CQ2012B-8-2-3）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.010

中圖分類號：TE254.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0048-04