煤層氣水平井聚合物鉆井液對(duì)煤層損害試驗(yàn)研究

馬二龍，都誠(chéng)，劉亦凡，魯盈，胡偉，岳前升 (長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

中國(guó)煤層氣單井產(chǎn)量普遍較低，為提高單井產(chǎn)能，利用水平井開(kāi)采煤層氣比較廣泛[1，2]，在水平井鉆井作業(yè)過(guò)程中，煤層保護(hù)和井壁穩(wěn)定之間的矛盾尚未有效解決。聚合物鉆井液也常用于煤層水平井段鉆進(jìn)，這些聚合物的使用在提高煤層井壁穩(wěn)定能力的同時(shí)，也帶來(lái)了煤層污染與損害問(wèn)題[3～11]，目前煤層損害的評(píng)價(jià)方法尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，基本參照油氣儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)方法，但該評(píng)價(jià)參數(shù)和方法與煤巖特性和煤層氣鉆井實(shí)際情況出入較大[12,13]；同時(shí)，聚合物鉆井液對(duì)煤層損害程度及影響因素尚不明確。為此，筆者以煤層巖心驅(qū)替流動(dòng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，深入分析了圍壓、返排壓力和污染壓力等巖心流動(dòng)參數(shù)變化對(duì)煤層巖心滲透率的影響規(guī)律，對(duì)煤層氣鉆井過(guò)程中聚合物鉆井液造成的煤層損害因素、程度及解除措施進(jìn)行研究，旨在為煤層氣水平井鉆井過(guò)程中的儲(chǔ)層保護(hù)措施提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器

驅(qū)替和污染一體化的巖心夾持器(荊州市塔林機(jī)電有限公司生產(chǎn))；電子分析天平，感量0.1mg(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)藥品

聚丙烯酰胺PAM(北京恒聚化工集團(tuán)有限公司)；黃原膠XC(山東阜豐集團(tuán)公司)；羧甲基纖維素HV-CMC(河北燕興化工有限公司)；AD680，一種澳大利亞泥漿服務(wù)公司產(chǎn)品，用做煤層氣井壁穩(wěn)定劑；工業(yè)KCl，含量98%；氧化劑型破膠劑JPC。

1.3 試驗(yàn)方法

將煤層巖心干燥后抽空飽和1%KCl(百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鹽水； 配制不同濃度的水溶性聚合物膠液；正向用1%KCl鹽水測(cè)定煤層巖心的水相滲透率K0；反向用水溶性聚合物膠液在一定的壓力下靜態(tài)污染煤層巖心2h；正向用1%KCl鹽水在一定驅(qū)替壓力下測(cè)定污染后煤層巖心的水相滲透率Kd。

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1.4.1 煤巖的應(yīng)力敏感性

KCl鹽水驅(qū)替壓力1MPa，改變煤層巖心圍壓：3、4、5、6、7、8MPa，測(cè)定不同圍壓條件下煤層巖心的KCl鹽水滲透率。

1.4.2 返排壓力對(duì)煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響

聚合物膠液反向污染壓力2MPa，圍壓4MPa，煤層巖心污染后的KCl鹽水返排壓力分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3MPa，測(cè)定污染后煤層巖心在不同返排壓力時(shí)的滲透率。

1.4.3 污染壓力對(duì)煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響

KCl鹽水驅(qū)替壓力2MPa，圍壓4MPa，聚合物膠液反向污染壓力0.5、1、1.5、2、2.5、3MPa，測(cè)定煤層巖心在不同壓力經(jīng)聚合物膠液污染后的KCl鹽水滲透率。

1.4.4 不同種類水溶性聚合物對(duì)煤層巖心的污染

KCl鹽水驅(qū)替壓力2MPa，聚合物膠液反向污染壓力2 MPa，圍壓3MPa，測(cè)定煤層巖心經(jīng)不同種類聚合物膠液污染后的滲透率。

1.4.5 破膠劑對(duì)污染后煤層巖心滲透率的影響

1)直接浸泡 將0.5%聚合物膠液污染后的煤層巖心直接放在2%破膠劑溶液中浸泡12h后測(cè)其KCl鹽水的滲透率恢復(fù)值。

2)加壓浸泡 將0.5%聚合物膠液污染后的煤層巖心用2%破膠劑溶液在3.5MPa下反向加壓擠入5mL，并在破膠液中浸泡12h后測(cè)其KCl鹽水的滲透率恢復(fù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤巖的應(yīng)力敏感性

圖1 圍壓對(duì)煤層巖心水相滲透率的影響

在驅(qū)替壓力不變情況下，僅改變圍壓時(shí)2塊煤層巖心的水相滲透率變化見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，圍壓的變化可以顯著影響煤層巖心的滲透率，即煤層巖心存在應(yīng)力敏感性[3,11]，主要是因?yàn)閲鷫鹤兓瘯?huì)影響煤層巖心的微裂縫開(kāi)啟程度，因此，要盡可能模擬煤層損害的評(píng)價(jià)條件，使其客觀反映聚合物鉆井液對(duì)煤層的污染情況。

2.2 返排壓力對(duì)煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響

在固定污染壓力2MPa、圍壓4MPa條件下，返排壓力對(duì)污染后煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響見(jiàn)圖2。返排壓力增加，污染后的煤層巖心滲透率也隨之增大，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)返排壓力不低于污染壓力時(shí)，煤層巖心才有滲透率恢復(fù)值存在，說(shuō)明水溶性聚合物膠液對(duì)煤層巖心污染僅靠返排是難以完全解除的，當(dāng)返排壓力達(dá)到3MPa時(shí)，煤層巖心的滲透率恢復(fù)值還不到50%，說(shuō)明聚合物膠液對(duì)煤層污染較為嚴(yán)重。實(shí)際上，煤層氣井在排采生產(chǎn)過(guò)程中，只有當(dāng)井筒液柱壓力小于煤層的解吸壓力時(shí)，煤層氣才會(huì)從吸附態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)變并形成一定的產(chǎn)能，因此，返排壓力最大值即為煤層的解吸壓力。我國(guó)沁水盆地很多煤層解吸壓力在2MPa以下，而鉆井過(guò)程中實(shí)際鉆井液造成的污染壓力往往在3MPa以上，這種條件下聚合物鉆井液造成的煤層污染僅靠返排是不能解除的[4]。

2.3 污染壓力對(duì)煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響

在固定返排驅(qū)替壓力2MPa、圍壓4MPa條件下，污染壓力對(duì)煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響見(jiàn)圖3。隨污染壓力增大，煤層巖心滲透率恢復(fù)值急劇降低，在污染壓力大于返排壓力時(shí)，煤層滲透率恢復(fù)值非常低，說(shuō)明高污染壓力下聚合物進(jìn)入煤層較深，不易被返排出。而實(shí)際鉆井過(guò)程中污染壓力取決于鉆井液液柱壓力與煤層流體壓力之間的壓差，鉆井液液柱壓力取決于鉆井液密度以及起下鉆、開(kāi)泵時(shí)壓力激動(dòng)造成的附加壓力，因此，采用低密度鉆井液、合理高效使用地面固控設(shè)備、提高煤層鉆遇率、控制起下鉆速度等(即降低鉆井液的當(dāng)量循環(huán)密度)均有利于降低鉆井壓差，降低聚合物鉆井液侵入煤層深度，減輕煤層損害程度。

圖2 返排壓力對(duì)污染后煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響 圖3 污染壓力對(duì)污染后煤層巖心滲透率恢復(fù)值的影響

2.4 不同種類水溶性聚合物對(duì)煤層巖心的損害

圖4 不同種類水溶性聚合物污染后煤層巖心滲透率恢復(fù)值

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于未受污染的煤層巖心，增大圍壓會(huì)顯著降低煤層巖心的滲透率；對(duì)于污染后的煤層巖心，污染壓力和返排壓力對(duì)煤層巖心的滲透率也有較大影響，而且當(dāng)污染壓力大于驅(qū)替壓力時(shí)，煤層巖心滲透率恢復(fù)值很低。驅(qū)替壓力的確定應(yīng)參考煤層的解吸壓力，污染壓力應(yīng)參考煤層實(shí)際鉆井過(guò)程中鉆井液液柱壓力與煤層流體壓力之間的壓差。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)固定圍壓，且較驅(qū)替壓力大1MPa。

根據(jù)以上原則，在驅(qū)替壓力2MPa、污染壓力2MPa和圍壓3MPa條件下評(píng)價(jià)了不同種類水溶性聚合物污染后煤層巖心的滲透率恢復(fù)值，結(jié)果見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在驅(qū)替壓力和污染壓力相同情況下，4種不同種類的水溶性聚合物均對(duì)煤層巖心造成很嚴(yán)重污染，國(guó)外鉆井液材料AD680也不例外，污染后的煤層巖心滲透率恢復(fù)值都很低，而且不同種類水溶性聚合物對(duì)煤層巖心滲透率損害均較嚴(yán)重，滲透率恢復(fù)值均在20%以下。

2.5 破膠劑對(duì)聚合物污染的解除作用

被聚合物鉆井液污染后的煤層巖心經(jīng)破膠液直接浸泡和加壓擠入后浸泡的試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖5和圖6。聚合物鉆井液污染后的煤層巖心經(jīng)破膠液直接浸泡后只能將污染端表面及淺層聚合物降解清除掉，而加壓浸泡后擠入煤層巖心的破膠液還可以解除煤層巖心的深部污染，所以加壓浸泡效果要明顯優(yōu)于直接浸泡。對(duì)于煤層氣水平井采用裸眼下篩管完井而言，破膠液的作用是至關(guān)重要的，否則水溶性聚合物造成的煤層污染是難以解除的，而在洗井破膠作業(yè)中將清潔的破膠液擠入煤層進(jìn)行深部破膠效果會(huì)更好。

圖5 破膠液直接浸泡對(duì)污染后煤層巖心 圖6 破膠液加壓擠入后浸泡對(duì)污染后煤層巖心 滲透率恢復(fù)值的影響 滲透率恢復(fù)值的影響

該試驗(yàn)方法是在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤層的特性(主要是應(yīng)力敏感性，較低的儲(chǔ)層壓力和鉆井過(guò)程中的壓差等)，確定出適宜于煤層特點(diǎn)的巖心流動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)適合煤層特點(diǎn)的巖心流動(dòng)試驗(yàn)條件為：污染壓力3MPa，圍壓4MPa，驅(qū)替壓力1～1.5MPa。由于煤層巖心具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，在評(píng)價(jià)鉆井液污染的巖心流動(dòng)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持巖心夾持器圍壓恒定。

2)聚合物鉆井液對(duì)煤層有損害作用，污染壓力越大，損害程度越嚴(yán)重，降低鉆井液的當(dāng)量循環(huán)密度可以減輕這種損害。

3)污染壓力是聚合物鉆井液造成煤層損害的主要因素，該損害靠煤層自身能量難以解除，需要后期采用破膠技術(shù)進(jìn)行解除。將破膠液擠入煤層進(jìn)行深部破膠要比單純靜態(tài)浸泡效果要好。