疏水性鉆井液體系增強煤層井壁穩(wěn)定性的試驗研究

蔣子為，石彥平，烏效鳴

[中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074]

煤層氣是儲存于煤層孔隙中的一種非常規(guī)天然氣資源，其主要成分為甲烷[1-3]。我國煤層氣蘊藏豐富，已探明埋深2 000 m以內(nèi)的煤層氣資源量為36.8×1012m3，具有廣闊的開發(fā)前景[4]。煤巖與常規(guī)油氣儲層巖石在形成機理、化學(xué)組成、巖石結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)等方面存在較大的差異[5]，一般具有裂隙較發(fā)育、低孔隙壓力、低滲透率等特點，鉆井液易侵入使煤層污染，導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)量降低；同時由于煤儲層多為應(yīng)力敏感性地層，煤巖機械強度低，容易垮塌破碎，鉆采后的煤層在鉆井液中浸泡時間越久，煤層垮塌或吸水膨脹越嚴(yán)重，且煤巖微裂縫、孔隙以及節(jié)理發(fā)育，容易發(fā)生漏失[6-7]。因此，在煤層氣鉆井過程中，鉆井液需要保持井壁穩(wěn)定，同時降低對煤儲層的影響[8-11]。

煤階決定了煤巖潤濕性，羥基和羧基的含量影響煤巖表面潤濕性[12]。Orumwense[13]通過接觸角和ζ電位的測試，評價了煤粉浮選過程中電解質(zhì)助凝劑和絮凝劑對煤表面性質(zhì)的影響。陳躍等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)煤的物質(zhì)組成和孔隙結(jié)構(gòu)對其潤濕性有顯著影響。Gosiewska等[15]研究發(fā)現(xiàn)煤巖中不連續(xù)的礦物分布極大地影響水對煤巖的潤濕性，增加煤巖表面的礦物質(zhì)含量可減小接觸角，增大礦物質(zhì)顆粒尺寸可以減小接觸角。劉良華等[16]研究了不同種類表面活性劑對煤巖潤濕性的影響。劉水文等[17]測試了6種水溶液的表面張力及其與成莊礦煤樣的接觸角和煤樣的臨界表面張力。王亮等[18]采用主成分分析法研究了松軟煤體煤塵的潤濕特性和主要影響因素。

筆者選擇不同種類的表面活性劑進行優(yōu)選復(fù)配，開發(fā)出一種復(fù)合表面活性劑配方，該表面活性劑可以減小鉆井液表面張力，提高煤巖疏水性，并對適合于煤層氣鉆井的水基鉆井液的濾失性、流變性、抑制性、潤濕性等性能進行了綜合評價。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和儀器

主要試驗材料：建平鈉基膨潤土(建平鈉土，下同)：遼寧建平縣萬興膨潤土有限責(zé)任公司；羧甲基纖維素LV-CMC：廣州市中業(yè)化工有限公司；聚陰離子纖維素(HV-PAC)：廣州市中業(yè)化工有限公司；陽離子表面活性劑YS-1：東莞科創(chuàng)凈化設(shè)備科技有限公司；非離子型表面活性劑FS-1：江西南昌沙索化工廠；非離子型表面活性劑FS-2：廣西潤宏化工廠；磺化瀝青SPS：山東聊城龍泉化工廠；聚丙烯酰胺(PAM)：鞏義市怡情凈水材料有限公司；磺化酚醛樹脂(SMP)：河南海洋化工有限公司；聚乙二醇4000(PEG)：鞏義市怡情凈水材料有限公司；氯化鉀(KCl)：西安新義誠化工原料有限公司；水玻璃：湖北明瑞興盛原料有限公司。基于室內(nèi)試驗優(yōu)選出的水基鉆井液基礎(chǔ)配方(w，下同)A：水+4%建平鈉土+2% PEG+3% KCl+1%SPS+0.3% LV-CMC+1% SMP+0.2% HV-PAC+0.3%PAM。

主要試驗儀器：QBZY全自動表面張力儀：北京旭鑫儀器設(shè)備有限公司；Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡：美國FEI有限公司；HKY-3壓力傳遞實驗裝置：江蘇海安石油科研儀器有限公司；Biolin光學(xué)接觸角測量儀：大昌華嘉科學(xué)儀器；德國ATM Saphir 550自動單盤金相磨拋機：弗爾德儀器設(shè)備有限公司；X’Pert PRO DY2198 X-射線衍射儀：荷蘭帕納科公司；ASAP-2020型微觀孔隙分布儀：美國Micromeritics公司；JHP巖心壓制機：荊州現(xiàn)代石油科技發(fā)展有限公司；GN-2高溫滾子加熱爐：青島恒泰達機電設(shè)備有限公司；ZNP-1膨脹量測定儀：青島恒泰達機電設(shè)備有限公司。

1.2 試驗步驟

試驗煤樣取自貴州織金地區(qū)，在5 g過0.18 mm(80目)篩的煤屑中加入1 mL水玻璃和1 g膨潤土，使用JHP巖心壓制機在15 MPa的條件下壓制15 min，得到試驗所需巖心(直徑25 mm、長度約9.8 mm)用于后期膨脹量試驗；使用巖心鉆取機鉆取煤巖，得到長度約0.7 cm、直徑2.5 cm巖芯若干，用于后期的壓力傳遞試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤巖XRD與微觀結(jié)構(gòu)測試

煤巖試樣采自貴州織金地區(qū)，該地區(qū)煤樣主要為黑色亮型中條帶狀塊煤，有玻璃光澤，原生結(jié)構(gòu)，具貝殼狀、階梯狀斷口。煤巖成分以亮煤為主，偶夾鏡煤條帶，頂部見少量暗淡煤。煤巖中含較多結(jié)核狀黃鐵礦。煤體堅硬，節(jié)理較發(fā)育，多垂直于層理面，少量與層理面斜交(傾角約40°)，節(jié)理面多被黃鐵礦充填，少見方解石薄膜。夾矸為黑色炭質(zhì)、高炭質(zhì)泥巖夾極少量亮煤條帶，寬1～2 mm。對所采巖樣進行XRD分析，結(jié)果見表1。

由表1可見：該地層煤巖具有較強膨脹性的伊利石和綠泥石礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，石英(脆性礦物)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達到10%。

采用ASAP-2020型微觀孔隙分布儀對煤樣的微觀孔隙分布進行分析，結(jié)果見圖1。用掃描電子顯微鏡(SEM)對煤樣進行全貌觀察，結(jié)果見圖2。

圖1 煤樣微觀孔隙分布

圖2 煤樣SEM照片

由圖1及圖2可見：該地層孔隙發(fā)育，存在大量3～400 nm的納米級裂縫、孔隙，主要集中在25.9～363.2 nm，并伴有少量30～40 μm的較大孔隙，使得鉆井液濾液更容易侵入，且黏土礦物在煤巖中分散，鉆井液侵入煤巖后可能造成化學(xué)勢增大和應(yīng)力集中，使得裂縫擴張或者沿著礦物間接觸面形成新裂縫，進而造成井壁失穩(wěn)。

2.2 表面活性劑復(fù)配與優(yōu)選

煤巖與各種流體的接觸角是描述煤巖潤濕性的一個較重要直觀的指標(biāo)。對10余種單劑進行篩選和復(fù)配，選出對煤巖巖樣接觸角較好的3種單劑：陽離子型表面活性劑YS-1、氟碳類FS-2、非離子型FS-1。利用正交試驗對3種表面活性劑進行復(fù)配，其結(jié)果見表2。

表2 正交試驗法優(yōu)選表面活性劑的復(fù)配配方

表2中第6組復(fù)合表面活性劑“0.01% YS-1+0.05% FS-2+0.005% FS-1”的復(fù)配效果相對其他組較優(yōu)。采用該復(fù)合溶液處理前后，巖樣與清水的接觸角分別見圖3。

圖3 復(fù)合表面活性劑溶液處理前后煤樣與清水的接觸角

由表2及圖3可見：織金煤巖在清水中主要為中性潤濕。添加了復(fù)合表面活性劑(0.01% YS-1+0.05% FS-2+0.005% FS-1)后，清水對煤巖的表面張力由69.71 mN/m降至29.03 mN/m，降低了58.36%，而接觸角由65.5°增至124°，增加了89.31%，使織金煤樣由中性潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷詽櫇?，表明?yōu)選的復(fù)合表面活性劑能夠有效地減小煤巖與鉆井液的界面張力，提高與煤巖的接觸角。主要原因是復(fù)合表面活性劑在煤巖表面形成排列整齊而又穩(wěn)定的疏水分子層，阻緩鉆井液體系中的液相侵入煤層中的裂隙中(見圖4)。

2.3 復(fù)合表面活性劑對煤巖壓力傳遞的影響

液體與巖樣之間的相互作用可通過壓力傳遞試驗進行評價。在煤巖的壓力傳遞試驗中，在相同的試驗條件下，上游壓力向下游傳遞得越慢，表明巖樣阻緩液體進入巖樣中裂隙中，使得巖樣趨于穩(wěn)定[19-22]。分別使用清水、復(fù)合表面活性劑對煤巖巖心進行了壓力傳遞試驗。試驗條件:圍壓為3 MPa，上游壓力2 MPa，每1 min 記錄1次試驗數(shù)據(jù)，得到的壓力傳遞試驗結(jié)果見圖5。

圖4 復(fù)合表面活性劑對鉆井液侵入煤層的影響

由圖5可見：采用清水時，在上游壓力為2 MPa的作用下，經(jīng)過7.5 h，下游壓力的逐漸由0 MPa增加至與上游壓力一致，此時試驗結(jié)束。而在優(yōu)選的復(fù)合表面活性劑溶液對煤巖的壓力傳遞試驗中在同樣的試驗條件下，經(jīng)過25 h，下游壓力逐漸由0 MPa增至0.06 MPa，增幅緩慢。上述結(jié)果表明：復(fù)合表面活性劑能夠有效地減緩液相侵入煤巖中，提高井壁穩(wěn)定性。

2.4 復(fù)合表面活性劑對水基鉆井液性能的影響

2.4.1 基本性能評價

將優(yōu)選的復(fù)合表面活性劑添加至水基鉆井液A中(記為“水基鉆井液B”)，在室溫條件下評價了水基鉆井液A和水基鉆井液B (復(fù)合表面活性劑+水基鉆井液A)”的pH、密度、流變性、濾失性、等基本參數(shù)，結(jié)果見表3。

由表3可見：水基鉆井液的流變性能在添加復(fù)合表面活性劑后變化不大，濾失量卻明顯降低，表明復(fù)合表面活性劑與水基鉆井液配伍性較好，且能夠有效地降低鉆井液體系的濾失量，該試驗結(jié)果與表面活性劑溶液對煤巖的壓力傳遞試驗結(jié)果相似，其原理同為在泥餅表面形成疏水層，進而降低鉆井液體系的濾失量。

表3 復(fù)合表面活性劑對水基鉆井液的基本性能影響

2.4.2 潤濕性評價

將煤樣分別浸泡于水基鉆井液A中和優(yōu)化后的鉆井液體系B中浸泡24 h后，測量其接觸角，見圖6所示。

圖6 鉆井液體系A(chǔ)和B處理后煤樣與清水的接觸角

由圖6可見：在水基鉆井液A中加入復(fù)合表面活性劑后，煤樣與鉆井液的接觸角由56°增至87.45°，增大了56.25%。在鉆井液體系中引入的復(fù)合表面活性劑能夠有效地改變織金煤巖表面的潤濕性，使其由親水潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詽櫇?。但是，相對于只有?fù)合表面活性劑溶液作用后的煤巖的接觸角增加幅度，加入表面活性劑的鉆井液B體系對其作用后，煤巖的接觸角增加幅度降低的原因主要是由于鉆井液體系中的黏土礦物、添加劑等顆粒物使得鉆井液體系的pH、電性等發(fā)生了改變。同時負電性的黏土礦物顆粒會附著于煤巖表面，對煤巖表面形成排列整齊而又穩(wěn)定的疏水分子層產(chǎn)生一定的影響。

2.4.3 抑制性評價

為評價表面活性劑對巖樣的抑制性，采用ZNP-1膨脹量測定儀，分別測量人工壓制煤樣(直徑25 mm、長度16 mm)與水基鉆井液A和水基鉆井液B接觸后的膨脹量，結(jié)果見圖7。

圖7 水基鉆井液中復(fù)合表面活性劑對煤樣膨脹量的影響

由圖7可見：與水基鉆井液B接觸8 h后，人工煤巖巖心的膨脹量僅為0.04 mm，比水基鉆井液A與煤巖接觸時膨脹量(0.15mm)降低了73.33%。主要原因是水基鉆井液B中的復(fù)合表面活性劑能夠有效地改變了鉆井液的潤濕性，使巖樣由親水潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詽櫇瘛＿@種潤濕性能的改變有效地阻緩了水侵入巖樣(如圖4所示)，降低了煤巖內(nèi)部與水的接觸，從而抑制煤巖的進一步水化膨脹。

2.4.4 熱滾回收率評價

稱取3.35～1.7 mm(6～10目)煤巖試樣50 g，分別置于含有水基鉆井液A、水基鉆井液B的老化罐中進行熱滾老化(溫度80 ℃，滾動16 h)，熱滾后用0.425 mm(40目)的篩網(wǎng)回收并在100 ℃溫度下烘干4 h，待冷卻24 h后，稱取煤巖試樣質(zhì)量，計算回收率，結(jié)果見表4。

由表4可見：使用水基鉆井液A時，回收率高達95%，添加復(fù)合表面活性劑后，滾動回收率略有提高。主要原因為復(fù)合表面活性劑在巖樣滾動過程中(模擬真實鉆進狀況)能夠作用于煤巖表面，在表面形成疏水層，降低水相通過裂隙進入巖樣的內(nèi)部，有效改善了水基鉆井液的抑制性，降低煤巖孔、裂隙中黏土礦物的膨脹。

表4 復(fù)合表面活性劑對煤樣熱滾回收率的影響

3 結(jié)論

對織金地區(qū)煤巖性能進行了測試，織金煤巖孔隙發(fā)育，存在大量3～400 nm的納米級裂縫、孔隙，通過正交試驗優(yōu)選出復(fù)合表面活性劑，其組成(w)為0.01% YS-1+0.05% FS-2+0.005% FS-1，并對其各項性能進行了評價，得到以下結(jié)論。

1)該復(fù)合表面活性劑能夠有效地減小煤巖與鉆井液的界面張力，提高與煤巖的接觸角，使煤巖與清水的接觸角由65.5°增至124°，增幅為89.31%。

2)該復(fù)合表面活性劑能夠有效地阻緩液相侵入煤巖中，降低對煤巖的壓力傳遞，且與水基鉆井液具有較好的配伍性。

3)復(fù)合表面活性劑能夠有效地改變織金煤巖表面的潤濕性，使其由親水潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詽櫇?煤樣與清水接觸角由56°增至87.45°；煤巖表面形成疏水層，降低水相通過裂隙進入巖樣的內(nèi)部，有效地提高水基鉆井液的抑制性，對煤巖回收率高達95.9%，降低煤巖孔、裂隙中黏土礦物的膨脹。