煤層氣水平井破膠劑評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

董子標(biāo)，吳文平，屈治華，王宇琪，楊 浩，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)

水平井技術(shù)是煤礦瓦斯治理和煤層氣開(kāi)發(fā)利用的有效技術(shù)手段，由于我國(guó)煤層多屬于低壓低滲型儲(chǔ)層，鉆井過(guò)程中易受鉆井液污染而導(dǎo)致產(chǎn)能下降[1-5]，為消除鉆井液造成的煤層污染多采用后期洗井破膠技術(shù)[6-8]，即向洗井液中加入破膠劑(即破膠液)，因此，選擇高效破膠劑是該技術(shù)的關(guān)鍵。破膠劑的選擇涉及到破膠效果的評(píng)價(jià)方法，目前常用的方法是采用直讀式六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)來(lái)測(cè)量加入破膠劑后鉆井液的黏度變化，當(dāng)鉆井流體的黏度接近于清水時(shí)認(rèn)為達(dá)到完全破膠。由于直讀式六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)主要用于測(cè)定鉆井液黏度，在測(cè)量低黏度的完井液時(shí)誤差較大，而煤層屬于低滲、特低滲型儲(chǔ)層，對(duì)聚合物吸附滯留很敏感，這也意味著用直讀式六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)出的黏度相當(dāng)?shù)膬煞N完井液可能對(duì)煤層的實(shí)際損害差別較大，因此需要使用新的煤層氣完井破膠評(píng)價(jià)方法來(lái)克服這一缺陷。本文提出用毛細(xì)管黏度來(lái)表征煤層破膠效果，相對(duì)于直讀式六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，毛細(xì)管黏度計(jì)具有精確、靈敏的特點(diǎn)，更能表征煤層破膠效果，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該方法可行。

1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

APS(過(guò)硫酸銨)，次氯酸鈉，雙氧水，氧化型破膠劑JBK-1、JBK-2，均為工業(yè)品；稠化劑，降失水劑和潤(rùn)滑劑等處理劑取自山西沁水煤層氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)，為可降解聚合物鉆井液體系配套處理劑；3#煤巖心若干，沁水端氏煤礦塊煤鉆柱取心。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

滾子加熱爐，直讀式六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，烏氏黏度計(jì)，高速攪拌機(jī)，失水儀，恒溫水浴等。

2 研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 可降解聚合物鉆井液配制和性能測(cè)定

2.1.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

1) 鉆井液配制：現(xiàn)場(chǎng)水+0.5%可降解稠化劑+1.5%降失水劑+0.5%潤(rùn)滑劑。在30 ℃、16 h條件下老化后待用。

2) 按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可降解聚合物鉆井液常規(guī)性能進(jìn)行測(cè)試。

2.1.2 煤層損害評(píng)價(jià)

將煤層巖心用地層水飽和并用地層水正向測(cè)巖心液相滲透率K1，用鉆井液反向污染煤心，并放置老化24 h，正向用地層水測(cè)巖心滲透率K2，并計(jì)算巖心滲透率損害率(100-K2/K1×100)%.

2.2 破膠殘液黏度測(cè)定

1) 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法。將破膠劑按一定加量加入到400 mL鉆井液中，在25 ℃時(shí)密閉放置12 h后，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)其表觀黏度，表觀黏度AV=0.5Ф600，單位mPa·s，其中Ф600為直讀式六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)轉(zhuǎn)速600 r/min時(shí)的讀數(shù)。

2) 毛細(xì)管黏度計(jì)法。將破膠劑按一定加量加入到400 mL鉆井液中，在25 ℃時(shí)密閉放置12 h后，取上層清液用烏氏黏度計(jì)(內(nèi)徑0.55 mm)測(cè)25 ℃時(shí)的毛管黏度，毛管黏度η=t2/t1，單位mPa·s，其中t2為破膠殘液在25 ℃時(shí)通過(guò)烏氏黏度計(jì)毛細(xì)管時(shí)間，t1為蒸餾水通過(guò)時(shí)間，默認(rèn)25 ℃時(shí)蒸餾水黏度為1.0 mPa·s.

2.3 破膠液巖心傷害

將煤心用地層水飽和并用地層水正向測(cè)巖心液相滲透率K1，用鉆井液破膠后上層清液反向污染煤心，并放置12 h，正向用地層水測(cè)巖心滲透率K2，并計(jì)算巖心滲透率損害率(100-K2/K1×100)%.

3 結(jié)果討論與分析

3.1 鉆井液性能

可降解聚合物鉆井液性能具有密度低、黏度和切力適中等特點(diǎn)，見(jiàn)表1，可以滿足煤層氣水平井鉆井工程性能要求；但其對(duì)煤層損害比較嚴(yán)重，煤心滲透率損害率在75%以上，見(jiàn)圖1. 如不采取降解破膠技術(shù)，會(huì)嚴(yán)重影響煤層氣水平井的產(chǎn)能，這樣就失去了利用水平井開(kāi)采煤層氣的優(yōu)勢(shì)。

表1 煤層氣水平段鉆井液基本性能表

圖1 聚合物鉆井液對(duì)煤層損害圖

3.2 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法和毛細(xì)管法靈敏程度

用兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)比評(píng)價(jià)了破膠劑JBK-1不同加量條件下破膠6 h所產(chǎn)生的破膠殘液黏度，見(jiàn)圖2. 當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法時(shí)，破膠劑JBK-1加量在0.8%～1.5%時(shí)破膠殘液黏度變化幅度非常小，接近于清水黏度，基本可認(rèn)為破膠比較徹底；而采用烏氏黏度計(jì)法即毛細(xì)管法時(shí)，破膠劑JBK-1加量在0.8%～1.5%時(shí)破膠殘液黏度變化幅度明顯高于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法，說(shuō)明毛管法所測(cè)的黏度靈敏度要高于旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法。

圖2 兩種破膠評(píng)價(jià)方法對(duì)比圖

3.3 破膠黏度對(duì)煤層損害

以上述經(jīng)破膠劑JBK-1破膠后殘液為污染介質(zhì)，研究了不同黏度的破膠殘液對(duì)煤儲(chǔ)層巖心的損害程度，結(jié)果見(jiàn)圖3. 可見(jiàn)，破膠殘液黏度越高其對(duì)煤儲(chǔ)層的損害程度越嚴(yán)重，這也與其它學(xué)者研究成果吻合[9-11]，當(dāng)破膠劑JBK-1加量為0.8%時(shí)，若按圖2的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法結(jié)果應(yīng)認(rèn)為破膠比較徹底，但實(shí)際上此時(shí)破膠殘液對(duì)煤層滲透率損害超過(guò)15%，而此時(shí)毛細(xì)管法所測(cè)得的黏度為3.42 mPa·s，若以儲(chǔ)層巖心滲透率損害率15%為臨界點(diǎn)，破膠殘液的毛細(xì)管黏度應(yīng)控制在3.0 mPa·s以內(nèi)為宜。

圖3 破膠殘液黏度對(duì)儲(chǔ)層巖心滲透率損害圖

3.4 破膠劑種類優(yōu)選

用兩種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)了1%加量條件時(shí)不同種類破膠劑破膠6 h后殘液黏度，結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)在5種破膠劑中，JBK-1效果最好，破膠殘液的毛管黏度可低于3.0 mPa·s.

表2 兩種評(píng)價(jià)方法優(yōu)選破膠劑種類表

3.5 破膠時(shí)間確定

采用毛細(xì)管黏度法評(píng)價(jià)了1.0%JBK-1在不同破膠時(shí)間的破膠殘液黏度，見(jiàn)圖4，可見(jiàn)JBK-1的破膠速度比較快，4 h以后破膠殘液的毛管黏度趨于穩(wěn)定。因此，當(dāng)破膠液入井后應(yīng)保持破膠液浸泡煤層時(shí)間不低于4 h以保證充分破膠。

圖4 破膠時(shí)間對(duì)毛管黏度的影響圖

4 應(yīng) 用

利用毛細(xì)管法對(duì)煤層氣水平井破膠劑種類和加量進(jìn)行優(yōu)選，首先應(yīng)用在山西沁和能源端氏煤礦QHDSL-02等4口多分支水平井完井破膠作業(yè)中：1) 將優(yōu)選出高效破膠劑JBK-1按其最佳加量1.0%配成破膠液。2) 在每個(gè)分支完鉆后計(jì)算分支井眼體積并將破膠液替入分支井筒。3) 主井眼最后洗井破膠，待洗井破膠作業(yè)結(jié)束后再將新配的干凈破膠液替滿整個(gè)井筒，并保證破膠液浸泡時(shí)間不低于4 h. 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了這4口井洗井破膠后毛管黏度，見(jiàn)圖5. 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)毛管黏度時(shí)應(yīng)先將破膠殘液過(guò)濾，以防煤屑和其它固相堵塞烏氏黏度計(jì)毛細(xì)管，4口多分支水平井洗井破膠后的殘液毛管黏度均小于3.0 mPa·s，說(shuō)明破膠比較徹底，后期這4口井單井日產(chǎn)量超過(guò)萬(wàn)方，有效釋放了產(chǎn)能。

圖5 4口多分支水平井破膠殘液現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖

5 結(jié) 論

聚合物鉆井液對(duì)煤層的污染比較嚴(yán)重，洗井破膠對(duì)保護(hù)儲(chǔ)層、提高單井產(chǎn)量至關(guān)重要。較低黏度的破膠殘液對(duì)煤層仍有損害，為較好地消除聚合物對(duì)煤層的污染，破膠殘液毛管黏度應(yīng)控制在3.0 mPa·s以內(nèi)。毛細(xì)管法測(cè)量破膠殘液黏度比旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法具有靈敏度、精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)4口水平井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，利用毛細(xì)管黏度法表征破膠效果是可行的，為煤層氣水平井提高產(chǎn)能提供有力的依據(jù)。