煤层气钻井储层保护新技术研究.pdf

2 0 1 2年 6月 彭春洋等． 煤层气钻井储层保护新技术研究 21 煤层气钻 井储层保 护新技术研 究 彭春洋， 祁丽莎， 柯文丽， 游 艺， 欧阳云丽 长江大学石油工程学院， 荆州 4 3 4 0 2 3 [ 摘要] 研究了我国煤层气储层孑 L 隙和裂隙系统特征， 分析了煤层气钻井 的储层伤害机 理。针对煤层气钻井储层保护难点 ， 建议采用低固相或无固相钻井液、 欠平衡钻井技术、 屏蔽暂堵 技术和加强固相控制等来保护煤层气钻井储层。 [ 关键词] 煤层气储层保护 低 固相或无 固相钻井液欠平衡钻井屏蔽暂堵 固相 控制 煤层气俗称煤矿瓦斯 ， 是一种以吸附状态赋 存于煤层 中的非常规天然气 ， 甲烷含量 I9 0 ％， 它 是天然气最现实的接替能源。 自从 1 9 3 0 s 美 国在 比格郎气田的匹兹堡煤层先后打出3口煤层气自 流井和 1 9 5 0 s 在圣胡安盆地成功地开发煤层气以 来， 煤 层 气 越 来 越 受 到 世 界 各 国和 地 区 的 重视 一 。 我国煤层气 的基础研究 起步较 晚 ， 但 1 9 9 0 s 以来进行了大量的研究工作， 尤其是国家 9 7 3煤 层气项 目研究工作 的开展 ， 使煤层气在成 因类型 划分及其判识 、 煤层储气机理和储层评价 、 煤层气 吸附和解吸机理 、 煤层气藏形成的动力场及成藏 过程、 煤层气资源评价等方面取得了较大的进展。 同时 ， 近年来通过研发和引进 ， 煤层气地球物理勘 探 、 煤层气钻井 、 煤层气完井和煤层气增产技术也 得到了很大的提高。深化煤层气成藏过程及吸附 一 解吸机理等方面的研 究 、 加强选区评价工作 和 发展羽状水平井等先进 的开采工艺及煤层气采出 水 的处理工艺是今后煤层气勘探开发的重点 。 1 煤层气钻井储层伤害机理研究 1 ． 1 煤层气储层孔隙和裂隙系统特征研究 对于煤储层来说 ， 含气饱和度 、 渗透性和储层 压力是控制其可采性的最重要地质参数 。低含气 饱 和度 、 低渗透率和低压力是影响我 国煤层气单 井和先导性开发试验井组稳定 日产气量低的最重 要因素。煤层气储层渗透性的主要贡献来 自于裂 隙系统， 煤储层孔裂隙系统发育特征和煤储层渗 透性是科学评价煤储层的重要 内容之一 ’ 。 对于煤层孔 隙结构研究 ， 目前多采用霍多特 的分类 方法， 即将 煤孔 隙分 成大孔 孔径 1 Ix m 、 中孔 孔 径 0 ． 11 m 、 过渡孔 或s J , ；f L 孔径 0 ． O 10 ． 1 m 、 微孑 L 孔径 0 ． O 1 m 。 据我国 1 3 8 个样品的压汞测试数据显示， 煤的孔 径结构虽然变化极大 ， 但是在总体上则以微孔为 主、 过渡孔次之 ， 中孔和大孔的比例相对较小 。以 沁水盆地北端煤层气储层为例， 该区域储层孔喉 半径多分布在 0 0 ． 1 m 。 1 ． 2 钻井过程 中造成煤层损害的机理研究 钻井过程 中诱发煤层气 损害 的根源是钻井 液 ， 其对煤层的伤害主要为以下几个方面 1 钻井液中固相颗粒对煤层的损害 固相颗粒主要来 自钻屑、 煤粉及配浆材料。 取山西柳林 地区某煤样 ， 在 正压差为 3 ． 5 M P a 、 5 0℃和 2 h的条件下 ， 经过 3 ％ 的膨润土浆污染 后， 该煤样气测渗透率下降6 8 ． 0 3 ％。 2 煤与钻井液中的高分子聚合物相互作用 产生 的堵塞 钻井液滤液 中的高分子聚合物被吸附在煤表 面或堵塞在裂缝 中。取山西柳林地 区的某煤样 ， 在正压差为 3 ． 5 MP a和时间为 2 h的条件下 ， 污 染 介 质 的 配 方 是 水2 ％P A C 一 1 4 1 3 ％ F T一3 4 6 0 ． 5 ％ KH P A N3 ％ K C 1 ， 污染 后煤样气测渗透率下降 6 5 ． 4 2 ％。 3 煤基质吸附膨胀造成的损害 收稿 日期 2 0 1 2 0 21 7 。 作者简介 彭春洋， 在读硕士研究生， 主要从事油气田开采技 术与理论研究 。 基金项 目 国家 重点基础 研究发展规 划基金 资助项 目 2 0 0 8 C B 2 1 1 7 0 5 。 2 2 A N 细 C E S 石 I N FI 油 NE P 化 E T R 工 OC H 进 EMI C 展 ALS 第 l 3 卷第 6期 A D V A ’ 一 ’ ⋯ 将晋试 1井 某煤样经 过 4 ％ K C 1 溶 液浸泡 后 ， 气测渗透率下降 6 1 ． 6 5 ％。 4 压力敏感性对煤层的损害 取沁水煤 田煤样 ， 当围压为 1 0 MP a时， 渗透 率降低到初始值的2 0 ％ 一 3 0 ％， 而砂岩为原始值 的9 0 ％ 一 9 5 ％； 当煤样有效围压由 1 0 M P a 降低 到原始值时 ， 渗透率只能恢复到原始值 的 5 0 ％ 一 8 0 ％ ， 即造成 5 0 ％ ～ 2 0 ％的永久性伤害。 2 煤层气钻井储层保护技术 2 ． 1 煤层气钻井储层保护的难点 由于煤是具有不同于常规油气层 的特点 ， 决 定了煤层比常规油气层更容易受到损害。与常规 油气层相比， 煤既是生气层又是储集层 ， 煤岩的弹 性模量较低， 泊松比较高， 吸附能力强 内表面积 一 般为 1 0～ 4 0 m ／ g ， 抗压和抗拉强度均较低 、 脆性大 、 易破碎 、 易压缩 ， 同时煤层割理和裂隙发 育 ， 属典型的双孔 隙储层。如果煤层 的孔隙和裂 缝一旦受到损害， 其受伤害程度将 比常规油气层 严重得多 ， 不仅使气体 的渗流通道受损 ， 而且还会 影响到煤层气 的解吸过程 。因此 ， 一方面煤层极 易污染， 特别是受钻井液中固相颗粒的污染； 另一 方面煤层破碎和高剪切应力造成井眼不稳定 。为 了保证安全钻穿煤层， 其主要措施就是提高钻井 液密度 ， 也就是增加其固相含量 ， 但这样又容易污 染煤层 ， 因而实施煤层保护技术较常规油气层更 困难 。 2 ． 2 煤层气钻井储层保护技术 煤层气储层保护技术主要采用的有低 固相或 无 固相钻井液、 欠平衡钻井技术 、 屏蔽暂堵技术、 加强固相控制技术等。 2 ． 2 ． 1 低固相或无固相钻 井液 钻井液中的各种 固相会对煤储层产生伤害 ， 因此在煤储层钻进时， 应减少造浆土的含量。使 用低固相或无 固相钻井液， 通过加入一定量 的聚 合物如 N H H P A N， K P A M， X C， P HP ， C MC等 ， 使钻 井液具有“ 低密度 、 低黏度 、 低切力 、 低失水” 等特 性。该类型的钻井液能减轻过大压力对煤储层的 伤害 ； 减轻钻井液对煤储层井壁的冲刷作用 ； 能够 迅速在井壁上形成一层薄而致密 的泥饼 ， 以封堵 煤层的微裂缝， 减轻滤液对煤储层的伤害。 大港油 田泥浆技术服务公司在山西煤层气钻 探 中使用了低固相聚合物钻井液。在预水化膨润 土浆中加入 N H HP A N和适量 的 F L O WZ A N进行 处理 ， 即可得到低 固相聚合物钻井液。典型钻井 液性 能参 数是 密度 为 1 ． 0 5 g ／ c m。 ， 黏度 3 O～ 3 2 s ， A P I失水 量 6 mL ， 切 力 2 ／ 4 P a ， 固相 含 量 ≤4％ 。 6 2 ． 2 ． 2 欠平衡钻井技术 空气钻井技术已被国内外钻井界公认为是提 高钻井速度 、 缩短钻井周期 的一项实用革命性技 术。通常使 用空气钻 井可 以将钻 速提高 21 5 倍； 但并非所有的井段都适合空气钻井， 在井壁稳 定 比较好 、 不含水 、 不含硫化氢等地段可以采用空 气钻井技术； 空气钻井对设备配套要求比较高， 涉 及到的主要设备包括供气注入系统、 旋转控制系 统 、 排砂取样系统、 数据采集处理系统及附属配套 工具等。 泡沫钻井也是经常使用的欠平衡钻井技术之 一 。泡沫钻井液中的表面活性剂具有两亲结构 ， 它能够有效地降低钻井液体系的表面张力， 相应 降低滤液在地层裂缝通道 中的毛细管力 ， 从而有 利于减轻水锁效应。目 前常用的表面活性剂有十 二烷基苯磺酸钠 A B S 、 十二烷基硫酸钠 K 1 2 、 O P一1 0、 油酸钠 、 太古 油等 ， 具体用量和类型应根 据泥浆体系和地层情况来确定。另外 ， 泡沫钻 井 液的低密度特性使得液柱压力较低， 有利于减少 由于压力过大而对煤储层的伤害 J 。 2 ． 2 ． 3 屏蔽暂堵技术 屏蔽暂堵理论最早针对保护空隙型油气储层 而提出的 ， 已发展成 为我 国钻井 完井储层保护 的 一 个重要技术 ， 获得广泛应 用。对 于中、 低 渗储 层， 常规屏蔽暂堵型聚合物钻井液体系的屏蔽暂 堵效果较好， 封堵率较高 J 。 笔者认为， 应在已获得煤层气储层孔喉分布 曲线 、 孔喉平均直径和渗透率大小的基础上 ， 根据 屏蔽暂堵理论 ， 采用 细 目或超细 目碳酸钙等材料 来研究与孔喉直径配伍的酸溶性暂堵剂 ， 采用羧 甲基纤维素钠、 胍尔胶和魔芋等聚合物、 生物酶和 无机破胶剂， 继续深入研究暂堵型钻井液， 使得钻 井液在钻进期间有 良好的护壁效果， 在钻进结束 2 0 1 2年 6月 彭春洋等． 煤层气钻井储层保护新技术研究 2 3 后， 聚合物自动降解或人为破胶 ， 从而恢复煤储层 的渗透性 。 2 ． 2 ． 4 加强固相控制技术 加强固相控制技术 ， 及 时清除钻井液 中的无 用固相 ， 也是减轻钻井液对储层伤害 的有效技术 之一 。应充分利用地表 的循环槽 ， 循环槽端面尺 寸长 宽 高为 1 62 5 m3 0 0 m m 2 0 0 2 5 0 m m， 坡度为 1 ／ 1 0 0～1 ／ 3 0 0 ； 采用机械净化方 法， 配齐振动筛、 除砂器、 离心机等固控设备； 结合 化学净化方法， 采用 P A M， P H P等化学絮凝剂清 除微小 固相颗粒 。要确定 P A M， P H P的用量需经 小样实验 ， 不可盲 目地一次性用量过大。 3结论 通过分析我国煤层气勘探开发现状和前景， 分析研究煤层气钻进过程 中的储层伤害机理 ， 针 对煤层气钻井的储层保护难点提出相应的储层保 护技术 ， 得 出结论如下 1 在煤层气钻井 过程 中， 钻井液对储层 的 伤害主要来源于 a 钻井液 中固相颗粒对煤层 的 损害 ． b 煤与钻井液 中的高分子聚合物相互作用 产生的堵塞 ； c 煤基质 吸附膨胀 造成 的损 害； d 压力敏感性对煤层的造成损害 ； 2 与常规油气层相 比， 煤既是生气层又是储 集层， 煤岩的弹性模量较低， 泊松比较高， 吸附能力 强， 抗压和抗拉强度均较低 、 脆性大 、 易破碎 、 易压 缩， 同时煤层割理和裂隙发育， 储层保护难度大； 3 煤层气钻井储层保护技术包括 a 采用 低 固相或无 固相钻井液 ， 保持钻井液的“ 低密度 、 低黏度 、 低切力 、 低失水” 特性 ； b 推广空气钻井 、 泡沫钻井等欠平衡钻井技术 ， 减少储层裸露时间； C 开展煤层气钻井屏蔽暂堵技术的研究 ， 研究酸 溶性暂堵剂和暂堵型钻井液 ； d 加强 固相控制技 术， 采用地表循环槽、 机械除砂和化学除砂结合的 方法 ， 减少钻井液中无用 固相对煤储层的伤害。 参考文献 [ 1 ] Y o u n g A L ． C o M b e d m e t h a n e A n e w s o u r c e o f e n e r g y a n d e n v i r o n m e n t M c h a l l e n g e s [ J ] ．E n v i r o n me t a l S c ie n c e a n d P o l l u t i o n R e s e a r c h， 2 0 0 5 ，1 2 6 3 1 8 3 2 1 ． [ 2 ] G a t e n s M ．C o M b e d m e t h a n e d e v e l o p m e n t P r a c t i c e s a n d p r o g r e s s i n C a n a d a [ J ] ．J o u r n a l o f C a n d mn P e t r o l e u m T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 4 4 8 1 62 1 ． [ 3 ] 姚艳斌， 刘大锰．煤储层孔隙系统发育特征与煤层气可采 性研究 [ J ] ．煤炭科 学技术 ， 2 0 0 6， 3 4 3 6 4 6 8 ． [ 4 ] 王忠勤． 煤层气储层保护技术研究[ J ] ．中国煤田地质， 2 0 0 1 ， 1 3 9 2 9 3 0 ． [ 5 ] 杨胜来 ， 杨思松 ， 高旺来．应力敏感及 液锁对 煤层气储层伤 害程度实验研究 [ J ] ．天然气工业 ， 2 0 0 6， 2 6 3 9 0 9 4 ． [ 6 ] 张天龙， 屈俊瀛， 霍仰春．低固相聚合物钻井液在山西煤层 气井 中的应 用 [ J ] ．西安 石 油学 院学 报 自然科 学 版 ， 2 0 0 1 ，1 6 1 3 33 5 ． [ 7 ] 符党替， 崔迎春， 王成彪．煤层气井储层保护钻井工艺[ J ] ． 煤 田地质 与勘探 ， 2 0 0 1 ， 2 9 3 6 2 6 4 ． [ 8 ] 王富华， 邱正松， 冯京海等．“ 超广谱” 屏蔽暂堵钻井完井液 新技 术 室 内研 究 [ J ] ．石 油 钻 探 技 术 ，2 0 0 1 ，2 9 5 3 94 1 ． S t u d y o n Ne w Te c h n i q u e f o r Co a l - - b e d M e t h a n e Dr i l l i ng Re s e r v o i r Pr o t e c t i o n P e n g C h u n y a n g Q i L i s h a K e We n l i Y o u Y i O u y a n g Y u n l i P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f Y a n g t z e U n i v e r s i t y ， J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 [ A b s t r a c t ] T h e p o r o s i ty a n d t h e f r a c t u r e s y s t e m c h a r a c t e ri s t i c s o f d o m e s t i c c o a l b e d m e t h a n e r e s e r v o i r we r e s t u d i e d，a n d t h e me c h a n i s m o f r e s e rvo i r d a ma g e b y d ril l i n g i n c o a l b e d me t h a n e wa s a n aly z e d ．I n v i e w o f t he d i f f i c u l t i e s i n c o a lb e d me t h a n e d ril l i n g r e s e rvo i r p r o t e c t i o n，i t i s r e c o mme n d e d t ha t l o w s o l i d dril l i n g fl u i d o r s o l i d f r e e d ril l i n g fl u i d，u n d e rb ala n c e d d ri l l i n g t e c h n i q u e ，s h i e l d i n g t e mp o r a r y p l u g g i n g t e c h n i q u e a n d s o l i d c o n t r o l t e c h n i q u e ，e t c ．b e u s e d t o p r o t e c t t h e c o a l b e d me t h a n e d ri l l i n g r e s e rvo i r i n t h i s p a p e r ． [ K e y w o r d s ] c o a l b e d m e t h a n e ； r e s e rv o i r p r o t e c t i o n ； l o w s o l id d ri l l i n g fl u i d o r s o l i d f r e e d ri ll in g fl u i d ； u n d e r - b a l a n c e d d r i l l i n g；s h i e l d i n g t e mp o r a r y p l u g g i n g ；s o l i d c o n t r o l