宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术.pdf

第 3 3卷 第 1 期 2 0 1 6 年 1月 钻井液与完井液 DRI L LI NG F LUI D COMp LET I ON F L UI D V．0 1 ． 3 3 No ． 1 J a n．2 01 6 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 0 宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术 凡帆 ， 郑玉辉 ， 吕海燕 1 ． 川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 7 1 0 0 2 1； 2 ． 中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 7 1 0 0 2 1 凡帆等 ． 宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术 『 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 6 ，3 3 1 4 8 ． 5 1 ． 摘要对宁武盆地煤层气储层进行了应力敏感、碱敏和水敏评价实验。研究结果表明，宁武盆地煤层气储层为强应力 敏感性、中等碱敏性和中等偏强水敏性。提 出通过控制钻井液密度和 p H值、提高钻井液的封堵性和抑制性，降低钻井液 对储层伤害的技术思路，并研究出一套适合煤层气井的封堵成膜 C Q F DC钻井液 0 ． 2 ％～O _ 3 ％ 有机硅 G 3 0 4 2 ％～5 ％ 复合盐F HY - 2 0 _ 3 ％～0 ． 5 ％提黏剂 G3 1 0 1 ％～3 ％降滤失剂G3 0 1 1 ％～2 ％封堵剂 G3 2 5 Na O H。室内评价结 果表明，该钻井液 1 2 h线性膨胀降低率为 7 1 ． 5 6 ％，具有良好的抑制性 ； 储层保护效果好，对储层4 煤和 9 煤的伤害率小 于 1 5 ％。该钻井液技术在宁武盆地煤层气井现场试验了6口井，均取得成功，其平均井径扩大率为 1 5 ． 7 7 ％，对储层岩心的 平均伤害率为 1 6 ． 7 3 ％，利于保护储层，且平均机械钻速较高。 关键词 煤层气井 ； 储层敏感性 ； 钻井完井液 ； 抑制性 ；宁武盆地 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 6 0 1 。 0 0 4 8 ． 0 4 S t ud y o n Co a l b e d M e t h a n e Re s e r v o i r S e ns i t i v i t y i n Ni n g wu Ba s i n a n d Dr i l l - i n Fl u i d T e c h n o l o g y F AN Fa n ，ZHE NG Yu h ui ，L ⅦHa i y a n 2 1 ． N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f L o w P e r m e a b i l i ty O i l F i e l d E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t ， R e s e a r c h I n s t i t u t e ofD r i l l i n g a n d Pr o d u c t i o n T e c h n o l o g y ， CNPCCh u a n q i n gDr i l l i n gEn g i n e e r i n gCo m pa n yLt d． ， Si a nS h a a n x i 7 1 0 0 21 ， Ch i n a ； 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o fO i l a n d G a s T e c h n o l o g y ， P e t r o C h i n a C h a n g q i n g O i lfi e l d C o m p a n y ， X i a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t S t r e s s s e n s i t i v i t y , a l k a l i s e n s i t i v i t y a n d wa t e r s e n s i t i v i ty c o n d u c t e d o n r o c k s a mp l e s t a k e n f r o m c o a l b e d me t h a n e r e s e r v o i r o f t h e Ni n g wu Ba s i n d e mo n s t r a t e t h a t s tro n g s t r e s s s e n s i t i v i t y , mo d e r a t e a l k a l i s e n s i t i v i ty a n d mo d e r a t e - s t r o n g wa t e r s e n s i t i v i ty e x i s t i n t h e r e s e r v o i r f o r ma t i o n s ． I t i s s u g g e s t e d t h a t the d r i l l i n g fl u i d u s e d i n r e s e rvo i r d r i l l i n g i n t h e Ba s i n s h o u l d h a v e c o n t r o l l e d mu d we i g h t and p H v a l u e ， h i g h t e mp o r a r y p l u g g i n g c a p a c i ty a n d i n h i b i t i v e c a p a c i ty, wh i c h h e l p mi n i mi z e d a ma g e t o t h e p e r me a b i l i ty o f r e s e r v o i r r o c k s ． A s e t o f fi l mi n g d r i l l - i n fl u i d ， C Q F DC ， s u i t a b l e f o r d r i l l i n g t h e c o a l b e d me tha n e i s a s f o l l o ws 0 ． 2 ％一 0 ． 3 ％ G3 0 4 o r g ano s i l i c o n 2 ％一 5 ％ F HY - 2 c o mp o u n d s a l t s 0 _ 3 ％一 0 ． 5 ％ G3 1 0 v i s c o s i fi e r 1 ％ 3 ％ G3 0 1 fi l t e r l o s s r e d u c e r 1 ％ - 2 ％ G 3 2 5 t e mp o r a r y p l u g g i n g a g e n t 1 Na O H． T h i s d r i l l - i n fl u i d s h o w e d i n l a b o r a t o r y e x p e ri me n t p e r c e n t r e d u c t i o n i n l i n e a r s w e l l i n g o f c o r e s b y 7 1 ． 5 6 ％ a ft e r 1 2 h o f t e s t ． P e r me a b i l i ty r e c o v e ry e x p e r i me n t s h o we d t h a t d a ma g e o f t h e d r i l l i n fl u i d t o t h e p e r me a b i l i ty o f c o a l s a mp l e s 4 and 9 wa s l e s s t h a n 1 5 ％． C Q- F DC h a s b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n 6 c o a l b e d m e t h ane w e l l s i n Ni n g w u B a s i n ， a v e r a g e h o l e e n l a r g e me n t o f t h e s e we l l s b e i n g 1 5 ． 7 7 ％， a n da v e r a g e r a t e o f p e r me a b i l i ty i mp a i r me n t o f t h e r e s e r v o i r r o c k s wa s 1 6 ． 7 3 ％． Av e r a g e ROP o f t h e s i x we l l s wa s i n c r e a s e d i n c o mp a r i s o n wi t h o ffs e t we l l s ． Ke y wo r d s Co a l b e d me t h ane we l l ； S e n s i t i v i ty o f r e s e r v o i r ； Dril l - i n fl u i d ； I n h i b i t i v e c a p a c i t y ； Ni n g wu Ba s i n 宁武盆地煤层埋深 3 0 0 l 5 0 0 m， 含气面积 8 7 6 k m ，主要含 煤地 层 为石 炭 系上统 太 原组 9 煤层和二叠系下统山西组 4 煤层。其 中 9 煤层 厚度为 8 ～1 4 m，分布稳定，煤层渗透率普遍为 基金项目 中国石油川庆钻探工程有限公司科技项 目 “ 山西、陕西煤层气安全钻井及储层保 护钻井液技术研究” C Q 2 0 1 2 B 一 8 2 3 。 第一作者简介 凡帆，工程师，1 9 8 6年生， 2 0 1 1 年毕业于西南石油大学， 现在从事钻完井液技术研究工作。 电话 0 2 9 8 65 9 47 78 ；E- ma i lgc y _f a n 0 4 3 c n p c ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 3 卷 第 1 期 凡帆等宁武盆地煤层气储层敏感性研 究及钻 井液技术 4 9 0． 1 x 1 0 ～～ 1 ． 0 x 1 0 ～g m2 ，孔隙度为 3 ． 9 7 ％～5 ． 2 ％， 属于特低渗透 、低压煤层气田 ； 在煤层气钻井施工 中由于煤层孔隙裂隙发育 、地层压力低和地层水敏 性等特点，钻井液中固相、液相、气相的侵入会造 成储层的伤害，同时水平井裸露段长， 煤层易受伤 害 ； 此外 ，煤岩常常与泥页岩互层 ，往往含有水敏 性黏土矿物，保护储层难度大，严重制约了煤层气 的开发。通过对煤层气储层敏感性进行评价 ，确定 了煤层的伤害机理 ，形成 了一套适合于宁武盆地煤 层气储层保护要求的钻井液体系 [1 -5 ] 。 1 煤 岩敏感性 实验研 究 1 ． 1 应力敏感性 应力敏感性评价实验的 目的在于了解岩石所受 净上覆压力改变时孔喉喉道变形、裂缝闭合或张开 的过程，并导致岩石渗流能力变化的程度 [6 】 。应力 对煤岩渗透率的影响如表 1 所示。 从表 l 可以看出， 随着围压增加 ，对煤岩所造成的损害率非常大 大 于 7 0 ％ ，围压降低后，煤岩的渗透率恢复值很小， 即使围压可降低到原始值 ，对煤岩的损害率高于 5 0 ％，属于强应力伤 害。钻井过程 中的压力变化 ， 很可能引起煤层发生这种变化。这就要求在煤层气 开发的各个环节中尽量避免 由应力敏感性造成的损 害，特别是尽量降低钻井液密度，减小钻井液与储 层之间的正压差 ，在满足井下安全的前提下实现近 平衡压力钻井 。 表 1 围压变化对煤岩渗透率的影响 驱替压力为 3 ． 5 MP a 岩心 围压 ／ 渗透率／ 渗透率 岩心 围压 ／ 渗透率 ／渗透率 编号MP a 1 0 一 m 损害 ／ ％ 编号 MP a 1 0 g m2损害 5 0 ． 3 3 0 0 5 0 ． 2 1 7 0 6 0． 27 0 l 8． 1 8 6 0． 2 01 7_ 3 7 7 0． 20 0 3 9_ 3 9 7 0． 1 7 6 1 8． 8 9 8 0 ． 1 3 5 5 9 ． 0 9 8 O ． 1 3 3 3 8 ． 7 1 9 0 ． 0 9 1 7 2 ． 4 2 9 0 ． 0 8 7 5 9 ． 9 l 4． 2 ． 6 1 0 0． 07 6 7 6． 9 7 9 ． 1 ． 5 1 0 0． 0 58 7 3． 2 7 9 0 ． 0 8 7 7 3 ． 6 4 9 0 ． 0 7 9 6 3 ． 5 9 8 0 ． 1 2 1 6 3 ． 3 3 8 0 ． 0 9 2 5 7 ． 6 0 7 0 ． 1 3 9 5 7 ． 8 8 7 0 ． 0 9 9 5 4 - 3 8 6 0． 1 44 5 6_ 3 6 6 0． 1 05 51 ． 61 5 0 ． 1 5 2 5 3 ． 9 4 5 0 ． 1 0 8 5 0 ． 2 3 1 ． 2 碱敏性 如表 2 所示，煤岩渗透率随K C 1 盐水 p H值的 升高而降低，p H值过高的强碱性钻完井液会与呈 弱酸性 的煤层气储层 中的 HC O 一 反应 ，产生易沉 淀的 C O 一 离子，因此钻井液的p H值不要超过 9 ， 煤岩的碱敏程度属于中等碱敏性 [2 -4 1 。 表 2 不 同煤岩 的碱敏性 实验数据 4 ． 3 ． 8岩心 9 ． 2 7岩心 p H 1 。 K Dw ／ ％ p H 1 。 DD w ／ ％ 7 0 ． 24 0 1 ． 0 00 7 O． 21 0 1 ． 00 0 0 8 0 ． 2 0 5 0 ． 9 3 8 6 ． 2 8 0 ． 2 0 0 0 ． 9 5 2 4 ． 8 9 0 ． 1 9 8 0 ， 9 0 8 9 ． 2 9 0 ． 1 9 7 0 ． 9 3 8 6 ． 2 1 0 0． 1 7 6 0． 73 3 26． 7 1 0 0． 1 62 0． 771 2 2． 9 l 1 0 ． 1 6 1 0 ． 6 7 1 3 2 ． 9 l 1 0 ． 1 4 4 0 ． 6 8 6 31 ．4 1 2 0 ． 1 4 2 0 ． 5 9 2 4 0 ． 8 1 2 0 ． 1 2 5 0 ． 5 9 5 4 0 ． 5 1 3 0 ． 1 1 2 0． 4 67 5 3_ 3 1 3 0． 1 08 0． 51 4 48． 6 注 。 为初始 KC 1 盐水通过煤岩的渗透率 ； Kw 为不 同 p H值的 K C 1 盐水通过煤岩的渗透率； O w为碱敏损害率。 1 ． 3 水敏性 水敏性实验 的目的在于评价产生黏土膨胀或微 粒运移时引起储层渗透率变化的最大程度 [2 -4 ] o实 验过程中依次向煤岩注入模拟地层水、模拟次地层 水和蒸馏水，结果见表 3 。实验结果表明，煤岩的 水敏程度属于中等偏强水敏性 ，因此设计的钻井液 体系不仅要有强的抑制性，还需要较强的封堵性 ， 尽量减少滤液侵入储层。 表 3 煤岩的水敏性实验结果 注 为模拟地层水通过煤岩的渗透率 ； g o 为模拟 次地层水通过煤岩的渗透率 ； K w 为蒸馏水通过煤岩的渗透 率 ； D w为水敏损害率。 2 钻井液室内研究 结合煤层气储层潜在伤害因素及机理分析，制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 6年 1月 定 的钻井液 的技术思路为 强的封堵性 、具有良好 的抑制性、合理的钻井液密度和低的p H值。 2 ． 1 钻井液的基本配方 按照 以上研究思路 ，开展了大量提黏剂 、降滤 失剂、封堵剂等处理剂筛选实验 ，研发出了封堵成 膜 C Q． F DC钻井液体 系， 其性能见表 4 ， 配方如下。 0 ． 2 ％～0 ． 3 ％有机硅 G 3 0 4 2 ％～5 ％ 复合 盐 F H Y - 2 0 ． 3 ％～0 ． 5 ％ 提黏剂 G 3 1 0 1 ％～3 ％ 降滤失剂 G3 0 1 1 ％--2 ％封堵剂 G3 2 5 Na O H 表 4 钻井液性能参数 声 验 条 件 ／m ， F V ／ m P V ／ YPP ／ F札 L ／ 常温 ． 0 ． 2 。 4 。 t～ 2s ； - 二 。 5～ 9～ s 2 ； 。 。 2 ． 2 钻井液抑制性 优选一种有机硅抑制剂与复合盐进行复配， G3 0 4分子中的 S i O H键容易与黏土上的 S 卜 0 H 键缩聚成 s i O S i 键 ，形成牢 固的化学吸附，可 在黏土表面形成一 层钾基朝外 的 C H 一S i 吸附 层 ，使黏土由亲水反转成亲油 ，阻止或减缓 了黏土 表面和层间的水化作用 ； F H Y - 2 能降低水的活度， 增强抑制性 ，复配作用效果更好 。利用页岩膨胀仪 测试钻井液对膨润土的岩心线性膨胀率， 结果见图1 。 暑 当 渣 h 图 1 岩心的线性膨胀实验 由图 1 可知 ，膨润土在 钻井液 中的膨胀 量在 4 8 h 后为 1 ． 7 4 ln r n ，而使用清水的膨润土膨胀量 在 1 2 h 就达到 4 ．2 9 rn lT l ，1 2 h线性膨胀降低率为 7 1 ．5 6 ％， 4 8 h 线性膨胀降低率为6 8 ．3 6 ％。 结果表明， 有机硅 G3 0 4和复合盐 F H Y - 2复配 ，使得膨润土在 钻井液中的线性膨胀量明显降低，能够抑制煤岩中 黏土矿物的水化膨胀和分散 ，减少对储层 的损害。 2 ． 3 储层保护性 实验分别取煤层气井 MB S 2 6 ． 9 、MB S 2 6 1 0 、 MB S 2 6 1 1 井不同井深的钻井液，用山西组 4 煤和 太原组 9 煤岩 的露头煤岩钻取岩心 ，在模拟现场 条件下按 照动态模拟现场钻井液损害 时的实验步 骤，测定了钻井液损害后岩心的渗透率恢复值，结 果见表 5 。由表 5 可以看出，煤层气井现场所用的 钻井液对煤岩储层的伤害大 ，在切除了伤害端面 5 m m后，测得的渗透率平均恢复率也不高于 6 6 ％。 说明钻井液对储层 的侵入深度大是造成储层伤害的 主要 原 因之一 。 表 5 煤层气井现场钻井液储层保护效果实验数据 注 m m为切割端面 5 i i l n l 后渗透率。 所选的封堵剂 G3 2 5的粒度分布范 围主要是在 1 ～1 0 0 g m之间 ，其 中在 1 0岬 左右达到了峰值 ， 而煤层的孔隙一般是在 1 0 ～1 0 0 g m之间，表明该 封堵剂与煤岩的孔隙尺寸有很好的配伍性，能对储 层 进行有效封堵。测定 封堵 成膜 C Q． F DC钻井 液 体系损害后岩 tk , 的渗透率恢复值 ， 结果见表 6 。 表 6 封堵成膜 C Q- F DC钻井液岩心伤害实验数据 上述实验 结果表明 ，4 煤和 9 煤在切除伤害 端 面 5 mm后煤岩平均伤 害恢复率 能达 到 8 5 ％ 以 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 3 卷 第 1 期 凡帆等宁武盆地煤层气储层敏感性研究及钻井液技术 5 1 上 ，说 明该钻井液体系能阻止钻井液的侵入 ，对于 储层造成的损害在后期的射孔压裂中能轻松解除。 3 现 场试验 及应 用情况 宁武盆地煤层气井井身结构为二开结构，二开 为斜井段 ，研究 的封堵成 膜 C Q． F D C钻井液体 系 在武 1 ． 4 、武 1 5 井 等 6口井 得到成功应用 。现场 试验结果表明，该钻井液能提高煤岩表面形成的泥 饼质量 ，提高承压能力，解决了宁武盆地煤层气井 井壁失稳和储层保护等难题 。 1 井壁稳定防塌性好。钻进期间无坍塌、无 卡钻事故 ，起下钻顺畅，测井、下套管施工顺利， 从而极大地提高了钻井施工 的效率 ，6口井平均井 径扩大率为 1 5 ． 7 7 ％ 见 图 2 。 3 5 3 O 2 5 2 0 1 5 1 0 O 痞毒痞 毒毒 喜 窖毒 ‘ 图 2 试验前后井径扩大率对比图 2 储层保护效果好。对现场储层段钻井液取 样 ，经 室 内煤岩 岩心 伤害评 价得 到 ，武 1 5 、武 1 4 、武 1 5 1 、武 l 5 2 、 MBS 2 6 1 1 、武 1 5 ． 3井的伤 害 率 分 别 为 1 4 ． 8 3 ％、1 7 ． 6 6 ％、l 7 ． 4 6 ％、1 6 ． 7 6 ％、 1 7 ． 2 8 ％和 1 6 ． 3 9 ％，宁武盆地煤层气井储层岩心经 过钻井液伤害后，岩心平均伤害率为 1 6 ．7 3 ％，证 明该钻井液具有较好的成膜封堵性，伤害基本集中 在伤害端面，在后期的射孔也可以解除。 3提速效果 明显 。现场试验井表明，该钻井 液体系提高机械钻速作用明显，其中在武 1 5 井 二开井段 井径为 2 2 2 mm平均机械钻速为 1 5 ． 2 m／ h ，高于该区块的平均机械钻速 1 3 ． 3 2 m ／ h 。 4 结论 1 ． 引起宁武盆地煤层气储层的伤害主要是应力 敏感、碱敏和水敏，针对储层敏感性结果，研制出 了一套封堵成膜 C Q F DC钻井液体系。 2 ． 该钻井液技术进行了 6口井的试验 ，经室内 岩心伤害评价证 明， 该钻井液技术保护储层效果好 ， 解决了宁武盆地煤层气井储层保护 的难题。 3 ． 扩大该钻井液体系的应用范围，继续加大该 钻井液体系在煤层气井尤其是煤层气水平井中的应 用 ，通过实践进一步优化和改进钻井液配方 。 参 考 文 献 [ 1 ] 林海 ，陈磊，张艺聪，等 ． 宁武盆地 4 和 9 煤岩坍塌 机理 [ J ] _ 钻井液与完井液 ，2 0 1 4 ，3 1 5 1 4 - 1 7 ． Li n Ha i ，Ch e n Le i ，Zh a ng Yi c o n g，e t a 1 ．St u d y o n c o l l a p s e o f NO ． 4 a n d NO ． 9 c o a l r o c k s i n Ni n g w u B a s i n [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d，2 0 l 4 ，3 1 5 1 4 1 7 ． [ 2 ] 郑军 ，贺承祖 ，冯文光，等 ． 煤气储层应力敏感 、速 敏和水敏性研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 6 ，2 3 4 7 7 7 8 ． Zh e n g J u n， He Ch e ng z u，Fe n g W e n g u a n g， e t a 1 ． Se ns i t i vi t y of s t r es s，ve l oc i t y and wa t e r of c oal ga s r e s e r v o i r [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n Fl u i d 。2 0 0 6 ． 2 3 4 7 7 ． 7 8 ． [ 3 ] 汪伟英 ，肖娜，黄磊，等 ． 钻井液侵入引起煤岩膨胀 对煤储层的伤害 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 3 2 0 2 2． W a n g W e i y i n g，Xi a o Na ，Hu a n g Le i ，e t a 1 ． Da m a g e i n c o a l r e s e r v o i r c a us e d b y s we l l i n g a f t e r d r i l l i n g f l u i d i n v a s i o n [ J ] ． DH l n gF l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 1 0 ，2 7 3 2 0 2 2 ． [ 4 ] 贾军，唐培琴 ． 钻井液对煤层气储层渗透率的损害 [ J ] ． 钻井液与完井液，1 9 9 5 ，1 2 6 1 - 6 ． J i a J u n，Ta n g P e i q i n ． On t h e d a ma g e o f c o a l b e d me t h a n e r e s e r v o i r b y d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． D r i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，1 9 9 5 ，1 2 6 1 - 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