煤层气钻采工作液对煤岩储层应力敏感性影响试验_康毅力.pdf

第42卷第4期 2014年8月 文章编号I001-1986201404-0039-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOOY 2. II庆钻探长庆井下技术作业公司，陕西西安710000 摘要煤岩气藏钻井、完井和增产改造等环节，不同类型工作液与储层接触相互作用，必将对储 层的应力敏感性产生影响。选取宁武盆地中煤阶煤岩，系统开展了不同类型工作液作用人造裂缝 煤样的应力敏感性试验。试验结果表明，人造裂缝煤样应力敏感系数为0.73，工作液作用后应力 敏感系数为0.79～0.94.通过应力敏感系数对比分析表明，工作液作用下煤岩的应力敏感性强于致 密码｝岩和页岩．结合岩石力学试验结果可知，煤岩裂隙发育有利于工作液的侵入，工作液作用后 煤岩强度降低使裂缝更容易闭令，强化了煤岩储层的应力敏感性。研究成果可为煤层气井钻完井、 增产改造和开采过程中煤层气储层保护提供基础参数。 关键词煤岩储层；煤层气；应力敏感；工作液；岩石力学 中图分类号P618.ll文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2014.04.009 Influence of dvilling fluid on stress sensitivity of coalbed reservoir KANG Yili 1, CHEN Defei 1, LI Xiangchen 1, ZHOU Laicheng1, CHEN Fei2 I. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Changqing Downho/e Technical Service Company, Xian 710000, China Abstract During coal gas reservoir well drilling and completions and stimulations, the contact of different types of working liquid with the reservoir and interaction with each other will impact the stress sensitivity of reservoir. Coal samples tested were cored from moderate coal rank in Ningwu basin, after fracturing, the coal samples were soaked in different working fluids, and then were tested for stress sensitivity by increasing and reducing confining pressure. The results show that stress sensitivity of fractured coal sample is 0.73, the stress sensitivity of core samples with working fluid intrusion is 0.790.94, the stress sensitivity of coal is greater than tight sandstone and shale before and after being damaged by working fluid. In combination with rock mechanic test results, the fracture development of coal is favorable to the invasion of the working fluid, after being effected by working liquid coal strength reduces, making crack easier to close and strengthening the stress sensitivity of coal reservoirs. Research results can provide basic parameters for coalbed reservoir protection during coalbed methane well drilling and completion, stimulation and exploitation Key words coalbed reservoir; coalbed methane; stress sensitivity; working fluid; rock mechanics 煤层气在开采过程中，伴随着气、水的采出将 导致煤岩储层渗透率发生一系列的变化当储层压 力降低，气体从煤基质中解吸，导致煤基质收缩和 裂隙扩大，从而使渗透率增大［I］；随着储层压力降 低，有效应力将增大，增大对裂隙的压缩［2］，这时 煤岩表现出较强的应力敏感性［3-4］。此外，在煤层气 钻井与完井及开发过程中，地层水的存在以及钻井 完井液、压裂液的浸泡作用会改变煤岩的力学性质， 收稿日期2013-03-23 有可能进一步增强煤岩应力敏感性。 以往研究以致密砂岩、页岩为对象，已经揭示 了工作液浸泡可以不同程度地强化致密储层的应力 敏感性。杨建等［5］研究了钻井完井液损害对致密砂 岩应力敏感性作用。游利军等［6］考虑裂缝和含水饱 和度对致密砂岩应力敏感性的影响。何金钢等［7］研 究了流体损害对页岩储层应力敏感性的影响。上述 研究主要关注岩石渗透率的变化，缺少岩石力学试 基金项目国家重点基础研究发展计戈tl973计划）课题（20I OCB226705）；西南石油大学研究生创新基金资助课题 GlFSS0709 作者简介康毅力（1964一），男，天津到县人，博士，教授，博士生导师，从事储层保护理论及技术、非常规天然气 开发及油气田开发的研究与教学． ChaoXing 40 煤田地质与勘探第42卷 验数据的支持。 早在1980年，煤层气勘探开发方式主要依靠从 常规储层开发经验发展而来。SchaferRJ指出煤岩储 层是比较独特的储层，在勘探和开发过程中均需要 采用独特的方法。Clarkson等问指出煤岩储层比其 他储层更易受到渗透率敏感性损害。Mavor等［10］通 过对大量盆地的煤层研究表明渗透率是大多数煤层 确定天然气经济产量以及采矿期间预测瓦斯抽放速 度需要考虑的重要因素之一。Sunl111分析了煤样在 不同有效应力作用下的渗透率。Yu等（12］研究了应 力敏感性对煤层气井产能的影响。李相臣等［13］研 究了应力对煤样裂缝宽度及渗透率的影响。陈振宏等 14］考虑了水相的存在对应力敏感性的影响。袁梅等 [15］通过试验研究了水分对含瓦斯煤渗透特性影 响。张东明等（16］研究了瓦斯气体在煤样中的渗流 特性。鉴于工作液浸泡对煤岩应力敏感性的影响研 究甚少，本文通过开展煤样三轴压缩试验、变含水 饱和度下煤样单轴压缩试验、不含水的天然裂缝煤 样与工作液作用后的裂缝煤样应力敏感性试验，分 析工作液对煤岩物理－力学性质的影响，探讨煤岩储 层的特殊应力敏感规律，为煤层气井钻井、完井以 及开采过程中煤岩储层保护提供基础参数。 1 试验方法 1.1 煤样制备 本文选用宁武盆地石炭统太原组（C3t）下部9号 煤层作为研究对象，该煤层厚12-20m，煤岩特征 总体以半暗一半亮型和半亮一光亮型为主。显微组 分中镜质组反射率为0.92～1.16，镜质组含量一 般大于60，情质组组分一般在40左右，主要为 中低灰分煤，试验煤样灰分为8.88，水分为1.28, 挥发分为34.32，固定碳为55.52。含气量为较 高一高，探井中煤层含气含量为6.0～20.61m3/t。试 验煤样是沿平行层理方向钻取的柱状岩心（直径 2.53 cm，长3～5cm,60℃下烘48h后用氮气测克 氏渗透率，液体加压饱和法（酒精）测孔隙度，结果如表 l所示，对应力敏感性分析煤样均进行人工造缝。 1.2煤样渗透率应力敏感性测量 a.选取裂缝煤，样，将裂缝煤样在工作液滤液中浸 泡处理48h后进行气驱水试验，建立设定含水饱和度。 b.根据煤层实际地层压力及生产情况选择应 力点3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、 6MPa、9MPa、13MPa、16MPa、20MPa和25MPa, 逐点增加压力，对建立含水饱和度后煤样利用 SCMS-11型全自动岩心孔渗测量系统测定煤样渗透 表1试验煤样基础数据 Table 1 Basic data of coal samples for experiment 样品长度／cm直径／cm 孔隙度渗透率 / / I 0-3巴m2 缝宽（3MPa 业旦 Al 4.93 A2 4.96 A3 4.98 A4 5.00 A5 4.98 Al 4.06 A2 4.64 A3 3.75 A4 4.38 A5 4.96 A6 3.91 A7 3.83 A8 4.30 A9 4.28 AIO 4.00 2.53 4.73 2.53 5.19 2.53 6.25 2.53 5.08 2.53 4.79 2.53 5.55 2.53 4.80 2.53 5.79 2.53 9.89 2.53 3.13 2.53 5.50 2.53 6.62 2.53 5.51 2.53 10.39 2.53 5.79 0.013 0.028 0.057 0.044 0.033 0.098 0.034 0.099 。139 0.012 0.024 。053 0.088 0.238 0.014 25.25 27.01 42.60 25.67 18.32 29.06 32.36 39.36 32.66 29.89 率（图l）；然后选择应力点25MPa、20MPa、16MPa、 13 MPa、9MPa、6MPa、5MPa、4.5MPa、4MPa、 3.5 MPa和3MPa，逐点降低压力对建立含水饱和度 后煤样利用SCMS一II型全自动岩心孔渗测量系统测 定煤样渗透率。 c.依据应力敏感性系数法（17］评价煤样的应力 敏感程度。 [I （主）＇β］ Ss＝。 lg σ。 式中Ss为应力敏感性系数；σ。为初始应力值，对 应的渗透率为Ko；σ为各测试点的有效应力，对应 渗透率为K。 图lSCMS -II型全自动岩心孔渗测量系统 Fig. I SCMS-11 automatic measurement system for porosity and permeability of core ChaoXing 第4期康毅力等．煤层气钻采工作液对煤岩储层应力敏感性影响试验 41 1.3 煤样岩石力学试验 本文采用RTR-1000静（动）态三轴岩石力学伺服 测试系统开展煤样三轴压缩试验以及不同含水饱和 度煤样单轴压缩试验（图2）。试验煤样选取从同一块 煤岩上钻取的5块煤样，减少由煤样非均质性对试验 结果的影响。煤样含水饱和度是通过自吸法［18］建立 然后密封保存，模拟关井24h后开展岩石力学试验， 加载方式均采用0.2mm/min的速度进行位移控制。 图2RTR一1000静（动）态三轴岩石力学伺服测试系统 Fig. 2 RTR- 1000 static dynamic servo test system for triaxial rock mechanics 2 试验结果 2.1 工作液浸泡损害后应力敏感性结果 分别对未经流体处理、 地层水处理、钻井液处 理、压裂液处理的裂缝煤样开展应力敏感性试验， 结果表明未处理煤样应力敏感性小于流体处理后 煤样应力敏感性，试验结果见表2。可以看出随含 水饱和度增加，煤样应力敏感性增强。对比不同钻 井被与压裂液处理后的应力敏感系数，可以看出工 作液对裂缝煤样应力敏感性的影响程度依次为 活性水＞离子平衡液〉瓜胶压裂液＞清洁压裂液A＞清 洁压裂液B＞钻井完井液。煤岩是由连通性很好的大 分子网络以及相互之间不连通的大分子所组成，这 就导致煤岩比常规储层岩石具有更高的吸附各种流 体及气体的能力。每种工作液中均可能含有各种不 同的化学处理剂，当煤样与工作液接触后将吸附在 煤岩表面，发生程度不同的物理一化学搞合反应，造 成煤样力学性质发生不同程度的弱化，导致每种工 作液强化煤岩应力敏感性的程度不同。 图3为裂缝煤样在加载、卸载过程中渗透率比 值随有效应力变化趋势图。图3中可以看出有效应 力增加的过程中煤样渗透率在有效应力为3-6MPa 之间下降幅度最大，工作液浸泡损害后的现象更为严 重。在卸载过程中随有效应力减小，工作液浸泡损害 后煤样渗透率恢复性很差。因此可以看出工作液浸泡 损害后的煤样发生应力敏感损害后，渗透率很难恢复。 2.2 不同含水饱和度煤样单轴压缩试验结果 本次总共开展4块煤样的单轴压缩试验（表3、 图的，试验中所用煤样均为沿层理方向取自同一块 煤岩，有效的防止由煤样个体差异所导致的实验误 差。可以看出宁武盆地煤样单轴抗压强度较低，并 且受含水饱和度的影响较大。随着含水饱和度的升 高，煤样破坏强度与弹性模量均减小，含水饱和度 由0升至32.71时，破坏强度降低69.26，水分 的存在对煤岩力学性质具有明显的弱化作用，这主 要是由于煤岩发生了水化作用，当煤岩接触水以后， 水分首先会沿着裂隙进入煤岩，润湿煤岩自由面上 的颗粒，并削弱他们之间的联系，导致煤岩力学强 度降低。图5可以看出随着含水饱和度的增加，煤 样破坏强度并不呈线性减小。 表2应力敏感性试验结果 Table 2 Experimental results of stress sensitivity 样品 渗透率／（10 3 m2 液体类型（pH饱和度／s, 3 MPa 6 MPa 9 MPa 16 MPa 20 MPa 25 MPa Al 53.01 28.65 16.91 5.53 3.51 2.01 0.73 干裂缝。 A2 64.90 21.30 11.60 3.27 0.58 0.55 0.89 地层水（732.18 A3 254.7 86.27 33.27 5.12 2.48 0.47 0.98 地层水（740.62 A4 55.69 22.53 8.26 1.27 0.51 。140.99 地层水（749.87 A5 20.25 9.40 4.86 1.68 0.61 0.58 。.79钻井完井液（834.32 A6 80.86 35. 1 l 16.34 3.41 1.70 0.71 0.89 fl1胶压裂液（832.69 A7 111.6 30.50 10.19 2.20 1.17 0.57 0.94 活性77 31.55 A8 200.9 102.5 50.49 10.02 4.68 1.79 0.90 离子平衡液（631.78 A9 114.7 37.59 16.12 2.83 1.38 0.64 0.89 清洁王裂液A732.68 AIO 88.00 46.60 25.00 5.15 2.38 0.90 0.88 清洁压裂液B532.41 注＊为有效应力。 ChaoXing 42 煤田地质与勘探 第42卷 nu 。。 ζUA 啡、LAU nυAUAυnu 祖｝』AM时制「刷刷 4 1.2 1.0 0.8 运 卡十0.6 烟 给0.4 0.2 1.2 1.0 →－1JLJ载 －－－卸载 AU 句、d m、J 句J－ AU 句，＆ DZ与吨， 刷和 MU 回旧 敛山中 有 o nu c、d 吃 -11日载 唱卸载 5 IO 15 20 25 30 有放W;;IJMPa bA8离f半衡（31.78 图3渗透率随有效应力变化趋势 Fig.3 The trend of permeability change with effective stress 表3煤岩单轴压缩试验结果 Table 3 Uniaxial compressive experiment results of coal samples 样品含水饱和度／破坏强度／MPa弹性模量／GPa A I O 17.49 3.71 A 2 9.72 12.79 3.21 八321.76 12.42 3.12 A 4 32.71 5.38 3.01 20 18 16 ,\. 14 主12 气当10 1古8 主军6 4 0.5 I 1.5 2 2.5 3 制向位移Imm 图4煤样单轴压缩应力－位移曲线 Fig.4 Stress-displacement curve of coal samples in uniaxial compression 21 18 民2 主15 虱12 照9 与安6 3 O O 5 IO I 5 20 25 30 35 含水饱和皮肌 图5不同和含水饱和度下破坏强度 Fig.S Breaking strength under different water saturation 2.3 煤样三轴压缩试验结果 煤样三轴力学试验结果见表4。从图6中可以看 出在定围压下，随轴向有效应力的增加，煤样不断被 压缩，当煤样达到破坏点以后，随着变形的持续增加， 应力会往复增加与减小。在加载初期，随轴向应力的 增加，煤样中微裂隙不断被压密，刚度逐渐增大，裂 隙闭合；随着加载继续进行，煤样进入线弹性变形阶 段，此时煤样表现为理想的弹性体；随后进入微裂隙 稳定扩展阶段，部分裂隙发生摩擦滑动与自相似扩 展；随着轴向应力的持续增加部分微裂隙将发生局部 失稳，导致轴向应力急剧减小，但煤样不会发生严重 破坏，随着应力继续增加这种现象往复出现，最后微 裂隙逐渐扩展到临界长度，相邻微裂隙将迅速连接为 连续裂纹井出现宏观裂缝，此时煤样发生破坏，但由 于裂缝之间的结构效应，使得煤样破坏后具有一定的 残余强度。 表4煤岩三轴压缩试验结果 Table 4 Triaxial compression test results 岩石 含水饱和度围压弹性模量 泊松比轴向峰值 类型/ /MPa /GPa /MPa 煤岩As 28.97 12 5.01 0.37 64.58 70 60 50 0民． 主40 f哥 、主30 2罢 20 10 0.005 0.0 I 0.015 0.02 应变／ 图6煤样（A.S）三轴压缩应力－应变曲线 Fig.6 Stress-strain curve of coal samples A巧）in triaxial compression 3 试验结果分析与讨论 3.1 同试验条件下煤岩应力敏感性强于致密砂岩 和页岩 工作液对致密砂岩、页岩、煤岩储层的应力敏感 性均有强化作用，但强化程度不相同。工作液损害后 的致密砂岩应力敏感性系数由0.43增至0.665］；页岩 在流体作用损害以后应力敏感性系数由0.60增至 0.91 ［］；工作液损害前的煤样应力敏感性系数为0.73, 损害后则为0.94。煤样在损害前后的应力敏感系数均 比致密砂岩与页岩偏大，这主要是因为煤岩本身的固 有特性以及工作液与煤岩物理一化学作用、力学作用的 机理与致密砂岩、页岩具有差异。 ChaoXing 第4期康毅力等煤层气钻采工作液对煤岩储层应力敏感性影响试验 43 3.2 煤岩裂隙异常发育导致其对应力作用敏感 煤岩储层中煤岩硬度较小，脆性较大、裂隙发育， 机械强度低，导致煤岩应力敏感性较强。从煤样三轴 压缩试验应力一应变图（图6）可以看出煤样在达到峰值 应力后煤样承载能力并不会急剧下降，这主要是由于 煤岩储层是由孔隙和裂隙构成的双重结构系统［町，内部 裂隙发育，煤样在受载过程中首先是裂隙系统发生失 稳，应力降低程度取决于裂隙的大小。 作业过程中随着有效应力的增加，裂隙逐渐被压 缩，同时由于煤岩中含有大量的有机质，有机质的压 缩系数明显大于无机质的压缩系数，这些因素将导致 煤岩的应力敏感性较其他岩石偏强。 工作液与煤岩作用以后煤岩孔隙与裂隙中的液体 将产生孔隙压力，抵消部分作用在煤岩内部截面上的总 应力，使岩石的弹性屈服极限减小，同时还会降低煤岩 抗剪强度，发生剪切破坏，导致煤岩强度降低［20］。 作液的存在使分子活动能力增强，液体沿裂隙 和孔隙进人煤岩，润湿煤岩全部自由面上的颗粒，液 体分子的侵人削弱了颗粒间的联系，使煤岩力学性质 由好向坏转化，弱化煤岩力学性质。 煤岩是由可溶盐、胶体矿物的联结而成，当地层 水、工作液浸入时，将导致可溶盐溶解，胶体水解， 使原有连结破坏，导致矿物颗粒间连结力减弱，使煤 岩摩擦力减低。 3.3 煤岩有机质和无机矿物的环境化学敏感助强 应力敏感性 当工作液呈酸性或碱性时，工作液在煤岩中流动 过程中将煤岩中可溶物溶解带走，有时将煤岩中小颗 粒带走，使煤岩强度大为降低，变形加大，极易出现 溶蚀现象。 煤岩是一种有机岩，含有大量有机质基团 （一CHi-NHzi211，当高pH工作液与煤岩接触后，聚合 物将产生物理吸附、化学吸附、化学反应3个过程， 导致基团中的化学键发生较大的变化，并断裂生成新 的化学键，使聚合物吸附滞留，导致煤岩力学性质的 降低，应力敏感性增强。 4结论 a.煤岩裂隙系统发育以及富含有机质，使煤岩 储层具有极强的应力敏感性，且一旦发生应力敏感则 不可恢复。 b.随着含水量的增加，煤岩强度降低，应力敏 感性增强。工作液对煤样应力敏感性影响程度依次 为活性水＞离子平衡液〉瓜胶压裂液＞清洁压裂液 A＞清洁压裂液B＞钻井完井液。 c.在钻完井作业过程中应尽量保持恒定的压 差，减少钻井完井液及压裂液的侵入，提高返排率。 尽量避免使用高聚合物以及过高（过低）pH值的工作液。 参考文献 [I SCOTIA R, KAISER W R. 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