崔金榜 陳必武 顏生鵬 袁光杰 夏 焱 王秀梅

（1.中石油華北油田分公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部，山西長(zhǎng)治 046000；2.青海油田井下作業(yè)公司，甘肅敦煌 814000；3.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195；4.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300280）

沁水盆地在用煤層氣鉆井液傷害沁水3#煤巖室內(nèi)評(píng)價(jià)

崔金榜1陳必武1顏生鵬2袁光杰3夏 焱3王秀梅4

（1.中石油華北油田分公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部，山西長(zhǎng)治 046000；2.青海油田井下作業(yè)公司，甘肅敦煌 814000；3.中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195；4.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300280）

研究沁水3#煤巖儲(chǔ)層鉆井液儲(chǔ)層傷害機(jī)理，對(duì)沁水煤層氣開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。室內(nèi)對(duì)比測(cè)定了清水、絨囊、膨潤(rùn)土聚合物等3類(lèi)鉆井液傷害端氏煤礦3#煤巖柱塞前后滲透率值。結(jié)果表明，清水、絨囊鉆井液、膨潤(rùn)土聚合物鉆井液傷害煤巖柱塞平均滲透率恢復(fù)值為70.88%、84.22%和49.26%。結(jié)合滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、煤巖柱塞傷害時(shí)漏失情況，分析鉆井液儲(chǔ)層傷害的主要因素有鉆井液濾液及顆粒傷害、煤巖自身煤粉及微粒運(yùn)移、某些表面活性劑與地層不配伍等。建議鉆井使用無(wú)固相控制煤粉運(yùn)移的鉆井液，適當(dāng)使用處理劑封堵地層控制濾液與煤層接觸機(jī)會(huì)，根據(jù)具體煤巖情況優(yōu)選表面活性劑避免煤巖與表面活性劑不配伍造成儲(chǔ)層滲透率降低。

沁水盆地；煤層氣；鉆井液；儲(chǔ)層傷害

煤巖儲(chǔ)層滲透率是影響煤層氣經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素之一［1］（孫立東，2006），也是評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層滲透性的重要參數(shù)［2］（王紅東，2010）。國(guó)內(nèi)外一直關(guān)注煤層氣鉆井液儲(chǔ)層傷害問(wèn)題。但關(guān)于煤巖儲(chǔ)層傷害的種類(lèi)和程度，說(shuō)法不一。C. Gruesbeck［3］（1982）認(rèn)為，顆粒運(yùn)移與再沉積是煤巖儲(chǔ)層滲透率傷害機(jī)理之一。孫建平［4］（2003）認(rèn)為，鉆井液固相顆粒堵塞煤層孔隙和裂隙、液柱壓力閉合裂隙、濾液傷害煤儲(chǔ)層是鉆井液儲(chǔ)層傷害的三個(gè)主要因素。Z. Chen等［5］（2006）研究壓裂液傷害煤巖儲(chǔ)層時(shí)認(rèn)為，膠性流體傷害煤儲(chǔ)層滲透率嚴(yán)重，但加入表面活性劑后傷害程度大大降低。鄭軍等［6］（2006）認(rèn)為，不是所有的表面活性劑都對(duì)儲(chǔ)層有利，不同表面活性劑傷害儲(chǔ)層程度不同。T. Gentzis等［7］（2009）研究鉆井液影響煤巖滲透率時(shí)認(rèn)為，煤巖顆粒傷害割理造成滲透下降。岳前升等［8］（2010）認(rèn)為，煤儲(chǔ)層傷害的主要因素有鉆井液中固相、儲(chǔ)層水敏、壓力敏感、自吸作用、結(jié)垢、聚合物堵塞。李永壽等［9］（2010）認(rèn)為，煤粉在流體作用下易松動(dòng)、脫落、運(yùn)移，微粒滯留在喉道中傷害儲(chǔ)層滲透性。汪偉英等［10］（2010）認(rèn)為，鉆井液侵入煤巖后將造成煤巖膨脹，傷害煤巖儲(chǔ)層。張公社等［11］（2011）認(rèn)為，煤粉越細(xì)、裂縫越寬，越易堵塞。左景欒等［12］（2012）認(rèn)為，鉆井液侵入傷害煤巖儲(chǔ)層，影響煤層氣產(chǎn)量。不管哪種原因造成煤巖儲(chǔ)層滲透率下降，都會(huì)影響煤層氣產(chǎn)量。暫不談煤巖儲(chǔ)層傷害是否由滲透率唯一決定，至少應(yīng)該在鉆井作業(yè)前，知曉鉆井液影響滲透率的狀況。

為此，實(shí)驗(yàn)選取目前煤層氣鉆井用清水鉆井液、絨囊鉆井液［13］（鄭力會(huì)等，2010）和膨潤(rùn)土聚合物鉆井液［14］，按照現(xiàn)場(chǎng)用配方，配制9種鉆井液，在應(yīng)力臨界值和速敏臨界值以下，實(shí)驗(yàn)測(cè)定沁水端氏煤礦獲取的3#煤巖樣品鉆井液傷害前后滲透率。

1 實(shí)驗(yàn)煤樣及鉆井液制備

實(shí)驗(yàn)采用端氏煤礦3#煤巖，室內(nèi)鉆取柱塞。柱塞直徑2.5 cm，長(zhǎng)度3.2～7.2 cm。實(shí)驗(yàn)使用22個(gè)。1#和2#柱塞用于測(cè)定實(shí)驗(yàn)最大圍壓和最大實(shí)驗(yàn)流量，其余20個(gè)柱塞用于滲透率測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)參照煤巖清洗標(biāo)準(zhǔn)［15］（國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)，2006），采用溶劑抽提法清洗煤巖柱塞。清洗后煤樣柱塞在真空干燥器中，真空度133.3 Pa下，抽空18～24 h。實(shí)驗(yàn)前，用標(biāo)準(zhǔn)地層水常壓下浸泡4 h，飽和煤巖柱塞［16］。

實(shí)驗(yàn)用9種鉆井液所用處理劑及加量見(jiàn)表1。

表1 9種鉆井液處理劑及其加量

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層而言，室內(nèi)測(cè)定儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值時(shí)，采用的最大流量由速敏決定，因此，先完成速敏實(shí)驗(yàn)，尋找臨界流速是合理的。但是，煤巖儲(chǔ)層強(qiáng)應(yīng)力敏感，按照常規(guī)儲(chǔ)層先測(cè)定速敏，則不一定合理。所以，在速敏測(cè)定前，應(yīng)先完成應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)，以確定速敏實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的最大圍壓值。大圍壓破壞煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使煤巖滲透率不可逆性增強(qiáng)，造成小圍壓下和大圍壓下的滲透率未必存在必然的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此，采用凈圍壓通過(guò)計(jì)算方法得到應(yīng)力敏感臨界值有一定局限性。所以，應(yīng)該盡可能在圍壓不發(fā)生速敏情況下測(cè)定滲透率值。

2.1 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)測(cè)定

參照評(píng)價(jià)儲(chǔ)層敏感性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［17］（國(guó)家能源局，2010）評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感性和速度敏感性，以獲得發(fā)生應(yīng)力敏感的臨界圍壓和發(fā)生速度敏感的臨界流量。

（1）臨界圍壓實(shí)驗(yàn)測(cè)定。按測(cè)定滲透率方法，緩慢增加圍壓，測(cè)定1#煤巖柱塞在2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 MPa圍壓下恒壓時(shí)的流量；然后，緩慢減小圍壓，依次在 3.5、3.0、2.5、2.0 MPa圍壓下，測(cè)定流量。以圍壓為橫坐標(biāo)，以不同圍壓下煤巖柱塞滲透率為縱坐標(biāo)，繪制圍壓遞增和圍壓遞減過(guò)程中，不同圍壓下的滲透率曲線，如圖1。

圖1 沁水3#煤巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖1可以看出，隨著圍壓升高，滲透率降低。圍壓從高值回到低值，滲透率略有降低，表明已不能恢復(fù)到煤巖儲(chǔ)層原始狀態(tài)；另外，雖然圍壓增加很小，但滲透率下降很多。從應(yīng)力敏感的角度看，可以認(rèn)為是強(qiáng)應(yīng)力敏感，也反映出實(shí)驗(yàn)圍壓必須控制在較低的尺度才能反映煤巖滲透率的真實(shí)情況。為減少?lài)鷫簩?duì)滲透率影響，不采用凈壓力的方法推測(cè)其臨界值，而采用低圍壓2 MPa下測(cè)定速度敏感和滲透率值。

（2）臨界流速實(shí)驗(yàn)測(cè)定。緩慢增加3#煤巖圍壓至 2 MPa后，分別用 0.10、0.25、0.50、1.0、1.5 mL/min流量，低于2 MPa驅(qū)替壓力下，恒壓驅(qū)替標(biāo)準(zhǔn)鹽水。記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算滲透率。以流量為橫坐標(biāo)，以不同流量下巖樣滲透率為縱坐標(biāo)，繪制流速敏感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)曲線如圖2。

圖2 沁水3#煤巖速敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖2可以看出，3#煤巖滲透率隨著流量增加，先增加后減少，而且變化比較劇烈。按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)臨界流量的定義，流量在1.0 mL/min時(shí)，滲透率已經(jīng)從0.5 mL/min的0.59 mD增加至1.03 mD，滲透率變化超過(guò)20%。所以認(rèn)為，臨界流量為0.5 mL/min。后續(xù)實(shí)驗(yàn)，注入時(shí)流量以0.5 mL/min以下為宜。

2.2 鉆井液傷害煤巖儲(chǔ)層滲透率測(cè)定

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［18］（國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，2002）測(cè)定煤巖儲(chǔ)層傷害滲透率。結(jié)合前文測(cè)定的臨界流量0.5 mL/min以及臨界壓力2 MPa，確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)。考慮到煤層氣排水開(kāi)發(fā)，使用標(biāo)準(zhǔn)地層水作滲流介質(zhì)，測(cè)定3#煤巖儲(chǔ)層被9種鉆井液傷害前后的滲透率。9種鉆井液反向傷害時(shí)始終保持圍壓2.5 MPa、驅(qū)壓2 MPa，動(dòng)態(tài)傷害時(shí)間2 h，記錄濾失量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，絨囊系列鉆井液反向傷害煤巖柱塞時(shí)均無(wú)漏失，其余鉆井液反向傷害時(shí)均出現(xiàn)漏失。用清水鉆井液反向傷害煤巖柱塞時(shí)，濾紙過(guò)濾觀察到漏失液中有細(xì)小顆粒。測(cè)定結(jié)束，計(jì)算20塊煤巖柱塞滲透率恢復(fù)值。為了排除測(cè)量時(shí)不確定因素造成的滲透率差異，同一種鉆井液做2組以上平行實(shí)驗(yàn)。20塊煤巖柱塞傷害前后的滲透率及每種鉆井液傷害后平均滲透率恢復(fù)值見(jiàn)圖3。圖中一種顏色代表一種鉆井液傷害的煤巖柱塞，同一顏色的最后一個(gè)直方表示同種鉆井液傷害的平均滲透率恢復(fù)值。

圖3 沁水3#煤巖儲(chǔ)層鉆井液傷害前后滲透率測(cè)定結(jié)果

從圖3可以看出，無(wú)固相鉆井液儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值高于有固相的鉆井液，如清水鉆井液、絨囊鉆井液、膨潤(rùn)土鉆井液的平均滲透率恢復(fù)值分別為70.88%、84.22%、49.26%；同一鉆井液，輔助處理劑不同，儲(chǔ)層傷害滲透率也不同，如絨囊鉆井液添加助排劑后的平均滲透率比原鉆井液提高70.62%，清水添加氯化鉀后的平均滲透率比清水降低37.53%；使用降低界面張力的表面活性劑鉆井液，其滲透率恢復(fù)值高于不使用的鉆井液，如絨囊鉆井液加助排劑、絨囊鉆井液加助排劑及防水鎖劑，平均滲透率都在100%以上，分別為154.84%和108.86%。

3 鉆井液儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)

沁水3#煤巖儲(chǔ)層保護(hù)適用鉆井液實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)較少，室內(nèi)作為探討性評(píng)價(jià)，可能與現(xiàn)場(chǎng)有差距。作為選擇鉆井液的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為操作者提供參考。

3.1 煤巖儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值受封堵能力影響

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的不同鉆井液漏失程度不同，表明鉆井液傷害儲(chǔ)層的程度不一致。絨囊鉆井液封堵能力強(qiáng)，能有效控制漏失量，這與絨囊鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果吻合［19］（鄭力會(huì)，2011）。與之相對(duì)應(yīng)的是，2種清水鉆井液、5種絨囊鉆井液、2種膨潤(rùn)土鉆井液，清水鉆井液平均滲透率恢復(fù)值為70.88%，絨囊鉆井液平均滲透率恢復(fù)值為84.22%，膨潤(rùn)土鉆井液平均滲透率恢復(fù)值為49.26%，說(shuō)明濾失量與儲(chǔ)層傷害關(guān)系密切。進(jìn)一步對(duì)照有無(wú)固相鉆井液的儲(chǔ)層傷害情況，2類(lèi)有固相鉆井液傷害后平均滲透率恢復(fù)值為49.26%，7類(lèi)無(wú)固相鉆井液傷害后平均滲透率恢復(fù)值為96.28%，而且，有固相鉆井液反向傷害煤巖柱塞時(shí)，有鉆井液濾失，一方面說(shuō)明膨潤(rùn)土鉆井液的封堵能力尚需提高，另一方面，儲(chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)后反向驅(qū)替時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)地層水無(wú)法清除固相占據(jù)的滲漏通道，導(dǎo)致滲透率恢復(fù)值較低，說(shuō)明膨潤(rùn)土分散后進(jìn)入煤巖柱塞，傷害儲(chǔ)層。

3.2 煤巖儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值受煤巖自身煤粉影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤巖中煤粉顆粒和黏土顆粒也會(huì)傷害儲(chǔ)層。這可能與煤巖夾矸有關(guān)，也與煤層自身的強(qiáng)度有關(guān)。清水鉆井液濾液中發(fā)現(xiàn)的細(xì)小顆粒，表明微粒在滲透率恢復(fù)值中的作用較大。清水反向驅(qū)替?zhèn)γ簬r柱塞時(shí)，由于煤巖柱塞較短，清水將煤巖柱塞中顆粒攜帶出來(lái)，傷害后滲透率恢復(fù)值較高。但是在實(shí)際清水鉆井當(dāng)中，煤層半徑大，清水將煤粉沖進(jìn)煤層，排采時(shí)無(wú)法將煤層中顆粒沖出，甚至導(dǎo)致顆粒運(yùn)移或水化膨脹堵塞滲流通道，嚴(yán)重傷害儲(chǔ)層。

3.3 煤巖儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值受處理劑影響

絨囊鉆井液添加5%KCl，煤巖柱塞傷害后平均滲透率恢復(fù)值由84.22%增加至91.23%，這是由于K+抑制黏土水化膨脹。具有相同作用的還有聚丙烯酰胺、高黏羧甲基纖維素，但膨潤(rùn)土的負(fù)面影響可能抵消了其積極作用。

膨潤(rùn)土鉆井液加入聚丙烯酰胺后，再加入高黏羧甲基纖維素，煤巖滲透率恢復(fù)值明顯增大，平均滲透率恢復(fù)值由27.12%提高到71.4%。這是由于聚丙烯酰胺和高黏羧甲基纖維素能有效抑制黏土分散所致。

3.4 煤巖儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值受表面活性劑影響

絨囊鉆井液加入助排劑后，煤巖儲(chǔ)層平均滲透率恢復(fù)值由84.22%提高到154.84%，加入防水鎖劑后煤樣平均滲透率恢復(fù)值由84.22%下降到77.51%。可見(jiàn)助排劑及防水鎖劑對(duì)煤巖儲(chǔ)層滲透率的影響不同。在確定使用表面活性劑后，合理的實(shí)驗(yàn)選擇十分重要。

4 結(jié)論

（1）沁水煤層氣3#儲(chǔ)層鉆井液儲(chǔ)層傷害主要類(lèi)型為濾液、顆粒。因此，建議使用無(wú)固相鉆井液。

（2）沁水煤層氣3#儲(chǔ)層鉆井液儲(chǔ)層傷害類(lèi)型還有煤粉和微粒運(yùn)移，為減輕其傷害，建議使用處理劑封堵地層，控制濾液與煤層接觸機(jī)會(huì)。

（3）表面活性劑對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響有好有壞，在使用過(guò)程中要分別對(duì)待，根據(jù)具體地層情況優(yōu)化表面活性劑。

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（修改稿收到日期 2013-06-18）

Lab evaluation on formation damage of No.3 coalbed methane reservoir by drilling fluids in Qinshui basin

CUI Jinbang1, CHEN Biwu1, YAN Shengpeng2, YUAN Guangjie3, XIA Yan3, WANG Xiumei4
（1. CBM Branch Company,Huabei Oilfield Company,Changzhi046000,China; 2.Downhole operation company of Qinghai Oilfield,Dnhuang814000,China;3.CNPC Drilling Research Institute,Beijing100195,China; 4. Drilling Division,CNPC Offshore Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300280,China）

It is virtually important for high and stable yield of CBM to research the damage mechanism of No. 3 CBM reservoir by drilling fluids in Qinshui basin. Using clear water, bentonite-polymer drilling fluid and fuzzy-ball based drilling fluid separately to contaminate 20 core plugs which were got from the drilling site of No.3 CBM in Duanshi coal mine, the permeability of core plugs was measured and compared. It is concluded that the permeability recovery rate of core plugs after contaminating with the three solutions were 70.88%, 84.22% and 49.26% separately. Through laboratory tests and observing leak off of core plugs, the main factors of damage mechanism by drilling fluids were analyzed to be solid phase of drilling fluid, migration of coal fine and incompatibility between some surfactant in drilling fluid and the formation. The paper suggests that we should take non-solid coal fine migration controllable drilling fluid, properly use some treating agent to plug formation to decrease the contacting chance of filtration and formation, and optimize surfactant to avoid the formation permeability decrease by the incompatibility between coal bed and surfactant.

Qinshui Basin; coalbed methane; drilling fluid; formation damage

崔金榜，陳必武，顏生鵬，等. 沁水盆地在用煤層氣鉆井液傷害沁水3#煤巖室內(nèi)評(píng)價(jià)［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：47-50.

TE258

：A

1000–7393（2013） 04–0047–04

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“煤層氣鉆井工程技術(shù)及裝備研制（二期）”（編號(hào)：2011ZX05036）和“山西沁水盆地煤層氣水平井開(kāi)發(fā)示范工程”（編號(hào)：2011ZX05061）資助。

崔金榜，1991年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院，主要從事煤層氣鉆采技術(shù)研究和管理工作，高級(jí)工程師。E-mail：zhb_cjb@petrochina.com.cn。

〔編輯 朱 偉〕