李相臣 康毅力 陳德飛 陳 飛

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石油川慶鉆探工程公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司

煤層氣被譽為最有潛力的非常規(guī)石油天然氣資源之一，中國埋藏2 000m以淺的煤層氣資源量約為36.81×1012m3，與常規(guī)天然氣資源量大致相當(dāng)［1－2］。與常規(guī)儲層相比，煤巖儲層具有吸附性強、滲透性差、機械強度低、易破碎、易坍塌等特征，這些特征決定了工程作業(yè)中煤巖儲層更易遭受嚴重的儲層損害［3－7］。鉆井過程中鉆井完井液在微裂隙發(fā)育煤層中的侵入和漏失，對煤巖的滲透率、解吸能力、巖石強度、變形能力和井周附近應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。Gentzis等評價了一系列泥漿體系和添加劑在濾餅形成后對煤層滲透率的影響，并重點分析了其對水平井眼穩(wěn)定性的影響。指出最優(yōu)的鉆進方法為微過平衡，井壁附近形成的濾餅將有效防止鉆井完井液濾液與固相的侵入，達到保護煤層的目的［8－9］。Joubert研究發(fā)現(xiàn)煤巖吸附能力與水分含量有關(guān)，并且水分含量存在一個臨界值。在臨界水分含量以下，煤巖吸附能力隨著含水量的增加而降低；當(dāng)含水量超過臨界水分含量，煤巖吸附能力降低很少或幾乎沒有改變［10］。王兆豐等的研究表明，水分存在對煤層氣解吸量的影響有一個臨界值，煤層氣的解吸量隨著含水量的增加而降低，但當(dāng)煤樣水分含量達到一定值時，解吸量不再隨水分的增加而降低［11］。陳尚斌等從等溫吸附角度，探討了清潔壓裂液對煤層氣吸附能力的影響，研究得出清潔壓裂液對煤層氣吸附能力有較大影響［12］。

筆者選取山西省寧武盆地9號煤和現(xiàn)場用鉆井完井液，開展了煤層氣解吸、毛細管自吸、氣相返排和鉆井完井液動靜態(tài)損害評價等實驗，結(jié)合紅外光譜、潤濕角測定和掃描電鏡的手段，深入分析了鉆井完井液對煤層氣解吸—擴散—滲流過程的影響，可為煤層氣儲層損害評價方法和工作液優(yōu)選參考。

1 煤層氣解吸—擴散—滲流過程

煤層氣的產(chǎn)出可以概括為3個過程：①從吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的解吸過程；②在濃度差、壓力差作用下氣體分子的擴散過程；③擴散氣體在煤巖儲層的裂縫系統(tǒng)滲流并最終流入井筒的過程。煤層氣的產(chǎn)出受解吸—擴散—滲流過程的共同控制，3個環(huán)節(jié)緊密相連，相互影響，相互制約，任一過程受制，都將嚴重影響煤層甲烷的產(chǎn)出。筆者結(jié)合鉆井完井液作用對煤層氣運移行為的影響，將煤層氣產(chǎn)出過程劃分為4個基本過程（圖1）：①氣體分子從煤巖孔隙表面解吸；②氣體分子在煤巖孔隙中擴散；③氣體分子在界面液膜內(nèi)擴散；④基塊擴散氣體進入裂縫系統(tǒng)滲流并最終流入井筒。由此可見，鉆井完井液與煤層相互接觸后固相和液相的侵入，不僅降低裂縫的滲流能力，而且亦會引起煤巖表面的物理化學(xué)作用導(dǎo)致煤層氣的解吸—擴散能力的下降，從而影響煤層氣運移的全過程。

圖1 煤層氣運移的4個基本過程圖

2 鉆井完井液對解吸—擴散的影響

鉆井完井液濾液是一種化學(xué)成分比較復(fù)雜的流體，包含各種表面活性劑，煤層氣井鉆井過程中鉆井完井液濾液侵入后將與煤層發(fā)生物理化學(xué)作用，降低煤巖解吸能力進而影響煤層氣產(chǎn)量，為考察現(xiàn)場用鉆井完井液體系對寧武盆地9號煤層解吸能力的影響，開展了平衡水煤樣、飽和水煤樣和鉆井完井液處理煤樣的解吸實驗。

2.1 實驗方法

1）實驗采用自行研制的高溫高壓煤層氣吸附解吸測量系統(tǒng)。該儀器可測的溫度范圍為室溫～200℃；注入壓力范圍為0～70MPa；溫控的絕對不確定度小于1℃；測壓的絕對不確定度小于0.001MPa；測體積的相對不確定度小于0.0001。

2）實驗樣品采自寧武盆地石炭系太原組下部9號煤層，煤質(zhì)成分分析結(jié)果：水分為1.89%，灰分為6.80%，揮發(fā)分為29.81%，固定碳為61.50%。鏡質(zhì)組反射率為0.92%～1.16%。將煤樣粉碎至60～80目，并縮分成4份，每份質(zhì)量大于100g，其中1份制備為平衡水煤樣，1份制備為飽和水煤樣，1份制備為鉆井完井液煤樣，1份備用。

平衡水煤樣的制備：將樣品稱重取1份裝入過飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，該溶液可以使相對濕度保持在96%～97%之間；約48h后煤樣被濕潤，間隔一定時間稱重1次，直到恒重，即認為達到水平衡，平衡水煤樣制備完畢。

飽和水煤樣的制備：取樣品1份稱重，不斷少量加入純凈水，并充分攪拌，至呈煤漿狀，再次稱重。同樣裝入過飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，約48h后取出，再次稱重，飽和水煤樣制備完畢。

鉆井完井液作用煤樣的制備：現(xiàn)場取寧武盆地煤層氣井用鉆井完井液，實驗室內(nèi)過濾獲得鉆井完井液濾液，不斷少量加入鉆井完井液濾液，同時充分攪拌，直至呈煤漿狀，再次稱重。裝入過飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，浸泡約48h后取出，再次稱重，鉆井完井液作用煤樣制備完畢。

3）將制備好的樣品放入高溫高壓煤層氣吸附解吸測量系統(tǒng)，保持實驗溫度38℃，平衡壓力控制在3 MPa。待樣品吸附平衡后，由儀器自帶的流量監(jiān)測系統(tǒng)實時記錄氣體解吸量。

2.2 實驗結(jié)果

通過不同狀態(tài)煤樣解吸量與時間關(guān)系（圖2）可知，解吸量隨著解吸時間的增加而增大，初始階段解吸速率較快，后期速率增幅變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。相同吸附平衡壓力和解吸時間的條件下，干煤樣煤層氣解吸累計量最大，地層水煤樣解吸量次之，鉆井完井液作用煤樣解吸量最小，可見地層水與鉆井完井液處理后均對煤層氣解吸起抑制作用，且鉆井完井液的抑制程度稍強。

圖2 不同煤樣解吸量隨時間的變化曲線圖

煤巖基質(zhì)中孔隙尺寸和甲烷氣體的分子平均自由程相當(dāng)，甲烷從基質(zhì)內(nèi)進入裂隙系統(tǒng)的過程為擴散過程。對實驗結(jié)果進行分析，獲得不同條件下的擴散系數(shù)，有助于認清煤層氣的解吸動力學(xué)特性?；趩慰讛U散模型（式1），對3種狀態(tài)煤樣的解吸數(shù)據(jù)進行擬合獲得有效擴散系數(shù)（D／R2）［13］。

式中Vt為t時間內(nèi)的累計解吸量；V∞為總解吸量；D為擴散系數(shù)；R為煤粒半徑。

通過不同狀態(tài)煤樣的有效擴散系數(shù)擬合可知，鉆井完井液作用煤樣的有效擴散系數(shù)最?。?.43×10－5s－1），飽和水煤樣的有效擴散系數(shù)次之（1.45×10－5s－1），平衡水煤樣的有效擴散系數(shù)最大（2.32×10－5s－1）。由此可見，液相類型、含量及其分布狀態(tài)對煤層氣解吸—擴散過程具有較大影響。煤巖表面的分子水膜和孔隙中自由液相都對氣體擴散產(chǎn)生附加阻力，液相性質(zhì)不同其影響亦略有差別。

3 鉆井完井液對滲透率的影響

3.1 毛細管自吸對煤巖滲透率的影響

煤巖具有高毛細管壓力特征，鉆井完井液濾液與煤層接觸后在毛細管力的作用下將發(fā)生毛細管自吸，使煤層含水飽和度增加，氣相滲透率降低，并導(dǎo)致后期排采作業(yè)中鉆井完井液濾液長時間難以完全返排。為了掌握煤巖對鉆井完井液濾液的毛細管自吸特征，開展了相同滲透率級別煤樣的地層水和鉆井完井液濾液毛細管自吸實驗和模擬排采過程的氣驅(qū)水返排實驗［14］。實驗結(jié)果（圖3）表明，自吸曲線初始階段自吸速率很快，液相在毛細管力作用下迅速自吸進入裂隙和大孔中，隨著時間的增長自吸速率逐漸下降，液相以擴散吸附的方式進入微孔，相同時間內(nèi)鉆井完井液濾液的自吸量高于地層水的自吸量。通過氣相返排實驗結(jié)果（圖3和表1）可以看出滲透率級別相近條件下地層水的返排率明顯高于鉆井完井液濾液的返排率，表明鉆井完井液濾液的吸附滯留將嚴重影響煤樣的返排能力，導(dǎo)致氣相滲透率的顯著降低。

3.2 鉆井完井液侵入對煤巖滲透率的影響

3.2.1 鉆井完井液動態(tài)損害評價

考慮原地條件下鉆井完井液損害評價，結(jié)果更真實地反映煤層的損害程度［15－16］。筆者采用滲透率恢復(fù)實驗評價鉆井完井液對煤樣滲流能力的影響，評價時將巖心被鉆井完井液動態(tài)循環(huán)反向損害后正向測得的滲透率與損害前正向測得的巖心滲透率進行對比，得到的比值稱為滲透率返排恢復(fù)率。返排恢復(fù)率越高，表明鉆井完井液對煤層滲流通道的損害越弱。實驗結(jié)果見圖4，兩塊滲透率級別相近煤樣都在較小壓差下就能突破濾餅，隨著壓差的不斷增大，煤樣的滲透率返排恢復(fù)率可達70%，表明鉆井完井液固相引起的滲透率降低程度較弱。

圖3 煤樣自吸液量與返排率實驗曲線圖

表1 煤樣返排恢復(fù)率表

3.2.2 鉆井完井液濾液靜態(tài)損害評價

基于鉆井完井液動態(tài)損害評價結(jié)果，開展了鉆井完井液濾液靜態(tài)損害實驗，評價鉆井完井液濾液侵入煤層對滲透率的影響。

模擬現(xiàn)場實際工況，首先將煤樣進行抽真空飽和地層水，在鉆井完井液靜態(tài)損害評價儀上測定地層水的滲透率，再向煤樣反向注入10倍孔隙體積左右鉆井完井液濾液，并監(jiān)測煤樣滲透率，模擬關(guān)井?dāng)?shù)小時后正向注入地層水，測定煤樣滲透率直至穩(wěn)定。鉆井完井液濾液對煤樣滲透率損害評價測試過程中滲透率隨時間變化曲線如圖5所示，測試結(jié)果表明鉆井完井液濾液對煤樣滲透率的傷害率超過了50%。結(jié)合動態(tài)損害評價結(jié)果，表明鉆井完井液濾液損害是造成煤層滲透率下降的主要原因。

圖4 返排恢復(fù)率與壓差關(guān)系圖

圖5 鉆井完井液濾液對煤樣滲透率的影響圖

4 討論

基于現(xiàn)有文獻從滲透率和吸附／解吸能力等宏觀方面來認識液相對煤層氣運移行為的影響，筆者通過紅外光譜、潤濕角測定和掃描電鏡等微觀分析手段來深入揭示鉆井完井液作用影響煤層氣解吸—擴散—滲流過程影響的機理。

4.1 鉆井完井液作用對煤結(jié)構(gòu)的影響

為了研究鉆井完井液作用對煤的結(jié)構(gòu)特征的影響，筆者對比了地層水與鉆井完井液浸泡樣品的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)在3 700～3 500cm－1、1 900～1 300cm－1和1 300～650cm－1這3個波數(shù)區(qū)存在較大差異（圖6）。

圖6 地層水與鉆井完井液處理煤樣的紅外光譜比較圖

3700～3500 cm－1波數(shù)段差異，表明鉆井完井液處理破壞了煤樣品分子內(nèi)或分子中的氫鍵，使—OH由較多的締合態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化。同時，—OH伸縮振動吸收峰向高波數(shù)移動，表明分子間的氫鍵作用力減弱。1 900～1 300cm－1波數(shù)段差異，表明鉆井處理使游離態(tài)—COOH向締合態(tài)轉(zhuǎn)化，因此峰值向低波數(shù)移動，同時C＝O與不同基團結(jié)合也使波數(shù)降低。在波數(shù)1 450cm－1左右，鉆井完井液樣品較地層水樣品出現(xiàn)更多的峰裂，表明多個—CH3與同一個C原子連接。1 300～650cm－1波數(shù)段為紅外光譜指紋區(qū)，主要有單鍵伸縮振動和彎曲振動引起，同時還存在相鄰化學(xué)鍵之間的振動耦合峰。兩樣品在1 260～780cm－1的寬范圍內(nèi)均出現(xiàn)兩條或以上的伸縮振動吸收帶，是環(huán)狀醚類的特征顯示。吸收峰位置有所差異，體現(xiàn)了環(huán)內(nèi)張力的不同。通過以上分析可知，鉆井完井液浸泡，將改變煤樣分子間鍵作用力的大小，從改變官能團的存在狀態(tài)，進而影響煤樣宏觀的物化性質(zhì)，如潤濕性、吸附／解吸能力等。

4.2 鉆井完井液對表面潤濕性的影響

煤巖具有較大的表面積，使其具有較高的吸附各種流體及氣體的能力。鉆井完井液濾液中包含一些表面活性劑，當(dāng)鉆井完井液濾液侵入煤層后，將在煤巖表面吸附進而改變煤巖的潤濕性。運用接觸角測量儀對地層水與鉆井完井液濾液在煤巖表面的潤濕角進行了測量（表2），可見地層水的潤濕角大于鉆井完井液的潤濕角，亦就是鉆井完井液在煤巖表面的潤濕性強于地層水，導(dǎo)致鉆井完井液更容易吸附于煤巖表面。

表2 煤樣潤濕性接觸角測量結(jié)果表

鉆井完井液濾液侵入煤層后發(fā)生吸附滯留，返排困難使煤層滲透率顯著降低。鉆井完井液濾液經(jīng)過擴散作用進入煤巖微孔并吸附于表面，以液膜狀態(tài)而存在，鉆井完井液的潤濕性使其吸液量增大，導(dǎo)致微孔表面水膜增厚，使煤層氣擴散阻力增大，進而影響煤層氣的解吸—擴散過程。

4.3 鉆井完井液作用引起的煤巖滲透率損害

煤巖儲層鉆井過程中在正壓差作用下，鉆井完井液濾液將侵入煤層，當(dāng)鉆井完井液濾液與煤層流體不配伍時，在煤層溫度、壓力、pH值等條件的作用下極易產(chǎn)生沉淀物。鉆井完井液固相和產(chǎn)生的沉淀物將堵塞煤層裂縫和孔隙，導(dǎo)致煤巖儲層滲透性降低。圖7為鉆井完井液作用前后煤樣掃描電鏡結(jié)果，可見鉆井完井液未作用煤樣孔隙和裂縫未被充填，具有較好的連通能力，而鉆井完井液作用后煤樣裂縫和孔隙均被不同程度充填，尤以裂縫充填最為嚴重，大大降低了原有的連通能力，使?jié)B透率顯著下降。

圖7 鉆井完井液作用前、后煤樣的掃描電鏡圖

5 結(jié)論

1）鉆井完井液作用對煤層氣運移行為的影響，可分為氣體分子從煤巖孔隙表面解吸、氣體分子在煤巖孔隙中擴散、氣體分子在界面液膜內(nèi)擴散和基塊擴散氣體進入裂縫系統(tǒng)滲流并最終流入井筒等4個部分。

2）鉆井完井液處理后煤層氣解吸能力受到抑制，煤巖表面的分子水膜和孔隙中自由液相對氣體擴散產(chǎn)生附加阻力，導(dǎo)致其擴散系數(shù)低于平衡水煤樣和飽和水煤樣。

3）鉆井完井液濾液自吸后吸附滯留嚴重，導(dǎo)致氣相滲透率的顯著降低。鉆井完井液動靜態(tài)損害評價實驗表明，固相侵入引起的煤層損害較弱，鉆井完井液濾液損害是造成煤層滲透率下降的主要原因。

4）鉆井完井液作用后煤結(jié)構(gòu)、潤濕性和孔隙連通程度變化影響煤巖儲層氣體的運移。

［1］ 王懷勐，朱炎銘，李伍，等.煤層氣賦存的兩大地質(zhì)控制因素［J］.煤炭學(xué)報，2011，36（7）：1129－1134.WANG Huaimeng，ZHU Yanming，LI Wu，et al.Two major geological control factors of occurrence characteristics of CBM［J］.Journal of China Coal Society，2011，36（7）：1129－1134.

［2］ GAYER R，HARRS I.Coalbed methane and coal geology［M］.London：Geological Society，1996.

［3］ 張群，馮三利，楊錫祿.試論我國煤層氣的基本儲層特點及開發(fā)策略［J］.煤炭學(xué)報，2001，26（3）：230－235.ZHANG Qun，F(xiàn)ENG Sanli，YANG Xilu.Basic reservoir characteristics and development strategy of coalbed methane resource in China［J］.Journal of China Coal Society，2001，26（3）：230－235.

［4］ 張振文，高永利，代鳳紅，等.影響曉南礦未開采煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素［J］.煤炭學(xué)報，2007，32（9）：950－954.ZHANG Zhenwen，GAO Yongli，DAI Fenghong，et al.The geologic agent affecting the gas occurrence of the coal seam unmined in Xiaonan coal mine［J］.Journal of China Coal Society，2007，32（9）：950－954.

［5］ 劉燕紅，李夢溪，楊鑫，等.沁水盆地樊莊區(qū)塊煤層氣高產(chǎn)富集規(guī)律及開發(fā)實踐［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（4）：29－32.LIU Yanhong，LI Mengxi，YANG Xin，et al.Laws of coalbed methane enrichment and high productivity in the Fanzhuang Block of the Qinshui Basin and development practices［J］.Natural Gas Industry，2012，32（4）：29－32.

［6］ 秦學(xué)成，段永剛，謝學(xué)恒，等.煤層氣井產(chǎn)氣量控制因素分析［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，34（2）：99－104.QIN Xuecheng，DUAN Yonggang，XIE Xueheng，et al.Controlling factor analysis of gas production rate in coal bed gas well［J］.Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2012，34（2）：99－104.

［7］ MENG Lu，CONNELL L D.Dual porosity processes in coal seam reservoirs：The effect of heterogeneity of coal matrices［C］∥paper 133100－MS presented at the SPE Asia Pacific Oil ＆Gas Conference and Exhibition，18－20October 2010，Brisbane，Queensland，Australia.New York：SPE，2010.

［8］ GENTZIS T，DEISMAN N，CHALATURYK R J.Effect of drilling fluids on coal permeability：Impact on horizontal wellbore stability［J］.International Journal of Coal Geology，2009，78（3）：177－191.

［9］ GENTZIS T.Stability analysis of a horizontal coalbed methane well in the Rocky Mountain Front Ranges of southeast British Columbia，Canada［J］.International Journal of Coal Geology，2009，77（3／4）：328－337.

［10］ JOUBERT J I，GREIN C T，BIENSTOCK D.Sorption of methane in moist coal［J］.Fuel，1973，52（3）：181－185.

［11］ 王兆豐，李曉華，戚靈靈，等.水分對陽泉3號煤層瓦斯解吸速度影響的實驗研究［J］.煤礦安全，2010，41（7）：1－3.Wang Zhaofeng，LI Xiaohua，QI Lingling，et al.The study of the moisture effect on gas desorption speed of Yangquan anthracite［J］.Safety in Coal Mines，2010，41（7）：1－3.

［12］ 陳尚斌，朱炎銘，劉通義，等.清潔壓裂液對煤層氣吸附性能的影響［J］.煤炭學(xué)報，2009，31（1）：89－94.CHEN Shangbin，ZHU Yanming，LIU Tongyi，et al.Impact of the clear fracturing fluid on the adsorption properties of CBM［J］.Journal of China Coal Society，2009，31（1）：89－94.

［13］ PAN Zhejun，CONNELL L D，CAMILLERI M，et al.Effects of matrix moisture on gas diffusion and flow in coal［J］.Fuel，2010，89（11）：3207－3217.

［14］ 李相臣，康毅力，羅平亞，等.考慮應(yīng)力作用的煤巖水相自吸實驗研究［J］.天然氣地球科學(xué)，2011，22（1）：171－175.LI Xiangchen，KANG Yili，LUO Pingya，et al.Study on experiment of coal spontaneous imbibition considering the effective stress［J］.Natural Gas Geoscience，2011，22（1）：171－175.

［15］ 鄭力會，孟尚志，曹園，等.絨囊鉆井液控制煤層氣儲層傷害室內(nèi)研究［J］.煤炭學(xué)報，2010，35（3）：439－442.ZHENG Lihui，MENG Shangzhi，CAO Yuan，et al.Laboratory studies on control coalbed methane formation damage by Fuzzy－ball based drilling fluids［J］.Journal of China Coal Society，2010，35（3）：439－442.

［16］ 黃維安，邱正松，王彥祺，等.煤層氣儲層損害機理與保護鉆井完井液的研究［J］.煤炭學(xué)報，2012，37 （10）：1717－1721.HUANG Wei′an，QIU Zhengsong，WANG Yanqi，et al.Study on damage mechanism and protection drilling fluid for coalbed methane［J］.Journal of China Coal Society，2012，37 （10）：1717－1721.