楊 剛，吳 通，孟尚志，劉 皓，張林強，時翔宇，3

（1.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京 100011；2.中國石油大學（北京） 石油工程學院，北京 102249；3.北京力會瀾博能源技術有限公司，北京 102200）

0 引 言

中國煤系天然氣藏具有低壓、低滲及低飽和的特點［1］，要求在鉆完井作業(yè)時防治工作液及濾液對儲層造成傷害。 基于儲層特殊的儲集特點，國內(nèi)外研發(fā)及應用了較多關于煤系地層成熟的鉆完井技術，如現(xiàn)有欠平衡鉆井技術［2］、屏蔽暫堵技術［3］、無固相鉆井液技術［4］、空氣鉆井技術［5］及仿生絨囊鉆完井液技術［6］。 其中，絨囊鉆完井流體針對煤系等破碎性儲層，利用其可以改變巖石力學特征參數(shù)的特點［7］，在非常規(guī)油氣藏的鉆完井、修井［8］及儲層改造［9］等領域得以應用。

研究表明，隨著非常規(guī)油氣藏的開發(fā)模式轉(zhuǎn)向多層聯(lián)探并采［10］，在層間干擾等因素存在的情況下，煤系“三氣”合采仍是具體可行的［11］，但絨囊鉆完井流體是否滿足“三氣”合采煤系地層的儲層保護要求仍有待討論。 室內(nèi)僅評價過絨囊鉆完井流體對于單儲層的傷害程度［12］，并未開展多儲層整體傷害程度評價。 這是由于室內(nèi)整體評價2 個以上的儲層時，由于不同類型巖心柱塞的長度、直徑和滲流能力不同，導致無法計算滲透率評價合采儲層傷害。

因此，廣大學者改進了測試方法，鄭力會等［13］利用恒流量法、柱塞脈沖衰減法及核磁共振法等6種評價方法的實測數(shù)據(jù)，通過“剝繭尋根”算法提出認為恒流量法最適合整體評價工作液儲層傷害。 其他學者也利用流量定性評價層間干擾損害程度及利用流量替代滲透率評價儲層傷害程度［14-15］。

在煤系地層的鉆完井過程中［16］，絨囊流體通過低密度、無固相［17］及原位降解［18］，實現(xiàn)儲層傷害控制。 以柳林地區(qū)26 口煤層氣井為例，鉆遇石盒子組致密砂巖和山西組3、4、5 號等合采煤系儲層，發(fā)現(xiàn)采用絨囊流體鉆完井后除見氣時間略長于其他類型的鉆井液以外，其他的工程效果較優(yōu)于鄰井效果，其性能滿足臨興-神府現(xiàn)場的鉆完井液要求，且多儲層作業(yè)的儲層保護效果也滿足現(xiàn)場傷害控制要求。

為此，筆者利用臨興地區(qū)煤系地層煤巖、砂巖共7 枚巖心，采用恒流量法開展單層、整體試驗共4組，評價絨囊鉆完井流體造成的儲層整體傷害程度，并為現(xiàn)場優(yōu)選技術應用提供室內(nèi)理論依據(jù)。

1 絨囊鉆完井流體傷害儲層測試過程

室內(nèi)利用自研制的多層合采儲層傷害評價儀進行試驗。 裝置能夠任意并聯(lián)多個巖心柱塞，模擬單個或多儲層開采情況，并裝有單個或整體記錄流量和壓力的測試儀器，如圖1 所示。

圖1 多層合采儲層傷害評價儀器示意Fig.1 Schematic of multi-layer co-production formation damage testing instrument

試驗時高壓氣瓶為提供穩(wěn)定進口壓力的高壓氮氣源。 上、中、下3 層巖心加持器可以模擬三軸狀態(tài)下的地層壓力情況，同時可以加熱模擬地層溫度。通過調(diào)節(jié)巖心夾持器出口的閥門和井筒收集裝置，可以模擬不同的現(xiàn)場開采狀態(tài)。

絨囊鉆完井流體按照臨興煤系地層研制的1.5%囊層劑＋1%絨毛劑＋0.075%囊膜劑＋0.075%囊核劑質(zhì)量分數(shù)配制，密度為0.93 g／cm3，pH 值為10，表觀黏度為39.0 mPa·s，塑性黏度為22.0 mPa·s。

巖心柱塞選取鄂爾多斯盆地下石盒子組致密砂巖與太原組煤巖，鉆切制備成直徑約為2.540 cm，長度4.176 ～6.060 cm 的樣品柱塞7 枚，用于開展砂巖、煤巖單層開采，砂巖＋煤巖雙層合采，以及砂巖＋砂巖＋煤巖3 層合采條件下的絨囊流體傷害評價試驗。 試驗測試前，參考巖心分析方法標準，清洗和烘干巖心，根據(jù)現(xiàn)場地層水礦化度配制飽和柱塞所用的模擬地層水，并計算每塊柱塞的孔隙度。

巖心柱塞的組合模式、柱塞直徑、柱塞長度和孔隙度，見表1。

表1 試驗巖心基礎數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of experimental core

由表1 可知，巖心柱塞的物性參數(shù)與現(xiàn)場關于描述儲層物性的相關資料［19-20］基本符合，可較為真實地反映現(xiàn)場產(chǎn)層的環(huán)境和參數(shù)。

將已飽和完畢的巖樣裝入巖心夾持器。 設定砂巖層的試驗溫度為真實地層溫度43.0 ℃，煤巖層溫度為真實地層溫度49.0 ℃，并緩慢增大圍壓至2.0 MPa，排除管線內(nèi)的空氣。

根據(jù)現(xiàn)場提供的鉆井、測井及試氣資料得到：致密砂巖儲層的地層壓力約為11.0 MPa，煤儲層的地層壓力約為14.0 MPa。 以此為依據(jù)調(diào)節(jié)增加巖心入口端壓力，并逐步增大圍壓，調(diào)節(jié)過程中始終保持圍壓大于進口壓力1.5 ～2.0 MPa，直至砂巖樣品進口壓力達到11.0 MPa，煤巖樣品進口壓力達到14.0 MPa。 注意試驗所用的下部致密砂巖深度比上部致密砂巖深約100 m，煤巖較下部致密砂巖深約200 m。 參照巖石孔隙體積壓縮系數(shù)測定方法標準中壓力梯度以0.023 MPa／m 計算，取下部砂巖上覆巖層壓力高于上部2.0 MPa，煤巖上覆巖層壓力分別高于上、下部致密砂巖6.0、4.0 MPa。

室內(nèi)模擬試驗時觀察單／合層開采砂巖、煤巖流量情況，并與現(xiàn)場產(chǎn)量折算到的室內(nèi)基準流量（3.083～9.434 cm3／s）進行對比。

1）若單／合層開采流量低于3.083 cm3／s，則認為所用巖心樣品過于致密，不具備表征真實地層滲流情況，更換樣品按照上述步驟繼續(xù)測定。

2）若單／合層開采流量為3.083 ～9.434 cm3／s，則判定此時的圍壓可以作為試驗圍壓進行下步測試。

3）若單／合層開采流量大于9.434 cm3／s，保持進口壓力恒定，緩慢增加圍壓。 當流量降至該區(qū)間內(nèi)，且圍壓不超過巖心所在深度壓力（0.023 MPa／m）時，則選擇此時的圍壓作為室內(nèi)測試的圍壓。 這是為了消除巖心在取心過程中由于應力釋放導致的誤差。 若圍壓超過巖心所在深度壓力，且單／合層開采流量仍大于9.434 cm3／s，則更換巖心直至符合區(qū)間要求。

模擬傷害時，參考鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價方法標準，將配置好的絨囊鉆完井流體作為傷害液，傷害試驗所用巖心。 試驗時需要注意，巖心的污染方向和采氣方向為巖心柱塞兩端不同端面。

1.1 單層開采絨囊鉆完井流體傷害試驗測試過程

單層開采儲層傷害評價時，試驗流程參考上述流程進行操作，測試并記錄單層開采絨囊鉆完井流體傷害試驗數(shù)據(jù)，見表2 和表3。

表2 砂巖單層開采絨囊鉆完井流體傷害評價試驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data for evaluation of working fluid damage in sandstone single layer mining

表3 煤巖單層開采絨囊鉆完井流體傷害評價試驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data for evaluation of working fluid damage in coalbed single layer mining

由表2、表3 可知，砂巖及煤巖單層開采的進口壓力已經(jīng)分別為11.0、14.0 MPa，試驗時的圍壓分別為18.0、20.0 MPa，傷害前通過砂巖及煤巖柱塞巖心的單層流量為3.083～9.434 cm3／s，表明該模擬試驗能夠反映現(xiàn)場單層開發(fā)狀況。

1.2 雙層合采絨囊鉆完井流體傷害試驗測試過程

雙層開采儲層傷害評價時，試驗流程參考上述流程進行操作，測試并記錄雙層合采絨囊鉆完井流體傷害試驗數(shù)據(jù)，見表4。 試驗時需要注意下部砂巖圍壓比煤巖低。

表4 “砂＋煤”雙層合采絨囊鉆完井流體傷害評價試驗數(shù)據(jù)Table 4 Statistical data of “sandstone ＋coalbed” double-layer co-production working fluid damage evaluation experiment

由表4 可知，砂巖＋煤巖雙層合采組合符合現(xiàn)場實際產(chǎn)層開發(fā)組合模式，各自單層進口壓力分別約為11.0、14.0 MPa，與實際地層壓力接近。 砂巖圍壓29.0 MPa 和煤巖圍壓32.5 MPa，是實際產(chǎn)層所受上覆巖層壓力的等效模擬。 傷害前的合采流量為9.217 cm3／s，介于3.083 ～9.434 cm3／s，表明該模擬試驗能夠反映現(xiàn)場開發(fā)狀況。

1.3 三層合采絨囊鉆完井流體傷害試驗測試過程

三層開采儲層傷害評價時，試驗流程參考上述流程進行操作，測定并記錄三層合采絨囊鉆完井流體傷害試驗數(shù)據(jù)，見表5。

由表5 可知，砂巖＋砂巖＋煤巖三層合采組合符合現(xiàn)場實際產(chǎn)層開發(fā)組合模式，各自單層進口壓力分別為11.07、11.03、14.05 MPa，與實際地層壓力接近。 上部致密砂巖圍壓18.0 MPa、下部致密砂巖圍壓19.0 MPa 和煤巖圍壓20.5 MPa，且下部致密砂巖較上部圍壓高1.0 MPa，煤巖又較下部致密砂巖高1.5 MPa，反映了砂巖層和煤層受力情況，且傷害前的合采流量為9.432 cm3／s，介于3.083～9.434 cm3／s，表明該模擬試驗能夠反映現(xiàn)場開發(fā)狀況。

表5 “砂＋砂＋煤”三層合采工作流體傷害評價試驗數(shù)據(jù)Table 5 Statistical data of “sandstone＋sandstone＋coalbed” three-layer co-production working fluid damage evaluation experiment

2 測試結果與討論

單層傷害評價結果既參考穩(wěn)定流量的變化結果，也考慮滲透率的變化結果。 其中，穩(wěn)定流量是指在連續(xù)4 個相鄰時刻（每個時刻相隔3 min），通過巖樣的氣體體積誤差均在5%以內(nèi)的穩(wěn)定實時流量。

按公式（1）和公式（2）計算絨囊鉆完井流體傷害儲層前后的滲透率，按公式（3）計算儲層滲透率的傷害程度。

式中：Koi為巖樣初始滲透率，10-3μm2；p0為測試條件下的標準大氣壓，MPa；Qoi為初始某一時刻氣體通過巖樣的體積，cm3／s；μ 為測試條件下的流體黏度，mPa·s；L 為巖樣長度，cm；p1為傷害前巖樣進口壓力，MPa；p2為傷害前巖樣出口壓力，MPa；A 為巖樣橫截面積，cm2；Kdi為接觸工作流體后巖樣滲透率，10-3μm2；Qdi為接觸工作流體后某一時刻氣體通過巖樣的體積，cm3／s；p′1為傷害后巖樣進口壓力，MPa；p′2為傷害后巖樣出口壓力，MPa；Dk為滲透率損害率，%。

按公式（4）計算絨囊鉆完井流體傷害儲層流量的傷害程度

2.1 單層開采絨囊鉆完井流體儲層傷害程度

將表2 和表3 的數(shù)據(jù)代入式（3）和式（4），分別計算滲透率損害率和穩(wěn)定流量損害率。

砂巖柱塞單層開采滲透率損害率8.48%，流量損害率7.96%。 煤巖柱塞單層開采滲透率損害率8.55%，流量損害率7.91%。 由達西定律可知，在單層開采時，流量和滲透率呈線性關系。 滲透率損害率與穩(wěn)定流量損害率大小相近，兩者相差小于1%，在砂巖及煤巖單層開采絨囊鉆井流體傷害評價試驗中，利用流量評價儲層傷害更直觀，同時也揭示現(xiàn)場利用流量完全可以替代滲透率對絨囊地層傷害評價。

因此可知，絨囊鉆井流體單層開采時，傷害滲透率及流量傷害程度都小于10%，試驗結果滿足現(xiàn)場對鉆井液儲層保護要求，且單層開采時，用流量法可替代滲透率法評價絨囊鉆完井流體對儲層的傷害。

2.2 雙層合采絨囊鉆完井流體儲層傷害程度

將表4 數(shù)據(jù)代入式（3）和式（4），計算各個單層開采時的滲透率損害率、流量損害率及合采時的流量損害率，如圖2 所示。

圖2 “砂＋煤”雙層合采工作流體傷害程度評價指標對比Fig.2 Evaluation index comparison of damage degree of“sandstone＋coalbed” double-layer co-production

由圖2 可知，雙層合采絨囊流體傷害評價試驗中，滲透率損害率無法定量表征雙層合采整體傷害程度，但流量損害率則能夠有效呈現(xiàn)，雙層整體流量損害率為7.24%。

通過橫向?qū)Ρ壬皫r和煤巖，砂巖滲透率損害率7.24%和穩(wěn)定流量損害率6.05%，低于煤巖的相應指標7.81%和7.58%，表明不同巖性儲層工作流體傷害程度確有差別，煤巖在傷害之后所需更長的時間進行恢復，但流量指標與滲透率指標的對應分布關系具有高度一致性。

同時，通過縱向?qū)Ρ壬皫r單層開采、煤巖單層開采以及雙層合采發(fā)現(xiàn)，砂巖和煤巖單層的流量損害率都與滲透率損害率區(qū)別不大，且流量損害率更簡單直觀地計算整體傷害程度，更有利于現(xiàn)場情況的表述。

因此可知，評價絨囊鉆完井流體雙層合采傷害時，各層滲透率及流量傷害程度都小于10%，試驗結果滿足現(xiàn)場對鉆井液的儲層保護要求，且雙層合采時，用流量法可替代滲透率法評價絨囊鉆完井流體對儲層的整體傷害。

2.3 三層合采絨囊鉆完井流體儲層傷害程度

將表5 數(shù)據(jù)代入式（3）和式（4），計算各個單層開采時的滲透率損害率及流量損害率和三層合采時的流量損害率，如圖3 所示。

圖3 “砂＋砂＋煤”三層合采工作流體傷害程度評價指標對比Fig.3 Evaluation index comparison of damage degree of“sandstone＋sandstone＋coalbed” three layers co-production

由圖3 可知，與雙層合采工作流體傷害評價試驗數(shù)據(jù)分析結果類似，三層合采絨囊流體傷害評價試驗中，滲透率損害率同樣無法定量表征三層合采整體傷害程度，但流量損害率則依然能夠有效呈現(xiàn)，三層整體流量損害率為8.83%。

通過橫向?qū)Ρ壬蠈由皫r、中層砂巖以及下層煤巖發(fā)現(xiàn)，上層砂巖滲透率損害率為6.48%和穩(wěn)定流量損害率為7.86%，低于中層砂巖相應指標11.97%、11.32%，低于煤巖相應指標9.68%、10.61%，且上下層砂巖各指標的平均傷害率小于10%。 砂巖與煤巖的傷害數(shù)值不一樣，表明絨囊流體傷害儲層的程度會因儲層深度和巖性不同而有所差異，但流量指標與滲透率指標的差值很小，三層巖心具有高度的相似性。

同時，通過縱向?qū)Ρ壬蠈由皫r單層開采、中層砂巖單層開采、下層煤巖單層開采以及三層合采發(fā)現(xiàn)，各單層的流量損害率也都與滲透率損害率差值較小，且流量損害率更簡單直觀地計算整體傷害程度，更有利于現(xiàn)場情況的表述。

因此可知，評價絨囊鉆完井流體三層合采傷害時，砂巖的平均傷害程度和煤巖的傷害程度都小于10%，試驗結果滿足現(xiàn)場對鉆井液的儲層保護要求，且三層合采時，用流量法可替代滲透率法評價絨囊鉆完井流體對儲層的整體傷害。

為探究單層傷害與多層傷害之間的內(nèi)在規(guī)律，對致密砂巖及煤巖各自的流量傷害率進行線性擬合分析。

式中：ΔDss和ΔDsc分別為單塊砂巖及單塊煤巖的流量損害率，%；Qs和Qc分別為砂巖及煤巖各自的穩(wěn)定流量，cm3／s；ΔPs和ΔPc分別為砂巖及煤巖巖心進出口的壓差，MPa。

由式（5）、式（6）可以發(fā)現(xiàn)，致密砂巖的流量損害率與其通過的流量呈正相關，即通過流量越高，流量損害率越高。 煤巖的流量損害率與其通過的流量呈負相關，即通過流量越高，流量損害率越低。 分析認為，致密砂巖的孔喉連通性相比于煤巖較好，絨囊鉆完井流體侵入封堵效果較好于煤巖。 煤巖的割理層理及微裂縫發(fā)育，當通過流量越高時，孔喉的流動通道恢復得越好。

將式（5）和式（6）進行加和得雙層流量損害率ΔDs＋c及三層流量損害率ΔDs1＋s2＋c分別為

式中：Qs1和Qs2分別為上層砂巖和下層砂巖各自的穩(wěn)定流量，cm3／s；ΔPs1和ΔPs2分別為上層砂巖和下層砂巖巖心進出口的壓差，MPa。

將雙／三層合采時各巖心的數(shù)據(jù)代入公式（7）和公式（8），得致密砂巖和煤巖組合條件下，雙層合采流量損害率為22.70%，三層合采流量損害率為34.78%，皆大于試驗所測得的具體數(shù)據(jù)。 原因分析認為，試驗時各層間氣體存在層間干擾，但試驗時井口模擬壓力為大氣壓強，氣體匯集于井筒模擬裝置，體積發(fā)生膨脹。 同時可得出，試驗所用流量法評價儲層傷害時，其傷害值還包括層間干擾及氣體滑脫效應等造成的損傷。

綜上可知，室內(nèi)評價絨囊鉆完井流體在單層開采、雙層及三層合采時的結果滿足現(xiàn)場對鉆井液的儲層保護要求，且印證了流量法測定儲層整體傷害程度的可行性。

3 結 論

1）運用流量法可以定量評價在多氣合采時絨囊鉆井液造成的儲層傷害，通過對照儲層滲透率傷害程度的相關標準及現(xiàn)場要求，其傷害程度小于12%的試驗結果滿足現(xiàn)場多氣合采的儲層保護要求。

2）利用流量法在實際的多氣合采作業(yè)時，具有更為簡單直觀的特點，但由于無法剝除層間干擾及滑脫效應等因素，現(xiàn)場在利用該方法優(yōu)選鉆完井流體時需要注意。

3）采用流量法評價絨囊鉆完井流體對多氣合采儲層的傷害，僅從數(shù)值上給予評價。 但儲層傷害程度的弱強由于沒有劃分依據(jù)沒有給出定性評價，也是未來研究的主攻方向。