煤層氣儲層特征及鉆井液選擇

張振華 孫晗森 喬偉剛

(1.中國石化集團勝利石油管理局渤海鉆井二公司,山東 257200;2.中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011;3.中國石油大學石油工程學院,山東 266555)

1 中國煤層氣儲層及煤巖特點

1.1 微孔和裂縫發育

煤層氣主要吸附于微孔中,而割理是煤層氣產出的主要通道。割理主要由面割理、端割理和構造裂縫組成,面割理延伸很遠,端割理發育在兩條面割理之間,它們與層理面相交,把煤體分成一個個斜方形或長方形的基質巖塊。盡管裂縫的孔隙度只有1%～2%,然而它對煤層的滲透率有重要影響。

1.2 儲層滲透率極低

煤層滲透率決定了煤層氣能否順利的從煤層中采出,而我國煤層氣儲層滲透率普遍偏低,90%的儲層滲透率低于 3×10-3μm2,通常為 (0.001～0.1)10-3μm2,屬典型的低滲透、特低滲透儲層。

1.3 普遍屬于低壓儲層

儲層壓力直接影響儲層的含氣量和煤層氣的存在狀態,也是氣體由儲層流向井筒的能量來源,從而影響煤層氣的產量,我國的煤層氣儲層壓力大多低于正常靜水壓力,屬于低壓儲層。

1.4 含氣飽和度低

中國五大聚煤區包括西北、華北、東北、滇藏及華南聚煤區,以華北和西北聚煤區為主,占全國總資源量的90.7%,其次為華南聚煤區,東北聚煤區煤層氣資源量相對較低,滇藏聚煤區煤層氣資源量極少。各主要聚煤區含氣飽和度數值如表1所示。由表1可知,我國大多數煤層氣儲層含氣飽和度較低。

表1 主要聚煤區煤層氣儲層含氣飽和度數據表

1.5 煤巖表面帶有電荷

煤巖表面比常規砂巖和碳酸鹽巖表面帶有更多的電荷,表面電位隨所處環境的pH的增大而減小,多數煤巖的表面電位經歷了由正到負的過程,表面電位為零時的pH值稱為等電點,不同煤巖的等電點大小不同,但大多數遠小于7,所以在一般鉆井液的pH條件下,煤巖表面帶負電。這是煤巖一個很重要的性質,國外有學者依據此性質設計出一種通過靜電吸附到煤巖表面的柔性材料,用于封堵儲層裂縫。

2 煤層氣儲層對鉆井液性能的要求

2.1 具有較強的封堵性能

在用清水或常規鉆井液鉆高度裂縫的煤層時,鉆井液不可避免的侵入煤層,鉆井液進入到裂縫系統后,井眼附近的地層壓力接近井底壓力,導致鉆井液對煤層的支撐力下降,致使煤巖脫落,造成井壁的坍塌,侵入儲層的鉆井液越多,侵入的距離越遠,則坍塌的可能行越大。此時,人們往往為了穩定井壁而加入重晶石或者碳酸鈣以增大泥漿密度,使井底壓力重新大于儲層壓力,從而實現對井壁的支撐,但這樣做往往會適得其反。因為井底壓力的再次增加會將裂縫撐開,從而有更多的鉆井液進入儲層,當井底壓力重新擴散到與儲層壓力相等時,井壁依舊坍塌。

鉆井液進入裂縫,會在以下幾方面對儲層造成污染,造成儲層滲透率下降：①煤基質吸收液體發生膨脹,擠壓裂縫,使得儲層滲透率大幅度下降,并且該過程幾乎是不可逆的;②鉆井液中的固相顆粒 (粘土顆粒、巖屑、粉煤灰等)堵塞裂縫造成儲層滲透率下降;③若鉆井液中含有聚合物,高分子聚合物吸附粘土顆粒也會引起裂縫的堵塞;④鉆井液與地層流體不匹配,生成沉淀堵塞裂縫。滲透率的下降將嚴重影響到煤層氣的產量。

經過以上分析,發現不論是從井壁穩定方面還是從保護儲層免受鉆井液傷害方面,都應當阻止鉆井液侵入到儲層,所以煤層氣井鉆井液要有較好的封堵性能。

2.2 合理的鉆井液密度

合理的鉆井液密度對于井壁的穩定具有重要的意義,若鉆井液密度過低,則井壁失去必要的支撐而發生坍塌,造成井徑擴大,形成“大肚子”和“糖葫蘆”井眼;若密度過高,超過煤巖破裂壓力時則會壓裂地層,產生井漏和儲層傷害,所以確定鉆井液密度窗口很有必要。

井壁坍塌的鉆井液密度為：

式中σh1——最大水平主應力,MPa;

σh2——最小水平主應力,MPa;

p0——儲層壓力,MPa;

C——煤巖內聚力,MPa;

φ——摩擦角 ,°;

H——煤儲層深度,m;

η——應力非線性修正系數;

α——Biot系數

Ca——骨架壓縮系數,MPa-1;

Cb——體積壓縮系數,MPa-1。

地層破裂時的鉆井液密度為：

式中St——煤的抗拉強度,MPa,其余同 (1);保持井壁既不坍塌也不壓裂的鉆井液密度窗口為 (ρm,ρf)。

2.3 具有較好的抑制性能

煤巖常常與泥頁巖互層,煤層中往往還有泥土質夾矸,粘土礦物的水化膨脹會加劇井壁不穩定和對儲層的傷害,所以鉆井液應當具有好的抑制粘土膨脹的能力。

2.4 具有較低的表面張力

裂縫的內經很小,每一條裂縫都可以看做是一條毛細管,鉆井液的侵入會在裂縫中形成一個凹向水相的彎液面,從而形成毛細管壓力,這個附加壓力的存在使得氣體流動阻力增加,甚至完全阻止氣體向井筒的流動,造成“水鎖”。表面活性劑能有效地降低鉆井液體系的表面張力,從而減小“水鎖”效應對氣體流動的影響。

2.5 具有合適的pH值

當pH值過高時,OH-與煤層面負電荷較高的氧原子可以形成強烈的氫鍵作用,促使水化作用,加劇坍塌的可能性,堿性濾液與地層水反應生成沉淀,會對儲層造成污染;若鉆井液pH較低,不利于鉆井液中腐殖酸類等有機處理劑的溶解,對鉆具也有腐蝕作用。因此,鉆井液的pH值應當控制在一個合適的范圍內,推薦鉆井液pH值在7～8的范圍內比較合適。

3 幾種可用于煤層氣井的鉆井液體系

國內目前用于鉆進煤層氣儲層的鉆井液有：優質膨潤土鉆井液、低固相聚合物鉆井液、空心玻璃漂珠鉆井液、清水鉆井液、無粘土鉆井液等,本文介紹其它幾種有效的煤層氣井鉆井液體系。

3.1 泡沫鉆井液體系

通過混合水、表面活性劑和空氣 (或氮氣)來制造泡沫,泡沫具有較寬的粒徑分布,可以用于封堵大范圍直徑分布的的裂縫。泡沫通過架橋來堵塞孔喉,減少鉆井液進入儲層,從而減少井底壓力的傳播和鉆井液對儲層的傷害。

泡沫鉆井液體系也有其自身方面的不足,主要表現在：①需要專門的設備來產生泡沫,這些設備往往價格昂貴;②在井底壓力下,泡沫比較容易被破壞而失去封堵能力。

3.2 Aphron鉆井液體系

Aphron鉆井液是國外研制的一種新型的具有高剪切稀釋性的水基充氣泡沫鉆井液,已在世界范圍內得到廣泛應用。

Aphron是由三層表面活性劑所包裹的氣核,在表面活性劑中間有一層粘度較高的稠化水層,最外層表面活性劑極性端朝外,使得Aphron與周圍水基流體相溶,如圖1所示。

圖1 Aphron結構示意圖

加入一種由表面活性劑和聚合物組成的混合物(Aphron穩定劑)改進得到的Aphron穩定性增強。Aphron除了有普通泡沫的優點以外,還具有以下特點：①相對于普通泡沫,Aphron承壓能力更強,特別是改進后的Aphron,在3.5MPa的壓力下,直徑為250μm的普通泡沫、Aphron以及改進后的Aphron直徑都立即收縮到大約150μm,普通泡沫在2min內消失,Aphron至少在10min后才消失,而改進后的Aphron則能穩定30min以上。②在井底壓力下,Aphrons被壓縮,體積很小,對鉆井液的密度影響較小,使鉆井液處于一個穩定的靜水壓力和循環壓力下,有利于井壁穩定和井控;當Aphron進入地層后,體積開始膨脹,并在鉆井液前端聚集封堵地層,保持了井筒壓力和地層壓力的平衡,減小鉆井液向儲層的侵入。③Aphrons之間以及Aphrons與孔隙裂縫表面的作用力很小,在后期生產中,Aphrons容易從儲層中清除,儲層滲透率恢復值大。④Aphron的生成不需要像空氣或者泡沫鉆井液那樣需要使用壓縮機和高壓水龍帶,使用常規鉆井液混合設備在添加處理劑的過程中混入空氣即可自發形成Aphrons。

3.3 超低滲透鉆井液體系

超低滲透鉆井液體系適用于封堵微裂縫性儲層,該鉆井液體系的核心處理劑是FLC2000,它是由部分水溶和部分油溶的各種聚合物組成的混合物,具有寬的HLB值。將FLC2000加入到水基鉆井液中時,聚合物聚集形成“膠束”,在過平衡壓力下,“膠束”立即在煤巖孔喉處形成一個低滲透的封堵層,如圖2所示。超低滲透鉆井液體系具有以下特點：①膠束具有寬的粒徑分布,可以用于封堵具有較大范圍直徑分布的的裂縫。②以最快的速度形成低滲透的封堵層,阻止鉆井液的進一步侵入儲層。③FLC2000具有寬的HLB值,可用于水基、油基和合成基鉆井液。④封堵層只是存在于井壁巖石表面,沒有深入到儲層深部,一旦過平衡壓力消失,封堵層就會消弱,生產過程中在儲層反向壓力作用下,封堵膜就會自動清除,不會永久性堵塞儲層。⑤封堵膜具有強的承壓能力,可以使地層破裂壓力梯度增加,提高井壁的穩定性。

圖2 超低滲透鉆井液封堵儲層示意圖

2005年,北美一口煤層氣井采用該超低滲透鉆井液體系,完成150m水平井段,順利鉆至設計井深,沒有出現嚴重的泥漿漏失和井壁失穩現象。

3.4 一種新型的煤層氣井鉆井液

由于煤層滲透率較低,僅僅靠井底壓差在儲層上面很難形成泥餅,這種新型鉆井液的創新之處在于利用煤巖表面強的負電荷,柔性材料通過靜電吸附到煤層氣儲層上,在裂縫上架橋形成低滲透的“表面橋”來堵塞裂縫,如圖3所示。

圖3 新型鉆井液封堵機理

由這些“表面橋”組成的低滲透封堵層,保持了井壁上的壓差,減少了井底壓力的擴散和鉆井液的侵入,從而有利于井壁穩定和儲層保護。鉆井完成后,通過破膠劑可把“表面橋”清除,儲層的滲透性得到恢復。

該鉆井液體系已在鉆進加拿大西部沉積盆地煤層氣水平井中得到使用,取得了好的效果,沒有出現井壁失穩和對儲層的嚴重傷害。

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