沁水盆地在用煤層氣鉆井液傷害沁水3#煤巖室內評價

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發事業部，山西長治 046000；2.青海油田井下作業公司，甘肅敦煌 814000；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195；4.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部，天津 300280）

沁水盆地在用煤層氣鉆井液傷害沁水3#煤巖室內評價

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發事業部，山西長治 046000；2.青海油田井下作業公司，甘肅敦煌 814000；3.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195；4.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部，天津 300280）

研究沁水3#煤巖儲層鉆井液儲層傷害機理，對沁水煤層氣開發至關重要。室內對比測定了清水、絨囊、膨潤土聚合物等3類鉆井液傷害端氏煤礦3#煤巖柱塞前后滲透率值。結果表明，清水、絨囊鉆井液、膨潤土聚合物鉆井液傷害煤巖柱塞平均滲透率恢復值為70.88%、84.22%和49.26%。結合滲透率恢復實驗數據、煤巖柱塞傷害時漏失情況，分析鉆井液儲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移、某些表面活性劑與地層不配伍等。建議鉆井使用無固相控制煤粉運移的鉆井液，適當使用處理劑封堵地層控制濾液與煤層接觸機會，根據具體煤巖情況優選表面活性劑避免煤巖與表面活性劑不配伍造成儲層滲透率降低。

沁水盆地；煤層氣；鉆井液；儲層傷害

煤巖儲層滲透率是影響煤層氣經濟開發的關鍵因素之一［1］（孫立東，2006），也是評價煤儲層滲透性的重要參數［2］（王紅東，2010）。國內外一直關注煤層氣鉆井液儲層傷害問題。但關于煤巖儲層傷害的種類和程度，說法不一。C. Gruesbeck［3］（1982）認為，顆粒運移與再沉積是煤巖儲層滲透率傷害機理之一。孫建平［4］（2003）認為，鉆井液固相顆粒堵塞煤層孔隙和裂隙、液柱壓力閉合裂隙、濾液傷害煤儲層是鉆井液儲層傷害的三個主要因素。Z. Chen等［5］（2006）研究壓裂液傷害煤巖儲層時認為，膠性流體傷害煤儲層滲透率嚴重，但加入表面活性劑后傷害程度大大降低。鄭軍等［6］（2006）認為，不是所有的表面活性劑都對儲層有利，不同表面活性劑傷害儲層程度不同。T. Gentzis等［7］（2009）研究鉆井液影響煤巖滲透率時認為，煤巖顆粒傷害割理造成滲透下降。岳前升等［8］（2010）認為，煤儲層傷害的主要因素有鉆井液中固相、儲層水敏、壓力敏感、自吸作用、結垢、聚合物堵塞。李永壽等［9］（2010）認為，煤粉在流體作用下易松動、脫落、運移，微粒滯留在喉道中傷害儲層滲透性。汪偉英等［10］（2010）認為，鉆井液侵入煤巖后將造成煤巖膨脹，傷害煤巖儲層。張公社等［11］（2011）認為，煤粉越細、裂縫越寬，越易堵塞。左景欒等［12］（2012）認為，鉆井液侵入傷害煤巖儲層，影響煤層氣產量。不管哪種原因造成煤巖儲層滲透率下降，都會影響煤層氣產量。暫不談煤巖儲層傷害是否由滲透率唯一決定，至少應該在鉆井作業前，知曉鉆井液影響滲透率的狀況。

為此，實驗選取目前煤層氣鉆井用清水鉆井液、絨囊鉆井液［13］（鄭力會等，2010）和膨潤土聚合物鉆井液［14］，按照現場用配方，配制9種鉆井液，在應力臨界值和速敏臨界值以下，實驗測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 實驗煤樣及鉆井液制備

實驗采用端氏煤礦3#煤巖，室內鉆取柱塞。柱塞直徑2.5 cm，長度3.2～7.2 cm。實驗使用22個。1#和2#柱塞用于測定實驗最大圍壓和最大實驗流量，其余20個柱塞用于滲透率測定。

實驗參照煤巖清洗標準［15］（國家發展和改革委員會，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。實驗前，用標準地層水常壓下浸泡4 h，飽和煤巖柱塞［16］。

實驗用9種鉆井液所用處理劑及加量見表1。

表1 9種鉆井液處理劑及其加量

2 室內實驗

對常規儲層而言，室內測定儲層滲透率恢復值時，采用的最大流量由速敏決定，因此，先完成速敏實驗，尋找臨界流速是合理的。但是，煤巖儲層強應力敏感，按照常規儲層先測定速敏，則不一定合理。所以，在速敏測定前，應先完成應力敏感實驗，以確定速敏實驗時采用的最大圍壓值。大圍壓破壞煤巖內部結構，使煤巖滲透率不可逆性增強，造成小圍壓下和大圍壓下的滲透率未必存在必然的數學關系，因此，采用凈圍壓通過計算方法得到應力敏感臨界值有一定局限性。所以，應該盡可能在圍壓不發生速敏情況下測定滲透率值。

2.1 實驗基本參數測定

參照評價儲層敏感性行業標準［17］（國家能源局，2010）評價應力敏感性和速度敏感性，以獲得發生應力敏感的臨界圍壓和發生速度敏感的臨界流量。

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

圖1 沁水3#煤巖應力敏感實驗結果

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，表明已不能恢復到煤巖儲層原始狀態；另外，雖然圍壓增加很小，但滲透率下降很多。從應力敏感的角度看，可以認為是強應力敏感，也反映出實驗圍壓必須控制在較低的尺度才能反映煤巖滲透率的真實情況。為減少圍壓對滲透率影響，不采用凈壓力的方法推測其臨界值，而采用低圍壓2 MPa下測定速度敏感和滲透率值。

（2）臨界流速實驗測定。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驅替壓力下，恒壓驅替標準鹽水。記錄檢測數據，計算滲透率。以流量為橫坐標，以不同流量下巖樣滲透率為縱坐標，繪制流速敏感性評價實驗曲線如圖2。

圖2 沁水3#煤巖速敏實驗結果

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。按照標準對臨界流量的定義，流量在1.0 mL/min時，滲透率已經從0.5 mL/min的0.59 mD增加至1.03 mD，滲透率變化超過20%。所以認為，臨界流量為0.5 mL/min。后續實驗，注入時流量以0.5 mL/min以下為宜。

2.2 鉆井液傷害煤巖儲層滲透率測定

參照行業標準［18］（國家經濟貿易委員會，2002）測定煤巖儲層傷害滲透率。結合前文測定的臨界流量0.5 mL/min以及臨界壓力2 MPa，確定實驗參數?？紤]到煤層氣排水開發，使用標準地層水作滲流介質，測定3#煤巖儲層被9種鉆井液傷害前后的滲透率。9種鉆井液反向傷害時始終保持圍壓2.5 MPa、驅壓2 MPa，動態傷害時間2 h，記錄濾失量。實驗發現，絨囊系列鉆井液反向傷害煤巖柱塞時均無漏失，其余鉆井液反向傷害時均出現漏失。用清水鉆井液反向傷害煤巖柱塞時，濾紙過濾觀察到漏失液中有細小顆粒。測定結束，計算20塊煤巖柱塞滲透率恢復值。為了排除測量時不確定因素造成的滲透率差異，同一種鉆井液做2組以上平行實驗。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值見圖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直方表示同種鉆井液傷害的平均滲透率恢復值。

圖3 沁水3#煤巖儲層鉆井液傷害前后滲透率測定結果

從圖3可以看出，無固相鉆井液儲層滲透率恢復值高于有固相的鉆井液，如清水鉆井液、絨囊鉆井液、膨潤土鉆井液的平均滲透率恢復值分別為70.88%、84.22%、49.26%；同一鉆井液，輔助處理劑不同，儲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 鉆井液儲層傷害評價

沁水3#煤巖儲層保護適用鉆井液實驗研究文獻較少，室內作為探討性評價，可能與現場有差距。作為選擇鉆井液的基礎數據，為操作者提供參考。

3.1 煤巖儲層滲透率恢復值受封堵能力影響

實驗中發現的不同鉆井液漏失程度不同，表明鉆井液傷害儲層的程度不一致。絨囊鉆井液封堵能力強，能有效控制漏失量，這與絨囊鉆井液在現場應用效果吻合［19］（鄭力會，2011）。與之相對應的是，2種清水鉆井液、5種絨囊鉆井液、2種膨潤土鉆井液，清水鉆井液平均滲透率恢復值為70.88%，絨囊鉆井液平均滲透率恢復值為84.22%，膨潤土鉆井液平均滲透率恢復值為49.26%，說明濾失量與儲層傷害關系密切。進一步對照有無固相鉆井液的儲層傷害情況，2類有固相鉆井液傷害后平均滲透率恢復值為49.26%，7類無固相鉆井液傷害后平均滲透率恢復值為96.28%，而且，有固相鉆井液反向傷害煤巖柱塞時，有鉆井液濾失，一方面說明膨潤土鉆井液的封堵能力尚需提高，另一方面，儲層傷害實驗后反向驅替時，標準地層水無法清除固相占據的滲漏通道，導致滲透率恢復值較低，說明膨潤土分散后進入煤巖柱塞，傷害儲層。

3.2 煤巖儲層滲透率恢復值受煤巖自身煤粉影響

實驗發現煤巖中煤粉顆粒和黏土顆粒也會傷害儲層。這可能與煤巖夾矸有關，也與煤層自身的強度有關。清水鉆井液濾液中發現的細小顆粒，表明微粒在滲透率恢復值中的作用較大。清水反向驅替傷害煤巖柱塞時，由于煤巖柱塞較短，清水將煤巖柱塞中顆粒攜帶出來，傷害后滲透率恢復值較高。但是在實際清水鉆井當中，煤層半徑大，清水將煤粉沖進煤層，排采時無法將煤層中顆粒沖出，甚至導致顆粒運移或水化膨脹堵塞滲流通道，嚴重傷害儲層。

3.3 煤巖儲層滲透率恢復值受處理劑影響

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，但膨潤土的負面影響可能抵消了其積極作用。

膨潤土鉆井液加入聚丙烯酰胺后，再加入高黏羧甲基纖維素，煤巖滲透率恢復值明顯增大，平均滲透率恢復值由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 煤巖儲層滲透率恢復值受表面活性劑影響

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

4 結論

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

（2）沁水煤層氣3#儲層鉆井液儲層傷害類型還有煤粉和微粒運移，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會。

（3）表面活性劑對儲層滲透率影響有好有壞，在使用過程中要分別對待，根據具體地層情況優化表面活性劑。

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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#煤巖室內評價［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：47-50.

TE258

：A

1000–7393（2013） 04–0047–04

國家科技重大專項“煤層氣鉆井工程技術及裝備研制（二期）”（編號：2011ZX05036）和“山西沁水盆地煤層氣水平井開發示范工程”（編號：2011ZX05061）資助。

崔金榜，1991年畢業于江漢石油學院，主要從事煤層氣鉆采技術研究和管理工作，高級工程師。E-mail：zhb_cjb@petrochina.com.cn。

〔編輯 朱 偉〕