煤層氣水平井聚合物鉆井液對煤層損害試驗研究

馬二龍，都誠，劉亦凡，魯盈，胡偉，岳前升 (長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

中國煤層氣單井產量普遍較低，為提高單井產能，利用水平井開采煤層氣比較廣泛[1，2]，在水平井鉆井作業過程中，煤層保護和井壁穩定之間的矛盾尚未有效解決。聚合物鉆井液也常用于煤層水平井段鉆進，這些聚合物的使用在提高煤層井壁穩定能力的同時，也帶來了煤層污染與損害問題[3～11]，目前煤層損害的評價方法尚缺乏統一標準，基本參照油氣儲層損害評價方法，但該評價參數和方法與煤巖特性和煤層氣鉆井實際情況出入較大[12,13]；同時，聚合物鉆井液對煤層損害程度及影響因素尚不明確。為此，筆者以煤層巖心驅替流動試驗為基礎，深入分析了圍壓、返排壓力和污染壓力等巖心流動參數變化對煤層巖心滲透率的影響規律，對煤層氣鉆井過程中聚合物鉆井液造成的煤層損害因素、程度及解除措施進行研究，旨在為煤層氣水平井鉆井過程中的儲層保護措施提供參考依據。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器

驅替和污染一體化的巖心夾持器(荊州市塔林機電有限公司生產)；電子分析天平，感量0.1mg(上海舜宇恒平科學儀器有限公司)。

1.2 試驗藥品

聚丙烯酰胺PAM(北京恒聚化工集團有限公司)；黃原膠XC(山東阜豐集團公司)；羧甲基纖維素HV-CMC(河北燕興化工有限公司)；AD680，一種澳大利亞泥漿服務公司產品，用做煤層氣井壁穩定劑；工業KCl，含量98%；氧化劑型破膠劑JPC。

1.3 試驗方法

將煤層巖心干燥后抽空飽和1%KCl(百分數為質量分數，下同)鹽水； 配制不同濃度的水溶性聚合物膠液；正向用1%KCl鹽水測定煤層巖心的水相滲透率K0；反向用水溶性聚合物膠液在一定的壓力下靜態污染煤層巖心2h；正向用1%KCl鹽水在一定驅替壓力下測定污染后煤層巖心的水相滲透率Kd。

1.4 試驗內容

1.4.1 煤巖的應力敏感性

KCl鹽水驅替壓力1MPa，改變煤層巖心圍壓：3、4、5、6、7、8MPa，測定不同圍壓條件下煤層巖心的KCl鹽水滲透率。

1.4.2 返排壓力對煤層巖心滲透率恢復值的影響

聚合物膠液反向污染壓力2MPa，圍壓4MPa，煤層巖心污染后的KCl鹽水返排壓力分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3MPa，測定污染后煤層巖心在不同返排壓力時的滲透率。

1.4.3 污染壓力對煤層巖心滲透率恢復值的影響

KCl鹽水驅替壓力2MPa，圍壓4MPa，聚合物膠液反向污染壓力0.5、1、1.5、2、2.5、3MPa，測定煤層巖心在不同壓力經聚合物膠液污染后的KCl鹽水滲透率。

1.4.4 不同種類水溶性聚合物對煤層巖心的污染

KCl鹽水驅替壓力2MPa，聚合物膠液反向污染壓力2 MPa，圍壓3MPa，測定煤層巖心經不同種類聚合物膠液污染后的滲透率。

1.4.5 破膠劑對污染后煤層巖心滲透率的影響

1)直接浸泡 將0.5%聚合物膠液污染后的煤層巖心直接放在2%破膠劑溶液中浸泡12h后測其KCl鹽水的滲透率恢復值。

2)加壓浸泡 將0.5%聚合物膠液污染后的煤層巖心用2%破膠劑溶液在3.5MPa下反向加壓擠入5mL，并在破膠液中浸泡12h后測其KCl鹽水的滲透率恢復值。

2 結果與討論

2.1 煤巖的應力敏感性

圖1 圍壓對煤層巖心水相滲透率的影響

在驅替壓力不變情況下，僅改變圍壓時2塊煤層巖心的水相滲透率變化見圖1。由圖1可以看出，圍壓的變化可以顯著影響煤層巖心的滲透率，即煤層巖心存在應力敏感性[3,11]，主要是因為圍壓變化會影響煤層巖心的微裂縫開啟程度，因此，要盡可能模擬煤層損害的評價條件，使其客觀反映聚合物鉆井液對煤層的污染情況。

2.2 返排壓力對煤層巖心滲透率恢復值的影響

在固定污染壓力2MPa、圍壓4MPa條件下，返排壓力對污染后煤層巖心滲透率恢復值的影響見圖2。返排壓力增加，污染后的煤層巖心滲透率也隨之增大，試驗中發現只有當返排壓力不低于污染壓力時，煤層巖心才有滲透率恢復值存在，說明水溶性聚合物膠液對煤層巖心污染僅靠返排是難以完全解除的，當返排壓力達到3MPa時，煤層巖心的滲透率恢復值還不到50%，說明聚合物膠液對煤層污染較為嚴重。實際上，煤層氣井在排采生產過程中，只有當井筒液柱壓力小于煤層的解吸壓力時，煤層氣才會從吸附態向游離態轉變并形成一定的產能，因此，返排壓力最大值即為煤層的解吸壓力。我國沁水盆地很多煤層解吸壓力在2MPa以下，而鉆井過程中實際鉆井液造成的污染壓力往往在3MPa以上，這種條件下聚合物鉆井液造成的煤層污染僅靠返排是不能解除的[4]。

2.3 污染壓力對煤層巖心滲透率恢復值的影響

在固定返排驅替壓力2MPa、圍壓4MPa條件下，污染壓力對煤層巖心滲透率恢復值的影響見圖3。隨污染壓力增大，煤層巖心滲透率恢復值急劇降低，在污染壓力大于返排壓力時，煤層滲透率恢復值非常低，說明高污染壓力下聚合物進入煤層較深，不易被返排出。而實際鉆井過程中污染壓力取決于鉆井液液柱壓力與煤層流體壓力之間的壓差，鉆井液液柱壓力取決于鉆井液密度以及起下鉆、開泵時壓力激動造成的附加壓力，因此，采用低密度鉆井液、合理高效使用地面固控設備、提高煤層鉆遇率、控制起下鉆速度等(即降低鉆井液的當量循環密度)均有利于降低鉆井壓差，降低聚合物鉆井液侵入煤層深度，減輕煤層損害程度。

圖2 返排壓力對污染后煤層巖心滲透率恢復值的影響 圖3 污染壓力對污染后煤層巖心滲透率恢復值的影響

2.4 不同種類水溶性聚合物對煤層巖心的損害

圖4 不同種類水溶性聚合物污染后煤層巖心滲透率恢復值

以上試驗結果表明，對于未受污染的煤層巖心，增大圍壓會顯著降低煤層巖心的滲透率；對于污染后的煤層巖心，污染壓力和返排壓力對煤層巖心的滲透率也有較大影響，而且當污染壓力大于驅替壓力時，煤層巖心滲透率恢復值很低。驅替壓力的確定應參考煤層的解吸壓力，污染壓力應參考煤層實際鉆井過程中鉆井液液柱壓力與煤層流體壓力之間的壓差。試驗過程中應固定圍壓，且較驅替壓力大1MPa。

根據以上原則，在驅替壓力2MPa、污染壓力2MPa和圍壓3MPa條件下評價了不同種類水溶性聚合物污染后煤層巖心的滲透率恢復值，結果見圖4。

試驗結果表明，在驅替壓力和污染壓力相同情況下，4種不同種類的水溶性聚合物均對煤層巖心造成很嚴重污染，國外鉆井液材料AD680也不例外，污染后的煤層巖心滲透率恢復值都很低，而且不同種類水溶性聚合物對煤層巖心滲透率損害均較嚴重，滲透率恢復值均在20%以下。

2.5 破膠劑對聚合物污染的解除作用

被聚合物鉆井液污染后的煤層巖心經破膠液直接浸泡和加壓擠入后浸泡的試驗結果分別見圖5和圖6。聚合物鉆井液污染后的煤層巖心經破膠液直接浸泡后只能將污染端表面及淺層聚合物降解清除掉，而加壓浸泡后擠入煤層巖心的破膠液還可以解除煤層巖心的深部污染，所以加壓浸泡效果要明顯優于直接浸泡。對于煤層氣水平井采用裸眼下篩管完井而言，破膠液的作用是至關重要的，否則水溶性聚合物造成的煤層污染是難以解除的，而在洗井破膠作業中將清潔的破膠液擠入煤層進行深部破膠效果會更好。

圖5 破膠液直接浸泡對污染后煤層巖心 圖6 破膠液加壓擠入后浸泡對污染后煤層巖心 滲透率恢復值的影響 滲透率恢復值的影響

該試驗方法是在傳統方法的基礎上，結合煤層的特性(主要是應力敏感性，較低的儲層壓力和鉆井過程中的壓差等)，確定出適宜于煤層特點的巖心流動試驗參數。

3 結論與認識

1)適合煤層特點的巖心流動試驗條件為：污染壓力3MPa，圍壓4MPa，驅替壓力1～1.5MPa。由于煤層巖心具有較強的應力敏感性，在評價鉆井液污染的巖心流動試驗時應保持巖心夾持器圍壓恒定。

2)聚合物鉆井液對煤層有損害作用，污染壓力越大，損害程度越嚴重，降低鉆井液的當量循環密度可以減輕這種損害。

3)污染壓力是聚合物鉆井液造成煤層損害的主要因素，該損害靠煤層自身能量難以解除，需要后期采用破膠技術進行解除。將破膠液擠入煤層進行深部破膠要比單純靜態浸泡效果要好。