煤層氣鉆井儲層保護新技術研究

彭春洋 祁麗莎 柯文麗 游 藝 歐陽云麗

(長江大學石油工程學院,湖北 434023)

1 我國煤層氣勘探開發現狀和前景

我國煤層氣的基礎研究起步較晚,但20世紀90年代以來進行了大量的研究工作,尤其是國家973煤層氣項目研究工作的開展,使煤層氣在成因類型劃分及其判識、煤層儲氣機理和儲層評價、煤層氣吸附和解吸機理、煤層氣藏形成的動力場及成藏過程、煤層氣資源評價等方面取得了較大的進展。同時,近年來通過研發和引進,煤層氣地球物理勘探、煤層氣鉆井、煤層氣完井和煤層氣增產技術也得到了很大的提高。深化煤層氣成藏、吸附-解吸機理等方面的研究、加強選區評價工作和發展羽狀水平井等先進的開采工藝及煤層氣采出水的處理工藝是今后煤層氣勘探開發的重點。

2 煤層氣鉆井儲層傷害機理研究

2.1 煤層氣儲層孔隙和裂隙系統特征研究

對于煤儲層來說,含氣飽和度、滲透性和儲層壓力是控制其可采性的最重要地質參數。低含氣飽和度、低滲透率和低壓力是影響我國煤層氣單井和先導性開發試驗井組穩定日產氣量低的最重要因素。煤層氣儲層滲透性的主要貢獻來自于裂隙系統,煤儲層孔裂隙系統發育特征和煤儲層滲透性是科學評價煤儲層的重要內容之一。

對于煤層孔隙結構研究,目前多采用霍多特的分類方法,即將煤孔隙分成大孔 (孔徑大于1μm)、中孔 (孔徑0.1～1μm)、過渡孔或小孔 (孔徑0.01～0.1μm)、微孔 (孔徑小于0.01μm)。據我國138個樣品的壓汞測試數據顯示,煤的孔徑結構雖然變化極大,但是在總體上則以微孔為主、過渡孔次之,中孔和大孔的比例相對較小。以沁水盆地北端煤層氣儲層為例,該區域儲層孔喉半徑多分布在0～0.1μm之間。

2.2 鉆井過程中造成煤層損害的機理研究

鉆井過程中誘發煤層氣損害的根源是鉆井液,其對煤層的傷害主要為以下幾個方面：

(1)鉆井液中固相顆粒對煤層的損害

固相顆粒主要來自鉆屑、煤粉及配漿材料。取山西柳林地區某煤樣,在正壓差為3.5MPa、溫度為50℃和時間為2h的條件下,經過3%的膨潤土漿污染后,該煤樣氣測滲透率下降68.03%。

(2)煤與鉆井液中的高分子聚合物相互作用產生的堵塞

鉆井液濾液中的高分子聚合物被吸附在煤表面或堵塞在裂縫中。取山西柳林地區的某煤樣,在正壓差為3.5MPa和時間為2h的條件下,污染介質的配方是：水+2%PAC-141+3%FT-346+0.5%K-HPAN+3%KCl,污染后煤樣氣測滲透率下降65.42%。

(3)煤基質吸附膨脹造成的損害

將晉試1井某煤樣經過4%KCl溶液浸泡后,氣測滲透率下降61.65%。

(4)壓力敏感性對煤層的損害

取沁水煤田煤樣,當圍壓為10MPa時,滲透率降低到初始值的20%～30%,而砂巖為原始值的90%～95%;當煤樣有效圍壓由10MPa降低到原始值時,滲透率只能恢復到原始值的50%～80%,即造成20%～50%的永久性傷害。

3 煤層氣鉆井儲層保護技術

3.1 煤層氣鉆井儲層保護的難點

由于煤是具有不同于常規油氣層的特點,決定了煤層比常規油氣層更容易受到損害。與常規油氣層相比,煤既是生氣層又是儲集層,煤巖的彈性模量較低,泊松比較高,吸附能力強 (內表面積一般為10～40m2/g),抗壓和抗拉強度均較低、脆性大、易破碎、易壓縮,同時煤層割理和裂隙發育,屬典型的雙孔隙儲層。如果煤層的孔隙和裂縫一旦受到損害,其受傷害程度將比常規油氣層嚴重得多,不僅使氣體的滲流通道受損,而且還會影響到煤層氣的解吸過程。因此,一方面煤層極易污染,特別是受鉆井液中固相顆粒的污染;另一方面煤層破碎和高剪切應力造成井眼不穩定。為了保證安全鉆穿煤層,其主要措施就是提高鉆井液密度,也就是增加其固相含量,但這樣又容易污染煤層,因而實施煤層保護技術較常規油氣層更困難。

3.2 煤層氣鉆井儲層保護技術

綜合以上原因分析,煤層氣儲層保護技術要點是：①采用低固相或無固相鉆井液;②采用欠平衡鉆井技術;③采用屏蔽暫堵技術;④加強固相控制技術。

(1)采用低固相或無固相鉆井液

鉆井液中的各種固相會對煤儲層產生傷害。因此在煤儲層鉆進時,應減少造漿土的含量,使用低固相或無固相鉆井液。通過加入一定量的聚合物如NH4HPAN、KPAM、XC、PHP、CMC等,使鉆井液具有“低密度、低粘度、低切力、低失水”的特性。該類型的鉆井液能減輕過大壓力對煤儲層的傷害;減輕鉆井液對煤儲層井壁的沖刷作用;能夠迅速在井壁上形成一層薄而致密的泥餅,以封堵煤層的微裂縫,減輕濾液對煤儲層的傷害。

大港油田泥漿技術服務公司在山西煤層氣鉆探中使用了低固相聚合物鉆井液。在預水化膨潤土漿中加入NH4HPAN和適量的FLOWZAN進行處理,即可得到低固相聚合物鉆井液。典型鉆井液性能參數是：密度為1.05g/cm3,粘度30～32s,API失水量6ml,切力2/4Pa,固相含量小于4%。

(2)采用空氣鉆井和泡沫鉆井等欠平衡鉆井技術,減少儲層裸露時間

空氣鉆井技術已被國內外鉆井界公認為是提高鉆井速度、縮短鉆井周期一項實用革命性技術。通常使用空氣鉆井可以將鉆速提高2～15倍;但并非所有的井段都適合空氣鉆井,在井壁穩定比較好、不含水、不含硫化氫等地段可以采用空氣鉆井技術;空氣鉆井對設備配套要求比較高,涉及到的主要設備包括供氣注入系統、旋轉控制系統、排砂取樣系統、數據采集處理系統及附屬配套工具等。

泡沫鉆井也是經常使用的欠平衡鉆井技術之一。泡沫鉆井液中的表面活性劑具有兩親結構,它能夠有效地降低鉆井液體系的表面張力,相應降低濾液在地層裂縫通道中的毛細管力,從而有利于減輕水鎖效應。目前常用的表面活性劑有十二烷基苯磺酸鈉 (ABS)、十二烷基硫酸鈉 (K12)、OP-10、油酸鈉、太古油等,具體用量和類型應根據泥漿體系和地層情況來確定。另外,泡沫鉆井液的低密度特性使得液柱壓力較低,有利于減少由于壓力過大而對煤儲層的傷害。

(3)采用屏蔽暫堵技術

屏蔽暫堵理論最早針對保護空隙型油氣儲層而提出的,已發展成為我國鉆井完井儲層保護的一個重要技術,獲得廣泛應用。對于中、低滲儲層,常規屏蔽暫堵型聚合物鉆井液體系的屏蔽暫堵效果較好,封堵率較高。

筆者認為,應在已獲得煤層氣儲層孔喉分布曲線、孔喉平均直徑和滲透率大小的基礎上,根據屏蔽暫堵理論,采用細目或超細目碳酸鈣等材料來研究與孔喉直徑配伍的酸溶性暫堵劑;采用羧甲基纖維素鈉、胍爾膠和魔芋等聚合物、生物酶和無機破膠劑,繼續深入研究暫堵型鉆井液,使得鉆井液在鉆進期間有良好的護壁效果,在鉆進結束后,聚合物自動降解或人為破膠,從而恢復煤儲層的滲透性。

(4)加強固相控制技術

加強固相控制技術,及時清除鉆井液中的無用固相,也是減輕鉆井液對儲層傷害的有效技術途徑之一。應充分利用地表的循環槽,循環槽端面尺寸一般高200～250mm,寬300mm,長度16～25m不等,坡度在1/100～1/300之間;采用機械凈化方法,配齊振動篩-除砂器-離心機等固控設備;結合化學凈化方法,采用PAM、PHP等化學絮凝劑清除微小固相顆粒。要確定PAM、PHP加量的多少,需做小樣實驗,不可盲目地一次性加量過大。

4 結論

論文分析了我國煤層氣勘探開發現狀和前景,分析研究了煤層氣鉆進過程中的儲層傷害機理,針對煤層氣鉆井的儲層保護難點,提出了相應的儲層保護技術,主要得出如下結論：

(1)在煤層氣鉆井過程中,鉆井液對儲層的傷害來源于以下幾點：①鉆井液中固相顆粒對煤層的損害,②煤與鉆井液中的高分子聚合物相互作用產生的堵塞,③煤基質吸附膨脹造成的損害,④壓力敏感性對煤層的造成損害;

(2)與常規油氣層相比,煤既是生氣層又是儲集層,煤巖的彈性模量較低,泊松比較高,吸附能力強,抗壓和抗拉強度均較低、脆性大、易破碎、易壓縮,同時煤層割理和裂隙發育,儲層保護難度大;

(3)煤層氣鉆井儲層保護技術包括：①采用低固相或無固相鉆井液,保持鉆井液的“低密度、低粘度、低切力、低失水”特性;②推廣空氣鉆井、泡沫鉆井等欠平衡鉆井技術,減少儲層裸露時間;③開展煤層氣鉆井屏蔽暫堵技術的研究,研究酸溶性暫堵劑和暫堵型鉆井液;④加強固相控制技術,采用地表循環槽、機械除砂和化學除砂結合的方法,減少鉆井液中無用固相對煤儲層的傷害。

[1] Y oung AL：“Coalbed methane：A new source of energy and environmental challenges”,Environmetal Scienceand Pollution Research[J],2005,Vol.12,No.6,318-321.

[2] Gatens M：“Coalbed methane development：Practices and progress in Canada” [J].Journal of Candian Petroleum Technology,2005,Vol.44,No.8,16-21.

[3] 姚艷斌,劉大錳.煤儲層孔隙系統發育特征與煤層氣可采性研究 [J].煤炭科學技術,2006,34(3),64-68.

[4] 王忠勤.煤層氣儲層保護技術研究 [J].中國煤田地質,2001,13(9),29-30.

[5] 楊勝來,楊思松,高旺來.應力敏感及液鎖對煤層氣儲層傷害程度實驗研究 [J].天然氣工業,2006,26(3),90-94.

[6] 張天龍,屈俊瀛,霍仰春.低固相聚合物鉆井液在山西煤層氣井中的應用 [J].西安石油學院學報(自然科學版),2001,16(1),33-36.

[7] 符黨替,崔迎春,王成彪.煤層氣井儲層保護鉆井工藝[J].煤田地質與勘探,2001,29(3),62-64.

[8] 王富華,邱正松,馮京海,等.“超廣譜”屏蔽暫堵鉆井完井液新技術室內研究 [J].石油鉆探技術,2001,29(5),39.