基于鉆井液污染的煤儲層類型劃分及其開發特征

繆 歡，王延斌，韓文龍，吳 翔，趙石虎，李建紅

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100026)

我國擁有豐富的煤層氣資源儲量，煤層氣開發可以有效緩解目前我國能源緊張的局面[1]。但是，煤儲層與常規儲層有很大差異，在施工過程中煤儲層更容易受工程擾動的影響[2-3]。在煤層氣井鉆井施工過程中，鉆井液會在壓差作用下進入煤層內，固相組分會直接堵塞煤儲層內的天然孔裂隙，堵塞煤層氣的運移通道，液相組分會導致煤儲層內的黏土礦物遇水膨脹，當與煤層水配伍性不好時會出現結垢，導致煤層的滲透率下降，進而影響后期的壓裂效果及產期[4-6]。

以往學者側重于研究不同鉆井液對煤儲層的損害機理、污染評價體系和儲層保護方法[7-8]，以更改鉆進方案和選擇與煤儲層配伍的鉆井液類型等，提升鉆井工藝技術來減少對煤儲層的傷害。但是煤層氣開發工程具有整體性，煤儲層評價需要考慮煤層氣生產的整個過程，單單探討如何在鉆井工藝中避免鉆井污染難以滿足煤層氣開發工藝的整體需求。因此，查明煤儲層受污染的程度，探究煤儲層污染對煤儲層開發的影響，對煤層氣的高效開發具有重要的指導意義。

本文依據柿莊南地區的鉆井資料，計算鉆井液侵入3號煤儲層后的滲透率損害比，用以表示煤儲層的污染程度。依據煤儲層受污染的程度，將煤儲層劃分為不同類型，分析不同煤儲層類型的煤屬性特征，并結合壓裂資料和排采資料分析地質資源特征相似的、不同煤儲層類型鉆井的壓裂特征和排采特征。

1 研究區的概況

柿莊南區塊位于沁水盆地東南部，沁水復向斜的東翼，寺頭斷層為區塊西北邊界，總面積為388 km2。研究區內地層沉積充填序列自下而上依次為古生界奧陶系、石炭系、二疊系、中生界三疊系和新生界第四系。區內發育多套煤層，其中太原組15號煤層和山西組3號煤層在全盆地穩定分布，為主力煤層。山西組3號煤層目前為柿莊南區塊煤層氣的主采煤層，埋深介于454～1 240 m之間，總體上呈現由東南向北逐漸增厚趨勢，煤層厚度介于4.6～7.3 m之間，平均厚度為6.01 m；煤層結構較為破碎，以碎裂煤和碎粒煤為主；煤的演化程度較高，為無煙煤儲層(圖1)。

圖1 柿莊南區塊構造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Shizhuangnan block

2 基于鉆井液污染的煤儲層傷害類型劃分

2.1 煤儲層傷害評價指標及計算模型

鉆井液對煤儲層的傷害機理和污染體系評價，國內外學者已經進行過大量研究，常用于評價鉆井液對煤儲層傷害程度的主要指標有滲透率損害比、表皮系數和泥漿污染深度。其中，滲透率損害比具有可直接表示煤儲層污染程度和結果的特點，因此，本文應用滲透率損害比做為評價煤儲層傷害的指標。

依據巖芯污染損害實驗得出，滲透率損害比Ko/Kd受泥漿密度、地層孔隙度、電阻率等因素影響。Ko/Kd隨泥漿密度ρmud減小而減小，隨孔隙度φ和淺探測地層電阻率Rxo增加而減小。因此儲層的滲透率比Ko/Kd的計算模型見式(1)。

Ko/Kd=A(ρmud/φ)α+B(Rxo/Rmf)-β

(1)

式中：Ko、Kd分別為污染前后的滲透率，mD；Ko/Kd為滲透率損害比；ρmud為泥漿密度，g/cm3；φ為煤儲層孔隙度，%；Rxo、Rmf分別為淺探測地層電阻率和泥漿濾液電阻率，Ω·m；A、B、α、β為關聯系數且均大于零[9]。

基于前人研究[8,10]，該模型在評價柿莊北等地區煤儲層受傷害程度方面具有較好的適用性，因此，本文應用該模型來計算煤儲層滲透率損害比。

2.2 煤儲層類型劃分

表1為基于滲透率損害比評價煤儲層污染程度的標準。由表1可知，鉆井液對煤儲層的污染程度可以劃分為5類：受到改善、沒有污染、輕度污染、中等程度污染和嚴重污染。本次研究基于煤儲層受污染程度，將煤儲層劃分為輕度污染、較重污染和嚴重污染三種類型(表2)，其中，輕度污染的煤儲層滲透率損害比<2；較重污染的煤儲層滲透率損害比為2～4；嚴重污染的煤儲層的滲透率損害比>4。

表1 基于滲透率損害比評價煤儲層污染程度的標準Table 1 Evaluation standard of coal reservoir pollutiondegree based on permeability damage ratio block

表2 煤儲層類型的劃分方案Table 2 Classification scheme of coal reservoir types

3 不同鉆井液污染儲層類型下煤儲層開發特征

3.1 煤儲層屬性特征

當鉆井液侵入煤儲層的孔裂隙系統后，會導致煤儲層中的黏土礦物遇水膨脹，在與煤層水配伍性不好時會出現結垢，進而降低煤儲層的孔隙度和滲透率[11]。此外，當煤層中碎粒煤的含量較高時，產生的原生煤粉較多，且在排采后期易產生次生煤粉[12]，在鉆井過程中，煤粉容易隨著鉆井液一起進入煤儲層，堵塞煤儲層的原生孔裂隙系統，進而降低煤儲層的孔隙度和滲透率[13]。鉆井時，井徑擴大后鉆井液進入井徑擴大區，逐漸滲濾到相對較遠的地方，使煤儲層的導流能力降低也容易污染煤層段[14]。高向東等[15]通過研究煤體結構與井壁穩定性得出，煤體結構越破碎，井壁穩定性就越差，井擴現象就越嚴重，加之研究區內煤體結構破碎，碎粒煤厚度占比越高，煤層越破碎。因此，煤中的黏土礦物含量、碎粒煤厚度占比是影響煤儲層污染程度的關鍵因素。

研究區內寺頭斷層上下盤250 m范圍內鉆井的物性、含氣性的特征極其復雜[16]，因此，本次研究對象排除距離寺頭斷層上下盤250 m的鉆井，選取60口鉆井。應用VB6.0語言編制出計算程序，計算該60口鉆井的煤儲層滲透率損害比。

基于前人研究，柿莊區塊3號煤層孔隙多數為原生孔隙和氣孔，裂縫多數為微裂縫，且被黏土礦物充填嚴重。 煤樣的灰分含量Aad可以反映煤樣的礦物含量，通過礦物分析發現煤樣礦物總量的80%～90%為黏土礦物，因此，可用灰分含量的大小來近似表示煤巖中黏土礦物含量的大小[7]。

圖2為研究區內60口鉆井煤儲層的實測灰分含量和煤層中的碎粒煤厚度占比與滲透率損害比散點圖。由圖2可知，煤儲層污染程度與灰分含量和碎粒煤厚度占比呈正相關關系。通過對不同煤儲層的灰分含量和碎粒煤厚度占比分析(圖3和圖4)可以看出，輕度污染煤儲層的灰分含量為3.33%～14.55%，平均值為10.07%，碎粒煤厚度占比為7.57%～56.70%，平均值為34.85%；較重污染的煤儲層的灰分含量為7.48%～16.73%，平均值為13.04%， 碎粒煤厚度占比為33.85%～88.3%， 均

圖2 滲透率損害比與各參數之間的關系Fig.2 Relationship between permeability damage ratio and various parameters

圖3 不同煤儲層的灰分含量和碎粒煤厚度占比分布范圍Fig.3 Distribution range of ash content and broken coal thickness in different coal reservoirs

圖4 不同煤儲層類型的灰分含量和碎粒煤厚度占比情況Fig.4 Ash content and coal structure of different coal reservoirss

值為59.65%；嚴重污染的煤儲層灰分含量為13.03%～24.52%，均值為17.69%，碎粒煤厚度占比為48.91%～100%，均值為76.47%。由此可見，輕度污染型煤儲層的灰分含量與碎粒煤厚度占比最低，較重污染型煤儲層的灰分含量與碎粒煤厚度占比次之，重度污染型煤儲層具有較高的灰分含量且煤體結構更為破碎。

3.2 壓裂曲線特征與排采特征

為了精確探究不同煤儲層類型鉆井的壓裂特征與排采特征，本文選取研究區內地質資源特征相似的井作為研究對象。研究區內S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井開采煤層均為3號煤層，且不存在3號煤層與15號煤層合采的情況，其地質資源特征及受污染狀況見表3，因此，本文選定S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井。

表3 S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井的地質特征及其受污染程度Table 3 Geological characteristics and pollution degree ofS-1,S-2 and S-3 drilling wells

3.2.1 壓裂曲線特征

圖5為S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井的壓裂施工曲線。其中，S-1鉆井和S-2鉆井的油壓曲線為下降型，S-1鉆井下降幅度最大，為13 MPa，穩定時所需的破碎壓力值為14 MPa；S-2鉆井油壓下降幅度約為9 MPa，穩定時所需的破碎壓力值為21 MPa；S-3鉆井油壓曲線為穩定型，下降幅度約為4 MPa，穩定時的破碎壓力值為23 MPa。由圖5可知，嚴重污染的煤儲層壓裂曲線中油壓曲線下降幅度大，且破碎壓力值到穩定壓力值降段時間長；較重污染的煤儲層的壓裂曲線與嚴重污染型的煤儲層的壓裂曲線類似，但是油壓下降幅度值較小，破碎壓力值到穩定壓力值降段時間較長；輕度污染的儲層的油壓曲線下降幅度小。

圖5 不同煤儲層類型鉆井施工壓裂曲線Fig.5 Fracturing curves of drilling operation fordifferent types of coal reservoirs

鉆井過程中，鉆井液侵入煤儲層，首先導致儲層中黏土礦物膨脹而占據了煤儲層中原有的天然孔裂隙；隨后，鉆液滲入煤儲層內部結構，造成煤層泊松比和抗壓強度降低直至消失[17]。因此，嚴重污染型煤儲層在壓裂過程中，所需的破碎壓力小，相反地，輕度污染型儲層在壓裂過程中所需的破碎壓力大。在固井過程中，煤儲層破碎，井壁穩定性差，井擴現象越顯著，固井水泥漿更容易侵入煤儲層。固井水泥漿侵入煤儲層后，在其內部膠化固結，使得煤巖抗壓強度提升[18-19]。在壓裂過程中，固井水泥漿膠化凝固段儲層所需要的破碎壓力大，在固井水泥漿膠化凝固段外，儲層所需的破碎壓力較小。因此，在固井水泥漿膠化凝固段前后，油壓會有大幅下降。此外，由于嚴重污染的煤儲層煤體結構破碎程度更高，本身所需要的破碎壓力較小，輕度污染的煤儲層煤體結構比較完整，壓裂時所需的破碎壓力值高，破裂壓力穩定時，輕度污染的煤儲層所需破碎壓力大于較重污染型和嚴重污染型煤儲層。

3.2.2 排采特征

灰分含量高且煤體結構破碎的煤儲層在鉆井過程中受鉆井液影響更大，滲透率恢復效率較為低下。在固井過程中，由于穩定性差，易坍塌，固井水泥漿更容易侵入煤儲層，對煤儲層易造成永久性的二次傷害[20]。此外，固井泥漿在井擴段形成的水泥環更厚，在壓裂過程中，可能會造成射孔時穿透水泥環的效果差，且煤體結構破碎的儲層容易造成堵砂等現象，導致煤儲層的有效改造不理想；在排采過程中，容易造成煤層氣解吸滯后等現象，影響煤層氣的產出[21-23]；煤層氣產出過程中，煤層氣產出流速達到一定值時，灰分含量高、碎粒煤厚度占比高的儲層容易出現煤粉沉積并堵塞氣、水滲流通道的現象，進而引起產氣量下降[24-26]。

圖6和表4分別為S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井截至2020年7月8日的排采曲線和產氣情況。依據S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井的產氣量可知，產氣量與煤儲層受污染程度呈正相關，但是產水量

圖6 S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井排采曲線Fig.6 Drilling production curve of S-1,S-2 and S-3 wells

表4 S-1鉆井、S-2鉆井和S-3鉆井的產氣情況表Table 4 Gas production of S-1,S-2 and S-3 drilling wells

最高的鉆井為污染程度最高的S-1鉆井，說明S-1鉆井煤儲層在后期壓裂過程中得到了有效的改造，而該井產氣量較低可能與該井煤儲層含氣量和含氣飽和度值低有關[25-26]。這就表明，經過壓裂改造后，鉆井液污染對煤層氣的排采效果影響不大。

由圖6和表4可知，S-1鉆井的排采曲線為雙峰穩定型，儲層臨儲比為0.53，單相水流階段時間為36 d；S-2鉆井的排采曲線為雙峰穩定型，儲層臨儲比為0.61，單相水流階段時間為14 d；S-3鉆井的排采曲線為雙峰增產型，儲層臨儲比為0.6，單相水流階段時間為10 d。顯然，嚴重污染型煤儲層鉆井的單相水流階段時間長，輕度污染型煤儲層鉆井的單相水流階段時間短，較重污染型煤儲層鉆井的單相水流階段時間介于上述兩種類型之間，這表明煤儲層受到污染后會影響到煤層氣的解吸速率，導致鉆井單相水流時間變長。

通過上述分析，在排采過程中，經過壓裂改造后，鉆井液污染對煤層氣的排采效果影響不大，但是會導致煤層氣解吸滯后。嚴重污染型煤儲層鉆井單相水流階段時間長；輕度污染型煤儲層鉆井單相水流階段時間短；較重污染型煤儲層鉆井的單相水流階段時間介于上述兩者之間(表5)。

表5 不同煤儲層類型的排采特征分析Table 5 Analysis of drainage and production characteristicsof different coal reservoir types

4 結 論

1) 煤儲層可以依據鉆井液污染程度劃分為輕度污染型、較重污染型和嚴重污染型三類。通過對比不同煤儲層類型的灰分含量與碎粒煤厚度占比情況可知，嚴重污染型煤儲層灰分含量為13.03%～24.52%，碎粒煤厚度占比為48.91%～100%，均值為76.47%；較重污染型儲層的灰分含量介于7.48%～16.73%之間，平均值為13.04%，碎粒煤厚度占比為33.85%～88.30%，均值為59.65%；輕度污染的煤儲層的灰分含量為3.33%～14.55%，平均值為10.07%，碎粒煤厚度占比為7.57%～56.70%，平均值為34.85%。

2) 壓裂施工時，嚴重污染型煤儲層鉆井的油壓曲線會出現大幅度下降，穩定時所需破碎壓力小，破碎壓力值到穩定壓力值降段時間長；較重污染型煤儲層鉆井，與易傷害型鉆井類似，但下降幅度小于易傷害鉆井，穩定時所需的破碎壓力高于易傷害型儲層鉆井，破碎壓力值到穩定壓力值降段所需時間比易傷害型短；輕度污染型煤儲層鉆井，油壓曲線整體比較穩定，下降幅度不明顯。

3) 排采過程中，嚴重污染型鉆井單相水流階段時間長；較重污染型鉆井單相水流階段時間較長；輕度污染型儲層，單相水流階段時間短。