煤層氣儲層傷害機理與水平井雙層管柱篩管完井技術

鮮保安，張 龍，哈爾恒·吐爾松，喻 鵬，王 凱，張亞飛，張 洋，王三帥，李宗源

(1.河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454003；2.河南省非常規能源地質與開發國際聯合實驗室，河南 焦作 454003；3.新疆科林思德新能源有限責任公司，新疆 阜康 831500；4.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北 任丘 062550；5.中石油煤層氣有限責任公司 北京 100028；6.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100016)

煤儲層保護是煤層氣開發過程中的關鍵環節，直接關系煤層氣開發的產量與整體效益。減輕水平井鉆完井過程中鉆井液對煤儲層的傷害，可釋放煤儲層產能，是提高單井產量的核心措施之一。煤層作為煤層氣的儲集層與產氣層，又具有高吸附性與低滲透性的特點[1-5]。由于煤層是低壓儲層，相對于圍巖又具有強度低、易破碎和微裂隙發育的特點，在水平井鉆完井過程中更容易受到鉆井流體傷害。基于多元化井身結構的水平井技術作為一種煤層氣開發的主體技術，也越來越受到行業的重視，應用篩管完井的水平井也越來越多，而煤儲層保護又是水平井技術的一項關鍵控制因素[6]。歐陽云麗[7]通過變壓力法模擬井筒壓力及波動，得到壓力變化幅度越大，對煤巖的傷害越大；孫晗森等[8]采用固井水泥漿煤心傷害實驗和掃描電鏡表明固井水泥漿膠結顆粒在孔裂隙中致密填充，嚴重降低煤巖滲透率；魏迎春等[9]等通過分散劑水溶液對煤巖影響的物理模擬實驗，認為分散劑增大了毛細管力，加劇了水鎖傷害。現有研究對于煤層氣水平井鉆完井傷害實驗與機理涉及較少，因此，揭示煤層氣水平井鉆完井過程中煤儲層傷害機理，研發能夠減輕煤儲層傷害的技術具有重要意義[10-13]。本文通過系統分析煤層氣水平井鉆完井過程，采用煤粉膨脹與滲透率傷害評價實驗，揭示煤儲層傷害機理；提出水平井雙層管柱篩管完井技術，并通過現場實踐驗證，可以減輕鉆井液對煤儲層的傷害，提高單井產量。

1 鉆井液對煤儲層的傷害實驗與評價

煤層氣水平井能夠增加井筒與煤儲層接觸面積，溝通更多煤儲層天然微裂隙，增加泄壓與煤層氣滲流面積，提高天然裂隙導流能力，釋放煤儲層產能[14-17]。另一方面，水平井技術在鉆完井過程中鉆井液與煤儲層接觸時間更長，接觸面積更大，造成的煤儲層傷害也越大。

鉆井液對煤儲層的傷害主要包括固相顆粒侵入儲層造成煤巖孔隙堵塞、鉆井液濾液侵入儲層造成的傷害，其中造成煤儲層傷害的固相顆粒包含鉆井液中不可溶解的固相物質與鉆完井過程中煤層自身在外力作用下微小變形形成的煤粉顆粒。

1.1 鉆井液中固相顆粒與煤儲層孔?裂隙類型

鉆井過程中固相顆粒對煤儲層裂隙系統的充填堵塞是不可避免的現象[13]，在井底壓差作用下，鉆井液向煤儲層不斷滲透，固相顆粒會在煤層微裂隙變窄或流速減慢的情況下堵塞微裂隙通道，并在井壁形成穩定的泥餅，阻擋固相顆粒繼續侵入煤儲層。室內研究表明，在煤巖滲透率超過0.01×10?3μm2時，濾餅的滲透率比儲層滲透率低一個數量級。侵入煤儲層的顆粒會堵塞地層流體的運移通道，大幅度降低儲層的滲透率，造成難恢復的儲層傷害。

鉆井液中的固相顆粒種類劃分以粒徑為標準，具體可分為粗粒、中細粒、細粒、超細粒、微粒及膠體顆粒。煤的孔隙類型[7]見表1。當鉆井液固相顆粒粒徑與煤儲層裂隙或孔隙直徑相近時，會在孔喉處發生堵塞現象。

表1 鉆井液固相顆粒粒徑與煤儲層孔隙直徑對比Table 1 Comparison of solid particle size in drilling fluid and pore diameter in coal seam

1.2 煤粉膨脹評價實驗

研究表明，與砂巖相比，煤分子是由若干結構相似而又不完全相同的基本結構單元通過橋鍵連接而成的，高變質煤中性質活潑的側鏈、橋鍵及各種官能團數少，芳香環數多，芳香碳間的結合力大，不易斷開[6]。煤巖是由高度交聯的大分子網和其他互不交聯的大分子鏈組成，從而導致了煤的吸附能力較強。煤巖基質的孔隙率很低，且孔裂隙連通性較差，使得煤儲層呈現低滲透率特征，這是煤巖自身特征。煤孔裂隙中的黏土礦物與侵入的外來流體接觸后出現微膨脹現象，進一步降低煤巖的孔隙連通性，同時影響煤巖滲透性。選取山西沁水盆地煤樣，開展了煤粉膨脹的靜態實驗，評價鉆井液濾液對煤樣造成的傷害。

1.2.1實驗方法

實驗選用 NP-01A 型膨脹量測定儀，測定煤粉膨脹率。實驗步驟如下：

(1) 測定膨脹儀空筒的高度h1。

(2) 取采集煤樣100 g，經粉碎機破碎后，過100 目(150 μm)、200 目(74 μm)篩，選 取100～200 目 之 間煤粉。

(3) 利用電熱鼓風干燥箱將煤粉作干燥處理，并將其冷卻到室溫，然后稱取10 g 煤粉放入空筒中，墊上一層濾紙后，在一定壓力條件下，將煤粉壓實(實驗過程中設置壓力為5 MPa，時間為3 min)；待煤粉壓實好后，再次測量筒體高度h2。

(4) 將儀器按照操作規程安裝好，用注射器將已配制好的待測溶液緩慢地注入杯體中。與此同時，實驗開始計數。煤粉膨脹的高度 ?h需在前8 h 內每隔1 h讀取一次，24 h 后測定最終膨脹高度即可。時間許可時，可以測量煤粉單位時間內膨脹量隨時間的變化率，從而建立煤粉膨脹變形的時間函數關系式，可用下式計算煤粉的最終膨脹率P：

1.2.2實驗結果及分析

通過靜態實驗分別用不同溶液(蒸餾水、煤層水和1%KCl 鹽水)測定山西沁水盆地不同礦區煤樣(壽陽、潘莊區塊天然煤樣)，記錄煤粉發生膨脹的過程及線性膨脹率。煤粉膨脹實驗結果見表2。

表2 煤粉膨脹實驗結果Table 2 Experimental results of coal power expansion

由表2 可見，在所選不同溶液中蒸餾水對潘莊煤樣SH1-1 樣煤粉膨脹率的影響較為明顯，膨脹率達到17.62%。該實驗結果表明，潘莊的煤巖具有較強的遇水膨脹特性，壽陽煤樣的煤巖遇水膨脹不敏感，蒸餾水的膨脹率僅為2%。

在1%KCL 鹽水溶液中潘莊SH1-3 樣煤粉膨脹率僅為1.72%，對比選取蒸餾水的結果，煤粉的膨脹率下降了90.24%，與煤層水相比下降了67.30%，通過實驗結果，驗證了KCl 溶液能明顯降低煤巖的遇水膨脹性。

據劉飛[18]做的陽泉壽陽礦區15 號煤和晉城潘莊3 號煤黏土礦物分析結果可知，陽泉壽陽礦區15 號煤黏土礦物含量為2.2%，晉城潘莊3 號煤黏土礦物含量為6.8%。可知黏土礦物含量越高，煤粉膨脹率越大。

從以上煤粉膨脹的靜態實驗結果來看，當煤粉與液體接觸后，煤儲層會吸收液體，從而導致煤基質膨脹，造成煤巖滲透率降低，造成煤儲層嚴重傷害，但KCl具有明顯抑制煤基質膨脹的作用。

1.3 鉆井液濾液對煤儲層傷害實驗

評價鉆井液濾液對煤層的傷害，主要對煤樣受到鉆井液污染前后滲透率的測定，用傷害率表示，通過滲透率和傷害率的變化分析研究，評價鉆井液對煤層的傷害程度。傷害率[19]用下式計算：

式中：Ko、Kd分別為傷害前、傷害后的滲透率，10?3μm2；Ks為儲層傷害率。

1.3.1樣品制備

煤樣制備：利用CH5640 數控金剛石線切割機床，鉆取圓柱狀巖樣(直徑 2.5 cm，高 5 cm)，60 ℃下烘干。制備煤樣4 組，每組5 個樣，并將鉆取的煤樣斷面磨平。

鉆井液漿體制備：3 000 mL 蒸餾水+150 g 膨潤鈉土粉+49 g 磺化瀝青粉+5 g 增黏降失水劑+30 g KCl，密度 1.01 g/cm3，馬氏漏斗黏度54 s，中壓API 失水9 mL，泥餅厚度小于0.8 mm。

1.3.2實驗方法

依據SY/T 6540?2021《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》進行實驗。測試儀器為 TCQT-Ⅲ型低滲煤層氣相驅替增產實驗裝置。

(1) 在模擬地層壓力條件下進行煤儲層巖心氣相滲透率測定，測試驅替介質為氦氣。

(2) 在模擬地層壓力條件下進行煤儲層巖心鉆井液傷害實驗，鉆井液浸泡時間不低于72 h。

(3) 去除外泥餅，在模擬地層壓力條件下再一次測定氣相滲透率，測試介質為氦氣。

1.3.3實驗結果及分析

通過實驗室完成了4 件樣品的鉆井液傷害實驗，以傷害時間0.5、1.0、1.5、2.0 和12.0 h 為單位，分別測試煤巖樣品滲透率，測試結果見表3。

表3 煤巖樣品鉆井液傷害后滲透率特征Table 3 Permeability characteristics of coal rock samples after drilling fluid damage

由表3 可知，煤樣在1.5 h 內受到鉆井液傷害后滲透率下降較快，主要以動濾失為主，濾失過程中形成泥餅；2.0 h 后煤樣滲透率基本保持穩定狀態，煤樣表面泥餅已形成，鉆井液靜濾失量明顯低于動濾失量(一定剪切速率下測定的濾失量)。在鉆井液侵入煤樣過程中，煤樣初始滲透率值越高，鉆井液動濾失量越大，滲透率下降速度越快，形成泥餅所需時間較短，鉆井液傷害率相對較高；煤樣初始滲透率降低一個數量級后，鉆井液動濾失速度明顯降低，滲透率下降速度較低，形成泥餅所需時間較長，鉆井液傷害率相對較低。由此可知，煤樣滲透率越高，越容易受到傷害。

1.4 鉆井液及煤粉對煤儲層的傷害機理

1.4.1鉆井液侵入對煤儲層傷害機理

從實驗觀察可見，煤樣在吸收液體的過程中所引起的煤巖樣膨脹和滲透率降低是動態快速形成的，隨著時間的推移，傷害程度的變化趨勢由高到低，且鉆井液侵入前期1.5 h，煤層傷害速度較快。因此煤層氣開發的整個鉆井過程中，鉆井液侵入對煤儲層造成了由高到低的動態傷害，煤層傷害主要發生在鉆開煤層的初始階段，隨著煤層鉆進與鉆井液浸泡煤巖時間的延長，煤層傷害程度不斷降低，直到一個穩定狀態。儲層中的原有流體被外來流體推到儲層深部，在兩相流體形成的接觸液面處產生毛細管阻力。在實際生產過程中，如若不能有效地排出侵入儲層的外來流體，儲層滲透率會因含水飽和度的增加而降低。

另外，煤層氣水平井的鉆進過程中，鉆井液浸泡時間較長，鉆井液濾液對煤層的傷害與鉆井液類型密切相關，且早期的傷害不可避免，故完井過程中減輕傷害的技術措施不可缺少。

1.4.2煤粉對煤儲層的傷害機理

煤本身為一種膠結較弱的固相顆粒，與其他常規巖石相比，抗壓和抗拉能力都較弱，煤具有彈性模量小、泊松比大等特點，使得煤比其他巖石更易受壓縮變形，在相同的應力條件下煤更易受抗拉與抗剪切破壞。從大量礦井煤層剖面觀測表明，煤粉主要來源可以分為原生煤粉和次生煤粉[20-21]。

鉆井過程中的起下鉆速度過快或泥漿泵壓力波動都會引進井底的應力變化，加速煤儲層微裂隙表面基質破碎與顆粒運移，形成堆積堵塞微裂隙，降低煤儲層滲透率和導流能力，最終降低煤層氣單井產量。

煤粉顆粒聚集在一起，阻塞滲流通道，也造成了兩個方面的負面影響，一方面，使壓裂過程中施工壓力增高；另一方面，大量煤粉容易出現懸浮、沉降聚集而堵塞煤層原生裂隙。通常所說的煤粉堵塞就是指煤粉在煤儲層流體運移過程中，前端流體由于一部分煤粉聚集導致流體運移速度變緩，后端流體依然以原來的速度向前涌進，使得運移通道逐漸被煤粉堆積堵塞，嚴重的會形成斷流，堵死流體運移通道，對煤層形成永久傷害。

2 雙層管柱篩管完井技術與減輕煤儲層傷害原理

2.1 雙層管柱篩管完井技術

雙層管柱篩管完井工藝由內外雙層管柱組成[22-23]，外部管柱主要由引鞋、密封筒、篩管與懸掛連接總成組成，篩管與懸掛器下端的連接總成連接，井底連接密封管與篩管引鞋；內部管柱由沖管組成，沖管也與懸掛器下端總成連接(圖1)。鉆桿通過旋轉接頭與懸掛器上端總成連接，并將懸掛器、篩管及沖管送至設計懸掛器位置(圖2)，然后通過投球實現懸掛器與技術套管內壁坐封，繼續使用液壓或機械丟手實現懸掛器懸掛裝置與連接總成脫離，懸掛器懸掛裝置及篩管固定于井筒內，鉆桿拖動懸掛器總成及沖管進行洗井作業(圖3)，洗井液從沖洗管出口再通過篩管孔眼沖刷井壁，上下拖動鉆具進行分段動態沖刷井壁(每段20～30 m)，可在鉆井過程中煤儲層坍塌嚴重位置進行定點多次洗井，以清除過多的煤粉，沖洗的煤粉隨洗井液經內部管柱系統與外部管柱系統間的環空返排至井口，也可以促使碎軟煤層進一步坍塌，連通更多的微裂隙。

圖1 雙層管柱篩管完井結構Fig.1 Schematic diagram of double-layered screen pipe in the completion structure

圖2 水平井篩管完井結構Fig.2 Schematic diagram of the completion structure with screen pipe in horizontal well

圖3 循環拖動洗井結構Fig.3 Schematic diagram for well cleaning structure with the function of circulation and drag

2.2 雙層管柱篩管完井技術減輕儲層傷害原理

雙層管柱篩管完井技術是專門針對篩管完井與減輕完井傷害設計，能夠及時實現水平井分段洗井，其減輕完井傷害的原理主要包含以下四個方面：

(1) 通過對鉆井液進行化學破膠，減輕完井液對煤層傷害[24-25]。利用內層沖洗管柱泵送生物酶破膠液，與原井筒近井地帶的殘余鉆井液混合，產生化學反應，分解鉆井液中的高分子增黏劑成分。破膠10 min 后，表觀黏度可以從近13 mPa·s 降低至1.0～1.75 mPa·s，破膠率平均89.3%，破膠效果明顯混合完井液已經接近水的黏度，也可以增加破膠劑用量，進一步縮短破膠時間，實驗數據見表4。

表4 鉆井液用生物酶破膠實驗數據Table 4 Experimental data for bio-enzyme gel breaker used in drilling fluid

(2) 利用沖洗管的水力沖擊作用，減輕泥餅對煤層的傷害。通過沖洗管的沖洗引鞋，破膠完井液的高壓水射流沖擊篩管水眼，再沖洗井壁煤層，剝離井壁泥餅及煤屑顆粒，減少井壁表面泥餅，快速暴露煤巖裂隙，又加深對井壁附近粘附的鉆井液增黏劑的破膠降解作用效果，擴大連通煤儲層內部裂隙，進一步減輕鉆井液傷害(圖4)。

圖4 鉆井液沖洗前后的煤層井壁對比Fig.4 Comparison diagram of coal seam wall before and after drilling fluid flushing

(3) 完井液高壓水力循環攜帶煤粉，減輕近井地帶煤粉堆積傷害。依靠沖洗管內的完井液，形成高壓水射流清洗井壁近井地帶裂隙的煤粉，并攜帶出井筒，清除殘留井壁附近的煤粉顆粒。

(4) 井壁煤層水力應力增滲，提高近井地帶煤層滲透率。沖洗過程泵壓變化，引起煤層井壁附近應力變化。基于煤巖弱面體結構模型與斷裂力學原理，井壁附近應力變化，引起煤巖原生裂隙受到周期性的拉應力σt與剪應力τn作用，導致煤層井壁附近原生微裂隙反復張開與剪切滑移(圖5)。如果是原生結構煤，就是因張力引起面割理張開，因剪應力引起端割理滑動，起到微裂隙的增滲作用，相當于近井壁煤層改造措施。

圖5 近井地帶煤層應力變化引起的增滲作用Fig.5 Permeability improvement in the coal seam near wellbore zone due to stress change

3 水平井雙層管柱篩管完井在沁水盆地的應用

3.1 水平井雙層管柱篩管完井技術適應性研究

根據前人[26-29]對沁水盆地15 號煤儲層物性的研究，15 號煤的埋藏深度大部分處于300～2 000 m，煤厚平均為2.7 m。該層位煤體結構復雜，宏觀煤巖類型以亮煤為主，半亮煤次之，顏色為黑灰色，似金屬光澤，斷口為階梯狀、貝殼狀，結構為條帶狀結構，礦物可見薄膜狀白色方解石，構造為層狀構造，煤中含泥質、炭質泥巖夾矸。為低灰?中灰，低揮發分，中硫，不黏結性，高發熱量貧煤。該區域煤孔隙、裂隙普遍發育，但是孔隙、裂隙大多被礦物填充，導致孔裂隙連通性較差，不利于煤層氣的滲流。煤層原始滲透率平均值[28]在0.2×10?3μm2，遠低于已成功勘探開發的3 號煤層。15 號煤層的儲層壓力為 3.57～13.13 MPa，壓力梯度為0.402～0.965 MPa/hm。總體為低滲透率欠壓煤儲層，隨煤層埋藏深度加深，儲層壓力及儲層壓力梯度增高。

15 號煤儲層宏觀裂隙有限，顯微裂隙不發育，大孔、中孔不發育的特點，決定了煤層氣擴散和滲流的原始條件較差，煤體結構復雜，破碎程度加劇，碎裂煤與碎粒煤明顯增多，局部含有糜棱煤，煤層孔裂隙充填多，這就需要在完井過程中對煤層氣滲流通道進行改造，同時對原生煤粉、殘余鉆井液進行清洗返排，為完井改造作業提供良好的改造環境。

綜上所述，目前的雙層管柱篩管完井技術適宜的煤層條件：(1) 煤層具有一定的膠結強度，可利用聚合物鉆井液穩定井壁形成水平井眼；(2) 煤層滲透率較高，達到0.2×10?3μm2以上；(3) 平均煤層壓力梯度0.4 MPa/hm以上；(4) 煤體結構以原生煤、碎裂煤和碎粒煤為主，或含少量糜棱煤；(5) 煤層厚度1 m 以上，能夠實現水平井眼導向鉆進。

3.2 應用效果

水平井雙層管柱篩管完井技術已在沁水盆地南部得到推廣應用，首先在3 號煤層試驗成功，平均單井日產氣量20 000～22 000 m3，逐步推廣到15 號煤層，15號煤層氣日產量平均10 000～12 000 m3，其中一口井最高日產氣量已經超過40 000 m3，近2 年時間累計產量已經超過1.6×107m3(圖6)，截至2020 年12 月31 日，已先后推廣應用400 余口，相對于常規的多分支水平井及分段壓裂水平井，水平井雙層管柱篩管完井的煤層氣穩定日產量、穩產周期均大幅提升。根據華北油田在山西沁水盆地3 號煤層實施的煤層氣井產量統計情況[30]，采用普通篩管完井的水平井49 口，平均穩定日產氣量為3 527 m3；套管完井的L 型水平井共18 口，平均穩定日產氣量為6 051 m3；魚骨狀水平井6 口，完井方式為主支篩管，分支裸眼，平均穩定日產氣量為4 537 m3。雙層管柱篩管完井水平井平均日產氣量是其他完井類型水平井平均日產氣量的2～7 倍。

圖6 沁水盆地南部15 號煤某篩管完井水平井煤層氣產量曲線Fig.6 The gas production curves of a horizontal well with screen pipe completion in No.15 coal reservoir in southern Qinshui Basin

水平井雙層管柱篩管完井實現了沁水盆地南部15 號煤層氣開發的歷史性突破。

4 結論

a.鉆井液對煤層的傷害，因鉆井液流體性質有明顯的變化，也是非均質動態過程。煤粉膨脹實驗結果表明，當煤粉與液體接觸后，煤儲層會吸收液體，從而導致煤層膨脹，造成煤巖滲透率降低，造成煤儲層嚴重傷害，KCl 溶液具有明顯抑制煤層膨脹的作用。

b.水平井雙層管柱篩管完井減輕煤儲層傷害機理主要有以下幾個方面：對鉆井液的化學破膠；洗井去除泥餅；完井液沖洗煤粉；沖洗過程中泵壓變化，井底應力變化引起煤層微裂隙錯動，提高井壁附近煤層的滲透率。煤層氣水平井雙層管柱篩管完井技術為煤層氣產出提供了穩定通道，射流洗井與增滲技術能夠有效減輕鉆井液對煤儲層的傷害，有利于恢復煤儲層的產能，提高單井產量。

c.煤層傷害機理分析主要從鉆井液對煤層的傷害，煤巖水化性質兩個方面展開，對比性實驗分析還有待提高，缺少煤巖微觀孔裂隙，近井地帶煤巖力學性質的分析，今后將對這兩方面補充研究，完善煤層氣水平井完井儲層傷害機理。

d.水平井雙層管柱篩管完井技術已在沁水盆地南部得到推廣應用，在3 號煤層氣首先試驗成功，相對于常規的多分支水平井及分段壓裂水平井，煤層氣穩定日產量、穩產周期均大幅提升，且15 號煤層氣開發實現了歷史突破。