張振華 孫晗森 喬偉剛

(1.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局渤海鉆井二公司,山東 257200;2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011;3.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東 266555)

1 中國(guó)煤層氣儲(chǔ)層及煤巖特點(diǎn)

1.1 微孔和裂縫發(fā)育

煤層氣主要吸附于微孔中,而割理是煤層氣產(chǎn)出的主要通道。割理主要由面割理、端割理和構(gòu)造裂縫組成,面割理延伸很遠(yuǎn),端割理發(fā)育在兩條面割理之間,它們與層理面相交,把煤體分成一個(gè)個(gè)斜方形或長(zhǎng)方形的基質(zhì)巖塊。盡管裂縫的孔隙度只有1%～2%,然而它對(duì)煤層的滲透率有重要影響。

1.2 儲(chǔ)層滲透率極低

煤層滲透率決定了煤層氣能否順利的從煤層中采出,而我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層滲透率普遍偏低,90%的儲(chǔ)層滲透率低于 3×10-3μm2,通常為 (0.001～0.1)10-3μm2,屬典型的低滲透、特低滲透儲(chǔ)層。

1.3 普遍屬于低壓儲(chǔ)層

儲(chǔ)層壓力直接影響儲(chǔ)層的含氣量和煤層氣的存在狀態(tài),也是氣體由儲(chǔ)層流向井筒的能量來(lái)源,從而影響煤層氣的產(chǎn)量,我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層壓力大多低于正常靜水壓力,屬于低壓儲(chǔ)層。

1.4 含氣飽和度低

中國(guó)五大聚煤區(qū)包括西北、華北、東北、滇藏及華南聚煤區(qū),以華北和西北聚煤區(qū)為主,占全國(guó)總資源量的90.7%,其次為華南聚煤區(qū),東北聚煤區(qū)煤層氣資源量相對(duì)較低,滇藏聚煤區(qū)煤層氣資源量極少。各主要聚煤區(qū)含氣飽和度數(shù)值如表1所示。由表1可知,我國(guó)大多數(shù)煤層氣儲(chǔ)層含氣飽和度較低。

表1 主要聚煤區(qū)煤層氣儲(chǔ)層含氣飽和度數(shù)據(jù)表

1.5 煤巖表面帶有電荷

煤巖表面比常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖表面帶有更多的電荷,表面電位隨所處環(huán)境的pH的增大而減小,多數(shù)煤巖的表面電位經(jīng)歷了由正到負(fù)的過(guò)程,表面電位為零時(shí)的pH值稱(chēng)為等電點(diǎn),不同煤巖的等電點(diǎn)大小不同,但大多數(shù)遠(yuǎn)小于7,所以在一般鉆井液的pH條件下,煤巖表面帶負(fù)電。這是煤巖一個(gè)很重要的性質(zhì),國(guó)外有學(xué)者依據(jù)此性質(zhì)設(shè)計(jì)出一種通過(guò)靜電吸附到煤巖表面的柔性材料,用于封堵儲(chǔ)層裂縫。

2 煤層氣儲(chǔ)層對(duì)鉆井液性能的要求

2.1 具有較強(qiáng)的封堵性能

在用清水或常規(guī)鉆井液鉆高度裂縫的煤層時(shí),鉆井液不可避免的侵入煤層,鉆井液進(jìn)入到裂縫系統(tǒng)后,井眼附近的地層壓力接近井底壓力,導(dǎo)致鉆井液對(duì)煤層的支撐力下降,致使煤巖脫落,造成井壁的坍塌,侵入儲(chǔ)層的鉆井液越多,侵入的距離越遠(yuǎn),則坍塌的可能行越大。此時(shí),人們往往為了穩(wěn)定井壁而加入重晶石或者碳酸鈣以增大泥漿密度,使井底壓力重新大于儲(chǔ)層壓力,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井壁的支撐,但這樣做往往會(huì)適得其反。因?yàn)榫讐毫Φ脑俅卧黾訒?huì)將裂縫撐開(kāi),從而有更多的鉆井液進(jìn)入儲(chǔ)層,當(dāng)井底壓力重新擴(kuò)散到與儲(chǔ)層壓力相等時(shí),井壁依舊坍塌。

鉆井液進(jìn)入裂縫,會(huì)在以下幾方面對(duì)儲(chǔ)層造成污染,造成儲(chǔ)層滲透率下降：①煤基質(zhì)吸收液體發(fā)生膨脹,擠壓裂縫,使得儲(chǔ)層滲透率大幅度下降,并且該過(guò)程幾乎是不可逆的;②鉆井液中的固相顆粒 (粘土顆粒、巖屑、粉煤灰等)堵塞裂縫造成儲(chǔ)層滲透率下降;③若鉆井液中含有聚合物,高分子聚合物吸附粘土顆粒也會(huì)引起裂縫的堵塞;④鉆井液與地層流體不匹配,生成沉淀堵塞裂縫。滲透率的下降將嚴(yán)重影響到煤層氣的產(chǎn)量。

經(jīng)過(guò)以上分析,發(fā)現(xiàn)不論是從井壁穩(wěn)定方面還是從保護(hù)儲(chǔ)層免受鉆井液傷害方面,都應(yīng)當(dāng)阻止鉆井液侵入到儲(chǔ)層,所以煤層氣井鉆井液要有較好的封堵性能。

2.2 合理的鉆井液密度

合理的鉆井液密度對(duì)于井壁的穩(wěn)定具有重要的意義,若鉆井液密度過(guò)低,則井壁失去必要的支撐而發(fā)生坍塌,造成井徑擴(kuò)大,形成“大肚子”和“糖葫蘆”井眼;若密度過(guò)高,超過(guò)煤巖破裂壓力時(shí)則會(huì)壓裂地層,產(chǎn)生井漏和儲(chǔ)層傷害,所以確定鉆井液密度窗口很有必要。

井壁坍塌的鉆井液密度為：

式中σh1——最大水平主應(yīng)力,MPa;

σh2——最小水平主應(yīng)力,MPa;

p0——儲(chǔ)層壓力,MPa;

C——煤巖內(nèi)聚力,MPa;

φ——摩擦角 ,°;

H——煤儲(chǔ)層深度,m;

η——應(yīng)力非線(xiàn)性修正系數(shù);

α——Biot系數(shù)

Ca——骨架壓縮系數(shù),MPa-1;

Cb——體積壓縮系數(shù),MPa-1。

地層破裂時(shí)的鉆井液密度為：

式中St——煤的抗拉強(qiáng)度,MPa,其余同 (1);保持井壁既不坍塌也不壓裂的鉆井液密度窗口為 (ρm,ρf)。

2.3 具有較好的抑制性能

煤巖常常與泥頁(yè)巖互層,煤層中往往還有泥土質(zhì)夾矸,粘土礦物的水化膨脹會(huì)加劇井壁不穩(wěn)定和對(duì)儲(chǔ)層的傷害,所以鉆井液應(yīng)當(dāng)具有好的抑制粘土膨脹的能力。

2.4 具有較低的表面張力

裂縫的內(nèi)經(jīng)很小,每一條裂縫都可以看做是一條毛細(xì)管,鉆井液的侵入會(huì)在裂縫中形成一個(gè)凹向水相的彎液面,從而形成毛細(xì)管壓力,這個(gè)附加壓力的存在使得氣體流動(dòng)阻力增加,甚至完全阻止氣體向井筒的流動(dòng),造成“水鎖”。表面活性劑能有效地降低鉆井液體系的表面張力,從而減小“水鎖”效應(yīng)對(duì)氣體流動(dòng)的影響。

2.5 具有合適的pH值

當(dāng)pH值過(guò)高時(shí),OH-與煤層面負(fù)電荷較高的氧原子可以形成強(qiáng)烈的氫鍵作用,促使水化作用,加劇坍塌的可能性,堿性濾液與地層水反應(yīng)生成沉淀,會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成污染;若鉆井液pH較低,不利于鉆井液中腐殖酸類(lèi)等有機(jī)處理劑的溶解,對(duì)鉆具也有腐蝕作用。因此,鉆井液的pH值應(yīng)當(dāng)控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi),推薦鉆井液pH值在7～8的范圍內(nèi)比較合適。

3 幾種可用于煤層氣井的鉆井液體系

國(guó)內(nèi)目前用于鉆進(jìn)煤層氣儲(chǔ)層的鉆井液有：優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土鉆井液、低固相聚合物鉆井液、空心玻璃漂珠鉆井液、清水鉆井液、無(wú)粘土鉆井液等,本文介紹其它幾種有效的煤層氣井鉆井液體系。

3.1 泡沫鉆井液體系

通過(guò)混合水、表面活性劑和空氣 (或氮?dú)?來(lái)制造泡沫,泡沫具有較寬的粒徑分布,可以用于封堵大范圍直徑分布的的裂縫。泡沫通過(guò)架橋來(lái)堵塞孔喉,減少鉆井液進(jìn)入儲(chǔ)層,從而減少井底壓力的傳播和鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

泡沫鉆井液體系也有其自身方面的不足,主要表現(xiàn)在：①需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備來(lái)產(chǎn)生泡沫,這些設(shè)備往往價(jià)格昂貴;②在井底壓力下,泡沫比較容易被破壞而失去封堵能力。

3.2 Aphron鉆井液體系

Aphron鉆井液是國(guó)外研制的一種新型的具有高剪切稀釋性的水基充氣泡沫鉆井液,已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

Aphron是由三層表面活性劑所包裹的氣核,在表面活性劑中間有一層粘度較高的稠化水層,最外層表面活性劑極性端朝外,使得Aphron與周?chē)黧w相溶,如圖1所示。

圖1 Aphron結(jié)構(gòu)示意圖

加入一種由表面活性劑和聚合物組成的混合物(Aphron穩(wěn)定劑)改進(jìn)得到的Aphron穩(wěn)定性增強(qiáng)。Aphron除了有普通泡沫的優(yōu)點(diǎn)以外,還具有以下特點(diǎn)：①相對(duì)于普通泡沫,Aphron承壓能力更強(qiáng),特別是改進(jìn)后的Aphron,在3.5MPa的壓力下,直徑為250μm的普通泡沫、Aphron以及改進(jìn)后的Aphron直徑都立即收縮到大約150μm,普通泡沫在2min內(nèi)消失,Aphron至少在10min后才消失,而改進(jìn)后的Aphron則能穩(wěn)定30min以上。②在井底壓力下,Aphrons被壓縮,體積很小,對(duì)鉆井液的密度影響較小,使鉆井液處于一個(gè)穩(wěn)定的靜水壓力和循環(huán)壓力下,有利于井壁穩(wěn)定和井控;當(dāng)Aphron進(jìn)入地層后,體積開(kāi)始膨脹,并在鉆井液前端聚集封堵地層,保持了井筒壓力和地層壓力的平衡,減小鉆井液向儲(chǔ)層的侵入。③Aphrons之間以及Aphrons與孔隙裂縫表面的作用力很小,在后期生產(chǎn)中,Aphrons容易從儲(chǔ)層中清除,儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)值大。④Aphron的生成不需要像空氣或者泡沫鉆井液那樣需要使用壓縮機(jī)和高壓水龍帶,使用常規(guī)鉆井液混合設(shè)備在添加處理劑的過(guò)程中混入空氣即可自發(fā)形成Aphrons。

3.3 超低滲透鉆井液體系

超低滲透鉆井液體系適用于封堵微裂縫性?xún)?chǔ)層,該鉆井液體系的核心處理劑是FLC2000,它是由部分水溶和部分油溶的各種聚合物組成的混合物,具有寬的HLB值。將FLC2000加入到水基鉆井液中時(shí),聚合物聚集形成“膠束”,在過(guò)平衡壓力下,“膠束”立即在煤巖孔喉處形成一個(gè)低滲透的封堵層,如圖2所示。超低滲透鉆井液體系具有以下特點(diǎn)：①膠束具有寬的粒徑分布,可以用于封堵具有較大范圍直徑分布的的裂縫。②以最快的速度形成低滲透的封堵層,阻止鉆井液的進(jìn)一步侵入儲(chǔ)層。③FLC2000具有寬的HLB值,可用于水基、油基和合成基鉆井液。④封堵層只是存在于井壁巖石表面,沒(méi)有深入到儲(chǔ)層深部,一旦過(guò)平衡壓力消失,封堵層就會(huì)消弱,生產(chǎn)過(guò)程中在儲(chǔ)層反向壓力作用下,封堵膜就會(huì)自動(dòng)清除,不會(huì)永久性堵塞儲(chǔ)層。⑤封堵膜具有強(qiáng)的承壓能力,可以使地層破裂壓力梯度增加,提高井壁的穩(wěn)定性。

圖2 超低滲透鉆井液封堵儲(chǔ)層示意圖

2005年,北美一口煤層氣井采用該超低滲透鉆井液體系,完成150m水平井段,順利鉆至設(shè)計(jì)井深,沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的泥漿漏失和井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.4 一種新型的煤層氣井鉆井液

由于煤層滲透率較低,僅僅靠井底壓差在儲(chǔ)層上面很難形成泥餅,這種新型鉆井液的創(chuàng)新之處在于利用煤巖表面強(qiáng)的負(fù)電荷,柔性材料通過(guò)靜電吸附到煤層氣儲(chǔ)層上,在裂縫上架橋形成低滲透的“表面橋”來(lái)堵塞裂縫,如圖3所示。

圖3 新型鉆井液封堵機(jī)理

由這些“表面橋”組成的低滲透封堵層,保持了井壁上的壓差,減少了井底壓力的擴(kuò)散和鉆井液的侵入,從而有利于井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)。鉆井完成后,通過(guò)破膠劑可把“表面橋”清除,儲(chǔ)層的滲透性得到恢復(fù)。

該鉆井液體系已在鉆進(jìn)加拿大西部沉積盆地煤層氣水平井中得到使用,取得了好的效果,沒(méi)有出現(xiàn)井壁失穩(wěn)和對(duì)儲(chǔ)層的嚴(yán)重傷害。

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