煤层气储层损害机理与保护对策研究

煤层气低密度钻井液技术研究~

左景栾1 孙晗森1 吕开河2
基金项目:国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》项目60“山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程”(项目编号:2009ZX05060)资助。
作者简介:左景栾,女,工程师,现在中联煤层气有限责任公司。通讯地址:北京市东城区安定门外大街甲88号;邮编:10001。Email:zuojingluan@hotmail.com。
(1.中联煤层气有限责任公司 北京 100011;2.中国石油大学石油工程学院,山东东营 257061)
摘要:针对煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题,研发出了中空玻璃微球低密度钻井液体系。该钻井液具有良好的流变性和滤失性,泥饼薄而致密。同时具有很好的抗温性、抗污染性能、防塌性能、沉降稳定性和保护储层作用。在沁南示范区成功进行了1口井的现场试验,有效防止了液体对煤储层的污染。
关键词:煤储层 污染 低密度钻井液 流变性 滤失性 现场试验StudyofLightWeightDrillingFluidforCoalbedMethane
Study of Light Weight Drilling Fluid for Coalbed Methane
ZUO Jingluan1, SUN Hansen1, LV Kaihe2
(1.China United Coalbed Methane Co., Ltd, Beijing 10001 1; 2.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Dongying 257061, Shandong, China)
Abstract: In view of the collapsibility of borehole face and coal formation pollution resulted from drilling flu- id, this paper researched the light weight drilling fluid, whose density was reduced by adding hollow glass micro- spheres.The study shows that the light weight drilling fluid has good rheological property and filtration property, and its mud cake is thin and tight . Moreover, this drilling fluid has a lot of good properties, such as temperature tolerance, antipollution, anti-sloughing, sedimentation stability and formation protection.This light weight drill- ing fluid has been applied in one well for field trial successfully at QinNan demonstration plot.Good performance on protecting coal formation from pollution has been observed.
Keywords: coal formation; pollution; light weight drilling fluid; rheological property; filtration property; field trial
我国煤储层一般具有孔隙压力低、渗透性差、裂隙发育等特点,钻井液侵入易导致煤层污染,影响煤层气的产量。在钻探施工中应根据不同的要求和地层, 以节约成本、保证井内安全、保护目的煤层原生结构不受伤害为原则,选用合适的钻井循环介质。
本文针对沁南示范区煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题,研发出了有利于保护井壁稳定、减少储层污染的低密度钻井液体系,并成功进行了现场应用试验。
1 煤储层损害原因与机理研究
对从沁南示范区采回的煤样分别进行了物性参数测试、X-射线衍射分析、扫描电镜分析等测试分析,结果表明,煤储层具有低孔、低渗、裂缝发育的特征。同时,煤储层还具有低压力和低含水饱和度的特点。这些特点决定了在钻井完井过程中如果不采取有效措施,储层将受到很大伤害,造成渗透率下降,产量降低。钻井过程中储层损害原因主要有以下方面。
1.1 应力敏感性损害
应力对煤岩渗透率的影响见表1所示。从表1可知,当有效应力升高时,煤岩渗透率急剧下降,表明具有很强的应力敏感性。
表1 煤岩应力敏感性实验结果


1.2 速敏性损害
使用1%标准盐水进行了流动实验,实验结果见表2。由表2可以看出,标准盐水在煤样中的流速增加,渗透率不但不下降,反而有所上升,说明不存在速敏。在流速较大时,实验中观察到有细小煤屑颗粒流出,由于颗粒极小,不足以堵塞渗流通道,反而使煤岩渗透性增加。
表2 速敏性实验结果


1.3 水锁损害
煤层中微孔隙可以看做是无数曲折弯曲的毛细管,而煤层一般是弱亲水的,当外来液体接触煤层时,会产生强烈的吸水作用。液体的侵入对储层渗透率的伤害十分明显。试验表明,当液体饱和度达到10%时,气体渗透率伤害达50%,而当液体饱和度为30%时,气测渗透率几乎降为0。
1.4 固相侵入
煤岩中存在微裂缝,作业过程中固相和液相容易侵入。如果不对此采取有效措施,则固相和液相将大量侵入储层,并且随着后续作业的进行,其侵入量和侵入深度不断增加,造成储层渗透率大幅度降低,严重污染储层。
由于煤储层压力低,裂缝及层理发育,钻井液侵入储层是主要的损害机理,因此应尽量采用低密度钻井液体系,防止钻井液大量侵入储层。
2 保护煤储层的低密度钻井液研究
2.1 密度降低剂的选择
由煤储层损害原因与机理分析可知,压差是影响煤储层损害的重要因素,压差越大煤储层损害越严重。
中空玻璃微球是一种单胞碱石灰硅酸硼类材料,外观为白色粉末,呈化学惰性,抗高温高压,形成的钻井液真实密度低,可降至0.6~1.0g/cm3,工艺简单,风险小,储层保护效果好,完全能满足低压煤层气井及部分欠平衡井的钻、完井施工。该技术的研究应用,将丰富低压煤储层钻井液种类,改变目前煤储层损害较为严重的局面。
2.2 中空玻璃微球性能评价
(1)中空玻璃微球密度
室内对中空玻璃微球样品进行多次测定,得到其真实密度为0.37~0.45g/cm3。
(2)中空玻璃微球粒径大小和分布范围
采用激光粒度仪对中空玻璃微球进行粒度分析,测得90%的中空玻璃微球粒度小于123μm。
(3)中空玻璃微球机械破裂强度与抗压强度
机械破裂强度是指单位体积的中空玻璃微球在机械压力装置下直接受压发生破裂的最高压力,而抗压强度是指在不同恒定温度下,一定浓度的中空玻璃微球在水中承受外压力不发生破裂沉淀的最高压力。对于钻井液来讲,后者的性能反映材料的稳定性,更为重要。中空玻璃微球强度实验结果见表3。
表3 中空玻璃微球强度


由表3可见,中空玻璃微球抗压性能好,在30MPa压力下不破裂。
(4)中空玻璃微球含量与密度关系
分别在自来水中加入不同数量的中空玻璃微球,并测定加入后的液体密度。随着中空玻璃微球含量增大,液体密度降低,40%含量时,密度可降低到0.75g/cm3。
2.3 中空玻璃微球对钻井液性能的影响评价
(1)膨润土浆配制
400ml水+12g膨润土+0.06g纯碱,搅拌20min,老化24h备用。
(2)中空玻璃微球对钻井液性能的影响
图1表明,钻井液滤失量随中空玻璃微球的加入而降低,10%含量之前,滤失量降低最快,10%~30%时,降低速度减慢。

图1 钻井液API失水量与中空玻璃微球含量关系

由图2可以看出,随着中空玻璃微球含量的增大,钻井液的塑性粘度增加,但加量低于30%时,塑性粘度增加幅度不大,加量大于30%时,塑性粘度增加明显。
由图3可以看出,随着中空玻璃微球含量的增大,钻井液动切力增加,加量为40%时,动切力由3Pa增加到近5.1Pa。
经中空玻璃微球水基钻井液污染后的岩心,其最终渗透率恢复率可达95%,而经未加有中空玻璃微球的钻井液污染后的岩心,其最终渗透率恢复率不足60%。因此,中空玻璃微球钻井液有利于保护储层,同时形成的泥饼易于清除。
2.4 中空玻璃微球低密度钻井液研究
(1)单剂筛选
在基浆中加入一定数量的增粘剂,高搅20min后测其室温性能。然后分别在120℃和150℃下老化16h,冷却至室温后再测其性能。所评价的各种增粘剂中DSP-2抗温性能较好,在增粘切的同时还具有较好的降滤失作用,故选DSP-2为钻井液体系中的增粘剂;LY-1无论在常温还是高温老化后都具有很好的降滤失效果,说明其具有较好的抗温性能,可作为钻井液体系的降滤失剂使用;胺基聚醇AP-1、硅酸钠、硅酸钾及高浓度的甲酸钠均具有很好的抑制性,胺基聚醇AP-1与某些盐配合使用抑制效果更好;封堵防塌剂FF-2具有良好的封堵防塌作用;几种表面活性剂能较好的降低界面张力,其中SP-80效果最好,且SP-80表面活性剂的表面张力随温度变化而变化的幅度不大,说明其具有较好的抗温能力。
(2)钻井液配方研究
(1)优选钻井液配方及性能
在增粘剂、降滤失剂、抑制剂和表面活性剂确定以后,利用各种处理剂的特性对各种处理剂的用量进行优选优配,以得到既满足钻井工程要求,又利于保护储层的钻井液配方。经过大量实验,优选的钻井液配方及性能见表4。

图2 钻井液塑性粘度与中空玻璃微球含量关系


图3 钻井液动切力与中空玻璃微球含量关系

表4 优选钻井液配方及性能


由表4可以看出,优选钻井液具有良好的流变性能和滤失性能,泥饼薄而致密,API滤失量小于5ml,高温高压滤失量小于15ml。120℃老化16h后钻井液性能稳定,说明具有很好的抗温性。
在优选配方中分别加入不同数量的劣质土粉,优选钻井液污染前后性能稳定,说明其具有良好的抗污染性能。
优选配方回收率远大于清水回收率,线膨胀量远小于清水线膨胀量,说明优选配方能有效抑制泥页岩水化膨胀分散,具有很好的防塌性能。
(2)封堵性能评价
由表5可以看出,优选配方对不同渗透性砂层均具有较好的封堵效果。
表5 砂层封堵实验数据


(3)沉降稳定性评价
实验结果表明,优选配方高温的沉降稳定性很好,静置48h后,钻井液的上下密度差仅为0.02g/cm3。
(4)钻井液保护储层性能评价
从表6可以看出,岩心的渗透率恢复率较高,说明优选钻井液具有很好的保护储层作用。
表6 渗透率恢复实验


3 钻井液现场试验研究
在室内理论和实验研究的基础上,在沁南示范区进行了1口井的现场试验研究。
3.1 试验井基本情况
试验井完钻井深690.00m,完钻层位:石炭系太原组,目的煤层为二叠系下统山西组3#煤层(639.00~645.00m)。
3.2 现场试验
现场试验配制钻井液密度为0.95g/cm3,粘度为55Pa·s,pH值8。从井深为590m开始,一直使用该钻井液到该井完钻为止,施工顺利。
现场试验结果表明,中空玻璃微球在钻井液中起到了降低密度的作用,钻井液密度0.95g/cm3,该钻井液的失水较小;粒度较小的玻璃微球还具有很好的封堵作用,对煤层的吼道进行暂堵形成一层保护膜,有效防止了液体对煤层的污染。
参考文献
冯少华,侯洪河.2008.煤层气钻井过程中的储层伤害与保护[J].中国煤层气,5(3):16~19,92
韩宝山.2002.欠平衡钻井技术与煤层气开发[J].煤田地质与勘探,30(4):61~62
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刘保双,杨凤海,汪兴华等.2007.煤层气钻井液工艺现状[J].国外油田工程,(8):27~33
杨陆武,孙茂远.2002.中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求[J].天然气工业,22(6):17~19
周一帆,王德利,刘力.2010.煤层气钻井对储层的伤害机理分析[J].煤,19(7):87~88,92

叶建平
作者简介:叶建平,男,1962年生,教授级高工,中联煤层气有限责任公司总经理助理,中国煤炭学会煤层气专业委员会秘书长,主要从事煤层气勘探开发科研工作。地址:北京市东城区安外大街甲88号(100011),电话:(010)64265710,E-mail:yejp01@163.com
(中联煤层气有限责任公司 中国煤炭学会煤层气专业委员会 北京 100011)
摘要:分析了煤层气勘探、开发、利用现状,梳理了煤层气勘探开发技术进展,对我国煤层气产业发展进行了基本评估。认为当前我国煤层气勘探快速推进,探明储量显著增长;煤层气产能规模扩大,产销量同步上升;煤层气产业初步形成,煤层气成为天然气的最现实的补充能源;煤层气技术有力支撑产业发展,技术瓶颈依然存在。
关键词:煤层气 勘探开发技术 产业发展
China's Coalbed Methane Industry Development Report
YE Jianping
(China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011, China)
(Coalbed Methane Specialized Committee, China Coal Society)
Abstract: This report analyses the current situation of CBM exploration, development and utilization,combs the technical progress of CBM exploration and development,meanwhile,it makes basic assessment of China's CBM industry development. China's CBM exploration has been making rapid progress at present. The proved reserves has increased notably. The CBM production capacity scale has enlarged. Both production and sales have risen. CBM industry has formed preliminarily. CBM has becomeg the most realistic supplement energy of natural gas. CBM technology gives strong support to CBM industry; however,technical bottlenecks still exist.
Keywords: Coalbed Methane; technology of exploration and development; industry development
我国煤层气开发已经步入产业化初期阶段。煤层气地面开发产量2005年达到1.7亿m3,2009年达到10.1亿m3,预计2015年将达到100亿m3,因此煤层气产业步入快速发展轨道,成为现实的天然气的补充资源。本文简要报告近年来我国煤层气勘探、开发、利用发展情况和技术进展状况。
1 煤层气勘探快速推进,探明储量显著增长
近两年,我国煤层气勘探进度明显加快,探明储量显著增长。据不完全统计,到2011年6月底,全国煤层气钻井总数5942口。到2010年底为止,我国已累计探明煤层气储量2902.75亿m3,新增探明储量近1121.55亿m3,占总量的39%。“十一五”探明了千亿立方米大气田。我国煤层气探明储量区分布较集中,共11个区块,主要分布在沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东南部,如沁水盆地南部潘庄、成庄、樊庄、郑庄、枣园、长子等区块,鄂尔多斯盆地东缘三交、柳林、乡宁-吉县、韩城等区块。如表1,沁水盆地探明储量2007.69亿m3,占69.17%;鄂尔多斯盆地煤层气探明储量817.76亿m3,占28.17%。其他地区占2.66%。探明储量成为这些地区煤层气产业发展强大的基础。但是,相对全国36.81万亿m3的资源量而言,我国煤层气资源探明率很低,仅8‰。广大地区煤层气勘探潜力尚不明朗。
表1 全国煤层气探明储量分布情况


沁水盆地作为我国特大型煤层气田,勘探潜力巨大。山西组3号煤层和太原组15号煤层厚度大,分布稳定,含气量高,渗透性在全国相对最好,煤层气可采性良好。除了已探明的南部区块以外,柿庄南和柿庄北、马璧、沁南、沁源、寿阳、和顺、上黄崖等区块均属于煤层气富集区和极有利目标区。寿阳区块不同于晋城地区,它以太原组15号煤层作为目的层,经过多年勘探,已获得经济单井产量的突破,韩庄井田多口煤层气井产量达到1000m3/d以上,近期将可以提交探明储量。阳泉钻井461口,日产量15万m3,获得商业化生产的产能。
鄂尔多斯盆地东缘具有较好的含煤性、含气性和可采性,渭北区块的韩城—合阳井区、临汾区块的午城—窑渠井区、吕梁区块的柳林—三交井区、吕梁区块的保德—神府井区是4大煤层气富集区,也是鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发有利区。鄂尔多斯盆地东缘资源探明率和资源转化率、勘探程度均较低,煤层气勘探开发前景广阔,具有商业化产气能力和形成大型煤层气田的条件,必将成为全国煤层气规模化、产业化、商业化运作的“甜点”区。
除了上述地区以外,在黑龙江依兰、云南老厂、贵州织金、四川綦江、安徽淮北、新疆准噶尔盆地南部、陕西彬县等地区相继取得勘探突破。
黑龙江伊兰区块煤层埋深700m左右,厚16m,含气量8~10m3/t,长焰煤,盖层油页岩厚80m。黑龙江煤田地质局2011年在伊兰区块钻井4口,YD-03、YD-04两口煤层气生产试验井,经排采,两口井日产气量均在1500m3/t左右,达到了工业气流的标准,标志着黑龙江低阶煤煤层气开发的有效突破。
彬长煤业集团在鄂尔多斯盆地中生界彬长区块钻1口水平井,日产气5600m3。
内蒙古霍林河地区中石油煤层气经理部在华北二连盆地霍林河地区施工霍试1井,日产气约1300m3;进行了勘查研究,取得一定的进展。
依兰、彬长和霍林河区块的勘探成功,标志着低阶煤煤层气勘探取得了初步的成功,意义深远。
四川川南煤田古叙矿区大村矿段煤层气地面抽采试验取得了历史性突破。DCMT-3煤层气试验井平均产量1160m3/d,一年多累计产气超过50万m3。之前的DC-1井、DC-2井产气量均达到了500~1000m3/d。初步认为大村矿段煤层气具有较好的商业开发前景。该区煤层气井的排采试验成功,意义重大,将为川南煤田低渗透、薄煤层、大倾角、高应力等特点地区的煤层气勘探开发提供技术和经验。
云南老厂施工5口井先导性试验井组,压裂后,发生自流现象,经过初期排采,产量逐步上升,显示良好勘探潜力。
安徽淮北矿业集团2008年以来在芦岭淮北Ⅲ1、Ⅲ2采区共施工12口“一井三用”井的压裂阶段试验,各井大部达到800m3左右,也有个别高产井,如LG-6井最高日产量曾到3000m3以上,稳产1200m3左右。中联公司对外合作项目和煤炭科工集团西安研究院分别在淮北宿南向斜的先导性试验相继取得商业产量,预示着具有良好的勘探潜力。
全国其他地区的煤层气勘探工作也如火如荼地展开。如贵州织金—纳雍、陕西延川南、山西和顺、山西沁源新疆准噶尔盆地南部等地区,初步勘探实践表明具有良好的煤层气勘探潜力。
上述可知,在沁水盆地南部高阶煤煤层气开发成功后,中阶煤和低阶煤煤层气勘探也正在逐步取得成功。
在煤层气勘探同时,广大研究人员开展了大量的煤层气富集规律和地质控制因素研究,进行了煤储层孔隙性、渗透性、吸附解吸扩散、力学特性、变形特性等广泛研究,进行不同煤级煤的煤层气成藏特征和选区评价研究。这些地质和储层特征的基础研究有力支撑了煤层气基础理论的形成和发展。
2 煤层气产能规模扩大,产销量同步上升
“十一五”期间,煤层气进入产业化发展阶段,煤层气产能规模扩大,产销量同步上升。以中联公司沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程、中石油华北煤层气分公司沁南煤层气田煤层气开发项目和晋城煤业集团煤矿区煤层气开采项目等商业化开发项目竣工投产为标志,我国煤层气开发快速步入产业化初期阶段,煤层气开发处于快速发展阶段。我国现有生产井3200口,到2010年全国地面煤层气产能达到25亿m3,产量15.7亿m3,利用量11.8亿m3,利用率78%。井下煤层气抽采量69.6亿m3,利用量21.9亿m3,利用率相对较低,31.5%。2011年地面开发产量将达18~22亿m3,见表2。地面煤层气产量在近五年呈数量级增长,2005年1亿m3,2009年达到10.1亿m3,预计2015年将达到100亿m3。煤层气产量主要来自沁水盆地南部,占96%,少量产自韩城、阜新和柳林、三交地区。
目前进入商业性开发地区包括山西沁水盆地南部、陕西韩城、辽宁阜新。具备进入商业性开发地区包括山西三交、柳林、大宁—吉县、阳泉、寿阳。
表2 全国主要煤层气田煤层气生产情况(不完全统计)


说明:投产井数包括已产气井和未产气井。
3 煤层气技术有力支撑产业发展,技术瓶颈依然存在
技术进步是煤层气发展的源动力,这已被国内外的勘探开发实践所证实。“十一五”期间在煤层气增产改造技术的试验和研究取得了有效突破,针对不同储层参数研制了适宜的压裂液、压裂工艺等。钻完井技术、地面集输技术、煤矿区煤层气抽采技术等方面均有创新性成果。当前最显著的技术进展就是煤层气水平井钻完井技术、煤层气水平井分段压裂技术发展。
3.1 煤层气水平井钻完井技术
煤层气水平井地质和工程影响因素认识显著提高。煤层气水平井、多分支水平井的地质条件局限性强,要求构造相对简单,断层少、地层平缓起伏小;煤层发育稳定、煤层硬度大结构完好;煤层钻遇率高,避免钻探沟通含水层;水平井眼轨迹按上倾方向布置,有利排水降压产气;水平井眼长度尽量长,分支水平井间距适中,与煤层渗透性相匹配。
煤层气水平井井型设计多样。根据地形地貌、地质条件和储层渗透性,设计“U”型井、“V”型井、川字型井、丛式井(两层煤层的双台阶水平井)等,在柿庄南、柳林获得成功。
多分支水平井的工艺技术、关键工具实现国产化。多分支水平井钻井实现一个井筒钻多翼分支井,提高了钻进效率和有效排泄面积。在“863”项目支持下,地质导向装置实现国产化,并取得良好应用效果。
借鉴页岩气完井技术,开始进行了煤层气水平井分段压裂技术的试验,并在三交区块获得成功。目前在柿庄南区块继续进行该项技术的试验应用。
煤层气多分支水平井修井一直是一项难题,现在开始探索性试验,包括分支井段井眼坍塌的诊断、二次钻井导向和储层伤害控制等。
研究结果表明:水平井煤层段采用PEC筛管完井能有效保护井壁稳定性,减少井眼坍塌,即便排采过程中井眼发生局部垮塌,筛管仍能为煤层气、水提供良好的流动通道;充气欠平衡钻井技术可有效减少煤储层的污染和损害,保护煤储层;沿煤层顶/底板钻水平井可有效避免粉煤、构造煤等井壁稳定性问题,定向射孔分段压裂可有效沟通煤储层,释放储层应力,实现煤层气的开采。通过对井眼轨迹和钻井工艺参数进行优化设计,可增大煤层气降压解吸范围,加快煤层气解吸,并减少煤储层伤害。
3.2 新型压裂液研究方兴未艾,成果丰硕
研究压裂液对储层伤害机理,根据煤中化学元素组成,研制含有粘土防膨剂的压裂液及活性水,降低对煤层气解吸附伤害。
研究认为嵌入伤害和煤粉堵塞裂缝是影响煤储层长期导流能力的主要影响因素,施工中可采取增加铺砂浓度、加大支撑剂粒径、加入分散剂悬浮煤粉等方法。
通过重大专项攻关研制了新型低伤害高效清洁压裂液,特点是分子量小,300~400;粘度较高,15.0mPa·s;残渣较少;煤层伤害率低,11.5%;摩阻低,约为清水的30%。研制了新型煤粉分散活性水压裂液,煤层伤害率低,11.8%,使煤粉在压裂液中均匀分布,避免施工压力过高,在返排时,煤粉随着液排出,避免堵塞裂缝通道。研制了高效适宜的氮气泡沫压裂液。
3.3 低密度固井液减少了固井水泥对储层的伤害
通过重大专项攻关,针对煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题,研发出了中空玻璃微球低密度钻井液体系。该钻井液具有良好的流变性和滤失性,泥饼薄而致密。同时具有很好的抗温性、抗污染性能、防塌性能、沉降稳定性和保护储层作用。研制了超低密度水泥浆体系:确定了超低密度水泥浆体系配方。该配方在40℃,24h时抗压强度达到8.04MPa(超过预期7MPa指标)。在沁南柿庄南区块成功进行了现场试验,有效防止了液体对煤储层的污染。
研制了一种应用于煤矿井下瓦斯抽采孔的可降解钻井液,生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率。
开展了煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定的研究。
3.4 地面集输工程技术有效增大集输半径,实现低成本建设
沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程,研究设计了“分片集输一级增压”煤层气田地面集输技术,亦称“枝上枝阀组布站”工艺技术,使煤层气集输半径增大到13km以上。新技术的应用取消了传统技术中需要建设的无数个有人值守的站,最重要的是极大地改善了流体流动环境,简化了工艺流程,节省了投资成本。采用汽油煤层气两用燃气发动机新装置,代替抽油机动力系统,采气管线采用聚乙烯管(PE管)新材料,节省了工程建设投资。
沁水盆地煤层气田樊庄区块采用单井进站方式、增压工艺及压力系统优化等地面集输工艺的优化技术。煤层气水合物防治技术、低压输送不注醇集气工艺、多井单管串接技术、低压采气管网管径的确定、新型材料聚乙烯管(PE管)和柔性复合管的应用等采气管网优化技术。提出煤层气田“标准化设计、模块化建设”,煤层气田集气站建设核心是“四统一、一和谐”,即:统一工艺流程、统一设备选型、统一建设标准、统一单体安装尺寸,保持平面布置与当地环境的和谐发展,实现集气站功能统一,操作统一。
数字化气田建设,实现了基于无线、光缆、电缆等多种通讯方式在SCADA系统中的融合,成功地降低了煤层气田信息化建设和维护过程中自控系统的投资,适合了煤层气井地处偏远、井多、井密、低压、低产等特点。
3.5 煤层气排采生产技术
实践表明,合理的排采制度和精细的排采控制是煤层气井排采技术的核心,定压排采制度适用于排采初期的排水降压阶段,定产排采制度适宜于稳产阶段,分级平稳连续降压是精细的排采控制的核心。
通过对柳林煤层气井的井下管柱及地面流程设计,引入无级数控抽油机、永久监测压力,较好地完成了排采的施工及资料录取的要求,为该区的大规模开发奠定了基础。
研究煤层气动液面高度的合理区间及降低速率对开采过程中有效保持井周应力的合理分布,维持或提高储层渗透率,具有十分重要的意义。
煤层气井不同阶段的产能方程和煤层气藏井底流压修正后的计算公式,确定煤层气井的生产压差,为煤层气井合理生产压差的确定和正常排采提供了技术支撑。
3.6 煤层气利用技术
煤矿开采过程中排放出大量低浓度煤层气,提纯利用这部分煤层气对我国能源开发利用和环境保护意义重大,其难点是如何经济高效地分离CH4和N2。
采用低温精馏法分离提纯,分离低浓度含氧煤层气中氧气、氮气,在阳泉石港矿建成年产2万吨液化(LNG)瓦斯的工厂,在阳泉新景矿神堂嘴建设年产2000万m3低浓度提纯压缩(CNG)瓦斯工厂,为阳泉市公交车、出租车提供城市低成本压缩瓦斯,以气代油。
采用变压吸附法实现低浓度瓦斯的分离和净化。该技术2011年3月已在阳泉进行试生产,2011年底5000万m3CNG工业化生产线将投产。
在国家科技重大专项支持下,中科院理化所和中联煤层气公司合作成功研制了10000m3撬装液化装置,该项成果适合煤层气单井产量低特点,将直接在煤层气井场实现煤层气液化利用。
3.7 技术仍然是煤层气勘探开发的瓶颈
煤层气高渗富集区预测缺乏成熟理论指导,或者说我国煤层气勘探开发理论还不成熟。
除了沁南以外,我国大部分勘探区煤层气单井产量低,同一地区单井产量差异大,除了地质和储层条件外,钻完井技术和增产改造技术有待试验形成。如何针对复杂多裂缝煤层特征,增大铺砂面积,有效提高储层导流能力,提高单井产量,是面临的增产改造的关键问题。
水平井、多分支水平井如何控制保持井壁稳定、防止井眼坍塌,高地应力、松软储层条件的钻井完井技术,有待进一步探索试验。
深煤层高地应力、低渗条件下储层物性变化,以及由此带来的钻井、完井、增产改造技术和工艺参数的一系列变化,是亟待研究的方向。
4 煤层气产业初步形成,煤层气成为天然气的最现实的补充能源
煤层气主要通过管道输送到用户,约占85%~90%,少部分采用液化天然气和压缩天然气形式输送。目前建成煤层气管道包括端氏—博爱管道、端氏—沁水八甲口管道、晋城煤业集团西区瓦斯东输管道等,年输送能力50万m3。正在建设的韩城—渭南—西安管道、昔阳—太原管道,输送能力30万m3。
煤层气用户主要为西气东输管道用户,其次向山西省内及沁水煤层气田周边省份河南、河北等省供气,以及韩城、阜新等煤层气所在地城市供气。广泛用于城市燃气、工业锅炉燃气、汽车加气等天然气市场。2010年底,我国井下、地面煤层气产量达到85.3亿m3,约占天然气产量946亿m3的9%。煤层气已成为当地天然气的最现实的补充能源。
5 煤层气产业发展展望
根据我国“十二五”煤层气(煤矿瓦斯)开发利用规划,“十二五”末,我国煤层气产量将达200亿~240亿m3,其中,地面开采煤层气100亿~110亿m3,井下瓦斯抽采量110亿~130亿m3。煤层气探明地质储量将进入快速增长期,到2015年,新增探明地质储量10000亿m3。因此煤层气将在“十二五”进入快速发展轨道。一是通过“十一五”发展,积累了较好的技术基础和储量基础;二是中石油、中石化、中海油等大公司的积极投入,勘探和开发资金有了根本保证;三是国家科技重大专项的持续支持,为煤层气勘探开发利用科学技术攻关奠定了坚实基础,为产业目标实现提供了有力的技术支撑。
感谢赵庆波教授提供相关统计资料。
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黄维安¹ 邱正松¹ 王彦祺² 马永乐¹ 钟汉毅¹ 白雪飞¹

（1.中国石油大学 石油工程学院，山东青岛 266555； 2.华东石油局工程技术设计研究院，江苏南京 210031）

基金项目：国家自然科学基金“页岩气储层保护机理及方法研究”（编号41072094）；中国石油大学自主创新“煤层气储层保护技 术及评价新方法研究”（编号10CX04010A ）

作者简介：黄维安，男，副教授，从事油气井化学工程领域研究。E-mail：masterhuang1997＠163.com。

摘 要：做好煤层气储层保护工作，对于有效开发、利用煤层气，弥补我国石油、天然气供应的不足，降低温室气体排放，减少环境污染以及预防矿难事故频发，具有重要意义。本文首先采用X射线衍射、扫描 电镜、泥页岩膨胀实验、页岩分散实验、薄片分析、压汞分析、润湿性测试和敏感性评价等手段分析了山西 沁水盆地煤层气储层的损害机理。在此基础上进行了针对性的保护对策研究，优选出了表面润湿性改善剂 SD -905，水敏性抑制剂SMYZ-2，并最终研制出了山西沁水盆地煤层气储层的钻开液：0.4％ SD-905＋ 0.5％SMYZ-2溶液，其对煤层气储层岩样湿态下的渗透率损害最低。

关键词：煤层气；损害机理；储层保护；表面润湿性；钻开液

Study on Damage Mechanism and Protection Counter-measure for Coalbed Methane

Huang Weian¹，Qiu Zhengsong¹，Wang Yanqi²，Ma Yongle¹，Zhong Hanyi¹，Bai Xuefei¹

（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China； 2.Research institute of engineering techniques and design，Petroleum Bureau of East China，Nanjing 210031，China）

Abstract：A good protection of coalbed methane reservoir can facilitate its exploitation and usage of，cover the shortage of oil and natural gas supply for China，help cut greenhouse gas emissions，phase down environmental pollution and prevent mine accidents from happening.Firstly，damage mechanisms of coalbed methane reservoir in Qinshui basin of Shanxi province were comprehensively analyzed by X-ray diffraction（XRD），Scanning Electron Microscope（SEM），liner swelling test and hot rolling dispersion experiments，thin-section analysis，mercury penetration analysis，wettability measurement and evaluation of sensitivity.Based on this work，pertinent protection counter-measure study were conducted，the surface wettability modifier SD-905 and water sensitivity inhibitor SMYZ-2 were selected out，and then drilling fluid for coalbed methane reservoir in Qinshui basin of Shanxi province composed of 0.4％ SD-905 ＋0.5％ SMYZ-2 was developed，which has minimal damage to permeability of ingredient under hygrometric state.

Key words：coalbed methane；reservoir protection；surface wettability；drilling fluid for reservoir

引言

煤层气（Coalbed Methane，CBM）是储集在煤层孔隙中的天然气。我国煤层气资源丰富、位居世界 第三，预计为31.46×10¹²m³，相当于450亿吨标煤、350亿吨标油，与陆上常规天然气资源量相 当^［1，2］。煤层气藏自生自储于煤层中，不同于常规天然气需要经过大规模运移才形成储集层，与常规砂 岩、碳酸盐岩储层有很大差别，它具有高吸附性、低渗透性，且易受压缩、破碎等^［3～5］。这些特性决 定了在煤层气钻井过程中，煤层受到的伤害远大于常规储层，而煤层气储层伤害直接影响到煤层气的解 吸、扩散、运移及后期排采^［6～8］。因此，煤层气储层伤害问题值得重点关注。本文针对山西沁水盆地 煤层气钻探中存在的储层保护和井壁稳定技术难题，开展煤层气储层损害机理及保护对策研究。

1 煤层气储层岩石组成及结构构造

山西组（P₁s）地层厚度为34.00～63.80m，平均厚度48.90m左右，与下伏太原组整合接触。下部 以灰、灰黑、深灰、灰黑和黑色泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、砂质泥岩为主。底部为K7砂岩，其为厚层 状中、细粒砂岩，厚度为0～6.07m，平均厚度1.48m。主要发育有2、3号煤层。其中2号煤层为全区 稳定可采煤层，煤层气井深936.2～941.1m，视厚4.9m。定量计算该层灰分含量较低，为5.59％，固 定碳含量较高，为86.22％，含气量为7.83m³/t，孔渗性较差，综合分析该层为本井厚度最大、物性最 好、含气量最高的煤层。此外其泥质含量相对较高，为炭质泥岩夹矸。3号煤层为较稳定局部可采煤 层，上部为中细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩与泥岩互层，含不稳定的1号煤层。

2 煤层气储层损害机理研究

2.1 煤岩组成分析

选取塔河油田复杂层位岩样，利用D/max-ⅢA X-射线衍射仪分析进行矿物组成分析。

表1 煤岩X-射线衍射全岩矿物组成分析

5号和6号样品分别含有3％和2％的Tobelite（NH₄Al₃Si₃O₁₀OH），其含量没有计算在表内。

从表1看出，山西沁水盆地煤岩中主要成分为炭，其它依次为石英、方解石、粘土矿物和黄铁矿，但各岩样含量差异较大。

从表2看出，山西沁水盆地煤岩中的粘土矿物主要为高岭石和绿泥石，H3井708.73～708.91m含 有不同程度伊/蒙混层，混层中间层比不高，为20％。

表2 煤岩X-射线衍射粘土矿物相对含量

图1 煤岩水化分散性能测试结果

图2 煤岩水化膨胀性能测试结果

2.2 煤岩理化性能分析 从图1看出，山西沁水盆地煤岩的水化分散回收率均很高，达93％以上，相对而言，H3井 708.73～708.91m煤岩的回收率较低。

从图2看出，山西沁水盆地煤岩膨胀率均很小，属弱/难水化膨胀性岩样，相对而言，H3井 708.73～708.91m岩样膨胀率较高。

2.3 煤岩微观结构及孔渗性质分析

（1）微观结构分析。从图3看出，H2井504.55m岩样微裂缝发育，趋向性较好，夹杂有石英和粘 土矿物。

（2）孔渗结构分析。从图4和5看出，H2井502.89m与504.55m煤岩均存在割理，502.89m煤岩 还存在“蚀孔”，504.55m煤岩的割理连通性较好。

测得（图6，图7）H2井502.89m煤岩的孔隙度为5.394％，最大孔喉半径10.4385μm，孔喉半径 平均值2.3174μm，最大汞饱和度为29.25％，退汞效率为61.778％。测试结果表明，H2井502.89m煤 岩为典型的低孔隙度、裂缝性储层，对渗透率具有贡献的孔径分布在10.43～2.5μm之间。

2.4 煤岩润湿性测试

实验测得（图8）H2井502.89m煤岩对去离子水和标准盐水的平均接触角分别为62.63°和 65.71°，其属于弱亲水性，且对标准盐水的润湿性较去离子水差。原因是H2井502.89m煤岩测试点主 要为灰暗的惰质组。通常，灰暗的惰质组处测得接触角小于光亮的镜质组处所测得的接触角。

图3 H2井504.55m煤岩扫描电镜照片

图4 H2井502.89m煤岩薄片镜下照片

图5 H2井504.55m煤岩薄片镜下照片

图6 和2井502.89m煤岩压汞曲线

2.5 煤岩应力敏感性分析

选取H2井502.89m岩样，保持供气压力不变，考察 了围压对渗透率的影响。图9结果表明，随着围压增大，即加载在H2井502.89m煤岩上净应力增大，岩样渗透 率降低，并且随着围压降低，渗透率恢复值低于加压过 程中对应净应力下的，表明煤岩岩样存在应力敏感性。

综合以上分析表明，山西沁水盆地煤层气储层典型 的低孔隙度、裂缝性储层，其损害机理可以概括为：由 于含有粘土矿物、且微裂缝发育，存在潜在水敏性损害； 煤岩表面属于弱亲水性，存在潜在的水锁损害；存在较强的应力敏感性损害。

图7 H2井502.89m煤岩汞饱和度柱状图及渗透率贡献值累积曲线

图8 H2井502.89m煤岩润湿性（接触角）测试结果

图9 围压对煤岩渗透率的影响

3 煤层气储层保护措施研究

针对山西沁水盆地煤层气储层的损害机理，本文采取了加强抑制和改善表面润湿性的煤层气保护钻 井液技术措施。

3.1 表面润湿性改善剂优选

从图10看出，经0.4％SD-905溶液浸泡后，H2井502.89m煤岩亲水性增强，表现为强亲水性，明显降低水锁效应，减小水相对煤岩渗透率的损害，有利于煤层气储层保护。

图10 H2井502.89m煤岩润湿性测试结果（0.4％SD-905溶液浸泡后）

3.2 水敏性抑制剂优选

从图11看出，H2井502.89m煤岩在自来水中的膨胀较5％ SMYZ-1和2％ SMYZ-2溶液中高，5％ SMYZ-1和2％ SMYZ-2溶液能使H2井502.89m煤岩“收缩”，膨胀率为负，相对而言，SMYZ- 2抑制水敏性效果更突出。

图11 水敏性抑制剂优选结果

3.3 外来流体对煤层气储层渗透率损害性评价

采用纯度为99.999％的高纯氮气进行岩心流动实验，评价外来流体对煤岩渗透率的伤害性。测试 了外来流体作用前岩心的高纯氮气气测渗透率K0、外来流体作用后高纯氮气通过湿岩心的气测渗透率 K01，以及外来流体作用后高纯氮气通过干岩心（60℃干燥）的气测渗透率K02。

（1）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.05％XC溶液的敏感性。

（2）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.4％SD-905 ＋5％SMYZ-1的敏感性。

（3）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.4％SD-905 ＋2％SMYZ-2的敏感性。

（4）分析山西沁水盆地煤层气储层岩样对0.4％SD-905 ＋0.5％SMYZ-2的敏感性。

（5）分析山西沁水盆地煤层储层岩样对去离子水的敏感性。

从表3测试结果看出，各种外来流体都对岩心渗透率均有不同程度的损害，其中0.05％的XC 溶液对岩心渗透率的损害达到100％；0.4％SD-905 ＋5％SMYZ-1溶液对岩心渗透率的损害也均在 90％以上；0.4％SD-905 ＋2％SMYZ-2溶液与去离子水对岩心渗透率的损害约60％；对煤岩渗透 率损害最低的是0.4％SD-905＋0.5％SMYZ-2溶液，并且岩样低温干燥后的渗透率恢复值达到 124.1％。综合上述实验结果，推荐使用0.4％SD-905＋0.5％SMYZ-2溶液钻开山西沁水盆地煤层 气储层。

表3 外来流体对煤岩渗透率伤害性评价结果

4 结论

（1）山西沁水盆地煤层气储层为典型的低孔隙度、裂缝性储层，其损害机理主要为：含有粘土矿 物、且微裂缝发育，存在潜在水敏性损害；煤岩表面属于弱亲水性，存在潜在的水锁损害；存在较强的 应力敏感性损害。

（2）SD-905能改善煤层气储层的表面润湿性，SMYZ-2能煤岩膨胀率、甚至“收缩”，释放出孔 隙；0.4％SD-905 ＋0.5％SMYZ-2溶液对煤层气储层岩样湿态下的渗透率损害最低，推荐为山西沁水 盆地煤层气储层的钻开液。

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