3-1煤层气钻井液技术研究

1煤层气钻井液技术长江大学2012年5月21煤层气储层特征煤作为储气层与常规的储集层不同。煤层既是气源岩，又是储集岩。煤层具有一系列独特的物理、化学性质和特殊的岩石力学性质，必须全面了解煤层作为储集层时的特殊性，才能更进一步研究煤层在钻完井过程中的伤害机理。3钻完井过程中可能造成煤层损害的原因很多，无论哪种损害，储层本身的内在条件是主要因素。煤储层在钻开之前，煤层岩石及其矿物组分和其中所含流体处于一种物理的、化学的、热力学的平衡状态，在钻完井过程中，平衡状态可能被破坏，而煤层本身又不能适应这些外界条件变化时就会导致煤储层损害，使煤层的渗透率明显降低。41.1煤的岩石学特征1.1.1宏观煤岩特征不同煤岩类型的煤，在物理或化学组成上的差异就造成了对煤的生气、储气以及煤层气的解吸和渗流具有不同影响。宏观煤岩成分包括镜煤、丝炭、亮煤、暗煤。其中镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，而亮煤和暗煤是复杂的煤岩成分。依据总体相对光泽强度和光亮成分含量将宏观煤岩类型划分为4种：即光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。51.1.2煤的显微组分煤的显微组分是在显微镜下可识别的有机成分，煤的显微组分没有特殊晶体形式，化学组成不稳定。煤的显微组分中主要包括镜质组、惰质组和壳质组。镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理顺利延伸和发展；惰质组是多孔状的、纤维状的，有释放应力、减弱割理和阻挡割理的作用，对割理发育不利；壳质组的机械强度大于镜质组和惰质组，壳质组对煤层割理发育影响不大。61.1.3煤的化学结构通过研究发现：煤储层与砂岩储层的差异，尤其是损害性质的差异，主要是化学成分的差异造成的。7煤分子骨架为疏水性很强的有机物质，分子上有酸性（阴离子）基团，如羧基，有碱性（阳离子）基团，如胺基，还有极性基团，如羟基，可同阳离子表面活性剂结合，又可同阴离子表面活性剂结合，还可通过极性基团同非离子表面活性剂结合。煤还含有带有这些基团的解聚的低分子化合物（如煤焦油），上述作用使煤对外来流体的敏感性有别于砂岩。81.2煤岩物性及孔隙系统特征1.2.1煤岩孔隙特征广义上，煤孔隙是指煤被流体占据的部分，它是煤总体积的一部分。煤中孔隙大小相差极大，大者可至数微米级的裂隙，小到连氮分子(直径为0.178nm)都无法通过。9根据煤孔隙成因具体分类：1、原生孔隙在沉积时就已存在的孔隙，称为原生孔隙。2、次生孔隙指在煤化作用过程中形成的孔隙，称为次生孔隙。3、裂缝①煤化作用裂隙：在煤化作用过程中因成煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙，通常所说的面割理和端割理。②构造裂隙：因区域构造变动在煤层中发育的裂缝。101.2.2煤岩裂隙系统特征煤的裂隙可分为：割理(内生裂隙)、外生裂隙、继承性裂隙。煤层的割理主要是由煤化作用过程中煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙，分为面割理和端割理。面割理一般是板状延伸，连续性较好，是煤层中的主要内生裂隙，而端割理只发育于两条面割理之间，一般连续性较差，缝壁不规则，是煤层中的次生内生裂隙。11外生裂隙是煤层在较强的构造应力作用下形成的裂隙，可分为塑性外生裂隙、张性外生裂隙和劈理。继承性裂隙兼具割理和外生裂隙的双重性质，属过渡类型。121.2.3煤的孔隙度煤的孔隙度分为绝对孔隙度和有效孔隙度。有效孔隙度是由在流动方向上与进出口连通的孔隙所占的比例，代表了可流动液、气体的储集空间及性能。煤是双孔隙介质，含有基质孔隙和割理孔隙。131.2.4煤的渗透率煤的渗透率是煤层气开采中一个最为关键的参数，也是最复杂且难以确定的参数。煤基质的渗透率极低，一般可不考虑，通常所说的煤层渗透率是指煤层割理渗透率。面割理和端割理发育规律不同，沿面割理和端割理的渗透率也不同、延伸较长的面割理具有较高的渗透率，常比端割理的渗透率高几倍，甚至一个数量级。14渗透率的外部影响因素：1)有效应力有效应力是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加，导致裂隙宽度减小，甚至闭合，渗透率急剧下降。152)煤基质收缩煤基质在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀和收缩。煤层气开发过程中，储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气便开始解吸。随煤层气解吸量的增加，煤基质开始收缩进程。煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变，只能沿裂隙发生局部侧向应变。基质的收缩造成裂缝宽度增加，渗透率增高。163)克林伯格效应当液体在多孔介质中流动时，由于液体的粘滞性，造成接近固体表面的层流速度近于零。在煤岩中，不同气体实验所得到的Klikne系数和绝对渗透率值均可能不同，这是由于煤岩对气体有较强的吸附能力，吸附气体后使煤基质收缩造成的对渗透率的影响。17有效应力、煤基质收缩、克林伯格效应三种因素对煤储层渗透率的影响程度，因煤自身的性质不同而不同。对低收缩率或不收缩的煤层，主要受有效应力影响，随有效应力增加渗透率下降；而高收缩率煤储层，基质收缩占主导地位，随着气体解吸量的增加收缩量也相应的增加，裂隙的孔隙度和渗透率增加。182钻完井过程中煤储层伤害机理研究在钻开煤储层、注水泥、射孔、压裂等施工过程中都会不同程度地破坏煤层原有的物理—化学平衡状态，并可能给煤层带来损害。192.1钻井压力对地层的损害煤储层的力学性质与常规储集岩(砂岩)不同。煤的杨氏模量小，煤的泊松比一般为0.27～0.40，而常规储集岩大多小于0.2，煤比岩石更易受压缩。煤基质块的泊松比较高，但煤中天然裂隙的发育大大降低了煤的强度，煤更易受压缩、破碎。在钻井过程中，很小的应力变化会引起渗透率的较大变化。202.1.1应力敏感性采用增加煤样的净围压模拟地层有效应力的变化，并测量渗透率随净围压变化的情况，来分析储层应力敏感的程度。212.1.2模拟钻井压力改变时，液体渗透率变化在钻井过程中，当井内循环液压力大于煤层压力时，有可能使钻井液侵入煤层，侵入深度和侵入量取决于压力和煤层渗透率。由于煤岩的应力敏感性，在钻井压力使煤岩裂缝张开时，钻井液侵入量将进一步加大。222.1.3钻井压力对地层损害的机理分析一般煤层中有丰富的端割理、面割理以及高度发育的微裂缝，具有较高的渗透率。煤层的应力敏感性很强，在有效应力作用下，一些裂缝闭合，导致渗透率显著降低。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。23煤层气藏的应力敏感性主要是有效压力的改变导致裂隙的开启和闭合，导致渗透率的改变，裂隙闭合后在卸压过程中不易张开，宏观上表现为随着有效压力的增加渗透率滞后现象。钻井压力变化对储层的伤害，通常有两种因素：一是钻井液压力变化；二是钻柱压力有变化；下钻时引起的压力激动加剧伤害。24过平衡钻进井内循环液压力大于煤层压力，加大了钻井液对煤层的侵入速度和侵入半径，降低渗透率。欠平衡钻进井内循环液压力小于煤层压力，引起煤层塑性变形，渗透率大幅度降低。钻柱压力变化和下钻时引起的压力激动，通过钻井液或直接对煤层造成伤害。钻井过程中应尽量避免压力突变，采用平衡钻进。252.2钻井液对煤储层伤害分析由于煤层许多化学成分与油气层相似。决定了其损害机理与油层及天然气层有相同之处。但煤层在结构构造上与油气层有不同，在损害机理上有其特殊性。钻井液对储层的伤害主要有两个因素：一是煤体对钻井液的吸附或吸收，二是钻井液中固相颗粒对煤中裂隙通道的充填堵塞。262.2.1钻井液侵入时毛细现象对煤层的伤害煤层的裂隙是地层中流体流动的基本空间。天然裂隙内径很小，可看作无数个大小不等、形状各异、彼此曲折的毛细管。如果孔隙中有气存在，当外来水相流体侵入裂隙通道后，将通道中原有的气推向储层深部，并在气水界面形成一个弯液面。由于表面张力的作用，任何弯液面存在一附加压力，即毛细管压力。当钻完井后排液时，夹在中间的气体成为非连续相，成为水流动的阻力。27在煤孔隙有气存在的情况下，无论煤岩表面是亲水还是憎水，当井底附近侵入水后，会形成更复杂的水气界面，给排水造成更大阻力，在流动中毛细阻力影响水的流动。但在实际煤层中，开采前煤孔隙中很少有或没有游离气，绝大部分裂隙空间被水饱和，在钻完井过程中侵入的钻井液是否会产生水锁效应、贾敏效应等毛细阻力有必要进行讨论。28目前国内有文献认为钻井液侵入煤层将发生严重的水锁伤害，所做实验是仿照常规油气藏的水锁实验，测定水相液体侵入后对单相气体流动产生的阻力。实际上在煤层钻完井后，煤层中开始的流动流体是水，钻井液侵入煤层造成的伤害与常规油气藏的水锁伤害有所不同，水相液体侵入后对单相气体流动产生的阻力是针对排水产生的阻力。29另有一部分学者从煤岩表面润湿性的角度提出，由于煤表面主要由有机物质构成，润湿性表现为疏水性，当水侵入后毛细管力方向与气体流动方向一致。是否有水锁效应有待研究。30LenV.Baltoiu等（2006）指出，从潮湿的煤层生产甲烷经常伴随着大量水的产出。从煤层释放甲烷产水是必然的，由于钻井后数周到数月才能产气，所以钻井液导致的伤害很难评价。当CBM井依靠产水减少地层压力而促进气体释放时，钻井液的影响是次要的。当CBM井的开发领域进入水平井钻井区域时，钻井液伤害变得重要。钻井液在钻井过程中稳定井眼，同时又要减少由于伤害导致的生产不足。31（1）水锁机理外来水相流体渗入储层孔道后，会把储层中原有的另一相流体推向储层深部，并在两相流体界面形成一个弯液面，产生毛细管压力。另一相驱动水相而流向井筒，必须克服附加的毛管压力。若储层的能量不足以克服附加的毛管压力和流体流动的摩擦阻力，不能把水段塞驱开，而造成损害。32毛管压力和孔道半径成反比，小孔道低渗储层，产生的毛细管压力大，易产生水锁损害；大孔高渗高压储层，产生的毛管压力小，地层驱替压力较大，水锁引起的损害较低。33（2）贾敏效应贾敏效应是指毛细管中非润湿相流体液滴对润湿相液体运动产生附加阻力的现象。34（3）水锁与贾敏效应的区别水锁损害是由于非润湿相驱替润湿相而造成的毛管阻力；贾敏现象是指润湿相驱替非润湿相珠泡而产生的毛管阻力。水锁与贾敏效应产生毛管阻力的原因不同，但造成损害结果类似，均是使油相渗透率降低。在实际地层中很难区分把水锁与贾敏效应的差别，水锁与贾敏效应总是相伴发生。把水锁与贾敏效应统称为毛细管阻力造成的损害。35（4）毛细现象伤害实验研究钻井液侵入是否造成水锁伤害不仅取决于毛管半径、驱动压力、侵入深度和粘附张力，同时也取决于煤层中自由气的大小。如果煤层中自由气为零，在煤层中的原始水和侵入的水基钻井液之间不存在气水界面，就不存在水锁效应；如果煤层中有自由气存在，会产生毛细阻力。毛细阻力的大小还取决于煤层裂隙中自由气的多少。36实验研究应有两种方案，一是模拟有自由气流动时钻井液侵入对排水渗透率的影响，另是没有自由气流动时钻井液侵入对排水渗透率的影响。37如果在煤层中有流动的自由气存在，当水相钻井液侵入煤层会造成排液的阻力，使液相渗透率下降。其原因是由于煤层中原来存在有气液两相流体，当水相钻井液从井底反向侵入时，孔隙中气体被分割形成贾敏效应，阻碍排液进行。但如果煤层中没有流动的自由气，侵入的水相钻井液对水的流动产生的毛细阻力很小，甚至为零，在流动孔隙中液体之间几乎没有相界面存在，没有毛细管阻力。38煤层气的开采机理与常规气体储层不同。赋存于煤层中的天然气有三种状态，即游离状态、吸附状态和溶解状态，实际上很少有或没有游离气。煤层中绝大部分裂缝空间被水饱和，即使有一些游离气，其中大多数也吸附在煤的表面。39当煤层压力降低到煤层气解吸压力临界值时，煤中被吸附的甲烷开始与微孔隙表面分离，叫做解吸，由于割理中的压力降低，解析作用也可在煤层的割理——基质界面上发生。解吸的气体通过基岩和微孔隙扩散进入裂缝网络中，再经裂缝网络流向井筒，见图3-5(a)。40图3-5(a)煤层甲烷气迁移过程图41在割理表面吸附的气体当解吸作用连续发生时，吸附在割理表面的甲烷，或者是“自由”气体，开始逸散。当没有更多的“自由”气体解吸时，束缚或捕集气体通过扩散过程开始进入割理网络。一旦“束缚”甲烷分子到达割理表面，迁移到井眼的速度将加大。42图3-5(b)吸附在煤岩割理网络上的甲烷分子43煤层气井中甲烷产出情况分为三个阶段。第一阶段：随着井