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钻井完井过程中煤层气储层伤害机理分析与控制措施

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钻井 过程 煤层气 伤害 机理 分析 控制 措施
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第 4 卷 第 1 期                                       中 国 煤 层 气                                     1 月                                                               2007钻 井 完 井 过 程 中 煤 层 气 储 层伤 害 机 理 分 析 与 控 制 措 施孟 尚 志 1   王 竹 平 1   鄢 捷 年 2(1. 中 联 煤 层 气 有 限 责 任 公 司 , 北 京   100011 ; 2. 中 国 石 油 大 学 (北 京 ) , 北 京   102249)摘   要 : 本 文 综 述 了 中 国 煤 层 气 储 层 具 有 低 渗 透 率 、 低 压 力 、 低 含 水 饱 和 度 的 特 征 , 提 出 钻 井 完井 过 程 中 引 起 储 层 伤 害 的 主 要 因 素 是 应 力 敏 感 和 水 锁 。 为 了 防 止 储 层 伤 害 , 钻 进 过 程 中 应 首 先 考虑 使 用 空 气 钻 井 , 其 次 考 虑 使 用 可 循 环 泡 沫 钻 井 液 和 水 包 油 可 循 环 泡 沫 钻 井 液 体 系 。 对 于 水 平 井和 定 向 井 , 可 考 虑 使 用 玻 璃 漂 珠 钻 井 液 体 系 , 实 现 近 平 衡 压 力 钻 井 。 固 井 时 应 采 用 低 密 度 、 低 滤失 量 和 高 强 度 水 泥 浆 体 系 。关 键 词 : 煤 层 气   钻 井 完 井   储 层 特 征   钻 井 液 . o. , , 100011 ;2. , 02249) in BM is a be be to a be BM 中 国 煤 层 气 储 层 特 征 分 析煤 层 气 是 储 集 在 煤 层 的 非 常 规 天 然 气 , 主 要 以吸 附 为 主 , 少 量 处 于 游 离 状 态 , 还 有 极 少 部 分 溶 解在 水 中 。 我 国 的 煤 层 具 有 丰 富 的 端 割 理 、 面 割 理 和高 度 发 育 的 微 裂 隙 , 这 与 世 界 上 大 多 数 国 家 煤 层 情况 相 似 。与 美 国 相 比 , 我 国 的 煤 层 储 层 具 有 明 显 不 同 的特 征 , 具 体 表 现 在 低 渗 透 率 、 低 压 力 和 低 含 水 饱 和度 。 美 国 圣 胡 安 盆 地 煤 层 的 渗 透 率 一 般 大 于 20 ×10 - 3μ 只 有 极 少 数 低 于 5 × 10 - 3μ 而 我 国9 0 %的 煤 层 的 渗 透 率 一 般 低 于 3 × 10 - 3μ 通 常作 者 简 介   孟 尚 志 , 1973 年 生 , 工 程 师 , 2006 年 7 月 毕 业 于 中 国 石 油 大 学 (北 京 ) 油 气 井 工 程 专 业 , 获 硕 士 学 位 。 主 要 从 事 钻 井 液 和油 气 层 保 护 工 作 。为 (01001~ 011) × 10 - 3μ 属 于 典 型 的 低 渗 透 、特 低 渗 透 储 层 。根 据 岩 石 力 学 实 验 结 果 可 知 , 我 国 煤 层 的 杨 氏模 量 小 , 泊 松 比 大 , 受 到 外 力 作 用 时 比 较 容 易 变形 。 表 1 列 出 了 几 个 典 型 地 区 的 煤 层 泊 松 比 数 据 。表 1   我 国 部 分 煤 层 泊 松 比 数 据参 数 山 西 晋 城 陕 西 吴 堡 山 西 屯 留埋 深 (m) 500 - 800 1200 - 1500 400 - 700渗 透 率(10 - 3μ 0125 - 116 01035 01015 - 0125孔 隙 压 力 梯 度(0. 87 - 1. 0 0. 91 - 0. 96 0. 5 - 0. 87泊 松 比 0. 32 - 0. 42 0. 36 0. 24 - 0. 30我 国 多 数 煤 层 的 储 层 压 力 梯 度 低 于 正 常 的 静 水压 力 , 说 明 储 层 压 力 较 低 。 并 且 , 许 多 煤 层 打 开 后排 水 量 很 低 , 有 时 甚 至 没 有 水 排 出 。 经 过 研 究 发现 , 主 要 原 因 是 煤 层 的 含 水 饱 和 度 低 。2   钻 井 过 程 中 储 层 伤 害 机 理 分 析通 过 储 层 特 征 分 析 , 发 现 中 国 煤 层 储 层 具 有 低渗 透 率 、 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 完 井 过 程 中 储 层 伤 害 的 因 素 主 要 有 以 下 方 面 。211   应 力 敏 感一 般 情 况 下 , 煤 层 中 有 丰 富 的 端 割 理 、 面 割 理以 及 高 度 发 育 的 微 裂 缝 , 应 具 有 较 高 的 渗 透 率 。 然而 , 根 据 试 验 结 果 , 煤 层 的 渗 透 率 却 非 常 低 。 分 析其 原 因 主 要 是 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 。大 量 试 验 表 明 , 煤 层 的 杨 氏 模 量 要 远 远 小 于 天然 气 储 层 , 相 差 将 近 一 个 数 量 级 。 由 图 1 中 数 据 可以 看 出 , 煤 层 的 孔 隙 压 力 低 于 正 常 压 力 梯 度 。 普 通的 低 固 相 钻 井 液 的 密 度 一 般 都 高 于 1104g/ 而水 泥 浆 的 密 度 一 般 为 1180~ 1190g/ 因 此 , 在钻 井 、 固 井 过 程 中 液 柱 与 储 层 之 间 必 然 存 在 一 定 正压 差 , 煤 层 会 受 到 比 较 大 的 外 力 作 用 。正 是 由 于 储 层 孔 隙 压 力 低 于 正 常 压 力 梯 度 , 因而 煤 层 中 微 裂 缝 中 的 水 是 处 于 欠 压 实 状 态 , 其 支 撑能 力 较 差 。 如 果 煤 层 中 含 水 饱 和 度 高 , 孔 隙 和 裂 缝中 充 满 了 水 , 而 水 的 可 压 缩 性 很 低 , 因 而 在 受 到 外力 作 用 时 , 会 受 到 水 的 支 撑 作 用 。 此 时 , 水 处 于 超高 压 状 态 , 煤 层 仅 发 生 微 小 的 变 形 , 孔 隙 和 裂 缝 不会 发 生 大 量 闭 合 。 而 如 果 煤 层 中 含 水 饱 和 度 低 , 煤层 受 压 缩 时 缺 少 必 要 的 支 撑 , 导 致 煤 层 中 的 微 裂 缝很 容 易 发 生 闭 合 , 使 渗 透 率 进 一 步 降 低 。 图 1 表 示各 种 煤 岩 的 渗 透 率 随 有 效 应 力 的 变 化 。图 1   煤 层 气 储 层 岩 样 在 不 同 围 压 下 的 渗 透 率 变 化 情 况从 图 1 可 见 , 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 。212   水 锁 伤 害钻 井 中 如 使 用 常 规 钻 井 液 , 则 液 柱 与 地 层 之 间势 必 产 生 较 大 正 压 差 , 而 煤 层 井 壁 难 以 形 成 泥 饼 ,因 而 钻 井 液 滤 液 将 较 多 地 侵 入 储 层 , 造 成 伤 害 。煤 层 中 微 孔 隙 可 以 看 作 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 。 这 种 作 用 即 使 在 负 压情 况 下 也 会 发 生 , 在 高 压 差 下 更 为 强 烈 。 由 于 煤 层含 初 始 水 饱 和 度 较 低 , 滤 液 侵 入 储 层 后 会 在 微 孔 隙中 形 成 弯 液 面 , 产 生 毛 细 管 力 。 这 单 靠 储 层 自 身 的能 量 是 无 法 驱 开 的 。 此 外 , 滤 液 侵 入 储 层 后 也 会 增加 储 层 的 含 水 饱 和 度 , 降 低 气 相 渗 透 率 , 导 致 较 为严 重 的 水 锁 伤 害 。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。3   储 层 伤 害 的 控 制311   从 钻 井 工 程 上 进 行 控 制为 防 止 对 煤 储 层 的 伤 害 , 从 钻 井 工 程 方 面 采 取的 主 要 措 施 是 : 起 下 钻 时 要 平 稳 , 减 少 压 力 激 动 ;53第 1 期                       钻 井 完 井 过 程 中 煤 层 气 储 层 伤 害 因 素 分 析 与 控 制 措 施维 持 合 理 的 泥 浆 返 速 ; 尽 量 缩 短 储 层 段 的 浸 泡 时间 ; 并 实 施 近 平 衡 压 力 钻 井 。312   优 选 低 密 度 钻 井 液 体 系(1) 空 气 钻 井空 气 作 为 循 环 介 质 , 具 有 钻 速 快 , 保 护 储 层 效果 明 显 的 特 点 。 在 我 国 已 经 在 多 口 煤 层 气 井 上 采 用了 空 气 钻 井 技 术 , 取 得 了 显 著 的 效 果 。 煤 炭 钻 井 使用 的 空 气 锤 技 术 也 在 钻 井 上 得 到 了 应 用 。使 用 空 气 钻 井 技 术 也 受 到 一 些 条 件 限 制 , 如 地层 必 须 稳 定 , 不 能 发 生 垮 塌 等 井 下 复 杂 情 况 , 同 时地 层 不 能 出 水 。 钻 进 过 程 中 如 果 地 层 出 水 , 钻 井 过程 中 产 生 的 粉 尘 遇 水 后 会 发 生 聚 集 , 容 易 卡 钻 。(2) 可 循 环 微 泡 沫 钻 井 液 体 系对 于 地 层 出 水 、 存 在 井 壁 稳 定 问 题 的 煤 层 气井 , 需 要 钻 井 液 具 有 一 定 的 密 度 以 维 持 井 底 压 力 。在 此 情 况 下 , 使 用 可 循 环 微 泡 沫 钻 井 液 技 术 能 满 足要 求 。 可 循 环 泡 沫 钻 井 液 是 在 普 通 低 固 相 钻 井 液 中加 入 发 泡 剂 和 稳 泡 剂 配 制 的 钻 井 液 体 系 , 在 1500 的 井 可 以 成 功 使 用 。 该 钻 井 液 体 系 具 有 密 度 在018~ 1110g/ 间 可 调 , 成 本 低 , 滤 失 量 低 等 优点 。 但 由 于 泡 沫 是 可 压 缩 流 体 , 因 而 在 钻 水 平 井 时不 能 有 效 传 递 号 , 限 制 了 其 使 用 。(3) 空 心 玻 璃 漂 珠 钻 井 液 体 系目 前 多 分 支 水 平 井 是 提 高 煤 层 气 产 量 的 有 效 技术 , 在 国 内 已 经 钻 了 多 口 井 , 产 量 也 有 了 大 幅 度 提高 。 在 钻 井 过 程 中 需 要 使 用 进 行实 时 测 量 , 要 求 钻 井 液 能 有 效 传 递 信 号 。 目 前 国 内外 已 经 研 究 成 功 了 空 心 玻 璃 漂 珠 钻 井 液 体 系 。 该 体系 在 原 低 固 相 钻 井 液 中 加 入 空 心 玻 璃 漂 珠 , 降 低 钻井 液 密 度 。 配 制 的 钻 井 液 抗 压 缩 能 力 强 , 抗 压 性好 , 并 能 有 效 传 递 号 。 空 心 玻 璃漂 珠 加 量 在 5~ 20 %时 配 制 的 钻 井 液 密 度 在 0180~0190g/ 围 内 可 调 。 在 该 体 系 中 加 入 超 细 石 墨 ,可 有 效 降 低 滤 失 量 , 同 时 维 持 良 好 的 流 变 性 。(4) 油 基 可 循 环 泡 沫 钻 井 液 体 系煤 层 气 储 层 钻 井 过 程 中 , 有 时 还 会 遇 到 孔 隙 压力 低 于 017g/ 超 低 地 层 压 力 的 情 况 。 如 果 使用 水 基 泡 沫 或 空 心 玻 璃 漂 珠 体 系 , 则 会 产 生 较 大 正压 差 , 伤 害 储 层 。 针 对 这 种 情 况 , 研 究 了 油 基 可 循环 泡 沫 钻 井 液 体 系 。 该 体 系 为 柴 油 、 水 和 泡 沫 三 相流 体 , 密 度 在 0155~ 0190 g/ 可 调 。 该 体 系滤 失 量 几 乎 为 0 , 泥 浆 滤 液 很 难 侵 入 裂 缝 。 但 需 注意 , 该 体 系 需 要 使 用 柴 油 , 会 对 环 境 产 生 一 定 影响 , 同 时 配 浆 成 本 较 高 , 因 而 使 用 受 到 一 定 限 制 。(5) 优 质 膨 润 土 钻 井 液为 了 降 低 正 压 差 和 成 本 , 使 用 清 水 作 为 钻 井液 。 在 对 于 地 层 压 力 系 数 高 的 储 层 , 使 用 清 水 在 钻井 过 程 中 能 降 低 正 压 差 。 但 使 用 清 水 不 能 形 成 优 质泥 饼 , 在 固 井 工 程 中 会 有 大 量 的 滤 液 侵 入 储 层 , 造成 更 大 的 污 染 。 因 此 需 要 使 用 适 量 优 质 膨 润 土 配 基浆 , 加 入 优 质 降 滤 失 剂 和 固 相 填 充 粒 子 , 降 低 滤 失量 , 形 成 薄 而 韧 的 优 质 泥 饼 。(6) 低 密 度 、 低 滤 失 量 和 高 强 度 水 泥 浆 体 系高 密 度 水 泥 浆 会 产 生 很 大 的 正 压 差 , 造 成 储 层应 力 敏 感 , 同 时 如 果 滤 失 量 高 也 会 造 成 大 量 滤 液 侵入 储 层 。 水 泥 浆 滤 液 的 较 高 , 容 易 与 煤 层 发生 反 应 后 产 生 沉 淀 , 堵 塞 孔 道 。 因 此 应 选 用 低 密度 、 低 滤 失 量 和 高 强 度 的 水 泥 浆 体 系 。 目 前 已 经 研究 成 功 了 低 密 度 水 泥 浆 体 系 , 配 合 降 失 水 剂 , 能 控制 滤 失 量 在 100 内 , 同 时 能 将 水 泥 浆 密 度 降低 到 1120g/ 抗 压 强 度 达 到 14   结 论通 过 以 上 研 究 分 析 可 得 出 以 下 结 论 :(1) 引 起 我 国 煤 层 气 储 层 伤 害 的 主 要 因 素 是 应力 敏 感 和 水 锁 伤 害 。(2) 为 了 防 止 钻 井 过 程 中 发 生 储 层 伤 害 , 应 强化 钻 井 工 程 技 术 措 施 。(3) 应 尽 量 降 低 钻 井 液 与 储 层 之 间 的 正 压 差 ,在 满 足 井 下 安 全 的 条 件 下 实 现 近 平 衡 压 力 钻 井 。(4) 针 对 不 同 储 层 优 选 低 密 度 钻 井 液 体 系 , 尽量 降 低 钻 井 液 滤 失 量 , 减 少 滤 液 侵 入 储 层 。(5) 为 了 防 止 固 井 过 程 中 对 储 层 的 污 染 , 应 尽量 降 低 水 泥 浆 的 密 度 和 滤 失 量 。参   考   文   献[1 ]   . . 8637 , 1997[2 ]   . . as a 2899 , 2000[3 ]   杨 胜 来 , 杨 思 松 , 高 旺 来 . 应 力 敏 感 及 液 锁 对 煤 层气 储 层 伤 害 程 度 实 验 研 究 [J ]. 天 然 气 工 业 . 2006 ,3[4 ]   刘 贻 军 , 娄 建 青 . 中 国 煤 层 气 储 层 特 征 及 开 发 技 术探 讨 [J ]. 天 然 气 工 业 . 2004 , 1(责 任 编 辑   康 丽 华 )63 中 国 煤 层 气                                         第 1 期
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