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煤层气钻井储层保护新技术研究-论文


第 9卷 第 3 期  2 0 1 2年 6月  

中国煤层气 
C H  A   C0A U  E D   M硎 A N E  

V 0 1 . 9   N0. 3  

J u n e . 2 0 1 2  

煤 层 气 钻 井 储 层 保 护 新 技 术 研 究  

春洋  祁丽莎  柯 文丽  游  艺   欧 阳云丽 
( 长 江 大 学 石 油 工 程 学 院 ,湖 北 4 3 4 0 2 3 )  



要 :本 文分析 了我 国煤层 气勘探 开发 现状 和前 景 ,研 究 了我 国煤层 气储 层孔 隙和 裂 隙 系统特 

征 ,分 析 了煤 层 气钻 井的储层 伤 害机理 。针 对煤层 气钻 井储 层保 护难 点 ,提 出了采用低 固相 或无  固相 钻 井液 、欠 平衡 钻 井技 术、屏 蔽暂 堵技 术和加 强 固相 控 制等煤 层 气钻 井储 层保 护技 术 。   关 键词 :储层 保 护 低 固相或 无 固相钻 井液 欠 平衡钻 井 屏蔽 暂堵  固相 控制 

T h e   Ne w   Dr i l l i n g   T e c h n i q u e   o f   F o r ma t i o n   P r o t e c t i o n   f o r   C o a l b e d   Me t h a n e  
P e n g   C h  ̄y ng a ,Q i   L i s h a ,K e   We n l i ,Y o u   Y i ,O u y ng a   Y u n l i   ( I n s t i t u t e   o f   P e t r o l e u m   E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t y   o f   t h e   Y a n g t z e ,H u b e i   4 3 4 0 2 3 )  
Ab s t r a c t : Th i s   p a p e r   ir f st l y   a na l y z e s   t h e   c u r r e n t   s i t u a t i o n   nd a   p r o s p e c t s   o f   Ch i n e s e   c o a l b e d   me t h ne a   e x p l o -  

r a t i o n   a n d   d e v e l o p me n t ,a nd   he t n   s t u d i e s   t h e   c o a ] b  ̄ me t h a n e   r e s e r v o i r   p o r o s i y  t nd a   f r a c t u r e   s y s t e m  c h a r a c t e r -  
i s t i e s ,a n d   a n a l y s i s   r e s e r v o i r   d a ma g e   me c h ni a s m  o f   c o a l b e d   me t h a n e   d r i l l i n g.F i n a l l y,t o   s o l v e   he t   d i ic f u l t y   o f  

c o a l b e d   me t h ne a   d r i l l i n g   r e s e r v o i r   p ot r e c t i o n, t he r e   a r e   ma n y   c o a l   b e d   me ha t n e   d r i l l i n g   r e s e vo r i r   p ot r e c t i o n  
t e c h n o l o g y   s u c h   a s   l o w  s o l i d   o r   c l a y   f r e e   d r i l l i n g   lu f i d,u n d e r   b la a nc e d   d r i l l i n g   t ch e no l o g y,t e mp or a r y   pl u g g i n g   t e c h n o l o y  g nd a   he t   s t en r g t h e n i n g   o f   he t   s o l i d   p h se a   c o n t r o 1 .   Ke y wo r d s : Re s e r v o i r   p ot r e c t i o n; l o w  s o l i d   o r   c l a y   f r e e   d r i l l i n g   lu f i d;u n d e r   b a l nc a e d   d r i l l i n g; t e mp or a r y   p l u g g i n g ;s o l i d   p h a s e   c o n t ol r  

1   我 国煤层气勘探开发现状和前景 
我 国煤层气 的基 础 研 究 起 步 较 晚 ,但 2 0世 纪 
9 0 年 代 以来 进 行 了大 量 的研 究 工 作 ,尤 其 是 国家 

术也得 到 了很大 的提 高 。深化煤 层气 成藏 、吸 附 一   解 吸机 理 等方 面的研究 、加强选 区评 价工作 和发 展  羽状水 平井 等先 进 的开采 工艺及 煤层气 采 出水 的处 
理工 艺是今 后煤 层气 勘探 开发 的重点 。  

9 7 3 煤 层气项 目研 究 工作 的开 展 ,使煤 层 气 在 成 因  类 型划分 及其 判识 、煤层 储气 机理 和储层 评价 、煤  层气 吸 附和解 吸机 理 、煤 层气 藏形 成 的动力场 及成  藏 过程 、煤 层 气 资 源 评 价 等 方 面取 得 了较 大 的进  展 。同时 ,近年来 通过研 发 和引进 ,煤层 气地 球 物  理勘 探 、煤层 气钻 井 、煤 层气 完井 和煤层 气增 产技 

2 煤层气钻 井储层伤害机理研究 
2 . 1   煤 层气储 层 孔隙和 裂 隙系统特 征研 究 

对于煤储层来说 ,含气饱和度、渗透性和储层  压力 是控 制其可 采性 的最 重要地 质参 数 。低 含气 饱  和度 、低 渗透率 和低 压力是 影 响我 国煤层气 单井 和 

基金项 目   国家重点基础研究发展规 划基金资助项 目 ( 2 0 0 8 C B 2 1 1 7 0 5 ) 。   作者简介 彭春洋 ,男 ,在读硕士研究生 ,主要从事油气 田开采技术与理论的学 习和研究 。  

3 6  

中 国 煤 层 气 

第 3 期 

先导性 开 发 试 验 井 组 稳 定 日产 气 量 低 的最 重 要 因  素 。煤层气 储 层 渗 透性 的 主 要 贡 献 来 自于裂 隙 系 

了煤 层 比常规油 气层 更容 易受 到损 害 。与常规 油气  层相 比 ,煤既是 生气 层又 是储集 层 ,煤岩 的 弹性模  量较 低 ,泊松 比较 高 ,吸附能 力强 ( 内表 面积 一般  为1 0~ 4 0 m 2 / g ) ,抗 压 和抗 拉 强度均 较低 、脆 性大 、   易破 碎 、易压缩 ,同时煤层 割 理和裂 隙发 育 ,属典  型 的双孔 隙储 层 。如果煤 层 的孔 隙和裂缝 一旦 受 到  损 害 ,其 受伤 害程 度将 比常规 油气层 严 重得 多 ,不  仅 使气体 的渗 流通 道受损 ,而且还会 影 响到煤 层气  的解 吸过 程 。因此 ,一方 面煤 层极 易污染 ,特 别是  受 钻井液 中固相颗 粒 的污染 ;另一方 面煤 层破 碎 和  高 剪切应 力造 成井 眼不稳 定 。为 了保 证 安全钻 穿煤  层 ,其 主要措 施就 是提 高钻 井液密 度 ,也就是 增 加  其 固相 含量 ,但这 样又 容易 污染煤 层 ,因而 实施 煤  层 保护技 术较 常规 油气层 更 困难 。   3 . 2 煤层 气钻 井储 层保护 技术  综 合 以上原 因分析 ,煤 层气储 层保 护技 术要 点  是 :①采用 低 固相或无 固相 钻井 液 ;②采用 欠平 衡  钻 井技 术 ;③采用 屏蔽 暂堵 技术 ;④ 加强 固相控 制 
技术。  

统 ,煤储层孔裂隙系统发育特征和煤储层渗透性是  科学 评价 煤储 层 的重 要 内容之 一 。  
对于煤 层孔 隙结 构研究 , 目前多采 用霍 多特 的  分类 方法 ,即将 煤孔 隙分 成大孔 ( 孔径大于 1 / s a n ) 、  
中孔 ( 孔径 0 . 1  l b t r n ) 、过 渡孔 或小 孔 ( 孔径 0 . 0 1  


0 . 1 / a n ) 、微 孔 ( 孔径小于 O . 0 1 t u n ) 。据 我 国 1 3 8  

个样 品的压汞 测试数 据显 示 ,煤 的孔 径结 构虽然 变 

化极大 ,但是 在总体上则 以微孔 为主、过渡孔次  之 ,中孔和大孔的比例相对较小。以沁水盆地北端  煤层气储层为例 , 该 区域储层孑 L 喉半径多分布在 0  


0 . I v a n之 间 。  

2 . 2 钻井 过程 中造成 煤层 损害 的机理研 究 

钻井过程 中诱发煤层气损害的根源是钻井液 ,   其 对煤 层 的伤害 主要为 以下几 个方 面 :  
( 1 )钻井 液 中固相颗 粒对 煤层 的损 害  固相颗粒 主要 来 自钻屑 、煤粉 及配 浆材料 。取  山西 柳 林 地 区某 煤 样 ,在 正 压 差 为 3 . 5 MP a 、温 度  为5 O ℃ 和 时 间为 2 h的条 件下 ,经过 3 %的 膨润 土 

( 1 )采用 低 固相或无 固相钻井 液  钻井液 中的各种 固相会 对煤 储层 产生 伤害 。 因  此在煤 储层 钻进 时 ,应 减少 造浆 土 的含量 ,使用 低  固相 或无 固相钻 井液 。通过 加入 一定 量 的聚合 物如  N H 4 H P A N、K P A M、X C 、P H P 、C MC等 ,使 钻 井 液  具有 “ 低 密 度 、低 粘 度 、低 切 力 、低 失 水 ” 的特  性 。该 类 型 的钻 井液 能减轻 过 大压力 对煤储 层 的伤  害 ;减轻钻 井液 对煤 储层井 壁 的 冲刷 作用 ;能 够迅  速 在井壁 上形成 一层 薄而致 密 的泥饼 ,以封堵 煤层 

浆污染后 , 该煤样气测渗透率下降 6 8 . 0 3 %。   ( 2 )煤与 钻井液 中的高分 子聚合 物相 互作 用 产 
生 的堵 塞 

钻井液滤液 中的高分子聚合物被吸附在煤表面  或堵 塞在裂 缝 中 。取 山西柳 林地 区 的某 煤样 ,在 正  压差为 3 . 5 MP a 和 时间为 2 h的条 件下 ,污染 介质 的 
配方 是 :水 +2 %P A C一1 4 1 +3 %F r一3 4 6+0 . 5 %K  


H P A N +3 %K C 1 ,污 染 后 煤 样 气 测 渗 透 率 下 降  ( 3 )煤基 质 吸附膨 胀造成 的损害  将 晋 试 1井 某 煤 样 经 过 4 %K C 1 溶液浸泡后 ,  

6 5. 4 2% 。  

的微裂缝 ,减轻滤液对煤储层的伤害。   大港 油 田泥浆技 术服 务公 司在 山西 煤层气 钻探  中使用了低 固相聚合物钻井液 。在预水化膨润土浆 
中加 入 N H 4 H P A N和适量 的 F L O WZ A N进 行处 理 ,  

气测渗透率下降 6 1 . 6 5 %。   ( 4 )压 力敏感 性对 煤层 的损 害  取沁 水 煤 田煤 样 ,当 围 压 为 1 0 M P a时 ,渗 透 

即可得 到低 固相 聚合 物 钻井液 。典 型钻 井液性 能参  数 是 :密度 为 1 . 0 5 g / c m 3 ,粘度 3 0—3 2 s ,A P I 失 水  量6 m l ,切 力 2 / 4 P a ,固相 含量 小于 4 %。   ( 2 )采甩 空气钻 井 和泡沫 钻井 等欠平 衡钻 井 技  术 ,减 少储 层裸露 时 间  空气钻 井技 术 已被 国内外钻 井界公 认 为是提 高  钻 井速 度 、缩短钻 井周 期一项 实 用革命 性技 术 。通  常使用 空气 钻井 可 以将 钻速 提 高 2—1 5倍 ;但并 非  所 有 的井段 都适 合 空 气 钻 井 ,在 井 壁 稳 定 比较 好 、  

率降低到初始值 的 2 0 %  3 0 %,而砂 岩为原始值  的9 0 %  9 5 %;当煤样有效 围压 由 1 0 M P a 降低到 
原始值 时 ,渗透 率 只能 恢 复到 原 始值 的 5 0 %一   8 0 % ,即造 成 2 0 % ~5 0 %的永久 性伤 害 。  

3 煤层气钻 井储层保护技术 
3 . 1   煤层气 钻 井储层 保 护的难点 

由于煤 是具 有不 同于 常规油气 层 的特点 ,决定 

不含水、不含硫化 氢等地段可 以采用空气钻井 技 

第 3期 

煤层 气钻 井储 层保 护新 技术研究 

3 7  

术 ;空气钻 井对设 备 配套要 求 比较 高 ,涉及 到 的主  要设 备包 括供气 注入 系统 、旋转 控制 系统 、排砂 取  样 系统 、数据采 集处 理系统 及 附属配 套工具 等 。  

对 煤层 气钻井 的储 层保 护难 点 ,提 出了相应 的储 层  保 护技 术 ,主要 得 出如 下结 论 :   ( 1 )在煤层 气 钻井过 程 中 ,钻 井液对 储层 的伤 
害来源 于 以下几 点 :①钻井 液 中 固相 颗粒对 煤层 的 

泡沫钻井也是经常使用 的欠平衡钻井技术之  泡沫 钻井 液 中的表 面活性剂 具有 两亲 结构 ,它  能 够有效 地 降低钻 井液体 系 的表面 张力 ,相应 降低  滤 液在地 层裂缝 通 道 中的毛 细管力 ,从 而有利 于减 




损 害 ,②煤 与钻 井液 中 的高分子 聚合 物相互 作用 产 
生 的堵 塞 ,③煤 基质 吸附 膨胀造 成 的损害 ,④ 压力 

敏感性 对煤 层 的造成 损害 ;   ( 2 )与 常规 油气层 相 比 ,煤 既是生 气层 又是 储  集层 ,煤 岩 的弹性模 量较 低 ,泊松 比较高 ,吸附能  力强 ,抗压 和 抗 拉 强度 均 较 低 、脆 性 大 、易 破 碎 、   易压 缩 ,同 时煤层 割理 和裂 隙发育 ,储层 保 护难度 
大;  

轻水锁效应。目前常用的表面活性剂有十二烷基苯 
磺 酸钠 ( A B S ) 、十二 烷 基硫 酸钠 ( K 1 2 ) 、O P一1 0 、  

油酸钠 、太古油等 ,具体用量和类型应根据泥浆体  系和地层 情 况来确 定 。另外 ,泡沫 钻井 液 的低 密 度 
特 性使 得液 柱压力 较低 ,有 利于减 少 由于压力 过 大  而 对煤储 层 的伤 害 。   ( 3 )采用 屏蔽 暂堵技 术  屏 蔽暂 堵理论 最早 针对 保护 空隙 型油气储 层 而  提 出的 ,已发展 成为 我 国钻 井完 井储 层保护 的一 个  重要技 术 ,获得 广泛应 用 。对 于中 、低 渗储 层 ,常  规屏蔽 暂堵 型 聚合物 钻井液 体 系的屏 蔽暂堵 效果 较 

( 3 )煤 层气 钻井储 层保 护技 术包 括 :① 采 用低  固相 或无 固相 钻井 液 ,保 持 钻井液 的 “ 低 密 度 、低  粘度 、低 切力 、低 失水 ”特性 ;② 推广 空 气 钻 井 、   泡 沫钻井 等欠 平 衡 钻 井技 术 ,减少 储 层 裸 露 时 间 ;   ③ 开展煤 层气 钻井 屏蔽 暂堵技 术 的研究 ,研 究酸溶  性 暂堵剂 和暂 堵 型 钻 井液 ;④ 加强 固相 控 制 技术 ,  
采用 地 表 循 环 槽 、机 械 除 砂 和 化 学 除 砂 结 合 的 方 

好 ,封堵率较高。   笔者认 为 ,应在 已获得 煤层 气储 层孔 喉分 布 曲  线 、孔喉平 均 直径 和渗透 率大 小 的基 础上 ,根 据屏 
蔽 暂堵理论 ,采 用细 目或超 细 目碳酸 钙等 材料来 研  究 与孔 喉直径 配伍 的酸溶 性暂 堵剂 ;采用 羧 甲基纤  维 素钠 、胍尔胶 和魔 芋等 聚合 物 、生 物酶 和无 机破  胶 剂 ,继续 深 入研究 暂堵 型钻 井液 ,使得 钻井 液在  钻 进期 间有 良好 的护壁效 果 ,在钻进 结束 后 ,聚合  物 自动 降解 或人 为 破 胶 ,从 而恢 复煤 储 层 的渗 透 
性。  

法 ,减 少钻井 液 中无用 固相 对煤储 层 的伤害 。  
参 考 文 献 

[ 1 ]   Y o u n g   A L : “ C o a l b e d   m e t h a n e : A   n e w   S O 1 L T C e   o f   e n e r g y   a n d  
e n v i r o n me n t a l   c h a l l e n g e s ” , E n v i r o n me t a l   S c i e n c e a n d   P o i l u -  

t i o n   R e s e a r c h [ J ] , 2 0 0 5 , V o 1 . 1 2 , N o . 6 , 3 1 8 —3 2 1 .   [ 2 ]   G a t e n s   M: “ C o a l b e d   m e t h a n e   d e v e l o p m e n t :P r a c t i c e s   a n d  

p og r r e s s   i n   C a n a d a ”   [ J ]. J o u ma l   o f   C a n d i a n   P e t r o l e u m  
T e c h n o l o g y ,2 0 0 5,Vo 1 . 4 4, N o . 8,1 6—2 1 .  

[ 3 ]   姚艳斌 ,刘大锰 . 煤储层 孔 隙系统发 育特征 与煤层  气可采性研究 [ J ]. 煤炭科 学技术 ,2 O O 6 ,3 4( 3 ) ,  
6 4—6 8.  

( 4 )加 强 固相控 制技术 

加 强 固相控制 技术 ,及 时清 除钻井 液 中的无 用  固相 ,也是 减轻钻 井液 对储层 伤 害的有 效技术 途 径 
之 一 。应充 分利用 地表 的循环 槽 ,循环槽 端 面尺 寸 


[ 4 ]   王忠勤 . 煤层 气储层保 护技术研 究 [ J ]. 中 国煤 田  
地 质 ,2 0 0 1 ,1 3( 9 ) ,2 9 —3 0 .  

般高 2 0 0~2 5 0 a r m,宽 3 0 0 m m,长 度 1 6—2 5 m 不 

[ 5 ]   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 ,2 0 0 6 ,  
2 6( 3 ) ,9 0 —9 4 .  

等 ,坡度 在 1 / 1 0 0  1 / 3 0 0之 间 ;采 用 机 械 净 化 方 

法 ,配齐振动筛 一 除砂器 一 离心机等固控设备 ;结  合 化 学 净 化 方 法 ,采 用 P A M、P H P等 化 学 絮 凝 剂  清除微 小 固 相 颗 粒 。要 确 定 P A M、P H P加 量 的 多 
少 ,需做小 样实 验 ,不可盲 目地 一次性 加量 过大 。  

[ 6 ]   张天龙 ,屈 俊瀛 ,霍 仰春 . 低 固相 聚合 物钻井液 在  山西 煤 层 气井 中的应 用 [ J ].西安 石 油 学 院学 报  ( 自然科学版 ) ,2 0 0 1 ,1 6( 1 ) ,3 3 —3 6 .  

[ 7 ]   符党替 , 崔迎春 , 王成 彪 . 煤 层气井 储层保 护钻井 工  艺[ J ] . 煤 田地质与勘探 , 2 0 0 1 , 2 9 ( 3 ) , 6 2 —6 4 .   [ 8 ]   王富华 ,邱正松 ,冯京海 ,等 .“ 超广谱”屏 蔽暂堵  钻井完井液新技 术 室 内研 究 [ J ]. 石 油 钻探 技术 ,  

4 结 论 
论文 分 析 了我 国煤层 气 勘探 开 发 现状 和前 景 ,   分析 研究 了煤层 气钻 进过程 中的储层 伤害 机理 ,针 

2 0 0 1 ,2 9( 5 ) ,3 9 .  

( 责任 编辑

韩 甲业 )  


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