煤层气开采过程中储层损害原因分析及保护措施探讨

　　摘要：

在大多数煤储层中，都含有机械强度相对较低、应力敏感性相对较强，并伴随着微裂缝分布极为广泛等诸多特性。故此，当进行钻井时，很容易由于钻井液或者过多的钻井压力，而造成自身的损害，从而严重影响到最终的煤层气开发效果。本篇文章，主要基于钻井方面的相关技术，力求对煤储存层进行有效的保护，并且针对钻井有可能对煤层气储层造成一定损害的主要原因，进行了更深层次的细致分析。认为钻井液的性质，钻井过程中对井眼底部压力均对储层造成伤害。通过改变钻井方式，钻井技术以及固相控制技术等方式均会减轻钻井过程中对储层的伤害。通过泡沫钻井液进行储层保护方案成功应用于寺河矿区块的煤层气开采，从而切实提升了该区域的煤层气实际开发效率。

　　关键词：煤层气；储层保护；泡沫钻井；钻井液；储层损害

　　0.引言

我国是能源大国，并且煤炭资源丰富，为人们提供了良好的物质条件。煤层气是近些年来出现在人们生活以及工作中较为洁净、优质的新能源，也是化工作业中的原料，通常被称为“瓦斯”，实际上，煤层气主要存在于煤层当中，大多通过甲烷的形式加以呈现，通常牢牢吸附于煤基质颗粒的表面，很少以游离态的形式溶于水中。

　　1.煤层气开采技术现状及发展趋势

　　1.1煤层气开采技术现状

现如今，中国的钻井现状并不顺利。实际上，煤层气对于中国而言，是尤为关键的。一旦煤层钻井发生问题，将会直接造成大面积污染，从而降低煤层气的实际质量。故此，研究者需要针对中国在当前时期的煤层钻井现状，进行深入的细致分析。

通常情况下，煤层的位置居于岩石的最底层，并且脆性较强，硬度较低，一旦出现岩石挤压现象，将很有可能出现变形，甚至坍塌，尤其在开采煤层的过程中，更容易出现坍塌现象，长此以往，下限甚至坍塌的频率将会越高。除此之外，煤层很容易受到污染，然而，煤层的实际开采环境，一般来说相对复杂，或许会出现煤层气泄露或者污染的现象，特别当进行施工时，由于施工技术的局限性，将很容易造成不易察觉的煤层气污染，从而使得煤层气污染面积持续扩大，源源不断浪费诸多煤层气资源。值得一提的是，煤层通常出现在岩石底部深处，当施工方对其进行开采的过程中，很有可能由于距离的限制因素，而无法进行开采，并难以对煤层气及其井储层，进行恰当的保护。

　　1.2煤层气开采技术发展趋势

根据相关统计，能够得知，中国在不超过地底直线距离2000m的浅煤气层，所含有的资源量大约为3.67×1013m3，名列全球第三。近年来，全球资源短缺现象明显，在此背景下，开采非常规能源煤层气，成为各个国家的主要研究方向。其中，最佳的开采方式，是基于压裂改造储层，保持其和井筒之间的通畅性。然而，现如今，这项技术尚未成熟，有待于进一步研究。

　　2.煤层气储层伤害机理分析

　　2.1钻井液对储层的损害

(1)由于微粒运移及其相应的粘土膨胀，而直接导致的储层损害

对于大部分煤岩裂隙而言，其孔隙度一般相对很低，保持在1%~2%的范围，当钻井液中的滤液，已经渗入煤岩，则将会造成煤基质膨胀，从而切实降低煤岩裂隙的孔隙度及其实际渗透率。此外，钻井液中存在的固相颗粒，一般会跟随裂隙持续流动，或者直接残存于孔隙当中，严重损害储层。

(2)由于储层无法适应外来流体，而造成的相关损害

对于外来流体而言，如果其不能和储层中存在的粘土矿物相适应，则将会直接造成粘土矿物自身的水化膨胀或者絮凝沉淀，从而直接造成储层渗透率相对较低；此外，如果碱液成功渗入储层，还将会和储层流体中存在的无机离子，进行有机结合，通过盐垢的形式呈现出来，严重危害储层。与此同时煤层的水锁程度也较高(25%~50%)，并且煤层渗透率越低其水锁伤害程度越大。

(3)由于聚合物类泥浆成功渗入煤层，而引发的一系列储层损害

对于聚合物类泥浆而言，当其成功渗入煤层时，由于自身存在的吸附作用，将会造成粘土絮凝堵塞，并同时进行羧基水化作用，从而直接导致粘土膨胀堵塞，有效减少储层的实际渗透率。

　　2.2钻井压力对储层的损害

相较于普通的储集岩而言，煤储层存在一定的差异性。实际上，煤所含有的弹性模量相对较小，通常保持在2.1×104~6.3×104kg/cm2的范围内，然而，普通储集岩所含有的弹性模量一般保持在1.1×104~4.2×104kg/cm2的范围内；除此之外，煤所含有的泊松比通常保持在0.27~0.4的范围内，然而，普通储集岩所含有的弹性泊松比一般不高于0.2。这意味着，煤相较于岩石来说，更容易被压缩。虽然煤基质块中含有的泊松比相对较高，然而，由于煤中存在天然发育的诸多裂隙，故此，有效减少了煤的实际强度，使其更容易碎裂。综上得知，当进行实际钻井时，即使存在较小的压力变化，都将伴随着实际渗透率的较大改变。基于相关实验，能够得知，如果压力持续递增，则煤所含有的渗透率将随之递减。并且当有效应力已经递增至140.6kg/cm2，则对于煤来说，其实际渗透率将减少1~2个数量级。通过对煤样进行频繁的加压—卸压，能够得知，加压将会较少煤的实际渗透率，卸压则将小幅度提升煤的实际渗透率。事实上，当进行钻井时，由于压力的变化，煤将很有可能依照上述实验，产生类似的变化。

一般情况下，由于钻井压力的变化，而对储层直接造成的伤害，将主要通过钻井液压力的改变及其钻杆柱压力的改变来实现。如果在下钻的过程中出现压力激动，则将可能会加深此类伤害。当进行过平衡钻进的过程中，井内循环液的压力通常都会高于煤层的压力，从而减少井筒周边作用的纯应力，并以此来提升煤层的实际渗透率。除此之外，钻井液中存在的诸多胶体颗粒及其多样化细微颗粒，如果吸附于煤层的孔隙喉道表面，则煤层或许会出现各种类型的敏感反应，并生成相对应的不溶性沉淀物，大幅度提升钻井液相对于煤层的实际侵入压力，进而有效减少实际渗透率。当进行欠平衡钻进的过程中，井内循环液的压力通常都会低于煤层的压力，从而提升井筒周边作用的纯应力，并以此来永久降低煤层的实际渗透率。

如果在下钻的过程中出现压力激动，则将可能会加深对煤层的伤害。故此，当进行上下钻的过程中，需要谨慎小心，防止压力突变，才能保护储层。

　　3.煤层气储层保护方案

　　3.1钻井方式选择

在大多数煤储层中，都含有相对较强的应力敏感性，并伴随着微裂缝分布极为广泛等诸多特性。故此，环空压力和地层压力彼此之间存在的差异性，将会与日俱增，如果泥浆侵入储层量及其深度均持续递增，则将会愈加损害储层。曾经有研究者，基于多样化流体介质，来研究对储层的实际损害，根据相关试验结果得知，如果通过过平衡压力来进行钻井，则由于环空压力远远超过地层压力，并且泥浆侵入储层量及其深度均持续递增，将会愈加损害储层；如果通过平衡压力来进行钻井，即使并不会对储层造成实质性的损害，然而，却难以精确控制压力，当产生压力波动的情况下，也许会出现瞬间的过平衡现象，严重损害到储层；如果通过欠平衡压力进行钻井，则由于环空压力远远小于地层压力，并且泥浆侵入储层量及其深度均难以增长，将能有效规避储层损害。综上所述，煤层气在钻井的过程中，需要结合煤层物性及其自身的压力特性，科学选择相对合理的钻井方式，如果地层条件较为良好，则应该通过气体钻井等欠平衡方式，进行钻井工作。

　　3.2最大允许起下钻速度计算

对于煤岩而言，其通常含有相对较强的压力敏感性，在此情况下，如果下钻速度过大，则将会直接损害到煤储层。故此，当进行下钻的过程中，应该精确计算出不会对煤储层造成直接损害的最大允许速度，其中，波动压力的相关计算，是至关重要的。其一般取决于井身结构及其钻具尺寸等综合因素。故此，当针对下钻速度，进行实际计算的过程中，首先，需要预先设定下钻速度，并计算出井筒流体表现出的实际返排速度。其次，基于雷诺数，针对上述流态，进行精准判断，同时计算出井底和地层薄弱位置存在的波动压力及其相应的井内动压力，再根据其中存在的地层压力及其相应的破裂压力，大致估算出井内是否安全。如果并不安全，则应该进行重复试算。其中，波动压力的具体计算公式大致如下：

Psw=0.196fρmυ2L/(D-d)

在上述公式中，Psw代表波动压力，单位为MPa；ρm主要代表钻井液密度，单位为g/m3；υ主要代表流体返排速度，单位为m/s；f主要代表摩阻系数；L主要代表运动管柱长度，单位为m；D主要代表环空直径，单位为m；d主要代表管柱外径，单位为m。

　　3.3采用低固相或无固相钻井液

实际上，钻井液中存在的多样化固相，也将会直接损害到煤储层。故此，当进行钻井的过程中，应该尽可能降低造浆土含量，通过添加低固相甚至是无固相的钻井液来代替。除此之外，还能添加适量的聚合物，例如：NH4HPAN、XC、CMC等，来帮助钻井液保持低密度、切力、失水及其粘度等诸多特性，从而保护煤储层；尽可能降低井液相对于煤储层井壁而产生的冲刷作用；并通过泥饼形态封堵煤层表面存在的微裂缝，有效保护煤储层。

　　3.4采用欠平衡钻井技术

在当前时期，全球最为前沿的钻井技术，即为空气钻井技术，其能够切实提升钻井速度，甚至于高达普通钻井速度的2~15倍，并能有效缩短实际钻井周期。如果井壁相对稳定，并不含水、硫化氢等物质，则将满足空气钻井技术的适用条件；实际上，空气钻井必须含有相对完善的设备配套，其中，主要包含供气注入系统、排砂取样系统、及其多样化附属配套工具等。

在现今为止的欠平衡钻井技术中，泡沫钻井的应用范围相对广泛。对于泡沫钻井液而言，其中所存在的表面活性剂表现为两亲结构，可以切实减少钻井液体系中存在的表面张力，并减少滤液基于地层裂缝通道内部存在的毛细管力，延缓水锁效应。在当前时期，较为典型的表面活性剂，主要包含十二烷基苯磺酸钠、OP-10及其太古油等，根据详细的地层情况，来合理选用相应的产品与剂量。除此之外，由于泡沫钻井液含有一定的低密度特性，故此，液柱压力显得相对较低，能够有效保护煤储层。

充空气欠平衡钻井的基本原理，在于通过向泥浆充气，切实降低其所含有的当量密度，使得液柱相对于井底的实际压力持续减少，并于井底产生负压差。通常情况下，对于煤层气多分支水平井来说，其所运用的最为典型的注气方法为两种，其中，主要包含洞穴井井筒注气法，该方法工艺相对简洁，并且无需耗费高昂的生产成本，适用于垂深不高于500m的浅煤层气开发。此外，包含油管注气法，将空气持续注入钻井液中，保持欠平衡，适合于地层压力系数保持在0.7~1.0g/cm3范围内的储层，即使地层出现数量性出水现象，也不会受到任何影响。

双壁钻杆空气—液体循环钻井技术的本质，在于将压缩空气，跟随内钻杆和外钻杆的缝隙，持续压向预定位置，以此来提升上部钻井液的实际上返速度，有效减少井内钻井液和泥浆的实际压力，通过降低泥浆的比重，来保护煤储层，此类方式，较为适用于复杂煤储层。

空气潜孔锤钻井技术的本质，在于将压缩空气，作为自身的动力介质，此外，通过驱动潜孔锤进行工作，利用压缩空气带出岩屑。如果某区域的水文地质条件相对良好，则运用此类方式，能够有效提升实际生产效率，并切实保障钻井质量与煤储层的良好渗透性，保护环境。

　　3.5采用屏蔽暂堵技术

在研究初期，屏蔽暂堵理论的主要研究对象，为空隙型油气储层的正常保护。然而，在当前时期，其已经成为了钻井完井储层保护领域的核心技术，并且获得了相对广泛的实际应用。如果将其运用于低渗储层或者普通的屏蔽暂堵型聚合物钻井液体系，将会获得相对良好的封堵效果。

基于孔喉分布曲线及其渗透率，再结合屏蔽暂堵理论，选择细目碳酸钙等诸多材料，针对和孔喉直径配伍的多样化酸溶性暂堵剂，进行更深层次的细致研究；通过选择羧甲基纤维素钠及其魔芋等相关聚合物，针对暂堵型钻井液，开展深入的详细研究，保障卓越的护壁效果，当完成钻进时，聚合物又会自行降解，使得煤储层自动恢复本身渗透性。

　　3.6加强固相控制技术

应该切实增强固相控制技术，并且针对钻井液中存在的诸多无用固相，进行及时清除，再借助于地表循环槽，利用机械净化方法，并且配备完善的振动筛-除砂器-离心机等多样化固控设备；除此之外，将化学净化方法作为辅助，选择PAM等性能优良的化学絮凝剂，针对数量性的微小固相颗粒，予以及时清除，从而控制钻井液含有的固相颗粒数目。

4.泡沫钻井液煤层钻井中的应用分析

利用混合水、空气及其相应的表面活性剂，成功制备出泡沫。由于泡沫含有相对较宽的粒径分布，故此，能够广泛应用于裂缝的封堵。利用架桥方式，能够尽可能降低钻井液渗入储层，从而保护煤储层。实际上，泡沫钻井液配制简单，性能稳定，具有密度低，动塑比高，携砂能力强，钻速快等特点，可以应用于煤层气钻井。

下面介绍一种可行的泡沫钻井液体系：

3%土浆+0.40%ZNJ+1.5%FLO+2%KCl+0.5%FPJ

其中ZNJ为复合增粘稳定稳定剂、FLO为降滤失剂、KCl为抑制剂、FPJ为发泡剂。

表1泡沫钻井液储层保护效果评价

表1是山西一口煤层气井的储层渗透率评价，从表1可以看出泡沫钻井液对储层的保护效果很好。

对于地层出水较大的煤层气井适合采用泡沫钻井液体系，但当地层出水超过一定量而严重影响泡沫钻井时，泡沫钻井转换为常规钻井液钻井。事实上，就是在井口表面，安装独立的转换三通，随后，当泡沫钻井工作完成时，只需要及时倒换井口闸阀，就能实现直接转换，不需要进行起钻。泡沫钻井时地层出水会导致裸眼段的泥页岩水化膨胀，造成井眼缩径或井壁坍塌；岩屑水化后很容易形成滤饼环，堵塞环空通道。目前主要通过增大注气排量，同时增大发泡胶液注入量，保证泡沫携砂需求。泡沫钻井过程中，应根据井深和所钻地层特性适时调整发泡剂和稳泡剂的种类与加量，合理控制泡沫的半衰期，以便使泡沫及时破裂变成泡沫液而回收。本文基于山西煤层气开发试验区中，所存在的多口煤层气井钻井资料，进行更深层次的细致比对，分析得知，一开表层套管的下深大约保持在100m，而二开主要选择利用φ152.4mm的钻头，来实现空气钻进。并且下入φ127mm生产套管，作用于固井完井且科学合理的井身结构。其中，最佳空气钻井的相关施工参数大致如下：钻压需要保持在30～80KN的范围，转速需要保持在50～70r/min的范围，注气量需要保持在35～60m3/min的范围，注入压力需要保持在0.6～2.0MPa的范围。

　　5.结论

1）煤层气的开采对于我国低碳发展具有重要作用，因此，在开发煤层气过程中应该尽量保持储层无污染，改变钻井液体系、合理控制钻压对与储层保护具有重要作用。

2）通过改变钻井方式，钻井技术以及固相控制技术等方式均会减轻钻井过程中对储层的伤害。通过泡沫钻井液进行储层保护方案成功应用于寺河矿区块的煤层气开采，对煤层气开采具有指导意义。

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