煤层气水平井钻井液发展现状

钻井液发展概况煤层气储层特征煤层气钻井液发展钻井液对储层的伤害类型煤层气水平井钻、完井液体系建立应用实例分析主要内容2019/9/292钻井液发展概况煤层气储层特征煤层气钻井液发展钻井液对储层的伤害类型煤层气水平井钻、完井液体系建立应用实例分析主要内容√2019/9/293钻井液服务于钻井工程。它直接关系着钻井质量的优劣、速度的快慢、采油、采气的多少、甚至钻井工程的成功与失败。因此，被誉为钻井的“血液”。解放初期，我国的钻井液技术非常落后，当时对处理浅层松软粘土造浆和水泥侵入都力不从心。解放后，随着我国石油勘探工作的迅速展开，钻井液技术也迅速地发展起来。1983年改革开放以后，对照世界钻井液技术发展，我国开始有计划地发展钻井液技术。随着“七五”、“八五”国家科研攻关计划实施，为配合钻井工程方面开展的“定向井、丛式井钻井技术”、“水平井钻井技术”等课题的完成，钻井液技术进行了“新体系”的研制和机理攻关，取得了多项突出成果，钻井液处理剂已发展到19大类200多个品种。钻井液专业队伍日益庞大，并与国际有着广泛的联系和交流，使中国钻井液总体水平接近了国际水平。2019/9/2941钻井液发展概况目前钻井液已经被广泛运用于：地质、矿产、冶金、煤炭、资源、能源、环境、交通、建筑钻井液逐步向多用途、多功能、专业性发展•水基钻井液油基钻井液聚合物钻井液可压缩钻井液从钻井液系列的发展情况来看，水基钻井液经历了从分散钻井液到不分散钻井液等发展阶•细分散钻井液粗分散钻井液、不分散低固相钻井液2019/9/2951钻井液发展概况—1958年，完全絮凝剂-聚丙烯酰胺成功应用；—1960年，选择性絮凝剂-部分水解聚丙烯酰胺和醋酸乙烯酯与顺丁烯酐的共聚物成功应用；—60年代初，研制出具有特殊剪切稀释作用的生物聚合物，可用于钻井液、压裂液、聚合物驱提高采收率等方面；—70年代，为解决深井抗高温问题，研究并应用磺化系列处理剂：磺化酚醛树脂（代号SMP）、磺化褐煤（代号SMC）、磺化单宁和栲胶（代号SMT、SMK）等；—70年代中期，研究并应用有机阳离子聚合物、两性离子聚合物等；—80年代后，表面活性剂在钻井液中开始广泛使用；—90年代后，聚合醇、合成基、甲酸盐等环保型强抑制钻井液开始使用。2019/9/2961钻井液发展概况2019/9/2971钻井液发展概况钻井液在钻进过程中的作用冷却钻头与润滑钻具排离与携带岩屑护壁与堵漏破碎岩石提高岩心的数量和质量传递动力保护储集层钻井液发展概况煤层气储层特征煤层气钻井液发展钻井液对储层的伤害类型煤层气水平井钻、完井液体系建立应用实例分析主要内容√2019/9/298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。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。2019/9/2992煤层气储层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。煤的岩石学特征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。煤的显微组分2019/9/29102煤层气储层特征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。2019/9/29112煤层气储层特征煤的化学结构原生孔隙：在沉积时就已存在的孔隙，称为原生孔隙。次生孔隙：指在煤化作用过程中形成的孔隙，称为次生孔隙。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。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。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。2019/9/29122煤层气储层特征煤的孔隙成因类型煤岩裂隙系统特征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。2019/9/29132煤层气储层特征煤的渗透率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（低收缩率或不收缩煤层的主要影响因素）。2煤层气储层特征有效应力煤基质收缩克林伯格效应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（高收缩率的煤层的主要影响因素）。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。2019/9/2914钻井液发展概况煤层气储层特征煤层气钻井液发展钻井液对储层的伤害类型煤层气水平井钻、完井液体系建立应用实例分析主要内容√2019/9/2915国外煤层气勘探开发始于上世纪七、八十年代尤其以美国、澳大利亚、加拿大作为代表，其起始阶段煤储层保护的主导思想是以常规油气钻井液为基础，根据煤层一些表象特性进行相关的改进。如煤层属裂缝性地层和煤本身具有亲油性，在钻井液中通常添加磺化沥青，以希望通过磺化沥青在煤层表面形成泥饼，而起到防塌、防漏作用。实际应用中，磺化沥青不能在煤层表面形成致密封堵层。储层保护未能收到应有效果。煤是一种含多孔介质的大分子聚合物，具有大分子聚合物的一些特点，如很强的吸收或吸附各种液体和气体而发生煤岩基质膨胀的能力。通过对煤岩结构的分析，为了达到保护煤储层的需要，上世纪80年代美国普遍使用清水作为钻井液。国外技术现状3煤层气钻井液发展2019/9/2916后来美国CDX公司发明了“生产井注气+清水泥浆”的钻井模式，即，通过“穿针工艺技术”将一口水平井与一口直井进行近端对接，然后利用空气压缩机从直井注气，在水平井直井段形成气液两相流，大大降低对煤储层的压差作用，有效保护了煤储层。加拿大阿尔伯塔盆地作业的Encaca公司，发明了一种大分子聚合物钻井液体系，其能够在钻开煤层短时间内将井壁周围的煤割理系统进行封堵，钻完后，用其单位自主研发的破胶剂（BREAKER）进行洗井，将煤割理中的大分子聚合物降解，从而达到保护储层的目的。3煤层气钻井液发展2019/9/2917国外技术现状自上世纪90年代初我国开始煤层气开发以来，一直重视钻井过程中的煤层气钻井液研究。我国煤层气钻井液的发展：一方面从石油钻井、煤田地质钻探上吸纳改进，另一方面也积极引进国外的煤层气钻井液先进理念和工艺。而对于完井液在煤层气储层保护方面的研究国内甚少涉及。“四低”(低固相、低粘度、低密度、低失水量)钻井液被用于煤层气开发。它的基础配方由造浆性强的粘土(如人工钠土NV-1)和多功能处理剂(如调节钻井液的流变性能的生物聚合物XC)构成。代表性的钻井液：在基础配方中加入低粘增效粉形成低固相钻井液体系。在基础配方上通过储层岩石表面形成桥式胶体结构，阻止外来颗粒和滤液侵入的MMH正电胶体系钻井液技术。3煤层气钻井液发展2019/9/2918国内技术现状由于PHPA(水解聚丙烯酰胺)起到絮凝钻井液中钻屑、劣质粘土，改善钻井液流动性，减小摩阻，提高钻速的作用；钠羧甲基纤维素(CMC)或聚丙烯腈铵盐(NPAN)降失水剂可降低钻井液滤失量，抑制泥岩水化膨胀和保持井壁稳定，提高钻井液悬浮和携带岩屑能力；润滑剂R59可提高钻井液的润滑携砂能力，减少钻具回转阻力；超细碳酸钙等暂堵剂具有封堵煤岩割理的作用。它们形成无固相钻井液技术也应用于煤层气开发。近年来，通过对区域内煤层构造及煤岩性质研究后，采用清水加抑制剂钻井液对煤层进行钻进、绒囊（微泡）钻井液、生物可降解钻井液。3煤层气钻井液发展2019/9/2919国内技术现状清水加抑制剂：针对煤层条件较好的，可钻性强的煤储层采用清水加抑制剂能够最大限度的降低对煤层的伤害，保证了煤层吼道、裂隙畅通，为后期煤层气排采提供了优良的先决条件。绒囊钻井液：绒囊钻井液是研究和应用石油天然气微泡类钻井液过程中发展起来的一种高效封堵体系。绒囊钻井液通过由空气、表面活性剂和高分子聚合物组成的绒囊状封堵材料暂堵裂隙,完井后自动解堵。可降解钻井液：采用可降解钻井助剂，配制成无固相钻井液，待完钻后替入完井液，对钻井液进行降解、并适当改善污染带，提高近井渗流能力。3煤层气钻井液发展缺点：不是所有煤层都适应，常用于直井！缺点：尚处于现场运用初级阶段，各项参数尚需继续完善！绒囊示意图2019/9/2920国内技术现状钻井液发展概况煤层气储层特征煤层气钻井液发展钻井液对储层的伤害类型煤层气水平井钻、完井液体系建立应用实例分析主要内容√2019/9/2921敏感性伤害微粒运移固相侵入水锁结垢损害类型应力敏感4钻井液对储层伤害类型2019/9/2922敏感性伤害（1）水敏伤害：指与储层不配伍的外来流体进入后，引起粘土膨胀、分散运移，导致渗透率下降的现象。（2）酸敏伤害：指酸液进入后与酸性矿物，产生凝胶、沉淀，或释放微粒，致使渗透率下降。（3）盐敏伤害：盐度的递减引起粘土矿物水化膨胀，不同盐度的溶液中，将出现渗透率下降的现象，这一现象与储层的水敏性有关。（4）碱敏伤害：指pH值大于7的溶液进入储层后，与储层岩石或储层液体接触，并使储层渗透能力下降的现象。其主要是由于地层水和地层矿物中的二价离子（如：Ca2+、Mg2+等）与碱中的钠离子交换。（5）速敏伤害：指因流体流动速度变化引起地层中微粒运移、堵塞喉道，造成渗透率下降的现象。常以3种形式：一是细粒在喉道处平缓地沉积、二是一定数量的微粒在喉道处产生“桥堵”，堵塞流动通道、三是较大颗粒恰好嵌入喉道，形成“卡堵”。4钻井液对储层伤害类型2019/9/2923钻井液、完井液等各种工作液往往含有两类固相颗粒：一类是为了保持工作液密度、粘度和流变性等而添加的有用颗粒及桥堵剂、暂堵剂等；另一类是有害颗粒及杂质甚至岩屑等固相污染物。由于井眼液柱压力与地层压力间不平横，这些外来固相颗粒就要从裸露的井壁壁