(1.中國尤氏大學石油工程學院，青島266555；2.江蘇南京華東石油局工程技術設計研究院210031)
基金項目:國家自然科學基金“頁巖氣儲層保護機理與方法研究”(編號:41072094)；中國尤氏大學自主創新“煤層氣儲層保護技術及評價新方法研究”(編號:10X04010a)。
作者簡介:黃偉安，男，副教授，從事油氣井化學工程領域。郵箱:master Huang 1997 @ 163 . com .
摘要:做好煤層氣儲層保護工作，對於有效開發利用煤層氣，彌補我國石油天然氣供應不足，減少溫室氣體排放，減少環境汙染，防止礦難頻發具有重要意義。利用X射線衍射、掃描電鏡、頁巖膨脹實驗、頁巖分散實驗、薄片分析、壓汞分析、潤濕性測試和敏感性評價等方法，分析了山西沁水盆地煤層氣儲層的損害機理。在此基礎上，研究了針對性的保護對策，優選出表面潤濕性改善劑SD -905和水敏抑制劑SMYZ-2。最終研制出山西沁水盆地煤層氣儲層鉆井液:0.4% SD-905+0.5% SMYZ-2溶液，該溶液對濕態煤層氣儲層巖樣滲透率傷害最低。
關鍵詞:煤層氣；損傷機理；儲層保護；表面潤濕性；鉆探泥漿
煤層氣傷害機理及保護對策研究
黃偉安1，邱正松1，王燕琪2，馬永樂1，鐘漢義1，白雪飛1
(1.中國石油大學石油工程學院，青島266555；2.華東石油局工程技術設計研究院，南京210031)
文摘:保護好煤層氣藏可以促進煤層氣的開發和利用，彌補我國石油和天然氣供應的不足，減少溫室氣體的排放，減輕環境汙染，防止礦難的發生。首先，通過X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、內襯膨脹試驗和熱軋分散試驗、薄片分析、壓汞分析、潤濕性測定和敏感性評價，對山西沁水盆地煤層氣儲層損害機理進行了綜合分析。在此基礎上，開展了有針對性的保護對策研究，篩選出表面潤濕性改性劑SD-905和水敏抑制劑SMYZ-2，研制出濕態下對組分滲透率傷害最小的0.4% SD-905 +0.5% SMYZ-2的山西沁水盆地煤層氣儲層鉆井液。
關鍵詞:煤層氣；儲層保護；表面潤濕性；儲層鉆井液
介紹
煤層氣是儲存在煤層孔隙中的天然氣。中國煤層氣資源豐富，居世界第三位，估算為31.46×1012m3，相當於450億噸標準煤，350億噸標準油，相當於陸上常規天然氣資源量[1，2]。煤層氣藏是自生的，儲存在煤層中，不同於常規天然氣需要大規模運移才能成藏，也與常規砂巖、碳酸鹽巖儲層有很大區別。具有高吸附性，低滲透性，易被壓縮破碎[3 ~ 5]。這些特點決定了在煤層氣鉆井過程中，對煤層的傷害遠大於常規儲層，對煤層氣儲層的傷害直接影響煤層氣的解吸、擴散、運移和後期的排采[6 ~ 8]。因此，煤層氣儲層損害問題值得特別關註。針對山西沁水盆地煤層氣鉆井中的儲層保護和井壁穩定技術難題，研究了煤層氣儲層損害機理及保護對策。
1煤層氣儲層巖石組成與結構
山西組(P1s)地層厚度34.00～63.80m，平均厚度約48.90m，與下伏太原組呈整體接觸。下部主要為灰色、灰黑色、深灰色、灰黑色和黑色泥巖、炭質泥巖、粉砂巖和砂質泥巖。底部為K7砂巖，為厚層狀中細砂巖，厚度0 ~ 6.07m，平均厚度1.48m，主要有2、3號煤層。其中2號煤層為全區穩定可采煤層，煤層氣井深936.2 ~ 941.1m，視厚度4.9m，定量計算該層灰分低5.59%，固定碳含量高86.22%，含氣量7.83m3/t，孔滲性差。綜合分析認為，該層是該井厚度最大、物性最好、含氣量最高的煤層。此外，其泥質含量較高，為含脈石的炭質泥巖。3號煤層為較穩定的局部可采煤層，上部為中細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖互層，其中包括不穩定的1號煤層。
煤層氣儲層損害機理研究
2.1煤巖成分分析
選取塔河油田復雜層位的巖石樣品，用D/max-ⅲA型X射線衍射儀進行分析。
表1 X射線衍射全巖礦物成分分析
5號和6號樣品分別含有3%和2%的托貝石(NH4Al3Si3O10OH)，表中未計算其含量。
從表1可以看出，沁水盆地煤巖的主要成分是碳，其次是應時、方解石、粘土礦物和黃鐵礦，但各巖樣的含量差異較大。
從表2可以看出，山西沁水盆地煤巖中的粘土礦物主要是高嶺石和綠泥石。H3井(708.73 ~ 708.438+0m)含不同程度的伊蒙混層，混層占中間層的比例不高，為20%。
表2煤和巖石的X射線衍射粘土礦物相對含量
圖1煤巖水化分散性能測試結果
圖2煤巖水化膨脹特性試驗結果
2.2煤巖物理化學性質分析從圖1可以看出，山西沁水盆地煤巖水化分散回收率很高，達到93%以上。相對而言，H3井708.73 ~ 708.438+0m煤巖采出率較低。
從圖2可以看出，山西沁水盆地煤巖膨脹率很小，屬於弱/難膨脹巖樣。相對而言，H3井708.73 ~ 708.9438+0m巖樣的膨脹率較高。
2.3煤巖顯微結構、孔隙度和滲透率分析
(1)的微觀結構分析。從圖3可以看出，H2井504.55米巖樣微裂縫發育，傾向較好，混有應時和粘土礦物。
(2)孔隙度和滲透率結構分析。從圖4和圖5可以看出，H2井502.89米和504.55米煤巖中都存在割理，502.89米煤巖中存在“溶蝕孔”，504.55米煤巖中割理連通性較好。
測得7)H2井502.89米煤巖孔隙度為5.394%，最大孔喉半徑為10.4385μm，平均孔喉半徑為2.3174μm，最大汞飽和度為29.25%，除汞效率為61.778%。測試結果表明，H2井502.89米煤巖是典型的低孔隙度裂縫性儲層，對滲透率有貢獻的孔隙大小在10.43 ~ 2.5微米之間..
2.4煤的潤濕性試驗
8)H2井502.89米煤巖對去離子水和標準鹽水的平均接觸角分別為62.63°和65.71°，為弱親水，對標準鹽水的潤濕性較差。原因是H2井502.89米煤巖測試點主要為灰色惰質組地層。通常，在暗惰質組測得的接觸角小於在亮鏡質組測得的接觸角。
圖3 H2井504.55米煤巖掃描電鏡照片。
圖4 H2井502.89米煤巖薄片顯微照片。
圖5 H2井504.55米煤巖薄片顯微照片。
圖6和圖2 502.89米井內煤巖壓汞曲線。
2.5煤巖應力敏感性分析
選取H2井502.89米巖樣，研究了圍壓對滲透率的影響。圖9的結果表明，隨著圍壓的增加，即H2井502.89m煤巖上的凈應力增加，巖樣的滲透率降低，隨著圍壓的降低，在加壓過程中滲透率恢復值低於相應凈應力下的滲透率恢復值，表明煤巖樣品具有應力敏感性。
綜合以上分析，山西沁水盆地煤層氣藏典型的低孔隙度裂縫性儲層可以概括為:(1)粘土礦物和微裂縫存在潛在的水敏損害；煤巖表面屬於弱親水性，存在潛在的水鎖損害；有很強的應力敏感性損傷。
圖7 H2井502.89米煤巖汞飽和度直方圖和滲透率貢獻累積曲線。
圖8 H2井502.89米煤巖潤濕性(接觸角)測試結果。
圖9圍壓對煤滲透率的影響
煤層氣儲層保護措施研究
針對山西沁水盆地煤層氣儲層損害機理，采取技術措施強化抑制和改善煤層氣表面潤濕性，保護鉆井液。
3.1表面潤濕性改進劑優先。
從圖10可以看出，0.4% SD-905溶液浸泡後，H2井502.89m煤巖親水性增強，表現出較強的親水性，明顯降低了水鎖效應，減少了水相對煤巖滲透率的損害，有利於煤層氣儲層保護。
圖10 H2井502.89米煤巖潤濕性測試結果(0.4% SD-905溶液浸泡後)
3.2水敏抑制劑的優化
從圖11可以看出，H2井502.89m煤巖在自來水中的膨脹高於5% SMYZ-1和2% SMYZ- 2溶液，5% SMYZ-1和2% SMYZ-2溶液可以使H2井煤巖“收縮”。
圖11水敏抑制劑優化結果
3.3外來流體對煤層氣儲層滲透率的損害評估
用純度為99.999%的高純氮氣進行巖心流動實驗，評價外部流體對煤滲透率的損害。測試了雜質流體作用前巖心高純氮氣的氣體滲透率K0、雜質流體作用後濕巖心高純氮氣的氣體滲透率K01和雜質流體作用後幹巖心(60℃幹燥)高純氮氣的氣體滲透率K02。
(1)分析了山西沁水盆地煤層氣儲層樣品對0.05% XC溶液的敏感性。
(2)分析山西沁水盆地煤層氣儲層巖石樣品對0.4% SD-905+5% SMYZ-1.5%的敏感性。
(3)分析山西沁水盆地煤層氣儲層巖石樣品對0.4% SD-905+2% SMYZ-2的敏感性。
(4)分析山西沁水盆地煤層氣儲層樣品對0.4% SD-905+0.5% SMYZ-2的敏感性。
(5)分析山西沁水盆地煤層儲層巖石樣品對去離子水的敏感性。
從表3的試驗結果可以看出，各種外界流體對巖心滲透率都有不同程度的損害，0.05% XC溶液對巖心滲透率的損害達到100%。0.4% SD-905+5% SMYZ-1溶液對巖心滲透率的損害也在90%以上；0.4% SD-905+2% SMYZ-2溶液和去離子水對巖心滲透率的損害約為60%。0.4% SD-905+0.5% SMYZ-2溶液對煤巖滲透率的損害最小，低溫幹燥後巖樣滲透率恢復值達到124.1%。根據以上實驗結果，推薦使用0.4% SD-905+0.5% SMYZ-2溶液鉆山西沁水盆地煤層氣藏。
表3外部流體對煤滲透率危害性評價結果
4結論
(1)山西沁水盆地煤層氣儲層是典型的低孔低縫儲層，其損害機理主要有:含粘土礦物，具微裂縫，潛在水敏損害；煤巖表面屬於弱親水性，存在潛在的水鎖損害；有很強的應力敏感性損傷。
(2)SD-905能改善煤層氣儲層表面潤濕性，SMYZ-2能使煤巖膨脹甚至“收縮”，釋放孔隙；0.4% SD-905+0.5% SMYZ-2溶液對濕態煤層氣儲層巖樣的滲透率傷害最小，推薦作為山西沁水盆地煤層氣儲層鉆井液。
參考
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C。SPE，2010，133100。