高pH值流体对煤岩储层的损害评价

煤层气钻井、压裂等作业过程中高pH值工作液必然与煤岩接触,工作液与煤岩接触后将使煤层长期处于碱性环境,将对煤层产生严重损害。为模拟高pH值工作液对煤层造成的损害,以宁武盆地9号煤层为研究对象,针对天然柱状煤样及人造裂缝煤样系统开展了流体pH值逐渐升高对煤层渗透率的影响实验,并针对不同pH值流体开展了毛管自吸、液相返排及应力敏感实验。研究结果表明,煤岩具有较强的碱敏性损害,与地层水相比煤岩对高pH值工作液具有更强的自吸能力且返排率较低,并且煤岩与碱性流体作用后应力敏感性系数增大。结合润湿性测定及扫描电镜分析结果,指出工作液pH值越高,润湿性越强,同时高pH值工作液与煤岩接触后导致煤岩微结构失稳、阳离子交换吸附;高pH值工作液与地层水接触后相互作用生成无机垢以及煤岩具有很强的吸附或吸收各类液体的能力等是引起煤层损害的主要原因,并且碱性流体与煤岩作用后弱化了煤岩力学强度,强化了煤岩的应力敏感性。      

煤储层应力敏感性试验及其评价新方法

煤储层应力敏感性是影响煤层气井产能的关键地质因素,在煤层气井排采过程中如何降低或避免煤储层应力敏感性对渗透性的影响是值得考虑的问题。通过不同应力下煤储层渗透性试验,研究了有效应力作用下煤储层渗透率的变化规律;在对已有应力敏感性评价参数分析的基础上,提出了新的应力敏感性系数S₁与S₂,揭示了有效应力对煤储层渗透性的影响规律。研究结果表明:煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低,在煤层气开发中煤储层表现出明显的应力敏感性;试验煤样应力敏感回归系数a为0.099~0.115 MPa-1,平均为0.108 MPa-1,应力敏感性系数S₁为0.383~0.436,平均为0.414,应力敏感性系数S₂为0.572~0.666,平均0.625;应力敏感性系数S₁与S₂具有整体性与唯一性,可以结合应力敏感回归系数a进行煤储层渗透率应力敏感性评价。      

入井工作液顺序接触煤岩储层损害实验评价

致密煤岩具有高毛管压力和比表面积大等特点,在钻井、完井和增产改造过程中,流体侵入将造成储层损害,显著降低工程技术效果。以往文献仅报道了单项工作液对煤岩储层的损害,忽视了工作液顺序接触煤岩储层损害的叠加效应。以川南煤田古叙矿区上二叠统龙潭组煤样为研究对象,开展了流体之间配伍性实验、钻井完井液与压裂液顺序接触煤样对渗透率损害实验。单项工作液储层损害评价实验结果表明,压裂液对储层的损害最严重,钻井完井液次之;工作液配伍性和顺序接触损害评价实验结果表明,与钻井完井液接触后,瓜胶压裂液损害最严重,离子平衡压裂液次之,活性水压裂液较轻,清洁压裂液最轻。顺序损害实验反映了工程实际过程,为入井流体评价和优选提供理论依据,有利于促进煤层保护和煤层气高效开发。      

高煤阶煤层气藏储层应力敏感性研究

水相存在使煤储层应力敏感性更加复杂,是煤层气开发需要特别关注的问题。通过开展煤储层干样与湿样的应力敏感性实验,分析了煤储层应力敏感性特征。应用数值模拟方法,研究了煤储层应力敏感性对煤层气井产能的影响。研究结果显示,煤储层具有强应力敏感性并且明显不可逆性。有效压力从2 MPa增加到10 MPa,气相渗透率降低90%;初始渗透率越低,应力敏感性越强,有效应力降低以后,煤岩渗透率不能恢复到原始水平。水相存在使得煤层气藏应力敏感性更强,有效压力从2 MPa增大到3 MPa,3块煤岩湿样渗透率分别降低了66.0%、50.4%和58.5%,而干岩芯渗透率降低幅度均低于50%。同时随含水饱和度增高,表现出应力敏感性愈强的趋势。煤储层应力敏感性极大地影响煤层气井产能,储集层原始渗透性越差,应力敏感对产量的影响越大。因此,煤层气生产过程中,特别是煤层气排采初期,地层压力较高,一味地增大生产压差可能不会增加煤层气井产量。     

含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性影响实验

为了查明含水饱和度对中阶煤储层应力敏感性的影响,对煤层气井储层改造及排采工作提供指导,利用自主设计的实验装置开展了黔西松河矿龙潭组1+3号、15号煤干燥、含水及饱水条件下液测、气测渗透率应力敏感性实验,分析了煤样渗透率、渗透率损害率、渗透率不可逆损害率、应力敏感性系数变化特征。研究结果表明:随着含水饱和度升高,中阶煤液测渗透率应力敏感性增强,加卸载造成的渗透率不可逆损害率增大。含水饱和度升高导致初始气测渗透率降低,干燥煤样孔裂隙闭合程度高,饱水煤样因束缚水饱和度高,具有较强的气测渗透率应力敏感性。干燥煤样、含水煤样适宜采用幂函数表征无因次气测渗透率与有效应力的关系,饱水煤样则更适合采用负指数函数表征两者关系。中阶煤储层压裂及排采过程中应重视储层保护,当煤储层含水性较弱时,应优先考虑采用CO₂或N₂泡沫压裂方式进行储层改造。      

煤层气钻井过程中钻井液对煤岩储层损害评价

针对煤层气钻井过程中钻井液的侵入可能给煤岩储层造成的损害,选用宁武盆地9号煤和现场用钻井液为研究对象,开展了煤样钻井液动–静态损害评价、毛细管自吸、应力敏感性评价等实验。钻井液动–静态损害评价表明,钻井液滤液损害是造成煤层渗透率下降的主要原因;与地层水相比,煤样对钻井液的自吸能力强且吸附滞留严重,导致液相返排率偏低;钻井液作用后弱化煤样力学性质强化了煤样应力敏感性。结合水敏、碱敏、润湿性评价和扫描电镜分析结果,指出钻井液作用后煤岩裂隙堵塞、润湿性差异和钻井液吸附是钻井液造成煤层损害的主要因素。      

煤层气储层可改造性评价——以郑庄区块为例

我国煤层气资源探明率与动用率“双低”,导致煤层气增产显著放缓,已经成为制约我国煤层气产业发展的瓶颈问题。常规煤储层评价较少考虑煤储层的可改造性潜力,导致发现的优质储量偏少,已发现的储量动用率偏低,因此,迫切需要开展煤储层可改造性评价研究。以沁水盆地南部郑庄区块为例,系统开展了岩心与大样物理模拟实验、测井与地震反演分析等;通过对比分析典型井储层地质特征与微地震水力压裂裂缝监测结果,指出影响煤储层可改造性的关键地质因素为煤体结构、宏观煤岩类型、煤层构造变形、煤层地应力、煤层与顶底板的抗拉强度之差,建立了煤储层可改造性综合定量评价模型;并对郑庄区块煤储层可改造性进行了评价分区,其结果得到了区内千余口产气井的验证。研究成果可用于指导尚未动用储量区的煤层气建产和已动用储量区的开发方案优化调整,根据不同区块储层地质特点选择适应性的工程技术与改造方案,以实现地质工程一体化,是我国煤层气“增储上产”的关键。      

三轴围压下煤岩吸附膨胀特性与渗透性动态变化

煤层气排采过程中煤储层孔隙度和渗透率的动态变化,是煤层气开发地质研究的热点之一。本文利用晋城无烟煤样,分析了三轴应力条件下煤岩的应力-应变效应,讨论了煤样渗透率的动态变化规律。结果表明,围限压力条件下,煤岩吸附甲烷后其抗压强度明显增大;煤样最大径向吸附应变与孔隙压力的关系,可用朗格缪尔方程形式予以描述;煤岩渗透性与有效应力、煤岩吸附膨胀量均呈负指数关系,说明两者对煤岩渗透性影响的实质相同,即煤岩孔隙、裂隙受到应力作用逐渐减小或闭合。同时,在较低孔隙压力条件下,需考虑克林伯格效应对煤层渗透性的影响。经检验,S-D模型能够较为客观地预测煤岩渗透性动态变化规律。     

应力对煤岩裂缝宽度及渗透率的影响

煤层气的开发实践表明,煤岩裂缝和渗透率是制约我国煤层气资源开发成败的关键因素之一。以室内实验为手段,系统研究了有效应力改变条件下煤岩裂缝宽度和渗透率的变化规律。结果表明:煤岩裂缝宽度和渗透率都随有效应力的增大而减小;当有效应力达到8 MPa后,裂缝宽度变化相对缓慢,渗透率变化也很微弱。由此可见,煤岩裂缝和渗透率对应力的变化非常敏感。      

不同煤阶煤应力敏感特征及其控制机理

煤储层应力敏感降低储层渗透率,进而影响煤层气井产能,如何降低排采中的应力敏感性影响值得深入研究。为了弄清不同煤阶煤储层的应力敏感性特征及差异性,分别采集樊庄高煤阶煤、保德中煤阶煤和二连低煤阶褐煤的样品,系统开展加载和卸载过程中不同煤阶煤的应力敏感性实验,并对应力敏感的产生机理进行分析。结果表明,随煤阶的升高,煤样的应力敏感性逐渐增强,含明显裂缝的样品敏感性更强。加载有效应力10 MPa条件下,相比初始渗透率,二连低煤阶褐煤样品渗透率下降79.26%,卸载后不可逆渗透率损害率平均33.4%;保德中煤阶煤样渗透率下降79.4%,卸载后不可逆渗透率损害率平均51.4%;樊庄高煤阶煤样加载后渗透率下降92.33%,卸载后渗透率只能恢复30%左右。产生这种差异的机理主要是由于不同煤阶煤的物质组成、孔裂隙结构以及渗流通道不同造成的。低煤阶煤变质程度低,主要发育大、中孔隙,割理–裂隙不发育,为基质孔隙–喉道渗流,渗透率主要受连通喉道控制,应力加载时主要是大、中孔压缩变形严重,而尺度较小的喉道受压缩变形小,因而其应力敏感性相对弱;而高煤阶煤孔隙以微、小孔为主,镜质组含量高,割理–裂隙发育,控制其渗透性,应力加载时微、小孔难以被压缩,而裂隙抗变形能力弱,易发生韧性变形破坏或闭合,卸载后也难以恢复,表现出强应力敏感特征。考虑到高煤阶煤储层埋深更大、应力更高,因此其应力敏感性对产能伤害大,排采初期宜以较小强度进行,降低不可逆渗透率伤害,扩大压降范围;而低煤阶煤储层本身应力低、渗透率较高,应力敏感对产能影响相对较小,排水期可适当加快速度,提高排水效率。      

煤层气储层伤害机理与水平井双层管柱筛管完井技术

煤储层具有高吸附性、低渗透性、易压缩与易破碎的特征,煤层气水平井钻完井过程中常常造成煤储层伤害,导致煤层渗透率和单井煤层气产量大幅度降低。通过实验分析,揭示水平井钻完井液中的固相颗粒、流体流动诱导产生的固相成分对煤储层微裂隙堵塞成因,阐明煤层气水平井钻完井中储层伤害的机理。在此基础上,提出水平井双层管柱筛管完井技术,分析其减轻煤储层伤害的机理,即通过冲管水力冲击作用消除水平井壁钻井液泥饼,清除井壁附近堵塞微裂隙煤粉,并在近井地带产生应力增渗作用。相对于煤层气常规的多分支水平井及分段压裂水平井,水平井双层管柱筛管完井的稳定日产气量、稳产周期均大幅提升。该技术在沁水盆地南部部分区域推广应用显示,3号煤层气井平均日产气量提升到20 000 m3,同时实现15号煤层气的开发突破,平均日产气量提升到10 000 m3以上。研究成果对于降低煤层气水平井钻完井过程中的储层伤害,提高煤层气井产量具有重要的理论和实践意义。      

煤层气井钻井液特点的探讨

煤层气参数井一般要求采用清水钻取煤心，生产井则主要采用无粘土钻井液、优质钻井液或清水施工。应用清水或无粘土钻井液钻井时，孔内产生的岩屑或岩粉进入煤储层后，会堵塞煤层裂隙或孔隙，降低煤层气产能。而应用优质钻井液钻进时，由于泥皮的过滤作用，能更好地保护煤层不受伤害，同时能降低钻井施工风险，确保井内安全。     

中国煤层气储层伤害分析及钻井液储层保护研究现状

因煤层气储层具有低孔、低渗、裂缝发育但分布不均的特殊性,在煤层气开发过程中储层极易受到不可逆转的伤害。煤层气储层伤害会导致煤层气产气量下降,增加开发成本,延缓工程进程,最终制约煤层气开发效果。为降低煤层气储层伤害发生的可能性,概括了钻井过程中煤层气储层伤害机理,介绍了国内主要煤层气钻井液技术的发展历程,煤层气钻井液储层保护的方法及进展,国内近年来优选的无伤害钻井液体系及国内储层保护钻井液的发展方向,为未来煤层气储层保护提出新思路。      

煤层气钻井固相物污染特征及评价

钻井液配方和密度是储层污染和评价的关键参数。通过对寺河矿区煤层气井的开挖解剖,观测了煤储层中钻井固相残留物的污染特征,并建立了钻井液密度与固相侵入深度的关系。研究结果认为煤储层大裂隙系统,尤其是外生裂隙系统是钻井液固相运移通道和储存空间,煤层气井的钻井液污染范围达几米;钻井液密度越高,煤储层裂隙中泥饼厚度越大,滤液侵入深度相对减小。并以此为依据预测了新疆白杨河矿区煤层气钻井污染范围,新疆煤储层由于煤体结构破碎和采用顺煤层钻井工艺,钻井液滞留时间长,钻井固相物污染会相对严重。