【正文】 煤層氣儲層特征及傷害機理分析煤層氣儲層保護的配套鉆井工藝技術(shù)研究畢業(yè)論文1 煤層氣儲層特征及傷害機理分析 煤層氣儲層特征煤是一種非常復(fù)雜的有機巖石，由很小的顯微組分組成，這種顯微組分被稱為煤的基本微觀結(jié)構(gòu)，這與無機巖石(如石英)中看見的礦物是相似的。煤的基本微觀結(jié)構(gòu)由各種各樣的巖化植物碎屑組成，諸如孢子、花粉、蠟、表皮和樹脂等。煤的基本微觀結(jié)構(gòu)可分為三個主要類別：鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和類脂組。所有這些都可以進一步分為煤的單一基本微觀結(jié)構(gòu)。特征相似的煤微觀結(jié)構(gòu)可以組成顯微鏡下可觀察的單元，稱為顯微煤巖，這類似于沉積巖(如砂巖)中的薄層。顯微煤巖進一步結(jié)合形成宏觀的可見單元，稱為煤巖。煤巖根據(jù)亮度進行分類，類似于沉積巖中的巖床。例如，一種煤巖主要由鏡質(zhì)組組成，那么這種煤巖看起來非常亮；相反，富含惰質(zhì)組的煤巖看起來非常暗。這種明暗光帶告訴我們有關(guān)煤的不均質(zhì)性以及垂直和橫向上物理組成的變化。每一種煤巖都有其不同的物理性質(zhì)，這些物理性質(zhì)或提高或阻礙煤層氣的生產(chǎn)。煤成熟度是另一個重要的物理持性。煤成熟度是煤經(jīng)受化學(xué)變化(也稱為巖化作用)程度的量。煤化作用持續(xù)的時間越長，煤成熟度就越高。隨著煤成熟度的變化，鏡質(zhì)組含量也變化，對煤層氣有影響的其他重要物理性能也是如此。 煤層氣生儲空間結(jié)構(gòu)特征與常規(guī)天然氣儲層不同，煤既是生氣層又是儲氣層。煤層氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)分為基質(zhì)孔隙和裂隙孔隙，具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)。煤層中基質(zhì)被天然裂縫網(wǎng)分成許多方塊(基質(zhì)塊體)：基質(zhì)是主要的儲氣空間，而裂隙是主要的滲透通道。煤層具有不同于常規(guī)油氣層的特點，決定了煤層比常規(guī)油氣層更易受到損害。當(dāng)鉆開煤層后氣體從煤層內(nèi)表面解吸、擴散，通過割理裂縫流到井內(nèi)。如果煤層的空隙和裂縫一旦受到損害，其受損害程度將比常規(guī)油氣層嚴(yán)重的多，不僅使氣體的滲流通道受損，而且還會影響到煤層氣的解吸過。(1) 煤層氣儲層基質(zhì)孔隙基質(zhì)孔隙又稱微孔隙，直徑一般為5～10埃米，煤的微孔隙極其發(fā)育，煤層氣的絕大部分是吸附在微孔隙的表面，由于微孔隙的直徑很小，一般認(rèn)為水不能到達(dá)微孔隙系統(tǒng)中。煤基質(zhì)微孔隙與一般砂巖孔隙結(jié)構(gòu)不同的是，煤層的孔隙大都是煤層本身整體結(jié)構(gòu)的一部分。在煤層的微孔中常填充了不同組成的物質(zhì)，這些物質(zhì)的組成和體積常隨著煤階的改變而變化。一般煤儲層中的孔隙大小約1～1000μm，而與一般砂巖的孔隙相比小一個數(shù)量級。(2) 煤層氣儲層裂隙特征在總結(jié)前人對裂隙的分類的基礎(chǔ)上，蘇現(xiàn)波按照裂隙的形態(tài)和成因?qū)⒚旱牧严斗譃槿悾焊罾?(內(nèi)生裂隙)煤層的割理主要是由煤化作用過程中煤物質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等的變化而產(chǎn)生的裂隙。根據(jù)在層面上的形態(tài)和特征，可以將割理分為面割理和端割理。其中面割理通常是與層面平行或近平行，一般呈板狀延伸，連續(xù)性較好，是煤層中的主要內(nèi)生裂隙。端割理只發(fā)育于兩條面割理之間，常與層面垂直或近似垂直，一般連續(xù)性較差，縫壁不規(guī)則，是煤層中的次內(nèi)生裂隙。外生裂隙外生裂隙是指煤層在較強的構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的裂隙，按成因可分為三種：剪性外生裂隙、張性外生裂隙和劈理。剪性外生裂隙與煤層面以各種角度相交，可出現(xiàn)在煤層任何部位，裂隙凹凸不平，且有滑動痕跡多呈羽毛狀、波狀；裂隙間距較寬，常兩組并存。張性外生裂隙與巖石的張性裂隙一樣，規(guī)模較小，雁行排列。劈理是指煤層存在層間滑動時，形成一系列波狀相互平行裂隙。 繼承性裂隙繼承性裂隙兼具割理和外生裂隙的雙重性質(zhì)，屬過渡類型。如果割理形成前后的構(gòu)造應(yīng)力場方向不變，早先的割理就會被進一步強化，表現(xiàn)為部分割理由其發(fā)育的煤層向相鄰分層延伸擴展，但方向保持不變，這部分裂隙稱為繼承性裂隙。煤中裂隙的孔隙度較小，變化范圍為1%～6%，一般在2%左右。 煤層氣儲層物理化學(xué)性質(zhì)（1） 煤是有很強吸附能力的大分子結(jié)構(gòu) 煤巖富含有機質(zhì)（主要為腐殖型），其有機質(zhì)含量大于90%；煤又是一種多孔、隔離發(fā)育的雙重介質(zhì)，具有非常大的內(nèi)表面，一般為10～40m2/g。因此，煤層對煤層氣具有較強的吸附能力，其吸附量可達(dá)10～35 m3/t。當(dāng)用鉆井液鉆開煤層后，液體和高分子聚合物也會吸附在煤層上，一方面會誘發(fā)煤基質(zhì)的膨脹從而使?jié)B透率受到損害；另一方面聚合物在煤表面的多點吸附而形成膠凝層堵塞煤層的裂縫和割理系統(tǒng)，進而傷害煤層。（2） 低孔隙壓力煤儲層壓力普遍偏低，疏松易碎，已發(fā)生井漏，對煤層產(chǎn)生大面積的損害。井漏導(dǎo)致的煤層損害主要有以下幾方面：①當(dāng)?shù)貙訅毫ο禂?shù)低，割理縫寬大于50μm時，會導(dǎo)致有進無處的大漏失。鉆井液中50μm以下的顆粒占90%，煤割理平、直、寬的特點可是顆粒侵入深度達(dá)幾米；②割理發(fā)育的煤層，鉆井液的漏失，易產(chǎn)生煤基質(zhì)的膨脹、聚合物多點吸附、固相堵塞、乳化和沉淀等損害形式，導(dǎo)致有效割理、裂縫和孔隙嚴(yán)重傷害。由于煤層割理裂縫發(fā)育，固相和液相侵入太深，鉆井液難以返排。（3） 煤層水的性質(zhì)由于煤層氣開發(fā)區(qū)煤層埋藏淺、低溫低，當(dāng)煤層壓力和溫度降低或鉆井液與地層水不匹配是，產(chǎn)生CaCO3，CaSO4，Ca(OH)2等無機沉淀，對煤層割理、裂縫產(chǎn)生堵塞；高礦化度的煤層水引起進入煤層段的鉆井液發(fā)生鹽析；高pH值的外來液侵入煤層中，與煤層中的可溶性腐植酸發(fā)生反應(yīng)，形成沉淀；甲烷氣和地表面張力的外來液發(fā)生反應(yīng)，可促成有機垢的形成。這一切都有可能傷害地層。（4） 煤層的機械強度低煤層性脆、易碎，機械強度低，易于壓縮。在鉆開煤層時，鉆頭不適，會產(chǎn)生大量煤粉，堵塞井筒，使煤層中的氣體不能有效地流向井筒。（5） 壓力敏感性對煤層滲透率的影響宏觀上，孔隙度、滲透率隨地層壓力的增加而降低；同時煤層裂縫和割理在高圍壓下閉合，并且這種閉合有時是不可能恢復(fù)的。無因次滲透率隨著圍壓以及有效壓力的增加而降低可以明顯地看出，煤層氣藏的應(yīng)力敏感性具有明顯的不可逆性，即當(dāng)增加圍壓以后，巖心的滲透率降低，隨后減少圍壓，此時滲透率并不能恢復(fù)到原來的水平，而且降低幅度很大。再過平衡鉆井中，鉆井液液柱壓力大于煤層壓力，使作用在井筒附近的純應(yīng)力增加，可引起滲透率降低，完井后滲透率也不可能完全恢復(fù)。（6） 電化學(xué)性質(zhì)煤的表面比常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖的表面有更多的化學(xué)電荷。更令人感興趣的是它的電荷趨勢隨著環(huán)境的pH值而變化。這種表面電荷對鉆井、地層傷害和生產(chǎn)有重要的作用。 煤層氣儲層傷害機理分析煤層氣鉆井過程中對儲層造成的傷害是一個復(fù)雜因素，主要有鉆井液對儲層的傷害及鉆井壓力對儲層的傷害等。 鉆井液對煤儲層的傷害鉆井液對儲層的傷害主要有兩個因素：一是煤層對鉆井液的吸附或吸收，二是鉆井液中固相顆粒對煤層中裂隙通道的充填堵塞。(1) 微粒運移、粘土膨脹造成的儲層傷害。微粒的運移、粘土膨脹是導(dǎo)致地層滲透率低的主要原因。煤體具有吸收液體和氣體而膨脹的性質(zhì)，其膨脹程度取決于液體和氣體的化學(xué)性質(zhì)。由于煤中裂隙的孔隙度很低(1%～2%) ，且只有它才與煤層的滲透率有關(guān)， 并作為煤基質(zhì)中所含氣體的流通通道，所以，煤吸收液體后，即使煤基質(zhì)有輕微膨脹，也會引起裂隙孔隙度和滲透率的大幅度降低。研究表明，煤吸收液體并隨之引起的基質(zhì)膨脹和滲透率下降，這個過程幾乎時不可逆的，也就是說，用減壓的辦法來把煤體吸收的液體化學(xué)物質(zhì)除掉基本上是不可能的。因此，鉆井過程中鉆井液中任何化學(xué)物質(zhì)對煤體的接觸都是有害的。鉆井過程中鉆井液的固相顆粒對煤層裂隙系統(tǒng)的充填堵塞是客觀存在的，鉆井液中的固相顆?？蓙碜糟@井液中的粘土顆粒，也可來自鉆井過程中產(chǎn)生的鉆屑。鉆井液中顆粒分散的越細(xì)，越容易沿裂隙流動，使侵入半徑增大并“鑲嵌”在孔隙之中而無法清除，從而對儲層造成永久性的傷害。(2) 外來流體與儲層巖石、儲層流體不配伍所造成的損害。鉆進過程中屬于這種損害類型的有：儲層的水敏性損害。當(dāng)進入儲層的外來液體(如泥漿)的礦化度與儲層中的粘土礦物不配伍時，將會引起粘土礦物水化膨脹、分散及絮凝沉淀，導(dǎo)致儲層滲透率降低；②儲層的堿敏性損害。堿液進入儲層，有利于粘土水化膨脹與分散，還可能與儲層流體中的無機離子形成鹽垢；③無機垢、有機垢堵塞。無機垢堵主要是由于外來流體與儲層流體不配伍生成無機垢所造成的，有機垢一般以煤中的煤焦油沉淀而成，這些垢既可能形成于儲層的孔喉、裂隙里，也可能沉積集聚在裝置與管匯中，由此，除引起氣產(chǎn)量下降外，還是造成設(shè)備早期損壞的重要因素。 (3) 聚合物類漿液侵入煤層造成的傷害。聚合物類泥漿侵入煤層，會因高分子聚合物的吸附作用引起粘土絮凝堵塞和羧基水化作用引起粘土膨脹堵塞，從而降低滲透率。少量的膠體顆粒還有可能進入煤層的基質(zhì)孔隙而影響氣體的解吸、擴散和運移，從而導(dǎo)致儲層的產(chǎn)氣量下降。(4)水鎖損害。煤層的裂隙是地層中流體流動的基本空間，總的來說這些天然裂隙內(nèi)徑很小，因此可將其看作是無數(shù)大小不等、形狀各異、曲折的毛細(xì)管，當(dāng)外來流體侵入裂隙通道后，會將通道中原有的氣推向儲層深部，并在氣水界面形成一個凹向水相的彎液面。由于表面張力作用，任何彎液面都存在一附加壓力，即毛細(xì)管壓力。如果儲層的能量不足以克服這附加的毛細(xì)管壓力，氣就不能將水段塞驅(qū)開而流向井筒，從而形成水鎖損害，導(dǎo)致氣層滲透率下降。 地層損害通常是由于固體微粒的運移和堵塞，或者是由于化學(xué)反應(yīng)和熱動力因素，以及兩者同時發(fā)生作用。由于煤層許多化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造與油氣層相似，決定了其損害機理與油層及天燃?xì)鈱佑邢嗤?。煤儲層的力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)儲集巖不同，煤的彈性模量小，而泊松比較高。盡管煤基質(zhì)的泊松比較高，但煤中天然裂隙的發(fā)育大大降低了煤的強度，使之比其它巖石更易受壓縮、破碎。因此，在鉆井過程中，很小的壓力變化都會引起滲透率的較大變化。 鉆井壓力對煤儲層的傷害煤儲層的力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)儲集巖不同，煤的彈性模量小，而泊松比較高。盡管煤基質(zhì)的泊松比較高，但煤中天然裂隙的發(fā)育大大降低了煤的強度，使之比其它巖石更易受壓縮、破碎。因此，在鉆井過程中，很小的壓力變化都會引起滲透率的較大變化?？陀^上煤的孔隙度、滲透率隨壓力的增加而降低，同時煤層裂隙和割理在高圍壓下閉合，并且是不可恢復(fù)的。實驗表明，煤樣經(jīng)過多次加壓—卸壓周期性的過程，可以發(fā)現(xiàn)，加壓會使?jié)B透率降低，但卸壓時滲透率只能得到一定程度的恢復(fù)，從而造成滲透率的損失。鉆井過程中的壓力變化，很可能引起煤層發(fā)生這種變化。鉆井壓力變化對儲層的傷害，通常由以下因素造成：一是鉆井液壓力有變化，二是鉆柱壓力有變化，三是起下鉆時引起的壓力激動。這些因素引起的儲層傷害，完井后也不可能完全恢復(fù)。在過平衡鉆井時，井內(nèi)鉆井液液柱壓力大于煤層的壓力，作用在井筒附近的純應(yīng)力降低，引起煤層的滲透率增加，這樣就加劇了鉆井液對煤層的侵入速度和侵入半徑，從而造成儲層的滲透率降低。在正壓差作用下，鉆井液中的膠體顆粒和其它微細(xì)顆粒被吸附堵塞在煤層氣的孔隙喉道上，鉆井液濾液的入侵又有可能發(fā)生各類敏感性反應(yīng)，從而生成各類不溶性沉淀物，使儲層的滲透率降低。在欠平衡鉆井中，井內(nèi)鉆井液液柱壓力小于煤層的壓力，使作用在井筒附近的純應(yīng)力增高，引起煤層塑性變形，造成滲透率降低。鉆柱壓力變化和起下鉆時引起的壓力激動，會引起井筒附近煤層的變形，從而使煤層裂隙發(fā)生變形，同時也會加劇鉆井液的侵入對儲層造成傷害，降低儲層的滲透率，所以在損害機理上又有其特殊性。此外，還有反向自吸作用引起對煤層的傷害。采用水基鉆井液進行欠平衡鉆井時，地層被打開后，由于存在“原始”和“束縛”水飽和度之間的差異，產(chǎn)生很大的毛細(xì)管壓力差，會導(dǎo)致水基鉆井液濾液和固相逆流吸人近井帶地層，導(dǎo)致煤層傷害在一常規(guī)設(shè)計的過平衡鉆進中，由于應(yīng)用了合適的架橋和降濾失劑，可以在地層表面形成一滲透率近于零的濾餅來阻止自吸人發(fā)生，而在欠平衡鉆井過程中，由于井內(nèi)液柱壓力低于地層壓力，因此投有形成起架橋和密封作用的濾餅動力，這相當(dāng)于在與井眼相連處使氣水直接接觸。另外，在欠平衡作業(yè)中，不相容流體及其懸浮的鉆屑侵入近井帶地層造成地層傷害的可能性明顯減少了，但因沒有濾餅充當(dāng)防止傷害性流體和固體顆粒探探地侵入地層的屏障而使地層喪失保護能力。因此，如果欠平衡狀態(tài)遭到破壞，即使是短時間遭到破壞，傷害性流體及其中的固體顆粒會非常迅速地侵入地層。合理選擇非潤性流體是消除或減少反向自吸效應(yīng)的有效方法，絕大多數(shù)煤層是水濕的，所以應(yīng)選擇油基(或混油)鉆井液，而這無疑增加了鉆井費用，這時可以考慮微過平衡鉆井工藝，另外在鉆井液中加入表面恬性劑或使用與地層配伍性好的鉆井液，都可降低反向自吸對地層的傷害程度。 磨光現(xiàn)象和壓碎現(xiàn)象對煤儲層的傷害當(dāng)用純空氣作為鉆井介質(zhì)時，由于氣體傳熱能力很弱，如果在循環(huán)介質(zhì)中無液體存在，巖石一鉆頭之間將產(chǎn)生十分高的溫度。在鉆進中，由于巖粉和水的存在，加之鉆頭的磨光作用，會在孔壁表面形成一層很薄，但是滲透率很低，象陶瓷一樣的東西，這就是磨光或稱鉆孔拋光現(xiàn)象，拋光面在取出巖心的側(cè)面和巖心的表面能夠觀察到。改用泡沫鉆井，可以有效地消除這種“表面釉化”現(xiàn)象。壓碎現(xiàn)象是由于鉆具偏心和掃孔引起的．也是由于鉆具、扶正器和鉆鋌等和井壁之間的直接摩擦引起的機械破壞，可導(dǎo)致像漿糊一樣的微粒層直接進入煤層。消除的方法是采用潤滑性好的鉆井液。第97頁（共96頁）保護煤層氣儲層的鉆井工藝技術(shù)2 保護煤層氣儲層的鉆井工藝技術(shù) 合理選擇鉆井工藝煤巖機械強度低，可鉆性好，但易破碎垮塌，造成井下復(fù)雜情況。在煤層段制定鉆井參數(shù)的原則是，既要做到安全生產(chǎn)，又能有效地保護煤層。煤層段鉆井技術(shù)措施是：放大鉆頭噴嘴尺寸，減少壓降及循環(huán)壓耗，防止射流沖蝕井壁；鉆具組合采用光鉆挺加隨鉆震擊器結(jié)構(gòu)，當(dāng)煤巖垮塌井下出現(xiàn)復(fù)雜情況時，能及時處理；煤層氣井的鉆井參數(shù)與常規(guī)油氣井相比，鉆壓、排量和泵壓較低；接單根前將井底煤層巖屑循環(huán)干凈，上提下放無阻卡后先提出方鉆桿再停泵，接單根后先開泵再慢慢下放鉆具；起鉆前循環(huán)鉆井液時，鉆頭應(yīng)避開煤層段；起下鉆控制速度，下鉆到底后用小排量慢慢頂通水眼，禁止堵水眼后憋回壓大幅度猛提猛放，防止因操作不當(dāng)產(chǎn)生壓力激動損害煤層。從煤儲層的儲層特征及煤層氣的特殊要求可以明顯看出，欠平衡鉆井技術(shù)的優(yōu)點正是所希望的。煤層鉆進過程中采用欠平衡鉆井方式的優(yōu)點有：（1）減少損害、有效保護煤層。由于我國大部分煤層氣儲層屬于低壓低滲儲層，采用常規(guī)鉆井液鉆井，煤層割理裂縫中的粘土吸水膨脹或化學(xué)反應(yīng)生成不溶性沉淀物堵塞甲烷氣通道，導(dǎo)致煤儲層產(chǎn)能降低或喪失；濾液在毛細(xì)管作用下進入割理裂縫，產(chǎn)生水