钻井完井液对煤层气解吸—扩散—渗流过程的影响——以宁武盆地9号煤层为例

李相臣 康毅力 陈德飞 陈 飞

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中国石油川庆钻探工程公司长庆井下技术作业公司

煤层气被誉为最有潜力的非常规石油天然气资源之一，中国埋藏2 000m以浅的煤层气资源量约为36.81×1012m3，与常规天然气资源量大致相当［1－2］。与常规储层相比，煤岩储层具有吸附性强、渗透性差、机械强度低、易破碎、易坍塌等特征，这些特征决定了工程作业中煤岩储层更易遭受严重的储层损害［3－7］。钻井过程中钻井完井液在微裂隙发育煤层中的侵入和漏失，对煤岩的渗透率、解吸能力、岩石强度、变形能力和井周附近应力产生较大影响。Gentzis等评价了一系列泥浆体系和添加剂在滤饼形成后对煤层渗透率的影响，并重点分析了其对水平井眼稳定性的影响。指出最优的钻进方法为微过平衡，井壁附近形成的滤饼将有效防止钻井完井液滤液与固相的侵入，达到保护煤层的目的［8－9］。Joubert研究发现煤岩吸附能力与水分含量有关，并且水分含量存在一个临界值。在临界水分含量以下，煤岩吸附能力随着含水量的增加而降低；当含水量超过临界水分含量，煤岩吸附能力降低很少或几乎没有改变［10］。王兆丰等的研究表明，水分存在对煤层气解吸量的影响有一个临界值，煤层气的解吸量随着含水量的增加而降低，但当煤样水分含量达到一定值时，解吸量不再随水分的增加而降低［11］。陈尚斌等从等温吸附角度，探讨了清洁压裂液对煤层气吸附能力的影响，研究得出清洁压裂液对煤层气吸附能力有较大影响［12］。

笔者选取山西省宁武盆地9号煤和现场用钻井完井液，开展了煤层气解吸、毛细管自吸、气相返排和钻井完井液动静态损害评价等实验，结合红外光谱、润湿角测定和扫描电镜的手段，深入分析了钻井完井液对煤层气解吸—扩散—渗流过程的影响，可为煤层气储层损害评价方法和工作液优选参考。

1 煤层气解吸—扩散—渗流过程

煤层气的产出可以概括为3个过程：①从吸附态转变为游离态的解吸过程；②在浓度差、压力差作用下气体分子的扩散过程；③扩散气体在煤岩储层的裂缝系统渗流并最终流入井筒的过程。煤层气的产出受解吸—扩散—渗流过程的共同控制，3个环节紧密相连，相互影响，相互制约，任一过程受制，都将严重影响煤层甲烷的产出。笔者结合钻井完井液作用对煤层气运移行为的影响，将煤层气产出过程划分为4个基本过程（图1）：①气体分子从煤岩孔隙表面解吸；②气体分子在煤岩孔隙中扩散；③气体分子在界面液膜内扩散；④基块扩散气体进入裂缝系统渗流并最终流入井筒。由此可见，钻井完井液与煤层相互接触后固相和液相的侵入，不仅降低裂缝的渗流能力，而且亦会引起煤岩表面的物理化学作用导致煤层气的解吸—扩散能力的下降，从而影响煤层气运移的全过程。

图1 煤层气运移的4个基本过程图

2 钻井完井液对解吸—扩散的影响

钻井完井液滤液是一种化学成分比较复杂的流体，包含各种表面活性剂，煤层气井钻井过程中钻井完井液滤液侵入后将与煤层发生物理化学作用，降低煤岩解吸能力进而影响煤层气产量，为考察现场用钻井完井液体系对宁武盆地9号煤层解吸能力的影响，开展了平衡水煤样、饱和水煤样和钻井完井液处理煤样的解吸实验。

2.1 实验方法

1）实验采用自行研制的高温高压煤层气吸附解吸测量系统。该仪器可测的温度范围为室温～200℃；注入压力范围为0～70MPa；温控的绝对不确定度小于1℃；测压的绝对不确定度小于0.001MPa；测体积的相对不确定度小于0.0001。

2）实验样品采自宁武盆地石炭系太原组下部9号煤层，煤质成分分析结果：水分为1.89%，灰分为6.80%，挥发分为29.81%，固定碳为61.50%。镜质组反射率为0.92%～1.16%。将煤样粉碎至60～80目，并缩分成4份，每份质量大于100g，其中1份制备为平衡水煤样，1份制备为饱和水煤样，1份制备为钻井完井液煤样，1份备用。

平衡水煤样的制备：将样品称重取1份装入过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，该溶液可以使相对湿度保持在96%～97%之间；约48h后煤样被湿润，间隔一定时间称重1次，直到恒重，即认为达到水平衡，平衡水煤样制备完毕。

饱和水煤样的制备：取样品1份称重，不断少量加入纯净水，并充分搅拌，至呈煤浆状，再次称重。同样装入过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，约48h后取出，再次称重，饱和水煤样制备完毕。

钻井完井液作用煤样的制备：现场取宁武盆地煤层气井用钻井完井液，实验室内过滤获得钻井完井液滤液，不断少量加入钻井完井液滤液，同时充分搅拌，直至呈煤浆状，再次称重。装入过饱和K2SO4溶液的恒温箱中，浸泡约48h后取出，再次称重，钻井完井液作用煤样制备完毕。

3）将制备好的样品放入高温高压煤层气吸附解吸测量系统，保持实验温度38℃，平衡压力控制在3 MPa。待样品吸附平衡后，由仪器自带的流量监测系统实时记录气体解吸量。

2.2 实验结果

通过不同状态煤样解吸量与时间关系（图2）可知，解吸量随着解吸时间的增加而增大，初始阶段解吸速率较快，后期速率增幅变缓并逐渐趋于稳定。相同吸附平衡压力和解吸时间的条件下，干煤样煤层气解吸累计量最大，地层水煤样解吸量次之，钻井完井液作用煤样解吸量最小，可见地层水与钻井完井液处理后均对煤层气解吸起抑制作用，且钻井完井液的抑制程度稍强。

图2 不同煤样解吸量随时间的变化曲线图

煤岩基质中孔隙尺寸和甲烷气体的分子平均自由程相当，甲烷从基质内进入裂隙系统的过程为扩散过程。对实验结果进行分析，获得不同条件下的扩散系数，有助于认清煤层气的解吸动力学特性。基于单孔扩散模型（式1），对3种状态煤样的解吸数据进行拟合获得有效扩散系数（D／R2）［13］。

式中Vt为t时间内的累计解吸量；V∞为总解吸量；D为扩散系数；R为煤粒半径。

通过不同状态煤样的有效扩散系数拟合可知，钻井完井液作用煤样的有效扩散系数最小（1.43×10－5s－1），饱和水煤样的有效扩散系数次之（1.45×10－5s－1），平衡水煤样的有效扩散系数最大（2.32×10－5s－1）。由此可见，液相类型、含量及其分布状态对煤层气解吸—扩散过程具有较大影响。煤岩表面的分子水膜和孔隙中自由液相都对气体扩散产生附加阻力，液相性质不同其影响亦略有差别。

3 钻井完井液对渗透率的影响

3.1 毛细管自吸对煤岩渗透率的影响

煤岩具有高毛细管压力特征，钻井完井液滤液与煤层接触后在毛细管力的作用下将发生毛细管自吸，使煤层含水饱和度增加，气相渗透率降低，并导致后期排采作业中钻井完井液滤液长时间难以完全返排。为了掌握煤岩对钻井完井液滤液的毛细管自吸特征，开展了相同渗透率级别煤样的地层水和钻井完井液滤液毛细管自吸实验和模拟排采过程的气驱水返排实验［14］。实验结果（图3）表明，自吸曲线初始阶段自吸速率很快，液相在毛细管力作用下迅速自吸进入裂隙和大孔中，随着时间的增长自吸速率逐渐下降，液相以扩散吸附的方式进入微孔，相同时间内钻井完井液滤液的自吸量高于地层水的自吸量。通过气相返排实验结果（图3和表1）可以看出渗透率级别相近条件下地层水的返排率明显高于钻井完井液滤液的返排率，表明钻井完井液滤液的吸附滞留将严重影响煤样的返排能力，导致气相渗透率的显著降低。

3.2 钻井完井液侵入对煤岩渗透率的影响

3.2.1 钻井完井液动态损害评价

考虑原地条件下钻井完井液损害评价，结果更真实地反映煤层的损害程度［15－16］。笔者采用渗透率恢复实验评价钻井完井液对煤样渗流能力的影响，评价时将岩心被钻井完井液动态循环反向损害后正向测得的渗透率与损害前正向测得的岩心渗透率进行对比，得到的比值称为渗透率返排恢复率。返排恢复率越高，表明钻井完井液对煤层渗流通道的损害越弱。实验结果见图4，两块渗透率级别相近煤样都在较小压差下就能突破滤饼，随着压差的不断增大，煤样的渗透率返排恢复率可达70%，表明钻井完井液固相引起的渗透率降低程度较弱。

图3 煤样自吸液量与返排率实验曲线图

表1 煤样返排恢复率表

3.2.2 钻井完井液滤液静态损害评价

基于钻井完井液动态损害评价结果，开展了钻井完井液滤液静态损害实验，评价钻井完井液滤液侵入煤层对渗透率的影响。

模拟现场实际工况，首先将煤样进行抽真空饱和地层水，在钻井完井液静态损害评价仪上测定地层水的渗透率，再向煤样反向注入10倍孔隙体积左右钻井完井液滤液，并监测煤样渗透率，模拟关井数小时后正向注入地层水，测定煤样渗透率直至稳定。钻井完井液滤液对煤样渗透率损害评价测试过程中渗透率随时间变化曲线如图5所示，测试结果表明钻井完井液滤液对煤样渗透率的伤害率超过了50%。结合动态损害评价结果，表明钻井完井液滤液损害是造成煤层渗透率下降的主要原因。

图4 返排恢复率与压差关系图

图5 钻井完井液滤液对煤样渗透率的影响图

4 讨论

基于现有文献从渗透率和吸附／解吸能力等宏观方面来认识液相对煤层气运移行为的影响，笔者通过红外光谱、润湿角测定和扫描电镜等微观分析手段来深入揭示钻井完井液作用影响煤层气解吸—扩散—渗流过程影响的机理。

4.1 钻井完井液作用对煤结构的影响

为了研究钻井完井液作用对煤的结构特征的影响，笔者对比了地层水与钻井完井液浸泡样品的红外光谱，发现在3 700～3 500cm－1、1 900～1 300cm－1和1 300～650cm－1这3个波数区存在较大差异（图6）。

图6 地层水与钻井完井液处理煤样的红外光谱比较图

3700～3500 cm－1波数段差异，表明钻井完井液处理破坏了煤样品分子内或分子中的氢键，使—OH由较多的缔合态向游离态转化。同时，—OH伸缩振动吸收峰向高波数移动，表明分子间的氢键作用力减弱。1 900～1 300cm－1波数段差异，表明钻井处理使游离态—COOH向缔合态转化，因此峰值向低波数移动，同时C＝O与不同基团结合也使波数降低。在波数1 450cm－1左右，钻井完井液样品较地层水样品出现更多的峰裂，表明多个—CH3与同一个C原子连接。1 300～650cm－1波数段为红外光谱指纹区，主要有单键伸缩振动和弯曲振动引起，同时还存在相邻化学键之间的振动耦合峰。两样品在1 260～780cm－1的宽范围内均出现两条或以上的伸缩振动吸收带，是环状醚类的特征显示。吸收峰位置有所差异，体现了环内张力的不同。通过以上分析可知，钻井完井液浸泡，将改变煤样分子间键作用力的大小，从改变官能团的存在状态，进而影响煤样宏观的物化性质，如润湿性、吸附／解吸能力等。

4.2 钻井完井液对表面润湿性的影响

煤岩具有较大的表面积，使其具有较高的吸附各种流体及气体的能力。钻井完井液滤液中包含一些表面活性剂，当钻井完井液滤液侵入煤层后，将在煤岩表面吸附进而改变煤岩的润湿性。运用接触角测量仪对地层水与钻井完井液滤液在煤岩表面的润湿角进行了测量（表2），可见地层水的润湿角大于钻井完井液的润湿角，亦就是钻井完井液在煤岩表面的润湿性强于地层水，导致钻井完井液更容易吸附于煤岩表面。

表2 煤样润湿性接触角测量结果表

钻井完井液滤液侵入煤层后发生吸附滞留，返排困难使煤层渗透率显著降低。钻井完井液滤液经过扩散作用进入煤岩微孔并吸附于表面，以液膜状态而存在，钻井完井液的润湿性使其吸液量增大，导致微孔表面水膜增厚，使煤层气扩散阻力增大，进而影响煤层气的解吸—扩散过程。

4.3 钻井完井液作用引起的煤岩渗透率损害

煤岩储层钻井过程中在正压差作用下，钻井完井液滤液将侵入煤层，当钻井完井液滤液与煤层流体不配伍时，在煤层温度、压力、pH值等条件的作用下极易产生沉淀物。钻井完井液固相和产生的沉淀物将堵塞煤层裂缝和孔隙，导致煤岩储层渗透性降低。图7为钻井完井液作用前后煤样扫描电镜结果，可见钻井完井液未作用煤样孔隙和裂缝未被充填，具有较好的连通能力，而钻井完井液作用后煤样裂缝和孔隙均被不同程度充填，尤以裂缝充填最为严重，大大降低了原有的连通能力，使渗透率显著下降。

图7 钻井完井液作用前、后煤样的扫描电镜图

5 结论

1）钻井完井液作用对煤层气运移行为的影响，可分为气体分子从煤岩孔隙表面解吸、气体分子在煤岩孔隙中扩散、气体分子在界面液膜内扩散和基块扩散气体进入裂缝系统渗流并最终流入井筒等4个部分。

2）钻井完井液处理后煤层气解吸能力受到抑制，煤岩表面的分子水膜和孔隙中自由液相对气体扩散产生附加阻力，导致其扩散系数低于平衡水煤样和饱和水煤样。

3）钻井完井液滤液自吸后吸附滞留严重，导致气相渗透率的显著降低。钻井完井液动静态损害评价实验表明，固相侵入引起的煤层损害较弱，钻井完井液滤液损害是造成煤层渗透率下降的主要原因。

4）钻井完井液作用后煤结构、润湿性和孔隙连通程度变化影响煤岩储层气体的运移。

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