基于钻井液污染的煤储层类型划分及其开发特征

缪 欢，王延斌，韩文龙，吴 翔，赵石虎，李建红

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中联煤层气有限责任公司，北京 100026)

我国拥有丰富的煤层气资源储量，煤层气开发可以有效缓解目前我国能源紧张的局面[1]。但是，煤储层与常规储层有很大差异，在施工过程中煤储层更容易受工程扰动的影响[2-3]。在煤层气井钻井施工过程中，钻井液会在压差作用下进入煤层内，固相组分会直接堵塞煤储层内的天然孔裂隙，堵塞煤层气的运移通道，液相组分会导致煤储层内的黏土矿物遇水膨胀，当与煤层水配伍性不好时会出现结垢，导致煤层的渗透率下降，进而影响后期的压裂效果及产期[4-6]。

以往学者侧重于研究不同钻井液对煤储层的损害机理、污染评价体系和储层保护方法[7-8]，以更改钻进方案和选择与煤储层配伍的钻井液类型等，提升钻井工艺技术来减少对煤储层的伤害。但是煤层气开发工程具有整体性，煤储层评价需要考虑煤层气生产的整个过程，单单探讨如何在钻井工艺中避免钻井污染难以满足煤层气开发工艺的整体需求。因此，查明煤储层受污染的程度，探究煤储层污染对煤储层开发的影响，对煤层气的高效开发具有重要的指导意义。

本文依据柿庄南地区的钻井资料，计算钻井液侵入3号煤储层后的渗透率损害比，用以表示煤储层的污染程度。依据煤储层受污染的程度，将煤储层划分为不同类型，分析不同煤储层类型的煤属性特征，并结合压裂资料和排采资料分析地质资源特征相似的、不同煤储层类型钻井的压裂特征和排采特征。

1 研究区的概况

柿庄南区块位于沁水盆地东南部，沁水复向斜的东翼，寺头断层为区块西北边界，总面积为388 km2。研究区内地层沉积充填序列自下而上依次为古生界奥陶系、石炭系、二叠系、中生界三叠系和新生界第四系。区内发育多套煤层，其中太原组15号煤层和山西组3号煤层在全盆地稳定分布，为主力煤层。山西组3号煤层目前为柿庄南区块煤层气的主采煤层，埋深介于454～1 240 m之间，总体上呈现由东南向北逐渐增厚趋势，煤层厚度介于4.6～7.3 m之间，平均厚度为6.01 m；煤层结构较为破碎，以碎裂煤和碎粒煤为主；煤的演化程度较高，为无烟煤储层(图1)。

图1 柿庄南区块构造纲要图Fig.1 Structural outline map of Shizhuangnan block

2 基于钻井液污染的煤储层伤害类型划分

2.1 煤储层伤害评价指标及计算模型

钻井液对煤储层的伤害机理和污染体系评价，国内外学者已经进行过大量研究，常用于评价钻井液对煤储层伤害程度的主要指标有渗透率损害比、表皮系数和泥浆污染深度。其中，渗透率损害比具有可直接表示煤储层污染程度和结果的特点，因此，本文应用渗透率损害比做为评价煤储层伤害的指标。

依据岩芯污染损害实验得出，渗透率损害比Ko/Kd受泥浆密度、地层孔隙度、电阻率等因素影响。Ko/Kd随泥浆密度ρmud减小而减小，随孔隙度φ和浅探测地层电阻率Rxo增加而减小。因此储层的渗透率比Ko/Kd的计算模型见式(1)。

Ko/Kd=A(ρmud/φ)α+B(Rxo/Rmf)-β

(1)

式中：Ko、Kd分别为污染前后的渗透率，mD；Ko/Kd为渗透率损害比；ρmud为泥浆密度，g/cm3；φ为煤储层孔隙度，%；Rxo、Rmf分别为浅探测地层电阻率和泥浆滤液电阻率，Ω·m；A、B、α、β为关联系数且均大于零[9]。

基于前人研究[8,10]，该模型在评价柿庄北等地区煤储层受伤害程度方面具有较好的适用性，因此，本文应用该模型来计算煤储层渗透率损害比。

2.2 煤储层类型划分

表1为基于渗透率损害比评价煤储层污染程度的标准。由表1可知，钻井液对煤储层的污染程度可以划分为5类：受到改善、没有污染、轻度污染、中等程度污染和严重污染。本次研究基于煤储层受污染程度，将煤储层划分为轻度污染、较重污染和严重污染三种类型(表2)，其中，轻度污染的煤储层渗透率损害比<2；较重污染的煤储层渗透率损害比为2～4；严重污染的煤储层的渗透率损害比>4。

表1 基于渗透率损害比评价煤储层污染程度的标准Table 1 Evaluation standard of coal reservoir pollutiondegree based on permeability damage ratio block

表2 煤储层类型的划分方案Table 2 Classification scheme of coal reservoir types

3 不同钻井液污染储层类型下煤储层开发特征

3.1 煤储层属性特征

当钻井液侵入煤储层的孔裂隙系统后，会导致煤储层中的黏土矿物遇水膨胀，在与煤层水配伍性不好时会出现结垢，进而降低煤储层的孔隙度和渗透率[11]。此外，当煤层中碎粒煤的含量较高时，产生的原生煤粉较多，且在排采后期易产生次生煤粉[12]，在钻井过程中，煤粉容易随着钻井液一起进入煤储层，堵塞煤储层的原生孔裂隙系统，进而降低煤储层的孔隙度和渗透率[13]。钻井时，井径扩大后钻井液进入井径扩大区，逐渐渗滤到相对较远的地方，使煤储层的导流能力降低也容易污染煤层段[14]。高向东等[15]通过研究煤体结构与井壁稳定性得出，煤体结构越破碎，井壁稳定性就越差，井扩现象就越严重，加之研究区内煤体结构破碎，碎粒煤厚度占比越高，煤层越破碎。因此，煤中的黏土矿物含量、碎粒煤厚度占比是影响煤储层污染程度的关键因素。

研究区内寺头断层上下盘250 m范围内钻井的物性、含气性的特征极其复杂[16]，因此，本次研究对象排除距离寺头断层上下盘250 m的钻井，选取60口钻井。应用VB6.0语言编制出计算程序，计算该60口钻井的煤储层渗透率损害比。

基于前人研究，柿庄区块3号煤层孔隙多数为原生孔隙和气孔，裂缝多数为微裂缝，且被黏土矿物充填严重。 煤样的灰分含量Aad可以反映煤样的矿物含量，通过矿物分析发现煤样矿物总量的80%～90%为黏土矿物，因此，可用灰分含量的大小来近似表示煤岩中黏土矿物含量的大小[7]。

图2为研究区内60口钻井煤储层的实测灰分含量和煤层中的碎粒煤厚度占比与渗透率损害比散点图。由图2可知，煤储层污染程度与灰分含量和碎粒煤厚度占比呈正相关关系。通过对不同煤储层的灰分含量和碎粒煤厚度占比分析(图3和图4)可以看出，轻度污染煤储层的灰分含量为3.33%～14.55%，平均值为10.07%，碎粒煤厚度占比为7.57%～56.70%，平均值为34.85%；较重污染的煤储层的灰分含量为7.48%～16.73%，平均值为13.04%， 碎粒煤厚度占比为33.85%～88.3%， 均

图2 渗透率损害比与各参数之间的关系Fig.2 Relationship between permeability damage ratio and various parameters

图3 不同煤储层的灰分含量和碎粒煤厚度占比分布范围Fig.3 Distribution range of ash content and broken coal thickness in different coal reservoirs

图4 不同煤储层类型的灰分含量和碎粒煤厚度占比情况Fig.4 Ash content and coal structure of different coal reservoirss

值为59.65%；严重污染的煤储层灰分含量为13.03%～24.52%，均值为17.69%，碎粒煤厚度占比为48.91%～100%，均值为76.47%。由此可见，轻度污染型煤储层的灰分含量与碎粒煤厚度占比最低，较重污染型煤储层的灰分含量与碎粒煤厚度占比次之，重度污染型煤储层具有较高的灰分含量且煤体结构更为破碎。

3.2 压裂曲线特征与排采特征

为了精确探究不同煤储层类型钻井的压裂特征与排采特征，本文选取研究区内地质资源特征相似的井作为研究对象。研究区内S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井开采煤层均为3号煤层，且不存在3号煤层与15号煤层合采的情况，其地质资源特征及受污染状况见表3，因此，本文选定S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井。

表3 S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井的地质特征及其受污染程度Table 3 Geological characteristics and pollution degree ofS-1,S-2 and S-3 drilling wells

3.2.1 压裂曲线特征

图5为S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井的压裂施工曲线。其中，S-1钻井和S-2钻井的油压曲线为下降型，S-1钻井下降幅度最大，为13 MPa，稳定时所需的破碎压力值为14 MPa；S-2钻井油压下降幅度约为9 MPa，稳定时所需的破碎压力值为21 MPa；S-3钻井油压曲线为稳定型，下降幅度约为4 MPa，稳定时的破碎压力值为23 MPa。由图5可知，严重污染的煤储层压裂曲线中油压曲线下降幅度大，且破碎压力值到稳定压力值降段时间长；较重污染的煤储层的压裂曲线与严重污染型的煤储层的压裂曲线类似，但是油压下降幅度值较小，破碎压力值到稳定压力值降段时间较长；轻度污染的储层的油压曲线下降幅度小。

图5 不同煤储层类型钻井施工压裂曲线Fig.5 Fracturing curves of drilling operation fordifferent types of coal reservoirs

钻井过程中，钻井液侵入煤储层，首先导致储层中黏土矿物膨胀而占据了煤储层中原有的天然孔裂隙；随后，钻液渗入煤储层内部结构，造成煤层泊松比和抗压强度降低直至消失[17]。因此，严重污染型煤储层在压裂过程中，所需的破碎压力小，相反地，轻度污染型储层在压裂过程中所需的破碎压力大。在固井过程中，煤储层破碎，井壁稳定性差，井扩现象越显著，固井水泥浆更容易侵入煤储层。固井水泥浆侵入煤储层后，在其内部胶化固结，使得煤岩抗压强度提升[18-19]。在压裂过程中，固井水泥浆胶化凝固段储层所需要的破碎压力大，在固井水泥浆胶化凝固段外，储层所需的破碎压力较小。因此，在固井水泥浆胶化凝固段前后，油压会有大幅下降。此外，由于严重污染的煤储层煤体结构破碎程度更高，本身所需要的破碎压力较小，轻度污染的煤储层煤体结构比较完整，压裂时所需的破碎压力值高，破裂压力稳定时，轻度污染的煤储层所需破碎压力大于较重污染型和严重污染型煤储层。

3.2.2 排采特征

灰分含量高且煤体结构破碎的煤储层在钻井过程中受钻井液影响更大，渗透率恢复效率较为低下。在固井过程中，由于稳定性差，易坍塌，固井水泥浆更容易侵入煤储层，对煤储层易造成永久性的二次伤害[20]。此外，固井泥浆在井扩段形成的水泥环更厚，在压裂过程中，可能会造成射孔时穿透水泥环的效果差，且煤体结构破碎的储层容易造成堵砂等现象，导致煤储层的有效改造不理想；在排采过程中，容易造成煤层气解吸滞后等现象，影响煤层气的产出[21-23]；煤层气产出过程中，煤层气产出流速达到一定值时，灰分含量高、碎粒煤厚度占比高的储层容易出现煤粉沉积并堵塞气、水渗流通道的现象，进而引起产气量下降[24-26]。

图6和表4分别为S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井截至2020年7月8日的排采曲线和产气情况。依据S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井的产气量可知，产气量与煤储层受污染程度呈正相关，但是产水量

图6 S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井排采曲线Fig.6 Drilling production curve of S-1,S-2 and S-3 wells

表4 S-1钻井、S-2钻井和S-3钻井的产气情况表Table 4 Gas production of S-1,S-2 and S-3 drilling wells

最高的钻井为污染程度最高的S-1钻井，说明S-1钻井煤储层在后期压裂过程中得到了有效的改造，而该井产气量较低可能与该井煤储层含气量和含气饱和度值低有关[25-26]。这就表明，经过压裂改造后，钻井液污染对煤层气的排采效果影响不大。

由图6和表4可知，S-1钻井的排采曲线为双峰稳定型，储层临储比为0.53，单相水流阶段时间为36 d；S-2钻井的排采曲线为双峰稳定型，储层临储比为0.61，单相水流阶段时间为14 d；S-3钻井的排采曲线为双峰增产型，储层临储比为0.6，单相水流阶段时间为10 d。显然，严重污染型煤储层钻井的单相水流阶段时间长，轻度污染型煤储层钻井的单相水流阶段时间短，较重污染型煤储层钻井的单相水流阶段时间介于上述两种类型之间，这表明煤储层受到污染后会影响到煤层气的解吸速率，导致钻井单相水流时间变长。

通过上述分析，在排采过程中，经过压裂改造后，钻井液污染对煤层气的排采效果影响不大，但是会导致煤层气解吸滞后。严重污染型煤储层钻井单相水流阶段时间长；轻度污染型煤储层钻井单相水流阶段时间短；较重污染型煤储层钻井的单相水流阶段时间介于上述两者之间(表5)。

表5 不同煤储层类型的排采特征分析Table 5 Analysis of drainage and production characteristicsof different coal reservoir types

4 结 论

1) 煤储层可以依据钻井液污染程度划分为轻度污染型、较重污染型和严重污染型三类。通过对比不同煤储层类型的灰分含量与碎粒煤厚度占比情况可知，严重污染型煤储层灰分含量为13.03%～24.52%，碎粒煤厚度占比为48.91%～100%，均值为76.47%；较重污染型储层的灰分含量介于7.48%～16.73%之间，平均值为13.04%，碎粒煤厚度占比为33.85%～88.30%，均值为59.65%；轻度污染的煤储层的灰分含量为3.33%～14.55%，平均值为10.07%，碎粒煤厚度占比为7.57%～56.70%，平均值为34.85%。

2) 压裂施工时，严重污染型煤储层钻井的油压曲线会出现大幅度下降，稳定时所需破碎压力小，破碎压力值到稳定压力值降段时间长；较重污染型煤储层钻井，与易伤害型钻井类似，但下降幅度小于易伤害钻井，稳定时所需的破碎压力高于易伤害型储层钻井，破碎压力值到稳定压力值降段所需时间比易伤害型短；轻度污染型煤储层钻井，油压曲线整体比较稳定，下降幅度不明显。

3) 排采过程中，严重污染型钻井单相水流阶段时间长；较重污染型钻井单相水流阶段时间较长；轻度污染型储层，单相水流阶段时间短。