煤层气水平井破胶剂评价方法及应用

董子标，吴文平，屈治华，王宇琪，杨 浩，岳前升

(长江大学 化学与环境工程学院， 湖北 荆州 434023)

水平井技术是煤矿瓦斯治理和煤层气开发利用的有效技术手段，由于我国煤层多属于低压低渗型储层，钻井过程中易受钻井液污染而导致产能下降[1-5]，为消除钻井液造成的煤层污染多采用后期洗井破胶技术[6-8]，即向洗井液中加入破胶剂(即破胶液)，因此，选择高效破胶剂是该技术的关键。破胶剂的选择涉及到破胶效果的评价方法，目前常用的方法是采用直读式六速旋转黏度计来测量加入破胶剂后钻井液的黏度变化，当钻井流体的黏度接近于清水时认为达到完全破胶。由于直读式六速旋转黏度计主要用于测定钻井液黏度，在测量低黏度的完井液时误差较大，而煤层属于低渗、特低渗型储层，对聚合物吸附滞留很敏感，这也意味着用直读式六速旋转黏度计测出的黏度相当的两种完井液可能对煤层的实际损害差别较大，因此需要使用新的煤层气完井破胶评价方法来克服这一缺陷。本文提出用毛细管黏度来表征煤层破胶效果，相对于直读式六速旋转黏度计，毛细管黏度计具有精确、灵敏的特点，更能表征煤层破胶效果，现场实践表明，该方法可行。

1 实验材料和仪器

1.1 实验材料

APS(过硫酸铵)，次氯酸钠，双氧水，氧化型破胶剂JBK-1、JBK-2，均为工业品；稠化剂，降失水剂和润滑剂等处理剂取自山西沁水煤层气钻井现场，为可降解聚合物钻井液体系配套处理剂；3#煤岩心若干，沁水端氏煤矿块煤钻柱取心。

1.2 实验仪器

滚子加热炉，直读式六速旋转黏度计，乌氏黏度计，高速搅拌机，失水仪，恒温水浴等。

2 研究内容和实验方法

2.1 可降解聚合物钻井液配制和性能测定

2.1.1 常规性能评价

1) 钻井液配制：现场水+0.5%可降解稠化剂+1.5%降失水剂+0.5%润滑剂。在30 ℃、16 h条件下老化后待用。

2) 按标准对可降解聚合物钻井液常规性能进行测试。

2.1.2 煤层损害评价

将煤层岩心用地层水饱和并用地层水正向测岩心液相渗透率K1，用钻井液反向污染煤心，并放置老化24 h，正向用地层水测岩心渗透率K2，并计算岩心渗透率损害率(100-K2/K1×100)%.

2.2 破胶残液黏度测定

1) 旋转黏度计法。将破胶剂按一定加量加入到400 mL钻井液中，在25 ℃时密闭放置12 h后，用六速旋转黏度计测其表观黏度，表观黏度AV=0.5Ф600，单位mPa·s，其中Ф600为直读式六速旋转黏度计转速600 r/min时的读数。

2) 毛细管黏度计法。将破胶剂按一定加量加入到400 mL钻井液中，在25 ℃时密闭放置12 h后，取上层清液用乌氏黏度计(内径0.55 mm)测25 ℃时的毛管黏度，毛管黏度η=t2/t1，单位mPa·s，其中t2为破胶残液在25 ℃时通过乌氏黏度计毛细管时间，t1为蒸馏水通过时间，默认25 ℃时蒸馏水黏度为1.0 mPa·s.

2.3 破胶液岩心伤害

将煤心用地层水饱和并用地层水正向测岩心液相渗透率K1，用钻井液破胶后上层清液反向污染煤心，并放置12 h，正向用地层水测岩心渗透率K2，并计算岩心渗透率损害率(100-K2/K1×100)%.

3 结果讨论与分析

3.1 钻井液性能

可降解聚合物钻井液性能具有密度低、黏度和切力适中等特点，见表1，可以满足煤层气水平井钻井工程性能要求；但其对煤层损害比较严重，煤心渗透率损害率在75%以上，见图1. 如不采取降解破胶技术，会严重影响煤层气水平井的产能，这样就失去了利用水平井开采煤层气的优势。

表1 煤层气水平段钻井液基本性能表

图1 聚合物钻井液对煤层损害图

3.2 旋转黏度计法和毛细管法灵敏程度

用两种评价方法对比评价了破胶剂JBK-1不同加量条件下破胶6 h所产生的破胶残液黏度，见图2. 当采用旋转黏度计法时，破胶剂JBK-1加量在0.8%～1.5%时破胶残液黏度变化幅度非常小，接近于清水黏度，基本可认为破胶比较彻底；而采用乌氏黏度计法即毛细管法时，破胶剂JBK-1加量在0.8%～1.5%时破胶残液黏度变化幅度明显高于旋转黏度计法，说明毛管法所测的黏度灵敏度要高于旋转黏度计法。

图2 两种破胶评价方法对比图

3.3 破胶黏度对煤层损害

以上述经破胶剂JBK-1破胶后残液为污染介质，研究了不同黏度的破胶残液对煤储层岩心的损害程度，结果见图3. 可见，破胶残液黏度越高其对煤储层的损害程度越严重，这也与其它学者研究成果吻合[9-11]，当破胶剂JBK-1加量为0.8%时，若按图2的旋转黏度计法结果应认为破胶比较彻底，但实际上此时破胶残液对煤层渗透率损害超过15%，而此时毛细管法所测得的黏度为3.42 mPa·s，若以储层岩心渗透率损害率15%为临界点，破胶残液的毛细管黏度应控制在3.0 mPa·s以内为宜。

图3 破胶残液黏度对储层岩心渗透率损害图

3.4 破胶剂种类优选

用两种评价方法评价了1%加量条件时不同种类破胶剂破胶6 h后残液黏度，结果见表2，可见在5种破胶剂中，JBK-1效果最好，破胶残液的毛管黏度可低于3.0 mPa·s.

表2 两种评价方法优选破胶剂种类表

3.5 破胶时间确定

采用毛细管黏度法评价了1.0%JBK-1在不同破胶时间的破胶残液黏度，见图4，可见JBK-1的破胶速度比较快，4 h以后破胶残液的毛管黏度趋于稳定。因此，当破胶液入井后应保持破胶液浸泡煤层时间不低于4 h以保证充分破胶。

图4 破胶时间对毛管黏度的影响图

4 应 用

利用毛细管法对煤层气水平井破胶剂种类和加量进行优选，首先应用在山西沁和能源端氏煤矿QHDSL-02等4口多分支水平井完井破胶作业中：1) 将优选出高效破胶剂JBK-1按其最佳加量1.0%配成破胶液。2) 在每个分支完钻后计算分支井眼体积并将破胶液替入分支井筒。3) 主井眼最后洗井破胶，待洗井破胶作业结束后再将新配的干净破胶液替满整个井筒，并保证破胶液浸泡时间不低于4 h. 现场监测了这4口井洗井破胶后毛管黏度，见图5. 现场监测毛管黏度时应先将破胶残液过滤，以防煤屑和其它固相堵塞乌氏黏度计毛细管，4口多分支水平井洗井破胶后的残液毛管黏度均小于3.0 mPa·s，说明破胶比较彻底，后期这4口井单井日产量超过万方，有效释放了产能。

图5 4口多分支水平井破胶残液现场监测图

5 结 论

聚合物钻井液对煤层的污染比较严重，洗井破胶对保护储层、提高单井产量至关重要。较低黏度的破胶残液对煤层仍有损害，为较好地消除聚合物对煤层的污染，破胶残液毛管黏度应控制在3.0 mPa·s以内。毛细管法测量破胶残液黏度比旋转黏度计法具有灵敏度、精度高等优点。通过4口水平井现场实践表明，利用毛细管黏度法表征破胶效果是可行的，为煤层气水平井提高产能提供有力的依据。