钻井液损害煤层评价方法探讨

摘　要：针对国内尚缺少统一有效的钻井液损害煤层评价方法的现状，基于煤层气产出及损害机理，提出了解吸量比值法和渗透率恢复率法联合评价钻井液对煤层损害效果的评价方法和指标，并对煤样解吸量比和渗透率恢复率的概念进行了定义。在此基础上，重点阐述实验评价方法以及煤层气自降解钻井液(CBMD)和常规无固相聚合物钻井液(WGJH)对煤层的保护和损害能力。实验结果表明：①CBMD降解后，渗透率恢复率较高，可达100％，对煤储层基本不伤害，而WGJH钻井液渗透率恢复率最高不超过30％；②CBMD污染过的煤样解吸量比达95.89％与清水接近，WGJH钻井液污染过的煤样解吸量比为20.11％。实验结果同时也解释了现场应用WGJH后煤层产气量低甚至不产气的原因，即煤层渗流通道恢复能力变差、煤层气解吸能力降低。结论认为，该方法实用、有效，可作为钻井液损害及保护煤层效果的评价方法。

关键词：煤层气  钻井完井液  煤层损害  评价方法  解吸量  解吸量比值  渗透率恢复率

Discussion on the evaluation method for coalbed damage caused by drilling fluids

Abstract：Currently，there is no unified and effective evaluation methods for coalbed damages induced by drilling fluids in China．With consideration to CBM production and damage mechanisms，combination of desorption ratio and permeability recovcrv rate and relevant indexes were proposed to evaluate coalbed damages．In addition，concepts of desorption ratio and permeabilitv rccoverv rate were defined．On this basis，the experimental evaluation techniques，together with protection and damage potentials of coalbed methane degradable drilling fluids(CBMD)and conventional solid free polymer drilling fluids(WGJH)，were described in detail．Research results show that：(1)upon degradation，the permeability recovery rate of CBMD reaches as high as 100％，indicating that the fluid may basically produce no damage to coalbed，whereas the permeability recovery rate of WGJH is no higher than 30％；(2)the CBMD contaminated samples have a desorption ratio up to 95.89％，which is similar with those of freshwater，while the WGJH contaminated samples have a desorption ratio of 20.1l％．Moreover，the test results clarify the reasons for low CBM Droductivity or no production upon application of WGJ H on site，namely，a poor recovery capacity of flow channels in coal beds and a low desorption capacity of CBM gas．This practical and effective method can be deployed for evaluating damagcs caused by drilling fluids and performances of combed protection．

Keywords：CoMbed methane(CBM)；Drilling and well completion；Coalbed damage；Evaluation method；Desorption quantitv：Desorption ratio method；Rate of permeability recovery

近年煤层气水平井、U型井等钻采煤层气资源，取得了较好的效果^[1-6]。然而，不可否认国内对煤层损害的机理仍然认识不清，缺少有效地评价钻井液对煤层损害与保护效果的评价方法和指标^[7-8]，造成国内煤层气企业不能有效辨识何种钻井液更适用于煤层钻井。依据煤层气产出及损害机理，提出了解吸量比值法和渗透率恢复率法联合评价钻井完井液对煤层保护效果的评价方法，并建立了相应评价指标，根据该方法评价了保护煤层自降解钻井完井液和常规无固相聚合物钻井液损害储层情况，结果与现场应用效果一致，表明该评价方法简单、实用、有效。

煤岩具有特殊的物理力学性质，钻井方式、工艺、钻井液、完井方式与常规油气钻采明显不同，因钻井液引起的井壁失稳、煤层损害、完井效果差等难题一直困扰着煤层气的高效勘探开发。

1)为最大限度保护煤储层，现场多采用清水作为钻井液钻进煤层。但清水黏度低、滤失量大、携岩效果差，易引起井下事故复杂。同时，清水钻进时，井壁掉块严重，井径不规则、钻成的井眼重入性差，加之采用裸眼完井，由于无套管或筛管支撑井壁，煤层气开采几年后井壁便会坍塌，大大缩短了煤层气井采气寿命。而国外煤层气井平均可开采20～30年，有些井可达40年^[9]。

2)常规钻井完井液能有效解决清水钻井引起的复杂问题，但煤层损害严重，基本不产气。分析认为，常规钻井液钻井，引起煤层流体敏感、固相侵入以及应力敏感损害，妨碍煤层甲烷解吸、渗流。此外，由于储层压力低，侵入的工作液难以返排，煤层气渗流通道极易受阻。

  3)国内尚缺少统一有效的钻井液损害与保护煤层的评价方法和指标。以往，国内主要以常规油气藏相关评价方法为基础，多数仍以渗透率恢复率为指标评价煤层损害与保护情况，该方法并没有考虑煤层气解吸这一微观产出机理，得到的评价结果并不能反映钻井液保护煤层的真实能力。

1　煤层损害的评价方法

煤层损害主要分为渗流损害和解吸损害两种类型^[10-16]。研究表明，应力敏感、流体及固相侵入、水相圈闭为煤层渗流损害的主要类型，其损害煤层的渗流通道，主要表现在降低煤层甲烷的扩散能力和煤层的渗流能力。聚合物吸附、含水饱和度上升等为煤层解吸损害的主要类型。因此，保护煤层就必须对煤层微观解吸、扩散能力和宏观渗流能力进行保护。

1．1　解吸量比值法

煤层气开采具有空间和时间多尺度性。空间尺度涉及煤岩裂隙系统的基块孔喉尺度、割理尺度、水力裂缝尺度及宏观气井尺度。时间尺度表现为煤层甲烷在传递过程中具有时间尺度效应，即在基块和微孔中解吸扩散耗时长，在孔喉、割理中渗流耗时较短，在水力裂缝及井筒中运移耗时最短。煤层气开采过程中的这种多尺度效应，要求煤层甲烷在基块尺度具有一定的解吸速率和解吸量，以便其供气能力满足割理渗流及井筒管流的需要。因此，提出采用解吸量比值法评价钻井完井液对煤样甲烷解吸能力的保护效果。

解吸量比是在一定时间内将钻井完井液污染煤样的甲烷解吸量与清水水湿煤样(或污染前煤样)的甲烷解吸量进行对比，得到的比值称为解吸量比，相应的评价方法叫解吸量比值法。解吸量比越高，则表明钻井完井液对煤层甲烷解吸能力的保护就越好。解吸量比是基块解吸气量和解吸速率的综合反映，能较为客观地从微观角度评价基块被钻井完井液污染后的供气能力。

1．2　渗透率恢复率法

渗流是解吸发生的前提，有了渗流，才有降压，降压之后才有解吸。割理和孔隙是钻井完井液返排通道，亦是煤层甲烷扩散渗流通道，只有对煤层渗流通道进行有效的保护，保证完井后渗流通道畅通，才能高效勘探开发煤层气资源。

传统切割法评价煤样渗透率恢复率，主要针对射孔完井设计，不能有效模拟裸眼及筛管完井情况下的渗透率恢复情况，而煤层气复杂结构井多采用裸眼或PVC筛管完井。因此，结合现场生产实际，认为采用增加返排压差，通过自然返排的方法，测试煤样渗透率恢复率，可更好反映钻井液对煤层渗流能力的保护和损害情况。

评价时，首先反向测量煤岩渗透率，然后用钻井液正向污染岩心，一段时间后反向测量岩心渗透率，最后将污染后与污染前反向测得的岩心渗透率进行对比，得到的比值称为渗透率恢复率。渗透率恢复率越高，代表完井作业后期煤层渗流通道得到保护的程度越高。

2　实验评价

2．1　解吸量比值法

2．1．1压碎煤岩岩块

对Mg(以装满煤样罐为准)0.2～0.3mm(80～60目)筛间煤粒40℃条件下烘干，然后进行真空脱气(本次实验的煤岩来自于端氏煤矿3号煤层高阶煤，不是来源于煤层气井现场取心，下同)。

2．1．2脱气结束后，开展煤粒吸附平衡实验

2．1．3煤样解吸量测定

1)使用清水(蒸馏水)污染样品0.5～1min，沥清水相。

2)测定并记录甲烷解吸量Qoi及对应的记录时间toi(单位为min)，直至相邻记录时间所记录的甲烷解吸量增量小于2％。

3)重复步骤l)～2)，使用降解后的钻井液污染样品0.5～1min，沥清水相。

4)测定并记录煤样钻井液污染后甲烷解吸量Qwi及对应的记录时间twi(单位为min)，直至相邻记录时间所记录的甲烷解吸量增量小于2％。

2．1．4解吸量比测定

解吸量比按式(1)计算：

Jx＝Qwi/Qoi×100        (1)

式中Jx为twi时间内的煤样甲烷解吸量比最大值；Qoi为toi时间内煤样污染前甲烷解吸量，mL／g；Qwi为twi时间内煤样污染后甲烷解吸量，mL／g。

2．2　渗透率恢复率法

2．2．1煤样准备

沿煤心水平方向钻成直径2.5cm、长度介于4～5cm的圆柱，40℃条件下烘干后装入干燥皿中备用。要求煤心圆柱的两端面要垂直于轴线，以便于进行渗透率恢复试验；选取有代表性煤心圆柱，抽真空饱和3％KC1溶液。

2．2．2煤样初始渗透率测定

采用钻井液解堵评价仪，在围压3～5MPa条件下，用3％KC1溶液以0.3～1.5MPa的流动压力反向测定煤样的初始渗透率Koi，并记录流动压力。

2．2．3正向污染煤样端面

采用钻井液解堵评价仪，在围压介于3～5MPa，流动压力3.5MPa下，用钻井液正向循环污染岩心1h。

2．2．4降解煤样端面钻井液

保持围压不变，煤样于钻井液解堵评价仪中密闭存放0.5～120h，具体时间以钻井液降解率达到85％时对应的时间为准，降解率Rj按式(2)计算：

Rj＝mi/mo×100 　　　   (2)

式中Rj为降解率；mi为i时间时钻井液表观黏度，mPa·s；mo为钻井液初始表观黏度，mPa·s。2．2．5污染后煤样渗透率测定

采用钻井液解堵评价仪，围压3～5MPa，分别以0.3MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa流动压力，用3％KC1溶液测定反向煤样渗透率及对应的流动压力(单位为MPa)。

2．2．6渗透率恢复率测定

渗透率恢复率(St)按式(3)计算：

St＝Kfi/Koi×100        (3)

式中St为各流动压力点下的煤样渗透率恢复率最大值；Koi、Kfi分别为各流动压力点对应的煤样初始渗透率、煤样污染后渗透率，mD。

2．3　评价指标

评价钻井液损害和保护煤层能力时，煤层保护效果按表1所示进行评价，评价采用就低不就高的原则，即当解吸量比与渗透率恢复率指标属于同一级别，煤层保护效果才能判定为该级别，否则保护效果按低级别判定。例如，当钻井液污染煤层后，甲烷解吸量比和煤层渗透率恢复率均大于85％，则判定煤层保护效果为好；当钻井液污染煤层后，甲烷解吸量比大于85％，而煤层渗透率恢复率介于50％～70％，则判定煤层保护效果为一般；同理，当钻井液污染煤层后，甲烷解吸量比介于30％～50％，而煤层渗透率恢复率大于85％，则判定煤层保护效果为较差。

 

3　应用与讨论

3．1　应用

采用如上评价方法和指标，对煤层气自降解钻井完井液(CBMD)和常规聚合物钻井液(WGJH)进行了评价。CBMD配方为：清水+0.2％～0.6％增黏剂+0.3％～1.2％pH值调节剂+0.5％降失水剂+3.0％～4.0％储集层保护剂+0.5％～4.0％降解剂。WGJH配方为：清水+0.2％～0.5％碳酸钠+有机盐(根据密度需要调整加量)+0.2％～0.4％提切剂+0.5％～1.0％抑制剂+1.5％～2.5％降滤失剂+2％～3％防塌剂。