可降解钻井液对煤岩渗透率的影响评价-IngentaConnect
一第38卷第11期煤一一炭一一学一一报
Vol.38一No.11一一2013年
11月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Nov.一
2013一
一一文章编号:0253-9993(2013)11-1993-06
可降解钻井液对煤岩渗透率的影响评价
蔡记华1,袁一野1,刘一浩2,肖长波1,王济君1
(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉一430074;2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院,贵州贵阳一550008)
摘一要:在煤矿瓦斯(煤层气)抽采过程中,要求钻井液既能有效地保持孔壁稳定,又尽可能降低对煤层的伤害三笔者分别以原状煤样(模拟较致密的煤岩)和人工煤样(模拟较松散或大裂隙煤岩)为实验对象,通过比较不同阶段(污染前二污染后二生物酶解堵和酸化解堵)煤岩渗透率的变化,评价了可降解钻井液对煤岩的暂堵与解堵效果,并探讨了其现场实施工艺三通过实验发现:可降解钻井液能满足钻进煤层时的护孔要求;采用 生物酶+稀盐酸 浸泡解堵工艺可清除聚合物和碳酸盐岩类矿物带来的伤害,而单独使用其中一种工艺均会降低解堵效果;稀盐酸解堵的效果取决于煤岩和可降解钻井液中碳酸盐岩类矿物的含量;对煤岩进行加热处理可以提高其气测渗透率;可降解钻井液的现场实施工艺方便,应择机在煤层气钻井领域进行现场试验三关键词:煤层气;可降解钻井液;渗透率;暂堵;解堵;生物酶;稀盐酸中图分类号:P618．11一一一文献标志码:A
收稿日期:2012-12-20一一责任编辑:韩晋平
一一基金项目:国家自然科学基金资助项目(41072111);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(CUG120112,CUG130612)一一作者简介:蔡记华(1978 ),男,湖北浠水人,副教授,博士三Tel:027-********,E -mail:catchercai@126．com
Effect appraisal of degradable drilling fluid on coal rock permeability
CAI Ji-hua 1,YUAN Ye 1,LIU Hao 2,XIAO Chang-bo 1,WANG Ji-jun 1
(1.School of Engineering ,China University of Geosciences (Wuhan ),Wuhan 一430074,China ;2.Guiyang Survey and Design Institute ,HydroChina Corporra-tion ,Guiyang 一550008,China )
Abstract :In the abstracting and exploitation process of coalmine gas (coalbed methane),the drilling fluid should maintain the borehole stability and lower the damage to coal reservoir https://www.wendangku.net/doc/cf16430457.html,ing original coal rock(simula-ting compact coal rock)and man made coal rock(simulating incompact coal rock or coal rock with big crack),authors appraised the temporally plugging and unplugging performances of degradable drilling fluid to coal rock during the se-quent stages such as the initial stage,polluted stage,unplugging stage by enzyme and unplugging stage by low concen-tration HCl.The onsite implement technology was also discussed.The results show that firstly degradable drilling fluid can maintain borehole stability during coal drilling.Then,the technologies of soaking enzyme and low concentration HCl successively can remove the damage caused by polymers and carbonate rocks.Furthermore,absence of enzyme or HCl will lead a lower unplugging performance.Thirdly,the concentration of carbonate rocks in the coal rock and de-gradable drilling fluid determines the unplugging performance of low concentration HCl.Fourthly,the gas permeability of coal rock can be improved by heat treatment.Finally,the onsite implement technology is feasible and field trial
should be carried out in coalbed methane drilling.Key words :coalbed methane;degradable drilling fluid;permeability;temporally plug;unplug;enzyme;low concentra-tion HCl
一一煤矿瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患之一[1-2]三而煤的机械强度弱,在煤矿瓦斯(煤层气)抽
采过程中容易引起煤层坍塌二破碎二扩径和卡钻等复杂情况[3],这就要求钻井液能有效地携带煤粉(屑)
煤一一炭一一学一一报2013年第38卷
并保持孔壁稳定三而从提高煤矿瓦斯(煤层气)抽采效率的角度来讲,钻井液还应能尽可能地降低对煤储层的伤害[4-10]三
黏土矿物是煤中常见的矿物杂质之一[3],晋城矿区部分煤层气井显微煤岩组成测试结果表明,黏土矿物含量在3．11%~12．16%[11]三即使是使用清水作为钻井液,也会诱发黏土矿物吸水膨胀,不可避免地给煤储层带来伤害[12]三而可降解钻井液因含有纤维素二瓜尔胶二黄原胶等聚合物,在钻进过程中能保持孔壁稳定二携带并悬浮煤粉(屑)和降低摩阻等;而在钻进结束后,通过生物酶和稀盐酸等进行处理可以清除聚合物或部分碳酸盐类矿物等所带来的伤害[13-14],从而恢复煤矿瓦斯(煤层气)产出的通道,提高瓦斯(煤层气)的产量三
实验室通常用黏度衰减法二泥饼清除法二渗透率恢复测定法二还原糖测定法二二氧化碳排放测定法二溶解氧测定法等来评价可降解钻井液的降解效果[15],这其中又以渗透率恢复测定法最为有效三因为煤储层渗透性不但控制着储能,还控制着产能[16]三而且,储层保护的最重要目标就是恢复煤层渗透率,获得尽可能高的煤矿瓦斯(煤层气)产量三
笔者分别以原状煤样(模拟较致密的煤岩)和人工煤样(模拟较松散或大裂隙煤岩)为实验对象,通过比较不同阶段(污染前二污染后二生物酶解堵二酸化解堵)煤岩渗透率的变化,评价了可降解钻井液在煤层气(瓦斯)钻采过程中的暂堵和解堵效果,同时对其现场实施工艺进行了探讨三
1一实验方法
1．1一实验仪器与实验材料
(1)实验仪器三SC-50B型立式取芯机二QM-1型岩芯端面切磨二用机二JHGP智能气体渗透率测定仪二JHCF岩心流动试验仪二ZNN六速旋转黏度计二ZNS-5A中压失水仪和MP2002电子天平三(2)实验材料三增黏剂,羧甲基纤维素(CMC,河北任丘产);降滤失剂,改性淀粉(北京产);架桥剂,超细碳酸钙(400目,江西上饶产);pH调节剂,氯化铵(分析纯,天津产);生物酶破胶剂,JBR(淡黄色粉末,湖北荆州产);5%稀盐酸,用浓盐酸(分析纯)稀释至5%,水玻璃(模数2．5,武汉产),氯化钙溶液(由分析纯配制成浓度为20%的水溶液)三实验所用煤样为采自晋城3号煤层的暗淡煤,以非晶质组分(59%)二方解石(20%)和白云石(15%)为主,并含少量的高岭石和石英,孔隙率为10．0%~10．5%三可降解钻井液由水二增黏剂CMC二降滤失剂DFD二架桥剂超细CaCO3和氯化铵组成,其基本性能参数见表1三CMC可以在孔壁上形成隔膜,CaCO3可以在煤岩表面的孔隙或裂隙孔喉处形成架桥,再加上DFD的降滤失作用,可以阻碍滤液继续向煤层渗漏三另外,CMC能增加水溶液的黏度,从而增强钻孔孔壁表面松散煤粒之间的胶结力,起到加固松软煤层孔壁的效果三
表1一可降解钻井液的基本性能参数
Table1一Basic performance parameters of degradable drilling fluid
密度/(g四cm-3)漏斗黏度/s表观黏度/
(mPa四s)塑性黏度/
(mPa四s)动切力/Pa滤失量/mL pH
滤饼的厚
度/mm
1h后的破
胶率/%
1．0253．0020．6513．806．8513．008．000．3082．60
一一在室内将可降解钻井液与原状松散煤样混合形成稳定的 水平孔 (图1)三这说明可降解钻井液能黏结较松散的煤粒,特别适合松软煤层钻进三1．2一实验方法
1．2．1一原状煤岩芯气测渗透率测试
由于原状煤样的孔隙裂隙条件及渗透率与实际煤层接近,可以有效模拟可降解钻井液在较致密煤岩孔隙裂隙中的暂堵和解堵效果三
(1)取晋-3号煤岩一块(图2(a)),用SC-50B 型立式取心机钻取?25岩芯若干(高度为20~ 30mm);将钻取的岩芯(图2(b))用打磨机将两端面进行磨平处理;
用游标卡尺测量各煤样的尺寸并做好
图1一可降解钻井液对松散煤样的黏结效果
Fig．1一The adhesion effect of degradable drilling
fluid to incompact coal rock
编号三
(2)取煤样1号,在110?条件下烘2h,冷却至
4991
第11期蔡记华等:
可降解钻井液对煤岩渗透率的影响评价
图2一从晋-3号煤样钻取出的煤岩芯
Fig．2一Coal rock drilled from Jin -No．3coal sample
室温后用JHGP 智能气体渗透率测定仪正向测试煤岩心的初始气测(氮气,下同)渗透率,记为K 0三
(3)将煤岩芯在水中浸泡2h(原状煤样致密,无
法采用岩心流动实验仪进行蒸馏水驱替),在20?下鼓风吹30min,用JHGP 智能气体渗透率测定仪正
向测试气体渗透率,记为K 1三
(4)用JHCF 岩心流动实验仪在围压4MPa二轴
压2MPa 的条件下,用可降解钻井液对煤岩芯进行反向驱替(污染)2h;将污染后的煤岩芯在20?下鼓风吹30min,用步骤(3)的方法正向测试气体渗透率,记为K 2三
(5)将污染后的煤岩芯的被污染端置于浓度为
0．125%的JBR 溶液浸泡(解堵)2h,然后在20?下鼓风吹30min,用步骤(3)的方法正向测试气测渗透率,记为K 3三
(6)接着将生物酶溶液浸泡的煤岩芯用5%的稀盐酸浸泡(解堵)2h,然后20?下鼓风吹30min,用步骤(3)的方法测试气体渗透率,记为K 4三(7)对2号煤岩芯的实验方法同1号,2号煤样
未用生物酶溶液浸泡,其他处理步骤同1号煤样三
1．2．2一人工煤岩芯液测渗透率的测试
由于在原状煤岩芯的钻取过程中极容易出现岩芯碎二裂二边角掉块等问题,岩芯钻取成功率较低,笔者同时也采用人工压制煤岩芯进行渗透率测试三人工煤岩芯内部孔裂隙尺寸较大(渗透率在达西级别),可以用它来模拟可降解钻井液在较大裂隙煤层中的暂堵和解堵效果三
(1)将原状煤样磨细过筛,取100~200目煤粉
约25g,分别加入水玻璃和氯化钙溶液各2mL,搅拌均匀;将煤粉装入JPH 岩心制作器中,用手动压力机在25MPa,30min 条件下制作成人工煤岩芯;取出后风干7d,量好长度编号备用三
(2)取3号煤岩芯,用蒸馏水作为介质,用JHCF
岩心流动试验仪在围压4MPa二轴压2MPa 条件下正向对煤样进行驱替,根据30min 后的出水量来计算
煤岩芯的液体渗透率,记为K 5三
(3)取3号煤岩芯,用可降解钻井液作为介质,
在围压4MPa二轴压2MPa 条件下反向对煤样进行驱替(污染),用步骤(2)的方法测试可降解钻井液污染后的煤岩芯的液体渗透率,记为K 6三(4)将煤样放入浓度为0．125%的JBR 生物酶液中浸泡处理2h,用步骤(2)的方法测试酶解堵后的
煤岩芯的液体渗透率,记为K 7三(5)将煤样放入浓度为5%的稀HCl 溶液中浸泡(解堵)2h,用步骤(2)的方法测试酸解堵后的煤岩
芯液测渗透率,记为K 8三
(6)用上述方法进行其他煤样(4,5,6,7和8
号)的测试,其中4号煤岩芯未经过生物酶处理三
2一实验数据及分析
2．1一原状煤岩芯气测渗透率的测试
分别计算最终原状煤岩芯在稀盐酸解堵后与污染前相比的气测渗透率增量(ΔK ,%),并分析不同处理阶段煤岩芯气测渗透率变化情况,结果如表2二图
3,4所示三
第1阶段生物酶解堵的主要对象是CMC,而第2
阶段稀盐酸解堵的对象是超细碳酸钙或其他碳酸盐类矿物三1号煤岩芯在经过可降解钻井液污染后,气测渗透率(K 2)大幅下降三如在围压0．40MPa二上游压力0．25MPa 条件下,气体渗透率从5．27?10-15m 2降低至2．48?10-15m 2,降低幅度为52．94%三而经过生物酶浸泡处理后,气测渗透率(K 3)有一定程度的
恢复(从2．48?10-15m 2?2．63?10-15m 2);最后,经过5%的稀盐酸浸泡处理后,气测渗透率(K 4)大幅增加(?7．15?10-15m 2),相对于污染前,增加的幅度为35．67%三不同处理阶段的煤岩气测渗透率变化曲线如图3所示三这说明 生物酶+酸化 的双重解堵(浸泡)措施能有效清除可降解钻井液对原状煤岩芯的暂时性 伤害 ,煤岩气体渗透率增加的幅度在
15．47%~38．92%三
用稀盐酸处理后的气测渗透率超过了1号煤样的初始渗透率(即ΔK ?100%),部分原因是1号煤样的矿物组成中方解石和白云石含量超过20%,而两种矿物均属于碳酸盐岩类矿物,稀盐酸会与之发生反应,从而在煤岩芯中产生新的孔隙或裂隙,这使得酸化后煤岩芯渗透率大幅增加;为评价单一酸化解堵的效果,对2号煤样在钻井液污染后仅进行了酸化处理三发现该煤岩芯的最终气测渗透率仍能超过煤岩芯的初始渗透率(图4),这表明酸化能对渗透率的提高起到了较大的作用三但是2号煤样经过处理后渗
5
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煤一一炭一一学一一报
2013年第38卷
表2一原状煤岩芯气测渗透率测试结果
Table 2一Gas permeability testing results of original coal core
编号
压力/MPa
围压上游压力渗透率/(10-15m 2)
加热2h K 0
初始K 1污染K 2酶解K 3酸解K 41号
0.4
0.5
0.6
0．250．555．272．482．637．150．280．595．492．602．606．640．300．655．432．322．426．270．280．304．331．682．145．890．300．364．201．681．985．530．320．314．061．451．755．000．300．223．701．431．735．140．320．223．631．281．624．700．340．173．371．231．534．49平均渗透率/(10-15m 2)
0．38
4．391．802．055．65
2号
0．4
0．30<0．201．671．27?1．930．31<0．201．821．52?1．420．33
<0．201．911．76?2．20平均渗透率/(10-15m 2)
<0．201．80
1．52
?
1．85一一注:1号和2号煤岩芯分别长34mm 和25mm;下游压力(出口压力)为0．1MPa(即1个大气压);ΔK =[(K 4-K 1)/K 1]?100%;?表示未用生物酶溶液处理
三
图3一1号煤岩芯在不同处理阶段的气测渗透率变化Fig．3一Change of average gas permeability of No．1
coal core during various treating stage
1,2,3的围压均为0．4MPa,上游压力分别是0．25,0．28和0．30MPa;4,5,6的围压均为0．5MPa,上游压力分别是0．28,0．30和0．32MPa;7,8,9的围压均为0．6MPa,上游压力分别是0．30,0．32和0．34MPa
透率增加幅度(2．6%)要低于1号煤样(15．47%~38．92%)三这说明 生物酶+酸化 的解堵效果更优三
由图3,4可以看出,先后采取生物酶溶液和稀盐
酸浸泡的方法可以有效清除可降解钻井液中固相颗粒和聚合物等所带来的伤害三这是因为:一方面,由于我国煤层普遍具有低渗低孔特点,钻井液难以在其表面形成真正的泥饼,因而钻井液侵入的深度较浅,生物酶溶液和稀盐酸浸泡即可清除可降解钻井液中固相颗粒和聚合物等带来的伤害;若采用过大的压力来驱替生物酶溶液和稀盐酸,
会加剧煤岩压力敏感
图4一2号煤岩芯在不同处理阶段的平均气测渗透率变化
Fig．4一Comparison of average gas permeability of No．2
coal core during various treating stage
性二水敏和酸敏等副作用引起的煤岩渗透率降低问题三
无论是围压或者上游压力的增加,都会使得煤岩芯的孔隙裂隙受到压缩,从而降低其气测渗透率;也有文献指出:煤储层渗透率随有效应力的增加按负指数函数规律降低[17]三
1号煤岩芯110?条件下热处理2h 后,气测渗
透率增加了7．35~18．82倍(根据上游压力和围压情况有所波动),2号煤岩芯也呈现类似结果(气测值从无数据(太低)到可以测出),说明对煤岩进行加热处理可以提高其气体渗透率[18]三2．2一人工煤岩芯液测渗透率测试人工煤岩芯的液测渗透率测试结果如表3二图5,
6所示三
6
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第11期蔡记华等:可降解钻井液对煤岩渗透率的影响评价
表3一人工煤岩芯液测渗透率恢复测试结果Table 3一Gas permeability testing results of man-made coal core
编号渗透率值/μm 2
初始K 5污染K 6酶解K 7酸解K 8渗透率恢复率/%3号452．7084．60173．60471．20104．304号436．0079．40未处理
172．4039．505号249．6027．7091．40225．7090．406号83．20
8．2044．3053．2063．907号115．601．50
51．4087．20
75．40
8号
217．3014．6092．60253．30
116．60一一注:各人工煤岩芯的组成:3号,10~20目煤粉,长30mm;4号,
10~20目煤粉,长33mm;5号,20~60目煤粉,长29mm;6号,100~140目煤粉,长34mm;7号,20~60目?100~140目=1?1,长
35mm;8号,22g 20~60目煤粉+3g 400目碳酸钙,长39
mm三
图5一人工煤岩芯解堵后液测渗透率恢复值
Fig．5一Liquid permeability recovering rate of man
made coal core after unplugging treatment
图6一人工煤岩芯颗粒组成对液测渗透率的影响Fig．6一Impact of particle constitution on the liquid
permeability of man-made coal core
一一从3号二5~8号的测试结果可以看出,在 生物酶+酸化 的双重解堵(浸泡)措施作用下,煤岩芯液测渗透率(K 8)均得到了一定程度的恢复(恢复值在
63．90%~116．60%,如图5所示),说明该双重解堵的有效性三
一一由3~6号的测试结果可以看出,煤岩芯组成颗粒越细,在同一处理阶段的渗透率越小(图6)三这说明煤粉颗粒越细,其孔隙度越小,从而在相同的测试条件下其渗透率值越小三
由3号和4号的测试结果可以看出, 生物酶+酸化 的双重解堵(浸泡)的效果(渗透率恢复值104．30%)比单一的酸化解堵效果(渗透率恢复值39．50%)要显著得多三
从3号二5~8号的测试结果可以看出:经过生物酶解堵和稀盐酸解堵(浸泡)后,除3号二8号煤样外,5~7号的最终液测渗透率(K 8)并没有超过原始的液测渗透率(K 5)三由于人工压制的煤样孔隙度较大,酸液更容易与煤粒发生反应,并破坏了煤颗粒之间的胶结物,使得煤岩中的微小颗粒发生了运移,这会对煤岩中的孔隙形成二次堵塞,即发生酸敏作用三而
5~7号3个煤岩芯的颗粒相比3号煤岩芯更细得多,其酸敏作用更加显著三
在人工煤岩芯的压制过程中,8号中掺入了部分超细碳酸钙,最终的液测渗透率恢复值较5号煤岩芯要高,表明超细碳酸钙的溶解在渗透率恢复中起到了重要作用三换言之,煤岩中碳酸盐岩(如方解石和白云石)的含量决定了酸化解堵的效果三
3一现场实施工艺
可降解钻井液在甘肃张掖和广西柳州的水文水井钻探现场试验效果良好,水井出水量分别增加27．58%和20%[19-20]三
在正常煤层气钻进阶段,无论是井下瓦斯抽放或地面煤层气钻井,可降解钻井液的配制与一般的无黏土钻井液或低固相钻井液并无差异,因此不会增加该技术实施的难度;而在解堵阶段,低浓度(如
0．125%)的生物酶溶液可以用泥浆泵泵送,且能在较短时间内降解聚合物(1h 后破胶率可达82．6%)三对于稀盐酸解堵方式,在地面煤层气钻井时可以使用泥浆泵泵送;而在煤矿井下,考虑到运输和泵送稀盐酸可能带来的环保和劳动保护的问题,稀盐酸可以用具有类似作用的乙酸或有机酸来代替三
4一结论与建议
(1)可降解钻井液能满足煤层(特别是松软煤层)钻进时的护孔要求,钻进结束后采用 生物酶+稀盐酸 浸泡解堵工艺即可有效清除聚合物和碳酸盐岩类矿物带来的伤害,恢复甚至提高煤层渗透率,而单独使用其中一种工艺均会降低解堵效果三
(2)稀盐酸解堵的效果取决于煤岩和可降解钻井液中碳酸盐岩(如白云石二方解石)的含量三含量越高,煤岩渗透率恢复值越高三
(3)可降解钻井液在现场的实施工艺简单,应择机在煤层气钻井领域开展现场试验工作三参考文献:
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