摘 要

　　　　　　　　　——以寧武盆地9號(hào)煤層為例摘　要：煤層氣以吸附氣為主，解吸—擴(kuò)散—滲流過(guò)程共同控制著煤層氣的產(chǎn)量，僅采用基于達(dá)西定律的滲透率的方

　　　　　　　　　——以寧武盆地9號(hào)煤層為例

摘　要：煤層氣以吸附氣為主，解吸—擴(kuò)散—滲流過(guò)程共同控制著煤層氣的產(chǎn)量，僅采用基于達(dá)西定律的滲透率的方法來(lái)評(píng)價(jià)煤層氣儲(chǔ)層損害有待完善。為此，基于煤巖儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)特征和煤層氣運(yùn)移產(chǎn)出機(jī)理，以寧武盆地9號(hào)煤層和現(xiàn)場(chǎng)用鉆井完井液為研究對(duì)象，開展了煤層氣解吸、毛細(xì)管自吸和鉆井完井液動(dòng)—靜態(tài)損害評(píng)價(jià)等實(shí)驗(yàn)，并采用微觀手段分析了鉆井完井液影響煤層氣解吸—擴(kuò)散—滲流過(guò)程的機(jī)理。結(jié)果表明：鉆井完井液作用后煤樣與平衡水煤樣、飽和水煤樣相比，煤層氣解吸量和擴(kuò)散系數(shù)降低；與地層水相比，煤巖對(duì)鉆井完井液的自吸能力強(qiáng)且吸附滯留嚴(yán)重，導(dǎo)致氣相返排率偏低；鉆井完井液濾液損害是造成煤層滲透率下降的主要原因。結(jié)合紅外光譜、潤(rùn)濕角測(cè)定和掃描電鏡分析結(jié)果，得出認(rèn)識(shí)：鉆井完井液濾液通過(guò)改變煤的結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性和孔隙連通性，進(jìn)而影響到了煤儲(chǔ)層氣體的運(yùn)移行為。

關(guān)鍵詞：煤巖  煤層氣  鉆井完井液  儲(chǔ)層損害  解吸  擴(kuò)散  滲透率  紅外光譜  潤(rùn)濕性

Effect of drill-in fluids on CBM desorption，diffusion and percolation：A case study of No．9 Coal Seam of the Ningwu Basin

Abstract：With absorbed gas as the main part of combed methane gas，its output highly depends on the desorption，diffusion and percolation process，however，it is not enough to evaluate the CBM formation damage only by the Darcy¢s permeability．In view of this．according to the coal mlcroscopm structure features and CBM migration mechanism，experiments of CBM desorption，caDillarv imbibition and dynamic／static damage evaluation were conducted with coal samples from N0．9 Coal Seam of the Ningwu Basin as well asthe field drill-in fluids．The effect of the drill in fluids on CBM desorption，diffusion and percolation was analyzed bv the microscopic method．The results show that the actual desorbed gas volumes and diffusion coefficients from the coal samples under the interaction of the drill-in fluids are both lower than those of the other coal samples under equilibrium or saturated c。nditions at a given temperature and pressure．Compared with the formation water，coal rocks have stronger imbibition of drill in fluids and serious adsorption retention，which results in lower gas flowback rates．The results of dynamic／static evaluation show that the damage of drill-in fluid filtration is the main cause for coal seam permeability decline．Combined with the analysis results of Fourier transform infrared emission spectroscopy&TIRES)，the measurement of wetting angle，and scanning electron microscopy(SEM)，it is belleved that the coal structure，wettability and pore connectivity will affect the gas migration in coalbed methane reservoirs under the interaction of the drill in fluids．

Keywords：coal rock，coalbed methane，drill in fluid，formation damage，desorption，diffusion，permeability，infrared spectroscopy，wettability

煤層氣被譽(yù)為最有潛力的非常規(guī)石油天然氣資源之一，中國(guó)埋藏2000m以淺的煤層氣資源量約為36.81×10¹²m³，與常規(guī)天然氣資源量大致相當(dāng)^[1-2]。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，煤巖儲(chǔ)層具有吸附性強(qiáng)、滲透性差、機(jī)械強(qiáng)度低、易破碎、易坍塌等特征，這些特征決定了工程作業(yè)中煤巖儲(chǔ)層更易遭受嚴(yán)重的儲(chǔ)層損害^[3-7]。鉆井過(guò)程中鉆井完井液在微裂隙發(fā)育煤層中的侵入和漏失，對(duì)煤巖的滲透率、解吸能力、巖石強(qiáng)度、變形能力和井周附近應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。Gentzis等評(píng)價(jià)了一系列泥漿體系和添加劑在濾餅形成后對(duì)煤層滲透率的影響，并重點(diǎn)分析了其對(duì)水平井眼穩(wěn)定性的影響。指出最優(yōu)的鉆進(jìn)方法為微過(guò)平衡，井壁附近形成的濾餅將有效防止鉆井完井液濾液與固相的侵入，達(dá)到保護(hù)煤層的目的^[8-9]。Joubert研究發(fā)現(xiàn)煤巖吸附能力與水分含量有關(guān)，并且水分含量存在一個(gè)臨界值。在臨界水分含量以下，煤巖吸附能力隨著含水量的增加而降低；當(dāng)含水量超過(guò)臨界水分含量，煤巖吸附能力降低很少或幾乎沒(méi)有改變^[10]。王兆豐等的研究表明，水分存在對(duì)煤層氣解吸量的影響有一個(gè)臨界值，煤層氣的解吸量隨著含水量的增加而降低，但當(dāng)煤樣水分含量達(dá)到一定值時(shí)，解吸量不再隨水分的增加而降低^[11]。陳尚斌等從等溫吸附角度，探討了清潔壓裂液對(duì)煤層氣吸附能力的影響，研究得出清潔壓裂液對(duì)煤層氣吸附能力有較大影響^[12]。

筆者選取山西省寧武盆地9號(hào)煤和現(xiàn)場(chǎng)用鉆井完井液，開展了煤層氣解吸、毛細(xì)管自吸、氣相返排和鉆井完井液動(dòng)靜態(tài)損害評(píng)價(jià)等實(shí)驗(yàn)，結(jié)合紅外光譜、潤(rùn)濕角測(cè)定和掃描電鏡的手段，深入分析了鉆井完井液對(duì)煤層氣解吸擴(kuò)散滲流過(guò)程的影響，可為煤層氣儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)方法和工作液優(yōu)選參考。

1　煤層氣解吸—擴(kuò)散—滲流過(guò)程

煤層氣的產(chǎn)出可以概括為3個(gè)過(guò)程：①從吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的解吸過(guò)程；②在濃度差、壓力差作用下氣體分子的擴(kuò)散過(guò)程；③擴(kuò)散氣體在煤巖儲(chǔ)層的裂縫系統(tǒng)滲流并最終流入井筒的過(guò)程。煤層氣的產(chǎn)出受解吸—擴(kuò)散—滲流過(guò)程的共同控制，3個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，相互影響，相互制約，任一過(guò)程受制，都將嚴(yán)重影響煤層甲烷的產(chǎn)出。筆者結(jié)合鉆井完井液作用對(duì)煤層氣運(yùn)移行為的影響，將煤層氣產(chǎn)出過(guò)程劃分為4個(gè)基本過(guò)程(圖1)：①氣體分子從煤巖孔隙表面解吸；②氣體分子在煤巖孔隙中擴(kuò)散；③氣體分子在界面液膜內(nèi)擴(kuò)散；④基塊擴(kuò)散氣體進(jìn)入裂縫系統(tǒng)滲流并最終流入井筒。由此可見，鉆井完井液與煤層相互接觸后固相和液相的侵入，不僅降低裂縫的滲流能力，而且亦會(huì)引起煤巖表面的物理化學(xué)作用導(dǎo)致煤層氣的解吸—擴(kuò)散能力的下降，從而影響煤層氣運(yùn)移的全過(guò)程。

 

2　鉆井完井液對(duì)解吸—擴(kuò)散的影響

鉆井完井液濾液是一種化學(xué)成分比較復(fù)雜的流體，包含各種表面活性劑，煤層氣井鉆井過(guò)程中鉆井完井液濾液侵入后將與煤層發(fā)生物理化學(xué)作用，降低煤巖解吸能力進(jìn)而影響煤層氣產(chǎn)量，為考察現(xiàn)場(chǎng)用鉆井完井液體系對(duì)寧武盆地9號(hào)煤層解吸能力的影響，開展了平衡水煤樣、飽和水煤樣和鉆井完井液處理煤樣的解吸實(shí)驗(yàn)。

2．1　實(shí)驗(yàn)方法

1)實(shí)驗(yàn)采用自行研制的高溫高壓煤層氣吸附解吸測(cè)量系統(tǒng)。該儀器可測(cè)的溫度范圍為室溫～200℃；注入壓力范圍為0～70MPa；溫控的絕對(duì)不確定度小于1℃；測(cè)壓的絕對(duì)不確定度小于0.001MPa；測(cè)體積的相對(duì)不確定度小于0.0001。

2)實(shí)驗(yàn)樣品采自寧武毓地石炭系太原組下部9號(hào)煤層，煤質(zhì)成分分析結(jié)果：水分為1.89％，灰分為6.80％，揮發(fā)分為29.81％，固定碳為61.50％。鏡質(zhì)組反射率為0.92％～l.16％。將煤樣粉碎至60～80目，并縮分成4份，每份質(zhì)量大于l00g，其中1份制備為平衡水煤樣，l份制備為飽和水煤樣，l份制備為鉆井完井液煤樣，l份備用。

平衡水煤樣的制備：將樣品稱重取1份裝入過(guò)飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，該溶液可以使相對(duì)濕度保持在96％～97％之間；約48h后煤樣被濕潤(rùn)，間隔一定時(shí)間稱重1次，直到恒重，即認(rèn)為達(dá)到水平衡，平衡水煤樣制備完畢。

飽和水煤樣的制備：取樣品l份稱重，不斷少量加入純凈水，并充分?jǐn)嚢?，至呈煤漿狀，再次稱重。同樣裝入過(guò)飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，約48h后取出，再次稱重，飽和水煤樣制備完畢。

鉆井完井液作用煤樣的制備：現(xiàn)場(chǎng)取寧武盆地煤層氣井用鉆井完井液，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)過(guò)濾獲得鉆井完井液濾液，不斷少量加入鉆井完井液濾液，同時(shí)充分?jǐn)嚢?，直至呈煤漿狀，再次稱重。裝入過(guò)飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，浸泡約48h后取出，再次稱重，鉆井完井液作用煤樣制備完畢。

3)將制備好的樣品放入高溫高壓煤層氣吸附解吸測(cè)量系統(tǒng)，保持實(shí)驗(yàn)溫度38℃，平衡壓力控制在3MPa。待樣品吸附平衡后，由儀器自帶的流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄氣體解吸量。

2．2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)不同狀態(tài)煤樣解吸量與時(shí)間關(guān)系(圖2)可知，解吸量隨著解吸時(shí)間的增加而增大，初始階段解吸速率較快，后期速率增幅變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。相同吸附平衡壓力和解吸時(shí)間的條件下，干煤樣煤層氣解吸累計(jì)量最大，地層水煤樣解吸量次之，鉆井完井液作用煤樣解吸量最小，可見地層水與鉆井完井液處理后均對(duì)煤層氣解吸起抑制作用，且鉆井完井液的抑制程度稍強(qiáng)。

 

煤巖基質(zhì)中孔隙尺寸和甲烷氣體的分子平均自由程相當(dāng)，甲烷從基質(zhì)內(nèi)進(jìn)入裂隙系統(tǒng)的過(guò)程為擴(kuò)散過(guò)程。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得不同條件下的擴(kuò)散系數(shù)，有助于認(rèn)清煤層氣的解吸動(dòng)力學(xué)特性。基于單孔擴(kuò)散模型(式1)，對(duì)3種狀態(tài)煤樣的解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得有效擴(kuò)散系數(shù)(D／R²) ^[13]。

 

式中Vt為t時(shí)間內(nèi)的累計(jì)解吸量；V¥為總解吸量；D為擴(kuò)散系數(shù)；R為煤粒半徑。

通過(guò)不同狀態(tài)煤樣的有效擴(kuò)散系數(shù)擬合可知，鉆井完井液作用煤樣的有效擴(kuò)散系數(shù)最小(1.43×10^-5s^-1)，飽和水煤樣的有效擴(kuò)散系數(shù)次之(1.45×10^-5s^-1)，平衡水煤樣的有效擴(kuò)散系數(shù)最大(2.32×10^-5s^-1)。由此可見，液相類型、含量及其分布狀態(tài)對(duì)煤層氣解吸—擴(kuò)散過(guò)程具有較大影響。煤巖表面的分子水膜和孔隙中自由液相都對(duì)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生附加阻力，液相性質(zhì)不同其影響亦略有差別。

3　鉆井完井液對(duì)滲透率的影響

3．1　毛細(xì)管自吸對(duì)煤巖滲透率的影響

煤巖具有高毛細(xì)管壓力特征，鉆井完井液濾液與煤層接觸后在毛細(xì)管力的作用下將發(fā)生毛細(xì)管自吸，使煤層含水飽和度增加，氣相滲透率降低，并導(dǎo)致后期排采作業(yè)中鉆井完井液濾液長(zhǎng)時(shí)間難以完全返排。為了掌握煤巖對(duì)鉆井完井液濾液的毛細(xì)管自吸特征，開展了相同滲透率級(jí)別煤樣的地層水和鉆井完井液濾液毛細(xì)管自吸實(shí)驗(yàn)和模擬排采過(guò)程的氣驅(qū)水返排實(shí)驗(yàn)^[14]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)表明，自吸曲線初始階段白吸速率很快，液相在毛細(xì)管力作用下迅速自吸進(jìn)入裂隙和大孔中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)白吸速率逐漸下降，液相以擴(kuò)散吸附的方式進(jìn)入微孔，相同時(shí)間內(nèi)鉆井完井液濾液的白吸量高于地層水的自吸量。通過(guò)氣相返排實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3和表l)可以看出滲透率級(jí)別相近條件下地層水的返排率明顯高于鉆井完井液濾液的返排率，表明鉆井完井液濾液的吸附滯留將嚴(yán)重影響煤樣的返排能力，導(dǎo)致氣相滲透率的顯著降低。

 

 

3．2　鉆井完井液侵入對(duì)煤巖滲透率的影響

3．2．1鉆井完井液動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)

考慮原地條件下鉆井完井液損害評(píng)價(jià)，結(jié)果更真實(shí)地反映煤層的損害程度^[15-16]。筆者采用滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)鉆井完井液對(duì)煤樣滲流能力的影響，評(píng)價(jià)時(shí)將巖心被鉆井完井液動(dòng)態(tài)循環(huán)反向損害后正向測(cè)得的滲透率與損害前正向測(cè)得的巖心滲透率進(jìn)行對(duì)比，得到的比值稱為滲透率返排恢復(fù)率。返排恢復(fù)率越高，表明鉆井完井液對(duì)煤層滲流通道的損害越弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4，兩塊滲透率級(jí)別相近煤樣都在較小壓差下就能突破濾餅，隨著壓差的不斷增大，煤樣的滲透率返排恢復(fù)率可達(dá)70％，表明鉆井完井液固相引起的滲透率降低程度較弱。

 

3．2．2鉆井完井液濾液靜態(tài)損害評(píng)價(jià)

基于鉆井完井液動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)結(jié)果，開展了鉆井完井液濾液靜態(tài)損害實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)鉆井完井液濾液侵入煤層對(duì)滲透率的影響。

模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，首先將煤樣進(jìn)行抽真空飽和地層水，在鉆井完井液靜態(tài)損害評(píng)價(jià)儀上測(cè)定地層水的滲透率，再向煤樣反向注入10倍孔隙體積左右鉆井完井液濾液，并監(jiān)測(cè)煤樣滲透率，模擬關(guān)井?dāng)?shù)小時(shí)后正向注入地層水，測(cè)定煤樣滲透率直至穩(wěn)定。鉆井完井液濾液對(duì)煤樣滲透率損害評(píng)價(jià)測(cè)試過(guò)程中滲透率隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，測(cè)試結(jié)果表明鉆井完井液濾液對(duì)煤樣滲透率的傷害率超過(guò)了50％。結(jié)合動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)結(jié)果，表明鉆井完井液濾液損害是造成煤層滲透率下降的主要原因。

 

4　討論

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)從滲透率和吸附／解吸能力等宏觀方面來(lái)認(rèn)識(shí)液相對(duì)煤層氣運(yùn)移行為的影響，筆者通過(guò)紅外光譜、潤(rùn)濕角測(cè)定和掃描電鏡等微觀分析手段來(lái)深入揭示鉆井完井液作用影響煤層氣解吸—擴(kuò)散—滲流過(guò)程影響的機(jī)理。

4．1　鉆井完井液作用對(duì)煤結(jié)構(gòu)的影響

為了研究鉆井完井液作用對(duì)煤的結(jié)構(gòu)特征的影響，筆者對(duì)比了地層水與鉆井完井液浸泡樣品的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)在3700～3500cm^-1、1900～1300cm^-1和1300～650cm^-1這3個(gè)波數(shù)區(qū)存在較大差異(圖6)。

 

3700～3500cm^-1波數(shù)段差異，表明鉆井完井液處理破壞了煤樣品分子內(nèi)或分子中的氫鍵，使—OH由較多的締合態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)化。同時(shí)，—OH伸縮振動(dòng)吸收峰向高波數(shù)移動(dòng)，表明分子間的氫鍵作用力減弱。l900～1300cm^-1波數(shù)段差異，表明鉆井處理使游離態(tài)—COOH向締合態(tài)轉(zhuǎn)化，因此峰值向低波數(shù)移動(dòng)，同時(shí)C＝O與不同基團(tuán)結(jié)合也使波數(shù)降低。在波數(shù)1450cm^-1左右，鉆井完井液樣品較地層水樣品出現(xiàn)更多的峰裂，表明多個(gè)—CH3與同一個(gè)C原子連接。l300～650cm^-1波數(shù)段為紅外光譜指紋區(qū)，主要有單鍵伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)引起，同時(shí)還存在相鄰化學(xué)鍵之間的振動(dòng)耦合峰。兩樣品在1260～780cm^-1的寬范圍內(nèi)均出現(xiàn)兩條或以上的伸縮振動(dòng)吸收帶，是環(huán)狀醚類的特征顯示。吸收峰位置有所差異，體現(xiàn)了環(huán)內(nèi)張力的不同。通過(guò)以上分析可知，鉆井完井液浸泡，將改變煤樣分子間鍵作用力的大小，從改變官能團(tuán)的存在狀態(tài)，進(jìn)而影響煤樣宏觀的物化性質(zhì)，如潤(rùn)濕性、吸附／解吸能力等。

4．2　鉆井完井液對(duì)表面潤(rùn)濕性的影響

煤巖具有較大的表面積，使其具有較高的吸附各種流體及氣體的能力。鉆井完井液濾液中包含一些表面活性劑，當(dāng)鉆井完井液濾液侵入煤層后，將在煤巖表面吸附進(jìn)而改變煤巖的潤(rùn)濕性。運(yùn)用接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)地層水與鉆井完井液濾液在煤巖表面的潤(rùn)濕角進(jìn)行了測(cè)量(表2)，可見地層水的潤(rùn)濕角大于鉆井完井液的潤(rùn)濕角，亦就是鉆井完井液在煤巖表面的潤(rùn)濕性強(qiáng)于地層水，導(dǎo)致鉆井完井液更容易吸附于煤巖表面。

 

鉆井完井液濾液侵入煤層后發(fā)生吸附滯留，返排困難使煤層滲透率顯著降低。鉆井完井液濾液經(jīng)過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入煤巖微孔并吸附于表面，以液膜狀態(tài)而存在，鉆井完井液的潤(rùn)濕性使其吸液量增大，導(dǎo)致微孔表面水膜增厚，使煤層氣擴(kuò)散阻力增大，進(jìn)而影響煤層氣的解吸擴(kuò)散過(guò)程。

4．3　鉆井完井液作用引起的煤巖滲透率損害

煤巖儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中在正壓差作用下，鉆井完井液濾液將侵入煤層，當(dāng)鉆井完井液濾液與煤層流體小配伍時(shí)，在煤層溫度、壓力、pH值等條件的作用下極易產(chǎn)生沉淀物。鉆井完井液固相和產(chǎn)生的沉淀物將堵塞煤層裂縫和孔隙，導(dǎo)致煤巖儲(chǔ)層滲透性降低。圖7為鉆井完井液作用前后煤樣掃描電鏡結(jié)果，可見鉆井完井液未作用煤樣孔隙和裂縫未被充填，具有較好的連通能力，而鉆井完井液作用后煤樣裂縫和孔隙均被不同程度充填，尤以裂縫充填最為嚴(yán)重，大大降低了原有的連通能力，使?jié)B透率顯著下降。

 

5　結(jié)論

1)鉆井完井液作用對(duì)煤層氣運(yùn)移行為的影響，可分為氣體分子從煤巖孔隙表面解吸、氣體分子在煤巖孔隙中擴(kuò)散、氣體分子在界面液膜內(nèi)擴(kuò)散和基塊擴(kuò)散氣體進(jìn)入裂縫系統(tǒng)滲流并最終流入井筒等4個(gè)部分。

2)鉆井完井液處理后煤層氣解吸能力受到抑制，煤巖表面的分子水膜和孔隙中自由液相對(duì)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生附加阻力，導(dǎo)致其擴(kuò)散系數(shù)低于平衡水煤樣和飽和水煤樣。

3)鉆井完井液濾液自吸后吸附滯留嚴(yán)重，導(dǎo)致氣相滲透率的顯著降低。鉆井完井液動(dòng)靜態(tài)損害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，固相侵入引起的煤層損害較弱，鉆井完井液濾液損害是造成煤層滲透率下降的主要原因。

4)鉆井完井液作用后煤結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性和也隙連通程度變化影響煤巖儲(chǔ)層氣體的運(yùn)移。

 

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本文作者：李相臣　康毅力　陳德飛　陳飛

作者單位：“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

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