煤炭学报电话

赵庆波 孙粉锦 李五忠 李贵中 孙斌 王勃 孙钦平 陈刚 孔祥文

作者简介:赵庆波,1950年生,教授级高级工程师,中国石油天然气集团公司高级技术专家,中国地质大学(武汉)兼职教授;中国石油学会煤层气学组副组长;主要从事煤层气勘探开发工作,编写专著17部,发表学术论文50余篇。地址:河北省廊坊市万庄44号信箱煤层气所。电话:。E-mail:

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院 廊坊 065007)

摘要:煤层气成藏模式可划分为自生自储吸附型、自生自储游离型、内生外储型;煤层气成藏期可划分为早期成藏、后期构造改造成藏和开采中二次成藏,特别指出了开采中二次成藏的条件。利用沉积相分析厚煤层的层内微旋回,细划分出优质煤层富含气段;进一步利用沉积相探索成煤母质类型及其对煤层气高产富集控制作用;阐述了构造应力场及水动力对煤层气成藏的作用机理。总结了煤层气开采特征:指出了煤层气井开采中的阻碍、畅通、欠饱和三个开采阶段,并认为欠饱和阶段可划分为多个阶梯状递减阶段;由构造部位和层内非均质性的差异形成自给型、外输型和输入型三类开采特征。根据地质条件分析了二维地震AVO、定向羽状水平井、超短半径水力喷射、U型井、V型井钻井技术的适用性及国内应用效果。

关键词:煤层气 成藏模式 成煤母质 高产富集 开采特征 适用技术

Coalbed Methane Accumulation Conditions, Production Characteristics and Applicable Technology Analysis

ZHAO Qingbo SUN Fenjin LI Wuzhong LI Guizhong SUN Bin WANG Bo SUN Qinping CHEN Gang KONG Xiangwen

(Reserch Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Langfang Branch, Langfang 065007 China)

Abstract: Accumulation model of coalbed methane can be divided into three types: authigenic reservoir with adsorbed gas, authigenic reservoir with free gas and authigenic source rock with external reservoir. Three accumu- lation stages are indicated as early stage accumulation,late stage accumulation with tectonic reworking and second- ary accumulation during development. Conditions for secondary accumulation during development are specially in- dicated. Micro-cycle in thick coal are analyzed using sedimentary facies. Coalbed interval with high gas content is classified, and further more, coal-forming sources type and its controling on coalbed methane productive and en- richment is explored. Mechanism of tectonic stess field and hydrodynamic force on coalbed methane accumulation is elaborated. Production characteristics of coalbed methane wells is concluded as follows: blocked,unblocked and unsaturated production stages are indicated, and unsaturated stage is considered to be divided into several deple- tion stages; structure localization and inner layer heterogeneity result in three production characteristics-self-sup- porting, exporting and importing types. According to geological setting,the applicability and its effect of 2 dimen- tional seismic AVO (Amplitude versus Offset), pinnate horizontal multilateral well, ultrashort radius hyraulic jet- ting, U and V type well drilling technique is analyzed.

Keywords: Coalbed methane; accumulation model; coal-forming sources; productive and enrichment; pro- duction characteristics; applicable technology

1 煤层气成藏条件分析

煤层气成藏模式和成藏期

煤层气成藏模式划分为三类

自生自储吸附型:煤层气大部分以吸附态存在于煤层中,构造相对稳定的斜坡带富集。如沁水盆地南部潘庄水平井单井平均日产气3万m3;郑试60井3#煤埋深1337m,日产气2000m3。

自生自储游离型:煤层吸附气与游离气多少是相对的,多为同源共生互动,煤层气一部分以游离态存在于煤层中,有的局部构造高点占主体,早期煤层埋藏深、生气量高,后期抬升煤层变浅压实弱,次生割理发育渗透性好,两翼又是烃类供给指向,在有利封盖层条件下局部高点形成高渗透的高产富集区。准噶尔盆地彩南地区彩504井,构造发育的断块高点煤层次生割理裂隙发育物性好,游离气与吸附气同源共储,煤层深2575m,日产气6500m3。

内生外储型:煤层作为烃源岩,生成的气体向上部或围岩运移,在有利的圈闭条件下在砂岩、灰岩中形成游离气藏,使吸附气、游离气具有同源共生性、伴生性、转换性和叠置性,可在平面上叠加成大面积分布。鄂尔多斯盆地东缘韩城地区WL2~015井山西组煤层顶板砂岩厚,压裂后井口压力为,日产气2400m3。

图1 煤层气成藏模式图

煤层气成藏期划分为三类

早期成藏:随着沉积作用的进行,煤层埋深逐渐增加,大量气体持续生成。充分的生气环境,良好的运聚势能,足够的吸附作用,有利的可封闭、高饱和、高渗透成藏条件,为早期成藏奠定了基础。这类气藏δ13C1相对重(表1),表现为原生气藏特征。

构造改造后期成藏:系统的动平衡一旦被构造断裂活动打破,即煤层气藏将被水打开,煤层割理被方解石脉充填,则能量将再调整、烃类再分配,古煤层气藏遭受破坏,新的高产富集区块开始形成(图2)。

受构造抬升后在局部出现断裂背斜构造,抬升使煤层压力降低,气体发生解吸,构造运动产生的裂隙又沟通了低部位的气体,使之向局部构造高点运移聚集。当盆地沉降接受沉积时,压力逐渐增大,再次生气,背斜翼部气体再吸附聚集,这类气藏多为次生型,δ13C1相对轻(表1)。

表1 不同类型气藏CH4含量及δ13C1分布表

图2 煤层气运聚成藏过程

开采中二次成藏:煤层气原始状态为吸附态,开采中压力降至临界点后打破原平衡状态转变为游离态,气水将重新分配,解吸气窜层或窜位,从而形成煤层气开采中的二次成藏,这是常规油气不具备的条件。煤矿区这类气藏由于邻近采空区CH4含量较低。

(1)煤层气二次成藏中的窜位

窜位是指煤层气开采中气向高处或高渗区运移,水向低部位运移,形成煤粉、气、水三相流,再开发几年进入残余态,微小孔隙、深部气大量产出。煤层气开采过程中,在同一地区,有些井高产,有些井低产,这与他们所处的构造部位有关,解吸气向构造顶部或高渗通道差异流向或“游离成藏”,煤层气发生窜位,使得高点气大水少,甚至后期自喷,向斜水大气少。如蒲池背斜煤层气的开发实例(图3,表2)。

该地区早期整体排水降压单相流,中期气、水、煤粉三相流,后期低部位降压,高部位自喷高产气井单相流,4年后基本保持现状。区块中477口直井和57口水平井已开采4年多,目前产气不产水直井、水平井分别为29%、11%,产水不产气分别为12%、19%。

(2)煤层气二次成藏中的窜层

窜层是指煤层气开采中或煤层采空区上部塌陷中解吸气沿断层裂隙或后期开发中形成的通道等向上再聚集到其他层位。主要有五种情况:(1)原断层早期是封闭的,压力下降到临界点后是开启的;(2)水平井穿透顶底板和断层;(3)压裂压开顶底板;(4)开采应力释放产生裂缝使解吸气穿透顶底板进入砂岩、灰岩形成游离气;(5)煤层采空后顶板坍塌应力释放,底部出现裂隙带。

典型实例分析:

(1)阜新煤矿区开采应力释放导致二次成藏

采动、采空区:阜新钻井7口,采空区坍塌后在煤层顶部砂岩裂隙带单井日产气万~万m3,CH4含量大于50%。生产1年,单井累计产气折纯最高260万m3;阳泉年产气亿m3,90%是邻层抽采;铁法70%煤层气是采动区采出(图4)。

图3 蒲池背斜煤层气开发特征图

表2 蒲池背斜开发井开采情况

注:日产气及日产水两栏中分子为四年前产量,分母为目前产量。

图4 采动、采空区煤层气开采示意图

(2)直井压裂窜层

蒲南3~8井压裂显示超低破裂压力,为,低于邻井10MPa以上,初期日产水62m3,4年后目前为,累计产气仅有万m3。

(3)水平井窜层

FZP03~1井煤层进尺4084m,钻遇率81%,主、分支共钻遇断层4条,明显钻入下部水层,开发效果差(图5):最高间歇日产气1366m3,累计产气29万m3,累计产水万m3,目前日产气392m3,日产水28m3;原水层的构造高点被解吸气占据。而比该井浅75m的FZP03-3井日产气3783m3,日产水5m3。

在煤层气的勘探开发中应形成一次开发井网找煤层吸附气,二次开发井网找生产中由于开采中压力下降,烃类由吸附态变游离态使气水重新分配,打破原始平衡状态,解吸气窜层或窜位形成二次成藏的游离气藏的勘探开发思路。

有利的成煤环境和煤层气高产富集旋回段

以往油气勘探上用沉积相分析砂体变化特征,通过对大量煤层粘土矿物分析、植物鉴定、测井特征,特别是全煤层取心观察,以及煤质和含气性分析认为:沉积环境对煤层气的生成、储集、保存和渗透性能的影响是通过控制储层物质组成来实现的,层内的非均质性和煤质的微旋回性受控于沉积环境,并控制层内含气性和渗透性的非均质变化。

平面上:河间湾相煤层厚、煤质好、含气量高、单井产量高,河边高地和湖洼潟湖相相反(表3)。

图5 FZP03-1、FZP03-3水平井轨迹示意图

表3 鄂东气田C—P不同煤岩相带煤质与产量数据表

纵向上:受沉积环境影响,厚煤层往往纵向上形成夹矸、暗煤、亮煤几个沉积旋回,亮煤镜质组含量高、渗透率高、含气量高。不同的煤岩组分受成煤母质类型的控制,高等植物丰富,经凝胶化作用形成的亮煤,灰分低、镜质组高、割理发育、含气量高;碎屑物质、水溶解离子携入或草本成煤环境的暗煤相反。

武试1井9#煤可划分为4个层内微旋回(图6)。灰分含量:暗煤14%~15%,亮煤;镜质组含量:暗煤23%~49%,亮煤66%~79%。

构造应力场对煤层气成藏的控制作用

古应力场高值区断裂发育,水动力活跃,煤层矿化严重,含气量低;低值区则煤层割理发育,处于承压水封闭环境,煤层气保存条件好,含气量高。局部构造高点也往往是应力场相对低值区,并且煤层渗透率高、单井产量高,煤层气保存条件好,煤层没被水洗刷,含气量高。

热演化作用对煤层气孔隙结构的控制作用

高煤阶以小于μm的微孔和μm中孔为主,一般在80%以上,中、微孔是煤层气主要吸附空间,靠次生割理、裂隙疏通运移;

图6 武试1井9#煤沉积旋回图

图7 高、低煤阶孔隙结构特征

低煤阶以>1μm大孔和中孔为主,演化程度低,裂隙不发育,大孔是吸附气、游离气主要储集空间和扩散、渗流和产出通道;

中煤阶以中、大孔为主,中、大孔是煤层气扩散、渗流通道。

核磁共振:煤层气藏储层的T2弛豫时间谱,为特征的双峰结构,与常规低渗透储层T2弛豫时间谱相对照,煤层气储层的两个峰之间有明显的间隔,这说明对于煤层气储层,束缚水与可动流体并不能有效沟通。然而不同煤阶煤储层T2谱的结构不同,这源于不同的孔隙结构(图7、图8),低煤阶以大孔为主、高煤阶以微孔小孔为主,高煤阶曲线峰值煤层左峰高右峰低,峰值中间零值,低煤阶相反,左峰为不可流动孔隙,右峰为可流动的次生割理裂隙储集体;高煤阶右峰可流动峰值越高(割理发育),气井产量越高(图9)。

水动力场对煤层气藏的控制作用

局部构造高点滞留水区低产水高产气,向斜承压区高产水。地下水一般在斜坡沟谷活跃,符合水往低处流、气向高处运移的机理。樊庄区块滞流—弱径流区域多为>2500m3/d高产井;东部地下水补给区含气量<10m3/t、含气饱和度55%,见气慢,单井产量200~500m3/d(图10)。

2 煤层气开采特征

对于中国中低渗透性煤层,煤层气井一般为300m×300m井距,单井产量稳产期4~6年,水平井更短,开采中划分为上升期、稳产期、递减期三个阶段,递减期又可划分为多个阶梯状递减阶段。

构造部位和层内非均质性的差异形成三类开采特征

自给型:往往位于构造平缓、均质性强的地区。气产量为本井降压半径之内解吸的气从本井产出。排采井一般处于构造平缓部位,层内均质性强。日产气上升—稳产—递减三个阶段,这类井多低产(图11)。

图8 不同煤阶孔隙分布特征图

图9 不同煤阶煤储层T2弛豫时间谱

图10 樊庄区块地下水与含气量、煤层气高产区关系图

图11 煤层气单井开采特征图

外输型:位于构造翼部、非均质性强的地区。气产量一部分通过本井降压解吸半径内从本井产出,而大部分通过高渗通道或沿上倾部位扩散到其他井内产出。排采井一般处于构造翼部、非均质性强。日产气低产或不产—上升—缓慢递减,这类井多低产,并且产量递减快。

蒲池背斜的P1-11、PN1-1、PN2-5、HP1-10、HP2-11-3井位于背斜的翼部,属于构造的相对低部位,基本上没有气产出,而产水量较大,分析由于降压而解吸出来的气体向构造高部位运移而没有产出,具有输出型的开采特征。

输入型:多位于构造高点。初期本井降压解吸气随降压漏斗从本井产出,后期构造下倾部位解吸气又运移到本井产出。排采井处于构造高点,这类井一般高产、稳产期长。日产气上升—稳产—上升—递减。

蒲池背斜中位于构造高点的PN1-4、P1-3、PN2-7、P1-5井产气量高而产水量低,这与低部位气体的扩散输入有关,具有典型的输入型开采特征。

降压速率不同形成三类开采效果

畅通型解吸

抽排液面控制合理,降压速率接近解吸速率,有效应力引起的负效应小于基质收缩引起的正效应,渗透率随开采的束缚水、气产出上升—稳定,气泡带出部分束缚水,产量理想(图12-Ⅰ)。以固X-1井为例,该井排采制度合理,经半年的排水降压后液面基本保持稳定,日产气稳定在4320m3/d以上,目前还保持稳产高产。

图12 不同措施煤层气井产气影响特征曲线

超临界型解吸

解吸速率小于降压速率,降压液面下降速度太快,煤层裂缝、割理产生应力闭合,日产气急剧上升—急剧下降,渗透率下降—稳定,产气效果差(图12-Ⅱ)。以固Y-2井为例,该井经30余天的排水降压,液面降至煤层以下,由于抽排速度过快,前期产气效果差,2010年7月二次压裂及排采制度调整后,气体日产气量最高达4000m3/d,后期稳定在1600m3/d以上;PzP03井在产气高峰期日降液面63~87m,造成该井初期是全国单井产量最高(万)而目前是该区单井产量最低的井。

阻碍型解吸

降液速率过慢,解吸速率大于降压速率,有效应力引起的负效应大于基质收缩的正效应,气泡变形解吸困难,降压早期受煤粉堵塞,液面阻力作用解吸不畅通,日产气不稳定,开发效果差(图12-Ⅲ)。FzP03-3井开采770天关井26次以上,开发效果很差。

煤层水类型及其开采特征

煤层水可划分为层内水、层间水和外源水;高产气区为层内、层间水,有外源水区为低产气区。

(1)层内水:煤层割理、裂隙中的水。日产水小,开采中后期高部位几乎不产,低部位递减。层内水又可进一步划分为可动水(洞缝)、吸附水(煤粒面)、湿存水(<10-5cm毛管内)、结晶水(碳酸钙)四类。

(2)层间水:薄夹层水渗入煤层。开采中产水量明显递减,可控制。

有层间水的气井连续降压可控制水产量,提高开发效果。沁水樊庄FzP11-1井煤层总进尺4710m。2009年4月投产,最高日产水175m3,目前日产气21436m3,日产水,套压,液面4m,累计产水万m3,累计采气814万m3。可以看出,对有层间水进入煤层气井的情况,短期加大排水量,后期日产气持续上升,开发效果较好。

(3)外源水:断层或裂缝沟通高渗奥灰水及其他水层。产水大,难控制。

3 煤层气勘探开发适用技术分析

地震AVO技术预测高产富集区

煤层与围岩波阻抗差大,煤层本身是强反射。其内含气、含水的差异在局部异常突出:高含气后振幅随偏移距增大而减少产生AVO异常(亮点),这与常规天然气高阻抗振幅随偏移距增大而增大出现的亮点概念不同,具有以下特征:高产井强AVO异常(高含气量低含水),煤层段为大截距、大梯度异常,即亮点中的强点;低产井弱AVO异常(低含气量高含水)为低含气、低饱和、低渗透特征。

煤层气高产区强AVO异常区的吉试1井5#煤含气量21m3/t,日产气2847m3(图13);低产区弱AVO异常的吉试4井5#煤含气量12m3,日产气64m3,产水90m3。据此理论,可用地震AVO技术预测高产富集区。

图13 吉试1井5#煤AVO特征图

定向羽状水平井钻井适用地质条件

全国已钻定向羽状水平井160余口,单井最高日产气万m3。定向羽状水平井技术适合于开采较低渗透储层的煤层气,集钻井、完井与增产措施于一体,能够最大限度地沟通煤层中的天然裂缝系统,使同一个地区单井产量可提高5~10倍,适用地质条件有以下10点:

(1)构造稳定无较大断层:FzP03-1钻遇4条断层,日产气最高1366m3,目前687m3,日产水32~75m3;韩城04、07、09井日产水20~48m3,日产气小于60m3。

(2)远离水层封盖条件好:三交顶板泥岩厚<2m,水大气少,SJ6-1井9#煤厚,顶板灰岩,煤层进尺4137m,钻遇率100%,最高日产水465m3,19个月产水万m3,不产气。

(3)软煤构造煤不发育:韩城、和顺12口井单井平均日产气720m3。

(4)煤层埋深小于1000m:煤层深800~1000m的武m1-1、Fz15-1井日产气<500m3。

(5)煤厚>5m:柳林CL-3井煤层厚4m,最高日产气万m3,稳产160天递减,日产气2807m3,累计121万m3。

(6)含气量>15m3/t:潘庄东部8m3/t(盖层厚2~5m),北部15~22m3/t(盖层厚>10m),尽管东部比北部浅100~200m,而北部6口井单井平均日产气万m3,东部7口为1869m3,最高3697m3,相距6km单井产量差20倍。

(7)主分支平行煤层或上倾:单井平均日产气、阶段累计和地层下降1MPa采气效果分析,水平井轨迹:平行煤层产状最好,其次上倾,下倾差;“凸”“凹”型最差。

(8)煤层有效进尺>3000m:水平段煤层进尺<2000m的单井最高日产气<800m3,阶段累计采气<万m3。

(9)分支展布合理:主支长1000m左右,分支间距200~300m,夹角10°~20°。

(10)煤层有效钻遇率>85%:10口井煤层钻遇率<85%,并投产1年以上,单井平均日产气800m3,最高<2000m3,阶段平均累计采气27万m3。

超短半径水力喷射钻井适用条件

我国利用该技术已钻煤层气井23口以上,效果均不理想。主要原因为低渗透,喷孔直径小、弯曲大,前喷后堵;水力喷射开窗直径28mm,孔径小,排采中易被煤粉和水堵塞。可进行旋转式大口径喷咀和裸眼喷射试验。

“山”型井、U型井、V型井钻井适用条件

由于中国煤层气藏具有低渗透的特点,且多属断块气藏,U型水平井沟通煤层面积小,应用效果较差。我国钻U型水平井16口以上,增产效果不明显。

SJ12-1井分段压裂日产气稳产1750m3,累计产气万m3,开采3个半月后已递减。水平段下油管、玻璃钢管都取得成功,低渗透气藏效果差。较高渗透区[()×10-3μm2]效果好:彬长、寺河单井日产气万~万m3。

今后可进行1口水平井穿多个直井的“山”字型井组试验,目前国外利用该技术开发盐岩已成功。

4 结论

(1)根据中国煤层气勘探开发实践认识将煤层气成藏模式划分为自生自储吸附型、自生自储游离型、内生外储型三类;同时,认为煤层气成藏期划分早期成藏、后期构造改造成藏和开采中二次成藏三类,开采中二次成藏将是煤层气开发二次井网的主要产量接替领域。

(2)利用沉积相分析厚煤层、优质煤层和高产富集区;分析厚煤层的层内微旋回,成煤母质控制煤岩组分和单井产量,高等植物丰富,经凝胶化作用形成的亮煤,灰分低、镜质组高、割理发育、含气量高,是高产富集段;碎屑物质、水溶解离子携入或草本成煤环境的暗煤相反。

(3)古应力场低值区则煤层割理发育,处于承压水封闭环境,煤层气保存条件好,含气量高;滞留水区低产水高产气,向斜承压区高产水。

(4)由构造部位和层内非均质性的差异形成自给型、外输型和输入型三类开采特征,由降压速率不同形成畅通型、阻碍型和超临界型三类开采效果。

(5)高产井强AVO异常,即亮点中的强点;低产井弱AVO异常,为低含气、低饱和、低渗透特征。定向羽状水平井在适用的地质条件和钻井方式下才能取得较好的开发效果;超短半径水力喷射应首选渗透率较高、煤层构造相对稳定、含气量和饱和度较高煤层应用;U型、V型水平井钻井技术在低渗透气藏中效果差,高渗透区效果好。

参考文献

陈刚,赵庆波,李五忠等.2009.大宁—吉县地区地应力场对高渗区的控制[J].中国煤层气,6(3):15~20

陈振宏,贾承造,宋岩等.2007.构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响[J].石油勘探与开发,34(4):461~464

陈振宏,王一兵,杨焦生等.2009.影响煤层气井产量的关键因素分析——以沁水盆地南部樊庄区块为例[J].石油学报,30(3):409~412

邓泽,康永尚,刘洪林等.2009.开发过程中煤储层渗透率动态变化特征[J].煤炭学报,34(7):947~951

康永尚,邓泽,刘洪林.2008.我国煤层气井排采工作制度探讨[J].天然气地球科学,19(3):423~426

李金海,苏现波,林晓英等.2009.煤层气井排采速率与产能的关系[J].煤炭学报,34(3):376~380

乔磊,申瑞臣,黄洪春等.2007.煤层气多分支水平井钻井工艺研究[J].石油学报,28(3):112~115

鲜保安,高德利,李安启等.2005.煤层气定向羽状水平井开采机理与应用分析[J].天然气工业,25(1):114~117

赵庆波,陈刚,李贵中.2009.中国煤层气富集高产规律、开采特点及勘探开发适用技术[J].天然气工业,29(9):13~19

赵庆波,李贵中,孙粉锦等.2009.煤层气地质选区评价理论与勘探技术[M].北京:石油工业出版社

Diessel C F K. 1992. Coal-bearing depositional systems-coal facies and depositional . 19～22

来稿要求论点明确、数据可靠、逻辑严密、文字精炼，每篇论文必须包括题目、作者姓名、作者单位、单位所在地及邮政编码、摘要和关键词、正文、参考文献和第一作者及通讯作者（一般为导师）简介（包括姓名、性别、职称、出生年月、所获学位、目前主要从事的工作和研究方向），在文稿的首页地脚处注明论文属何项目、何基金（编号）资助，没有的不注明。 论文摘要尽量写成报道性文摘，包括目的、方法、结果、结论4方面内容（100字左右），应具有独立性与自含性，关键词选择贴近文义的规范性单词或组合词（3～5个）。 文稿篇幅（含图表）一般不超过5000字，一个版面2500字内。文中量和单位的使用请参照中华人民共和国法定计量单位最新标准。外文字符必须分清大、小写，正、斜体，黑、白体，上下角标应区别明显。 文中的图、表应有自明性。图片不超过2幅，图像要清晰，层次要分明。 参考文献的著录格式采用顺序编码制，请按文中出现的先后顺序编号。所引文献必须是作者直接阅读参考过的、最主要的、公开出版文献。未公开发表的、且很有必要引用的，请采用脚注方式标明，参考文献不少于3条。 来稿勿一稿多投。收到稿件之后，5个工作日内审稿，电子邮件回复作者。重点稿件将送同行专家审阅。如果10日内没有收到拟用稿通知（特别需要者可寄送纸质录用通知），则请与本部联系确认。 来稿文责自负。所有作者应对稿件内容和署名无异议，稿件内容不得抄袭或重复发表。对来稿有权作技术性和文字性修改，杂志一个版面2500字，二个版面5000字左右。作者需要安排版面数，出刊日期，是否加急等情况，请在邮件投稿时作特别说明。 请作者自留备份稿，本部不退稿。 论文一经发表，赠送当期样刊1-2册，需快递的联系本部。 请在文稿后面注明稿件联系人的姓名、工作单位、详细联系地址、电话（包括手机）、邮编等信息，以便联系有关事宜。

蔡记华1 谷穗2 乌效鸣1 刘浩1 陈宇1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院 湖北武汉 430074 2.中国地质大学武汉江城学院 湖北武汉 430200)

摘要:松软煤层中的钻进护孔技术是目前煤矿瓦斯抽采利用中亟待解决的技术难题之一。论文首先在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对其性能进行了综合研究。结果表明:可降解钻井液的降解性能人为可控，能适合煤矿井下作业环境;生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害，并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在～之间)。研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题，也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

关键词:松软煤层 瓦斯抽采 可降解钻井液 护孔 储层保护

基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 40802031、41072111) 。

作者简介: 蔡记华，1978 年生，男，湖北浠水人，博士、副教授，从事钻井液与储层保护方面的教学和研究工作，电话: ，E mail: catchercai@126. com。

Experimental Research on Degradable Drilling Fluid for Drilling in Unconsolidated and Soft Coal Seam

CAI Jihua1，GU Sui2，WU Xiaoming1，LIU Hao1，CHEN Yu1

( 1. Engineering Faculty，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 2. Jiangcheng College，China University of Geosciences，Wuhan 430200，China)

Abstract: Technologies needed to stabilize the wellbore are among the most urgent problems that require be- ing resolved in the drainage and exploitation of coalmine methane ( CMM) from unconsolidated and soft coal seams. In the first，the paper theoretically analyzed the borehole maintaining and biodegradation mechanisms of degradable drilling fluid. Then systematical study on its performance were carried out by utilizing rheology tests， mud cake remove tests and coal rock gas permeability tests. Results show that the degradation properties of degrad- able drilling fluid were controllable and it was fit for the coalmine operation environment. Furthermore，complex unplugging technologies employing enzymatic degradation plus acidification by HCl was effective in removing the damage caused by mud cakes of degradable drilling fluid and resuming the gas permeability of coal rock or even en- hance it by a ratio between 15. 47% and 38. 92% . Technological achievements of this paper can help to resolve the contradiction between borehole maintaining and reservoir protection，and also offer powerful theoretical and techni- cal foundation for drilling technology optimization and production capacity enhancement in vertical，horizontal and multi lateral drilling for coalbed methane exploration.

Keywords: unconsolidated and soft coal sea; coalmine methane drainage and exploitation; degradable drill- ing fluid; borehole maintain; reservoir protection.

1 可降解钻井液的提出

根据抽采对象的不同，可将煤矿瓦斯抽采分为本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采［1］。由于我国地质构造条件复杂，成煤时代多，煤矿区分布广，煤储层特征差异大。简单起见，可划分为正常煤体结构的硬煤层和构造发育的松软煤层两种典型类型。对于松软煤层，由于煤与瓦斯突出、煤层松软、机械强度低等原因，采用清水或空气等常规排粉钻进方式时易出现塌孔、卡钻或喷孔等问题，打钻成孔困难，瓦斯抽采效率低。松软煤层的煤层气开发是我国煤层气产业化面临的最严峻的挑战之一［2～4］，在此类煤层中钻进护孔技术是目前亟待解决的技术难题之一［5～6］。

为达到较好的护孔效果，通常在钻井液中添加纤维素、胍尔胶和生物聚合物等聚合物。纤维素和胍尔胶等起到增粘、降低摩阻和润滑作用以保持井壁稳定，而生物聚合物可以增强钻井液在水平井段内的岩屑悬浮能力。尽管这类钻井液对储层的伤害比传统泥浆要小，但还是会在井壁上形成了低渗透的滤饼。滤饼的不充分降解会极大地影响井壁的流动能力，结果是显著降低生产井的产量。因此，特别是在松散地层和高渗透性地层中，必须清除渗滤到地层中的钻井液以及沉积在井壁上的滤饼，以实现产量最大化。

近年来，针对松散地(储)层钻进中护孔和储层保护的矛盾，我们提出了一种环境友好的可降解钻井液的研究思路［7～11］:在钻进时能保持孔壁稳定，而在钻进工作结束后，钻井液能在生物酶和无机酸作用下实现降解、粘度下降，先前形成的滤饼破除、产层流体的流动性增强、恢复地下流体资源解吸扩散通道，达到提高地下流体资源产量效果的目的。

本文在上述研究基础上，在理论上分析了松散煤层钻进用可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对可降解钻井液的性能进行了综合研究。

2 可降解钻井液的作用机理

可降解钻井液的护孔作用机理

可降解钻井液主剂由粘土稳定剂(如KCl)、水溶型或酸溶型架桥粒子/加重剂(一般为细粒CaCO3或无机盐)、降滤失剂(主要是天然植物胶如淀粉或纤维素或胍尔胶)、流型调节剂(如生物聚合物XC)等组成，这些处理剂共同起到增粘和降低摩阻作用;当钻进结束后，加入能降解各种聚合物的生物酶破胶剂［12～15］和能溶解细粒CaCO3无机酸(通常是15%的HCl［12，14］)或有机酸［13，16］来清除聚合物滤饼(主要由聚合物和CaCO3组成)对储层渗透性的伤害。下面分别阐述各种处理剂的作用机理。

(1)粘土稳定剂可以用来抑制煤岩中粘土矿物遇水后膨胀;

(2)水溶型或酸溶型架桥粒子可以在煤岩表面的孔隙或裂隙孔喉处形成架桥，起到防止钻孔漏失的目的，同时CaCO3或无机盐也可以适当增加钻井液的密度，起到平衡地层压力的作用;

(3)天然植物胶大分子物质相互桥接，滤余后附在孔壁上形成隔膜。这些隔膜薄而坚韧，渗透性极低，可以阻碍自由水继续向煤层渗漏(图1)。同时，这类聚合物钻井液具有良好的包被抑制性，能有效地抑制钻屑分散。另外，这类具有强亲水基团的长链环式高分子化合物易溶于水，形成的水溶液具有较高粘度，可以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;

图1 Na-CMC在粘土颗粒上的吸附方式

(4)生物聚合物XC是一种优良的流型调节剂，用它处理的钻井液在高剪切速率下的极限粘度很低，有利于提高机械钻速;而在环形空间的低剪切速率下又具有较高的粘度，并有利于形成平板形层流，可增强钻井液在近水平煤层钻孔中的携岩效果。

可降解钻井液的生物降解作用机理

所谓降解，是指在物理因素、化学因素或生物因素等的作用下聚合物分子量降低的过程。从实用的角度出发，聚合物降解可分为热降解、机械降解、光化学降解、辐射化学降解、生物降解及化学降解等不同的引发方式［17］。下面以胍尔胶为例，阐述生物酶降解聚合物的作用机理。

胍尔胶属于半乳甘露聚糖类，所用胍尔胶分子主链由β1，4糖甙键将D甘露糖单元连接而成，D半乳糖取代基通过α1，6糖甙键接在甘露糖主链上，沿甘露糖主链随机分布，半乳糖与甘露糖单元之比约为1∶。半乳甘露聚糖特异复合酶可有效地水解半乳甘露聚糖，它由两种O键水解酶组合而成，两种酶的降解机理如图2所示。

第一种O键水解酶是α半乳糖甙酶(蜜二糖酶)，专门作用于半乳糖取代基，可用来水解末端的非还原性αD半乳糖甙键。第二种O键水解酶过去常用来分解胍尔胶分子，在此专门作用于甘露糖主链，这种水解酶被称作β1，4甘露聚糖环内水解酶，可随机水解β1，4D甘露糖甙键［18］。

后续室内实验采用的酶制剂是几种生物酶的复配物。特种酶1号(SE1)以纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶为主，特种酶2号(SE2)和特种酶4号(SE4)以半乳甘露聚糖特异复合酶为主。

图2 胍尔胶糖甙键特异酶的降解机理

3 可降解钻井液的室内试验

降粘效果评价

在理论分析基础上，进行了生物酶降解聚合物的室内实验，以钻井液流变参数为主要评价指标，用几种特种酶来降解单一聚合物或复配聚合物。将生物酶分别加入单一聚合物和复合聚合物中，研究生物酶对这些可降解钻井液的降粘效果，将表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)和动切力(YP)随时间的变化关系绘制成曲线如图3～图5所示。

图3 胍尔胶钻井液的降粘曲线

单一聚合物钻井液

从图3可以看出，在特种酶SE1的作用下，在之内，质量浓度为的胍尔胶钻井液的表观粘度从·s降低到5mPa·s。塑性粘度和动切力也呈现出类似的变化规律。

图4 羧甲基纤维素钻井液的降粘曲线

图5 复配聚合物钻井液的降粘曲线

由图4可以看出，在特种酶SE1的作用下，在之内，质量浓度为的羧甲基纤维素钻井液的表观粘度从·s降低到6mPa·s。

由于特种生物酶SE1同时含有纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶，它对胍尔胶和羧甲基纤维素均有较好的降解效果。

复配聚合物

从图5可以看出，在特种酶SE2的作用下，在46h之内，由质量浓度为羧甲基纤维素和胍尔胶组成的复合聚合物钻井液的表观粘度从·s降低到5mPa·s。随着时间的变化，塑性粘度和动切力也按类似的规律下降。

由图3～图5可以看出，在生物酶作用下，聚合物能实现有效的降解，聚合物大分子逐渐断链变成小分子，钻井液粘度降低，在煤储层中的流动性增强，从而恢复煤层气解吸释放的通道。

滤饼清除实验

实验目的是通过观察可降解钻井液滤饼在生物酶破胶剂(和无机酸)的作用下滤饼表面的变化情况、考察滤饼的解堵效果(结果分别如图6～图7所示)。可降解钻井液的配方如下:

配方1:400ml水+(调节pH)，先后采用的SE4溶液和5%HCl浸泡滤饼。

配方2:400ml水+膨润土，采用溶液浸泡滤饼。

配方1的滤饼清除实验结果如图6所示，可以看出:单独使用生物酶SE4只能清除该套体系中的CMC(图6b)，而对CaCO3等影响不大。当用5%HCl浸泡2h后，滤饼变得非常薄，说明CaCO3已与HCl充分反应［11］。

图6 滤饼的外观变化图

按照配方2所配制钻井液的滤饼清除实验结果如图7所示。由于这种配方中只有CMC这种聚合物，在用JBR溶液浸泡5h后，可降解钻井液的滤饼已基本降解完全。

图7 JBR作用下可降解钻井液(配方4)滤饼清除情况

煤岩气体渗透率测试

煤矿井下瓦斯抽放的最终目的就是恢复煤层的渗透率，获得较高的瓦斯抽放量。因此，渗透性的恢复对于可降解钻井液而言是一个更加直接的衡量指标。采用JHGP智能气体渗透率和JHLS智能岩心流动实验仪对可降解钻井液进行渗透性恢复实验，实验步骤详见参考文献［11］。

煤岩气体渗透率测试结果(表1)表明:晋3煤样经过“污染—生物酶降解—酸化”三个阶段，其渗透率表现出“下降—上升—上升”的趋势，而且经过生物酶降解和酸化(也包括之前的加热处理)之后，煤岩的气体渗透率甚至超过了污染前的气体渗透率(如图8所示，推测盐酸亦与煤岩中的方解石和白云石发生反应，增大了煤岩孔隙裂隙)，这也证实了“生物酶降解—酸化处理”的综合解堵工艺是有效的，有利于提高煤层气藏的采收率。

表1 煤岩气体渗透率

注:①下游压力(出口压力)为(即1个大气压);②△K=(K4－K1)*100/K1。

图8 不同处理阶段煤岩平均气体渗透率变化情况

4 结论

论文在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性评价、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等实验手段对可降解钻井液进行了综合研究，主要得出以下结论:

(1)可降解钻井液的降解性能人为可控，能适合煤矿井下作业环境;

(2)生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害，并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在～之间);

(3)研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题，也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

参考文献

［1］王兆丰，刘军.2005.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨［J］.煤矿安全，36(3)，29～33

［2］苏现波，王丽萍.2001.中国煤层气产业化的机遇、挑战与对策［C］.瓦斯地质新进展，222

［3］饶孟余，杨陆武，冯三利等.2005.中国煤层气产业化开发的技术选择［J］.特种油气藏，12(4)，2

［4］袁亮.2007.淮南矿区煤矿先抽后采的瓦斯治本技术［J］.中国煤炭.33(5)，5～7

［5］张群.2007.关于我国煤矿区煤层气开发的战略思考［J］.中国煤炭，33(11)，9～11

［6］国家发展和改革委员会.2005.煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划［R］

［7］蔡记华，乌效鸣，潘献义等.2004.暂堵型钻井液的试验研究.地质科技情报［J］，23(3):97～100

［8］蔡记华，乌效鸣，刘世锋.2004.自动降解钻井液在水井钻进中的应用［J］.煤田地质与勘探，32(5):52～54

［9］ Jihua Cai，Xiaoming Wu，Sui Gu. 2009. Research on environmentally safe temporarily plugging drilling fluid in water well drilling ［C］ . SPE 122437

［10］ 蔡记华，乌效鸣，谷穗等 . 2010. 煤层气水平井可生物降解钻井液流变性研究 ［J］ . 西南石油大学学报( 自然科学版) ，32 ( 5) : 126 ～ 130

［11］ 蔡记华，刘浩，陈宇等 . 煤层气水平井可降解钻井液体系研究 ［J］ . 煤炭学报，已录用

［12］ Beall，Brian B. ，Tjon-Joe-Pin，Robert，Brannon，et al. 1997. Field experience validates effectiveness of drill-in fluid cleanup system ［C］ . SPE 38570

［13］ Frederick O. Stanley，Phil Rae，Juan C. Troncoso. 1999. Single step enzyme treatment enhances production capacity on horizontal wells ［C］ . SPE 52818

［14］ K. P. O’Driscoll，N. M. Amin，I. Y. Tantawi. 2000. New treatment for removal of mud-polymer damage in multilateral wells drilled using starch-based fluids ［J］ . SPE Drilling ＆ Completion，15 ( 3) : 167 ～ 176

［15］ Hylke Simonides，Gerhard Schuringa，Ali Ghalambor. 2002. Role of starch in designing non-damaging completion and drilling fluids ［C］ . SPE 73768

［16］ R. C. Burton，R. M. Hodge，Ian Wattie，Jane Tomkinson. 2000. Field test of a novel drill-in fluid clean-up technique［C］ . SPE 58740

［17］［德］ W. 施纳贝尔 . 1998. 聚合物降解原理及应用 ［M］ . 科学出版社，180 ～ 187

［18］ 李明志，刘新全，汤志胜等 . 2002. 聚合物降解产物伤害与糖甙键特异酶破胶技术 ［J］ . 油田化学，19( 1) ，89 ～ 92