煤層氣儲(chǔ)層傷害機(jī)理與水平井雙層管柱篩管完井技術(shù)

鮮保安，張 龍，哈爾恒·吐?tīng)査?，?鵬，王 凱，張亞飛，張 洋，王三帥，李宗源

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省非常規(guī)能源地質(zhì)與開(kāi)發(fā)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.新疆科林思德新能源有限責(zé)任公司，新疆 阜康 831500；4.中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北油田分公司，河北 任丘 062550；5.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100028；6.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100016)

煤儲(chǔ)層保護(hù)是煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系煤層氣開(kāi)發(fā)的產(chǎn)量與整體效益。減輕水平井鉆完井過(guò)程中鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害，可釋放煤儲(chǔ)層產(chǎn)能，是提高單井產(chǎn)量的核心措施之一。煤層作為煤層氣的儲(chǔ)集層與產(chǎn)氣層，又具有高吸附性與低滲透性的特點(diǎn)[1-5]。由于煤層是低壓儲(chǔ)層，相對(duì)于圍巖又具有強(qiáng)度低、易破碎和微裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，在水平井鉆完井過(guò)程中更容易受到鉆井流體傷害。基于多元化井身結(jié)構(gòu)的水平井技術(shù)作為一種煤層氣開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)，也越來(lái)越受到行業(yè)的重視，應(yīng)用篩管完井的水平井也越來(lái)越多，而煤儲(chǔ)層保護(hù)又是水平井技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵控制因素[6]。歐陽(yáng)云麗[7]通過(guò)變壓力法模擬井筒壓力及波動(dòng)，得到壓力變化幅度越大，對(duì)煤巖的傷害越大；孫晗森等[8]采用固井水泥漿煤心傷害實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡表明固井水泥漿膠結(jié)顆粒在孔裂隙中致密填充，嚴(yán)重降低煤巖滲透率；魏迎春等[9]等通過(guò)分散劑水溶液對(duì)煤巖影響的物理模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為分散劑增大了毛細(xì)管力，加劇了水鎖傷害?，F(xiàn)有研究對(duì)于煤層氣水平井鉆完井傷害實(shí)驗(yàn)與機(jī)理涉及較少，因此，揭示煤層氣水平井鉆完井過(guò)程中煤儲(chǔ)層傷害機(jī)理，研發(fā)能夠減輕煤儲(chǔ)層傷害的技術(shù)具有重要意義[10-13]。本文通過(guò)系統(tǒng)分析煤層氣水平井鉆完井過(guò)程，采用煤粉膨脹與滲透率傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，揭示煤儲(chǔ)層傷害機(jī)理；提出水平井雙層管柱篩管完井技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證，可以減輕鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害，提高單井產(chǎn)量。

1 鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)

煤層氣水平井能夠增加井筒與煤儲(chǔ)層接觸面積，溝通更多煤儲(chǔ)層天然微裂隙，增加泄壓與煤層氣滲流面積，提高天然裂隙導(dǎo)流能力，釋放煤儲(chǔ)層產(chǎn)能[14-17]。另一方面，水平井技術(shù)在鉆完井過(guò)程中鉆井液與煤儲(chǔ)層接觸時(shí)間更長(zhǎng)，接觸面積更大，造成的煤儲(chǔ)層傷害也越大。

鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害主要包括固相顆粒侵入儲(chǔ)層造成煤巖孔隙堵塞、鉆井液濾液侵入儲(chǔ)層造成的傷害，其中造成煤儲(chǔ)層傷害的固相顆粒包含鉆井液中不可溶解的固相物質(zhì)與鉆完井過(guò)程中煤層自身在外力作用下微小變形形成的煤粉顆粒。

1.1 鉆井液中固相顆粒與煤儲(chǔ)層孔?裂隙類型

鉆井過(guò)程中固相顆粒對(duì)煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)的充填堵塞是不可避免的現(xiàn)象[13]，在井底壓差作用下，鉆井液向煤儲(chǔ)層不斷滲透，固相顆粒會(huì)在煤層微裂隙變窄或流速減慢的情況下堵塞微裂隙通道，并在井壁形成穩(wěn)定的泥餅，阻擋固相顆粒繼續(xù)侵入煤儲(chǔ)層。室內(nèi)研究表明，在煤巖滲透率超過(guò)0.01×10?3μm2時(shí)，濾餅的滲透率比儲(chǔ)層滲透率低一個(gè)數(shù)量級(jí)。侵入煤儲(chǔ)層的顆粒會(huì)堵塞地層流體的運(yùn)移通道，大幅度降低儲(chǔ)層的滲透率，造成難恢復(fù)的儲(chǔ)層傷害。

鉆井液中的固相顆粒種類劃分以粒徑為標(biāo)準(zhǔn)，具體可分為粗粒、中細(xì)粒、細(xì)粒、超細(xì)粒、微粒及膠體顆粒。煤的孔隙類型[7]見(jiàn)表1。當(dāng)鉆井液固相顆粒粒徑與煤儲(chǔ)層裂隙或孔隙直徑相近時(shí)，會(huì)在孔喉處發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

表1 鉆井液固相顆粒粒徑與煤儲(chǔ)層孔隙直徑對(duì)比Table 1 Comparison of solid particle size in drilling fluid and pore diameter in coal seam

1.2 煤粉膨脹評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

研究表明，與砂巖相比，煤分子是由若干結(jié)構(gòu)相似而又不完全相同的基本結(jié)構(gòu)單元通過(guò)橋鍵連接而成的，高變質(zhì)煤中性質(zhì)活潑的側(cè)鏈、橋鍵及各種官能團(tuán)數(shù)少，芳香環(huán)數(shù)多，芳香碳間的結(jié)合力大，不易斷開(kāi)[6]。煤巖是由高度交聯(lián)的大分子網(wǎng)和其他互不交聯(lián)的大分子鏈組成，從而導(dǎo)致了煤的吸附能力較強(qiáng)。煤巖基質(zhì)的孔隙率很低，且孔裂隙連通性較差，使得煤儲(chǔ)層呈現(xiàn)低滲透率特征，這是煤巖自身特征。煤孔裂隙中的黏土礦物與侵入的外來(lái)流體接觸后出現(xiàn)微膨脹現(xiàn)象，進(jìn)一步降低煤巖的孔隙連通性，同時(shí)影響煤巖滲透性。選取山西沁水盆地煤樣，開(kāi)展了煤粉膨脹的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)鉆井液濾液對(duì)煤樣造成的傷害。

1.2.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用 NP-01A 型膨脹量測(cè)定儀，測(cè)定煤粉膨脹率。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 測(cè)定膨脹儀空筒的高度h1。

(2) 取采集煤樣100 g，經(jīng)粉碎機(jī)破碎后，過(guò)100 目(150 μm)、200 目(74 μm)篩，選 取100～200 目 之 間煤粉。

(3) 利用電熱鼓風(fēng)干燥箱將煤粉作干燥處理，并將其冷卻到室溫，然后稱取10 g 煤粉放入空筒中，墊上一層濾紙后，在一定壓力條件下，將煤粉壓實(shí)(實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置壓力為5 MPa，時(shí)間為3 min)；待煤粉壓實(shí)好后，再次測(cè)量筒體高度h2。

(4) 將儀器按照操作規(guī)程安裝好，用注射器將已配制好的待測(cè)溶液緩慢地注入杯體中。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始計(jì)數(shù)。煤粉膨脹的高度 ?h需在前8 h 內(nèi)每隔1 h讀取一次，24 h 后測(cè)定最終膨脹高度即可。時(shí)間許可時(shí)，可以測(cè)量煤粉單位時(shí)間內(nèi)膨脹量隨時(shí)間的變化率，從而建立煤粉膨脹變形的時(shí)間函數(shù)關(guān)系式，可用下式計(jì)算煤粉的最終膨脹率P：

1.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)分別用不同溶液(蒸餾水、煤層水和1%KCl 鹽水)測(cè)定山西沁水盆地不同礦區(qū)煤樣(壽陽(yáng)、潘莊區(qū)塊天然煤樣)，記錄煤粉發(fā)生膨脹的過(guò)程及線性膨脹率。煤粉膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 煤粉膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of coal power expansion

由表2 可見(jiàn)，在所選不同溶液中蒸餾水對(duì)潘莊煤樣SH1-1 樣煤粉膨脹率的影響較為明顯，膨脹率達(dá)到17.62%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，潘莊的煤巖具有較強(qiáng)的遇水膨脹特性，壽陽(yáng)煤樣的煤巖遇水膨脹不敏感，蒸餾水的膨脹率僅為2%。

在1%KCL 鹽水溶液中潘莊SH1-3 樣煤粉膨脹率僅為1.72%，對(duì)比選取蒸餾水的結(jié)果，煤粉的膨脹率下降了90.24%，與煤層水相比下降了67.30%，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了KCl 溶液能明顯降低煤巖的遇水膨脹性。

據(jù)劉飛[18]做的陽(yáng)泉壽陽(yáng)礦區(qū)15 號(hào)煤和晉城潘莊3 號(hào)煤黏土礦物分析結(jié)果可知，陽(yáng)泉壽陽(yáng)礦區(qū)15 號(hào)煤黏土礦物含量為2.2%，晉城潘莊3 號(hào)煤黏土礦物含量為6.8%?？芍ね恋V物含量越高，煤粉膨脹率越大。

從以上煤粉膨脹的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)煤粉與液體接觸后，煤儲(chǔ)層會(huì)吸收液體，從而導(dǎo)致煤基質(zhì)膨脹，造成煤巖滲透率降低，造成煤儲(chǔ)層嚴(yán)重傷害，但KCl具有明顯抑制煤基質(zhì)膨脹的作用。

1.3 鉆井液濾液對(duì)煤儲(chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)

評(píng)價(jià)鉆井液濾液對(duì)煤層的傷害，主要對(duì)煤樣受到鉆井液污染前后滲透率的測(cè)定，用傷害率表示，通過(guò)滲透率和傷害率的變化分析研究，評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)煤層的傷害程度。傷害率[19]用下式計(jì)算：

式中：Ko、Kd分別為傷害前、傷害后的滲透率，10?3μm2；Ks為儲(chǔ)層傷害率。

1.3.1樣品制備

煤樣制備：利用CH5640 數(shù)控金剛石線切割機(jī)床，鉆取圓柱狀巖樣(直徑 2.5 cm，高 5 cm)，60 ℃下烘干。制備煤樣4 組，每組5 個(gè)樣，并將鉆取的煤樣斷面磨平。

鉆井液漿體制備：3 000 mL 蒸餾水+150 g 膨潤(rùn)鈉土粉+49 g 磺化瀝青粉+5 g 增黏降失水劑+30 g KCl，密度 1.01 g/cm3，馬氏漏斗黏度54 s，中壓API 失水9 mL，泥餅厚度小于0.8 mm。

1.3.2實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)SY/T 6540?2021《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試儀器為 TCQT-Ⅲ型低滲煤層氣相驅(qū)替增產(chǎn)實(shí)驗(yàn)裝置。

(1) 在模擬地層壓力條件下進(jìn)行煤儲(chǔ)層巖心氣相滲透率測(cè)定，測(cè)試驅(qū)替介質(zhì)為氦氣。

(2) 在模擬地層壓力條件下進(jìn)行煤儲(chǔ)層巖心鉆井液傷害實(shí)驗(yàn)，鉆井液浸泡時(shí)間不低于72 h。

(3) 去除外泥餅，在模擬地層壓力條件下再一次測(cè)定氣相滲透率，測(cè)試介質(zhì)為氦氣。

1.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室完成了4 件樣品的鉆井液傷害實(shí)驗(yàn)，以傷害時(shí)間0.5、1.0、1.5、2.0 和12.0 h 為單位，分別測(cè)試煤巖樣品滲透率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煤巖樣品鉆井液傷害后滲透率特征Table 3 Permeability characteristics of coal rock samples after drilling fluid damage

由表3 可知，煤樣在1.5 h 內(nèi)受到鉆井液傷害后滲透率下降較快，主要以動(dòng)濾失為主，濾失過(guò)程中形成泥餅；2.0 h 后煤樣滲透率基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，煤樣表面泥餅已形成，鉆井液靜濾失量明顯低于動(dòng)濾失量(一定剪切速率下測(cè)定的濾失量)。在鉆井液侵入煤樣過(guò)程中，煤樣初始滲透率值越高，鉆井液動(dòng)濾失量越大，滲透率下降速度越快，形成泥餅所需時(shí)間較短，鉆井液傷害率相對(duì)較高；煤樣初始滲透率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)后，鉆井液動(dòng)濾失速度明顯降低，滲透率下降速度較低，形成泥餅所需時(shí)間較長(zhǎng)，鉆井液傷害率相對(duì)較低。由此可知，煤樣滲透率越高，越容易受到傷害。

1.4 鉆井液及煤粉對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害機(jī)理

1.4.1鉆井液侵入對(duì)煤儲(chǔ)層傷害機(jī)理

從實(shí)驗(yàn)觀察可見(jiàn)，煤樣在吸收液體的過(guò)程中所引起的煤巖樣膨脹和滲透率降低是動(dòng)態(tài)快速形成的，隨著時(shí)間的推移，傷害程度的變化趨勢(shì)由高到低，且鉆井液侵入前期1.5 h，煤層傷害速度較快。因此煤層氣開(kāi)發(fā)的整個(gè)鉆井過(guò)程中，鉆井液侵入對(duì)煤儲(chǔ)層造成了由高到低的動(dòng)態(tài)傷害，煤層傷害主要發(fā)生在鉆開(kāi)煤層的初始階段，隨著煤層鉆進(jìn)與鉆井液浸泡煤巖時(shí)間的延長(zhǎng)，煤層傷害程度不斷降低，直到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。儲(chǔ)層中的原有流體被外來(lái)流體推到儲(chǔ)層深部，在兩相流體形成的接觸液面處產(chǎn)生毛細(xì)管阻力。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，如若不能有效地排出侵入儲(chǔ)層的外來(lái)流體，儲(chǔ)層滲透率會(huì)因含水飽和度的增加而降低。

另外，煤層氣水平井的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，鉆井液濾液對(duì)煤層的傷害與鉆井液類型密切相關(guān)，且早期的傷害不可避免，故完井過(guò)程中減輕傷害的技術(shù)措施不可缺少。

1.4.2煤粉對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害機(jī)理

煤本身為一種膠結(jié)較弱的固相顆粒，與其他常規(guī)巖石相比，抗壓和抗拉能力都較弱，煤具有彈性模量小、泊松比大等特點(diǎn)，使得煤比其他巖石更易受壓縮變形，在相同的應(yīng)力條件下煤更易受抗拉與抗剪切破壞。從大量礦井煤層剖面觀測(cè)表明，煤粉主要來(lái)源可以分為原生煤粉和次生煤粉[20-21]。

鉆井過(guò)程中的起下鉆速度過(guò)快或泥漿泵壓力波動(dòng)都會(huì)引進(jìn)井底的應(yīng)力變化，加速煤儲(chǔ)層微裂隙表面基質(zhì)破碎與顆粒運(yùn)移，形成堆積堵塞微裂隙，降低煤儲(chǔ)層滲透率和導(dǎo)流能力，最終降低煤層氣單井產(chǎn)量。

煤粉顆粒聚集在一起，阻塞滲流通道，也造成了兩個(gè)方面的負(fù)面影響，一方面，使壓裂過(guò)程中施工壓力增高；另一方面，大量煤粉容易出現(xiàn)懸浮、沉降聚集而堵塞煤層原生裂隙。通常所說(shuō)的煤粉堵塞就是指煤粉在煤儲(chǔ)層流體運(yùn)移過(guò)程中，前端流體由于一部分煤粉聚集導(dǎo)致流體運(yùn)移速度變緩，后端流體依然以原來(lái)的速度向前涌進(jìn)，使得運(yùn)移通道逐漸被煤粉堆積堵塞，嚴(yán)重的會(huì)形成斷流，堵死流體運(yùn)移通道，對(duì)煤層形成永久傷害。

2 雙層管柱篩管完井技術(shù)與減輕煤儲(chǔ)層傷害原理

2.1 雙層管柱篩管完井技術(shù)

雙層管柱篩管完井工藝由內(nèi)外雙層管柱組成[22-23]，外部管柱主要由引鞋、密封筒、篩管與懸掛連接總成組成，篩管與懸掛器下端的連接總成連接，井底連接密封管與篩管引鞋；內(nèi)部管柱由沖管組成，沖管也與懸掛器下端總成連接(圖1)。鉆桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭與懸掛器上端總成連接，并將懸掛器、篩管及沖管送至設(shè)計(jì)懸掛器位置(圖2)，然后通過(guò)投球?qū)崿F(xiàn)懸掛器與技術(shù)套管內(nèi)壁坐封，繼續(xù)使用液壓或機(jī)械丟手實(shí)現(xiàn)懸掛器懸掛裝置與連接總成脫離，懸掛器懸掛裝置及篩管固定于井筒內(nèi)，鉆桿拖動(dòng)懸掛器總成及沖管進(jìn)行洗井作業(yè)(圖3)，洗井液從沖洗管出口再通過(guò)篩管孔眼沖刷井壁，上下拖動(dòng)鉆具進(jìn)行分段動(dòng)態(tài)沖刷井壁(每段20～30 m)，可在鉆井過(guò)程中煤儲(chǔ)層坍塌嚴(yán)重位置進(jìn)行定點(diǎn)多次洗井，以清除過(guò)多的煤粉，沖洗的煤粉隨洗井液經(jīng)內(nèi)部管柱系統(tǒng)與外部管柱系統(tǒng)間的環(huán)空返排至井口，也可以促使碎軟煤層進(jìn)一步坍塌，連通更多的微裂隙。

圖1 雙層管柱篩管完井結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of double-layered screen pipe in the completion structure

圖2 水平井篩管完井結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the completion structure with screen pipe in horizontal well

圖3 循環(huán)拖動(dòng)洗井結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram for well cleaning structure with the function of circulation and drag

2.2 雙層管柱篩管完井技術(shù)減輕儲(chǔ)層傷害原理

雙層管柱篩管完井技術(shù)是專門(mén)針對(duì)篩管完井與減輕完井傷害設(shè)計(jì)，能夠及時(shí)實(shí)現(xiàn)水平井分段洗井，其減輕完井傷害的原理主要包含以下四個(gè)方面：

(1) 通過(guò)對(duì)鉆井液進(jìn)行化學(xué)破膠，減輕完井液對(duì)煤層傷害[24-25]。利用內(nèi)層沖洗管柱泵送生物酶破膠液，與原井筒近井地帶的殘余鉆井液混合，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，分解鉆井液中的高分子增黏劑成分。破膠10 min 后，表觀黏度可以從近13 mPa·s 降低至1.0～1.75 mPa·s，破膠率平均89.3%，破膠效果明顯混合完井液已經(jīng)接近水的黏度，也可以增加破膠劑用量，進(jìn)一步縮短破膠時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 鉆井液用生物酶破膠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data for bio-enzyme gel breaker used in drilling fluid

(2) 利用沖洗管的水力沖擊作用，減輕泥餅對(duì)煤層的傷害。通過(guò)沖洗管的沖洗引鞋，破膠完井液的高壓水射流沖擊篩管水眼，再?zèng)_洗井壁煤層，剝離井壁泥餅及煤屑顆粒，減少井壁表面泥餅，快速暴露煤巖裂隙，又加深對(duì)井壁附近粘附的鉆井液增黏劑的破膠降解作用效果，擴(kuò)大連通煤儲(chǔ)層內(nèi)部裂隙，進(jìn)一步減輕鉆井液傷害(圖4)。

圖4 鉆井液沖洗前后的煤層井壁對(duì)比Fig.4 Comparison diagram of coal seam wall before and after drilling fluid flushing

(3) 完井液高壓水力循環(huán)攜帶煤粉，減輕近井地帶煤粉堆積傷害。依靠沖洗管內(nèi)的完井液，形成高壓水射流清洗井壁近井地帶裂隙的煤粉，并攜帶出井筒，清除殘留井壁附近的煤粉顆粒。

(4) 井壁煤層水力應(yīng)力增滲，提高近井地帶煤層滲透率。沖洗過(guò)程泵壓變化，引起煤層井壁附近應(yīng)力變化?；诿簬r弱面體結(jié)構(gòu)模型與斷裂力學(xué)原理，井壁附近應(yīng)力變化，引起煤巖原生裂隙受到周期性的拉應(yīng)力σt與剪應(yīng)力τn作用，導(dǎo)致煤層井壁附近原生微裂隙反復(fù)張開(kāi)與剪切滑移(圖5)。如果是原生結(jié)構(gòu)煤，就是因張力引起面割理張開(kāi)，因剪應(yīng)力引起端割理滑動(dòng)，起到微裂隙的增滲作用，相當(dāng)于近井壁煤層改造措施。

圖5 近井地帶煤層應(yīng)力變化引起的增滲作用Fig.5 Permeability improvement in the coal seam near wellbore zone due to stress change

3 水平井雙層管柱篩管完井在沁水盆地的應(yīng)用

3.1 水平井雙層管柱篩管完井技術(shù)適應(yīng)性研究

根據(jù)前人[26-29]對(duì)沁水盆地15 號(hào)煤儲(chǔ)層物性的研究，15 號(hào)煤的埋藏深度大部分處于300～2 000 m，煤厚平均為2.7 m。該層位煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，宏觀煤巖類型以亮煤為主，半亮煤次之，顏色為黑灰色，似金屬光澤，斷口為階梯狀、貝殼狀，結(jié)構(gòu)為條帶狀結(jié)構(gòu)，礦物可見(jiàn)薄膜狀白色方解石，構(gòu)造為層狀構(gòu)造，煤中含泥質(zhì)、炭質(zhì)泥巖夾矸。為低灰?中灰，低揮發(fā)分，中硫，不黏結(jié)性，高發(fā)熱量貧煤。該區(qū)域煤孔隙、裂隙普遍發(fā)育，但是孔隙、裂隙大多被礦物填充，導(dǎo)致孔裂隙連通性較差，不利于煤層氣的滲流。煤層原始滲透率平均值[28]在0.2×10?3μm2，遠(yuǎn)低于已成功勘探開(kāi)發(fā)的3 號(hào)煤層。15 號(hào)煤層的儲(chǔ)層壓力為 3.57～13.13 MPa，壓力梯度為0.402～0.965 MPa/hm?？傮w為低滲透率欠壓煤儲(chǔ)層，隨煤層埋藏深度加深，儲(chǔ)層壓力及儲(chǔ)層壓力梯度增高。

15 號(hào)煤儲(chǔ)層宏觀裂隙有限，顯微裂隙不發(fā)育，大孔、中孔不發(fā)育的特點(diǎn)，決定了煤層氣擴(kuò)散和滲流的原始條件較差，煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，破碎程度加劇，碎裂煤與碎粒煤明顯增多，局部含有糜棱煤，煤層孔裂隙充填多，這就需要在完井過(guò)程中對(duì)煤層氣滲流通道進(jìn)行改造，同時(shí)對(duì)原生煤粉、殘余鉆井液進(jìn)行清洗返排，為完井改造作業(yè)提供良好的改造環(huán)境。

綜上所述，目前的雙層管柱篩管完井技術(shù)適宜的煤層條件：(1) 煤層具有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，可利用聚合物鉆井液穩(wěn)定井壁形成水平井眼；(2) 煤層滲透率較高，達(dá)到0.2×10?3μm2以上；(3) 平均煤層壓力梯度0.4 MPa/hm以上；(4) 煤體結(jié)構(gòu)以原生煤、碎裂煤和碎粒煤為主，或含少量糜棱煤；(5) 煤層厚度1 m 以上，能夠?qū)崿F(xiàn)水平井眼導(dǎo)向鉆進(jìn)。

3.2 應(yīng)用效果

水平井雙層管柱篩管完井技術(shù)已在沁水盆地南部得到推廣應(yīng)用，首先在3 號(hào)煤層試驗(yàn)成功，平均單井日產(chǎn)氣量20 000～22 000 m3，逐步推廣到15 號(hào)煤層，15號(hào)煤層氣日產(chǎn)量平均10 000～12 000 m3，其中一口井最高日產(chǎn)氣量已經(jīng)超過(guò)40 000 m3，近2 年時(shí)間累計(jì)產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1.6×107m3(圖6)，截至2020 年12 月31 日，已先后推廣應(yīng)用400 余口，相對(duì)于常規(guī)的多分支水平井及分段壓裂水平井，水平井雙層管柱篩管完井的煤層氣穩(wěn)定日產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)周期均大幅提升。根據(jù)華北油田在山西沁水盆地3 號(hào)煤層實(shí)施的煤層氣井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)情況[30]，采用普通篩管完井的水平井49 口，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量為3 527 m3；套管完井的L 型水平井共18 口，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量為6 051 m3；魚(yú)骨狀水平井6 口，完井方式為主支篩管，分支裸眼，平均穩(wěn)定日產(chǎn)氣量為4 537 m3。雙層管柱篩管完井水平井平均日產(chǎn)氣量是其他完井類型水平井平均日產(chǎn)氣量的2～7 倍。

圖6 沁水盆地南部15 號(hào)煤某篩管完井水平井煤層氣產(chǎn)量曲線Fig.6 The gas production curves of a horizontal well with screen pipe completion in No.15 coal reservoir in southern Qinshui Basin

水平井雙層管柱篩管完井實(shí)現(xiàn)了沁水盆地南部15 號(hào)煤層氣開(kāi)發(fā)的歷史性突破。

4 結(jié)論

a.鉆井液對(duì)煤層的傷害，因鉆井液流體性質(zhì)有明顯的變化，也是非均質(zhì)動(dòng)態(tài)過(guò)程。煤粉膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)煤粉與液體接觸后，煤儲(chǔ)層會(huì)吸收液體，從而導(dǎo)致煤層膨脹，造成煤巖滲透率降低，造成煤儲(chǔ)層嚴(yán)重傷害，KCl 溶液具有明顯抑制煤層膨脹的作用。

b.水平井雙層管柱篩管完井減輕煤儲(chǔ)層傷害機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面：對(duì)鉆井液的化學(xué)破膠；洗井去除泥餅；完井液沖洗煤粉；沖洗過(guò)程中泵壓變化，井底應(yīng)力變化引起煤層微裂隙錯(cuò)動(dòng)，提高井壁附近煤層的滲透率。煤層氣水平井雙層管柱篩管完井技術(shù)為煤層氣產(chǎn)出提供了穩(wěn)定通道，射流洗井與增滲技術(shù)能夠有效減輕鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害，有利于恢復(fù)煤儲(chǔ)層的產(chǎn)能，提高單井產(chǎn)量。

c.煤層傷害機(jī)理分析主要從鉆井液對(duì)煤層的傷害，煤巖水化性質(zhì)兩個(gè)方面展開(kāi)，對(duì)比性實(shí)驗(yàn)分析還有待提高，缺少煤巖微觀孔裂隙，近井地帶煤巖力學(xué)性質(zhì)的分析，今后將對(duì)這兩方面補(bǔ)充研究，完善煤層氣水平井完井儲(chǔ)層傷害機(jī)理。

d.水平井雙層管柱篩管完井技術(shù)已在沁水盆地南部得到推廣應(yīng)用，在3 號(hào)煤層氣首先試驗(yàn)成功，相對(duì)于常規(guī)的多分支水平井及分段壓裂水平井，煤層氣穩(wěn)定日產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)周期均大幅提升，且15 號(hào)煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了歷史突破。