外煤層氣開(kāi)發(fā)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　煤層氣作為非常規(guī)天然氣，是近年來(lái)在國(guó)際上崛起的潔凈優(yōu)質(zhì)能源。我國(guó)煤層氣儲(chǔ)量可觀，儲(chǔ)層微孔和裂縫發(fā)育，儲(chǔ)層滲透率、壓力及含氣飽和度均偏低，煤巖表面常帶有負(fù)電荷；為了較好的開(kāi)發(fā)煤層氣儲(chǔ)層，鉆井液應(yīng)當(dāng)具有較強(qiáng)的封堵性和抑制性、合理的密度值和pH值，較低的表面張力。本課題以煤層氣儲(chǔ)層為對(duì)象，以我國(guó)儲(chǔ)層特點(diǎn)及其應(yīng)對(duì)舉措為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)采取

2、文獻(xiàn)調(diào)研、系統(tǒng)分析等方法，對(duì)與煤層氣儲(chǔ)層配伍的保護(hù)儲(chǔ)層的鉆井液體系的早期發(fā)展、現(xiàn)今狀況、做出系統(tǒng)的介紹，并對(duì)其未來(lái)創(chuàng)新趨勢(shì)做出展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞 煤層氣儲(chǔ)層；鉆井液體系；儲(chǔ)層保護(hù)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Coalbed Methane (CBM), known as an unc

3、onventional natural gas, having the advantages of being clean and high quality, rises rapidly in the international community in recent years. The geological reserves in our country are considerable, meanwhile, the micros

4、pores and fractures in the CBM reservoir are well developed in China. The reservoir has plenty of characteristics, such as the lower permeability, the lower pressure and the lower gas saturation of the reservoir, and the

5、 surface of coal and r</p><p>　　Keywords CBM reservoir; drilling fluid system; reservoir protecting</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p>

6、<p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 前言1</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2 研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 煤層

7、氣開(kāi)采鉆井方式2</p><p>　　1.2.3 煤層氣儲(chǔ)層鉆井液體系的發(fā)展2</p><p>　　1.3 本課題研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2章 煤層氣特征及其儲(chǔ)層特點(diǎn)和敏感性分析4</p><p><b>　　2.1 煤層氣4</b></p><p>　　2.1.1 基本概念與

8、形成過(guò)程4</p><p>　　2.1.2 煤層氣的化學(xué)組分4</p><p>　　2.1.3 煤層氣的物理性質(zhì)5</p><p>　　2.2 煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)6</p><p>　　2.3 鉆井液體系對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害7</p><p>　　2.3.1 煤體吸附儲(chǔ)層傷害分析7</p><

9、p>　　2.3.2 固相堵塞儲(chǔ)層傷害分析7</p><p>　　2.3.3 鉆井壓力對(duì)儲(chǔ)層的傷害分析8</p><p>　　第3章 煤層氣儲(chǔ)層對(duì)鉆井液性能的要求9</p><p>　　第4章 常規(guī)及前沿鉆井液體系介紹11</p><p>　　4.1 常規(guī)鉆井液體系11</p><p>　　4.1.1 泡

10、沫鉆井液體系11</p><p>　　4.1.2 Aphron鉆井液體系11</p><p>　　4.1.3 超低滲透鉆井液體系12</p><p>　　4.2 前沿鉆井液體系介紹12</p><p>　　4.2.1 裂縫架橋式煤層氣井鉆井液13</p><p>　　4.2.2 仿生絨囊煤層氣井鉆井液13&

11、lt;/p><p>　　4.2.3 可循環(huán)微泡煤層氣井鉆井液15</p><p>　　4.2.4 超臨界CO2開(kāi)發(fā)煤層氣16</p><p><b>　　第5章 結(jié)論19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)21</b></p><p><b>　　謝

12、 辭23</b></p><p><b>　　第1章 前言</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　煤層氣賦存在煤層中，甲烷為其主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類(lèi)氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規(guī)天然氣，是近一二十年在國(guó)際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工

13、原料，具有采收率較高（一般30%～60%，最高可達(dá)80%）、發(fā)熱量高（達(dá)33.44～37.62×106 J/m3）等優(yōu)點(diǎn) [15] 。最新的全國(guó)煤層氣資源預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，中國(guó)煤層氣資源總量約為31.46×1012 m3，與陸上常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)，是繼俄羅斯、加拿大之后的第三大煤層氣儲(chǔ)量國(guó)，開(kāi)發(fā)煤層氣這一新型能源對(duì)緩解國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中能源的供求矛盾，以及促進(jìn)我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意

14、義 [2] 。具體分析可得以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）開(kāi)發(fā)利用煤層氣可以從根本上防止煤礦瓦斯事故，改善煤礦安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益；</p><p>　?。?）煤層氣作為優(yōu)質(zhì)能源具有綠色意義：基本不含硫，對(duì)各種設(shè)備腐蝕??；燃燒產(chǎn)生污染物少；燃燒后廢氣是一種氣態(tài)肥料，可增強(qiáng)植物的光合作用；減少甲烷排放，有效緩解溫室效應(yīng)；</p><p>　?。?）開(kāi)發(fā)利用煤層

15、氣，減輕大量燃燒煤造成的空氣污染；</p><p>　?。?）開(kāi)發(fā)利用煤層氣，可以改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，增加潔凈氣體能源，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　但是目前煤層氣勘探開(kāi)發(fā)所需成本較高，因此研發(fā)利用技術(shù)還有待于進(jìn)一步提高。在鉆進(jìn)煤層時(shí)一方面為了解決煤層破壞和高剪切應(yīng)力造成的井眼不穩(wěn)定問(wèn)題，要提高鉆井液、完井液的密度，即增加其固相含量；但另一方面由于煤層極易污染，特別是受鉆井液、

16、完井液和固井水泥漿中固相顆粒的污染，導(dǎo)致地層壓力、滲透率測(cè)試的不準(zhǔn)確，表皮系數(shù)大，后期處理相當(dāng)困難。解決鉆井液對(duì)煤層的污染、傷害問(wèn)題一直是困擾煤層氣鉆井的重要課題。因此開(kāi)展對(duì)保護(hù)煤層氣儲(chǔ)層的鉆井液體系的研究具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)理論意義 [4] 。</p><p><b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀</p>

17、;<p>　　目前，美國(guó)、加拿大、德國(guó)和法國(guó)等國(guó)家的煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)由于各國(guó)的煤層氣資源條件、采取政策措施均存在差別，其各自發(fā)展?fàn)顩r也有所不同。</p><p>　　美國(guó)是世界上率先取得煤層氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)最成功的國(guó)家，在研究、勘探、開(kāi)發(fā)利用方面處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)迅速取得成功，除具有良好的煤層氣地質(zhì)資源條件和完善的基礎(chǔ)設(shè)施(如發(fā)達(dá)的天然氣管網(wǎng))以外，煤層氣開(kāi)發(fā)初期政府的宏觀調(diào)控政策

18、特別是卓有成效的財(cái)政支持、政策法規(guī)鼓勵(lì)和開(kāi)放的市場(chǎng)，使美國(guó)率先取得成功；加拿大煤層氣開(kāi)發(fā)比較晚，但多年來(lái)其政府一直支持煤層氣的發(fā)展，一些研究機(jī)構(gòu)根據(jù)本國(guó)以低變質(zhì)煤為主的特點(diǎn)，開(kāi)展了一系列技術(shù)研究工作，例如在多分支水平羽狀井、連續(xù)油管壓裂等技術(shù)方面取得了進(jìn)展，降低了煤層氣開(kāi)采成本，煤層氣的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段；近些年來(lái)，在一系列政策法規(guī)的推動(dòng)下，德國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)及相關(guān)設(shè)備的研制也均取得了很大進(jìn)展；澳大利亞早在 1976年就開(kāi)始開(kāi)采煤層氣，主

19、要在昆士蘭的鮑恩盆地。但到目前為止其煤層氣的產(chǎn)量還是以礦井煤層氣抽放為主，生產(chǎn)的煤層氣主要供給建在井口的煤層氣發(fā)電站。</p><p>　　我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，截止 2004年底我國(guó)煤層氣可采儲(chǔ)量470×108 m3，全國(guó)已正式登記煤層氣區(qū)塊56個(gè)，面積6577萬(wàn)平方公里，共施工地面煤層氣井287口，試驗(yàn)井組6個(gè)；全國(guó)共有133個(gè)礦井采用井下抽放技術(shù)抽取煤層氣，年抽放量達(dá)15×1

20、08 m3，已建成瓦斯利用工程60多個(gè)。我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用主要集中在山西、遼寧、內(nèi)蒙古、安徽、云南、河南和貴州等省(區(qū))。目前，我國(guó)煤層氣產(chǎn)量主要來(lái)自井下抽放系統(tǒng)，地面井回收的煤層氣尚未形成規(guī)模，井下抽放系統(tǒng)回收的煤層氣主要用作民用燃料和工業(yè)鍋爐燃料，少量用于發(fā)電和生產(chǎn)化工產(chǎn)品[2,12]。</p><p>　　1.2.2 煤層氣開(kāi)采鉆井方式</p><p>　　煤層氣開(kāi)采國(guó)內(nèi)外鉆井方式以

21、欠平衡鉆井為主（即在鉆進(jìn)過(guò)程中，井內(nèi)鉆井液的底循環(huán)壓力低于地層壓力的鉆井工藝技術(shù)），以微過(guò)平衡鉆井為輔 [7,8] 。</p><p>　　1.2.3 煤層氣儲(chǔ)層鉆井液體系的發(fā)展</p><p>　　早期的欠平衡鉆井所用的循環(huán)介質(zhì)為空氣，采取油基鉆井液體系。后來(lái)相繼發(fā)展了采用天然氣、氮?dú)?、泡沫和充氣鉆井液。由于研制出能承受高壓的旋轉(zhuǎn)防噴器，現(xiàn)在油氣開(kāi)發(fā)部門(mén)發(fā)展了使用液體鉆井液對(duì)高壓地層進(jìn)行

22、欠平衡鉆井的技術(shù)，這種技術(shù)國(guó)外稱(chēng)為Flow Drill(國(guó)內(nèi)譯為邊噴邊鉆) [7] 。</p><p>　　由于各國(guó)的政策鼓勵(lì)與資金支持，現(xiàn)今已經(jīng)改良出現(xiàn)多種新型鉆井液體系。其中典型示例為：第一、裂縫架橋式煤層氣井鉆井液；第二、可全面封堵地層的絨囊鉆井液；第三、可循環(huán)微泡鉆井液在煤層氣鉆井中的應(yīng)用；第四、超臨界注氣CO2開(kāi)發(fā)煤層氣。</p><p>　　1.3 本課題研究?jī)?nèi)容</p&

23、gt;<p>　　通過(guò)本課題的研究，主要完成以下研究?jī)?nèi)容：</p><p>　?。?）煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)和敏感性分析；</p><p>　　（2）煤層氣性質(zhì)和特點(diǎn)；</p><p>　?。?）常用及前沿鉆井液體系分析；</p><p>　　（4）保護(hù)儲(chǔ)層鉆井液體系的研究。</p><p>　　第2章 煤層氣特

24、征及其儲(chǔ)層特點(diǎn)和敏感性分析</p><p><b>　　2.1 煤層氣</b></p><p>　　2.1.1 基本概念與形成過(guò)程</p><p>　　煤層氣，英文名稱(chēng)：Coalbed Methane (CBM)，是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類(lèi)氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非

25、常規(guī)天然氣，是近一二十年在國(guó)際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。</p><p>　　植物體埋藏后，經(jīng)過(guò)微生物的生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為泥炭（泥炭化作用階段），泥炭又經(jīng)歷以物理化學(xué)作用為主的地質(zhì)作用，向褐煤、煙煤和無(wú)煙煤轉(zhuǎn)化（煤化作用階段），在煤化作用過(guò)程中，成煤物質(zhì)發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，揮發(fā)份含量和含水量減少，發(fā)熱量和固定碳含量增加，同時(shí)也生成了以甲烷為主的氣體。煤化作用要經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程即生物成因過(guò)程和熱成因過(guò)程，

26、通過(guò)兩個(gè)過(guò)程生成的氣體分別稱(chēng)為生物成因氣和熱成因氣 [15] 。</p><p>　　2.1.2 煤層氣的化學(xué)組分</p><p>　　煤層氣的化學(xué)組分有烴類(lèi)氣體（甲烷及其同系物）、非烴類(lèi)氣體（二氧化碳、氮?dú)?、氫氣、一氧化碳、硫化氫以及稀有氣體氦、氬等）。其中，甲烷、二氧化碳、氮?dú)馐敲簩託獾闹饕煞?，尤以甲烷含量最高，二氧化碳和氮?dú)夂枯^低，一氧化碳和稀有氣體含量甚微。</p>

27、<p><b>　　一、烴類(lèi)氣體</b></p><p>　　煤層氣的主要成分是甲烷，其含量一般大于80%，其它烴類(lèi)氣體含量極少。通常，在同一煤階，烴類(lèi)氣體隨埋藏深度的增大而增加。重?zé)N氣主要分布于未受風(fēng)化的煤層中，此外，重?zé)N含量常常還與煤變質(zhì)程度有關(guān)，一般中變質(zhì)煤中重?zé)N含量高，而在低、高變質(zhì)煤中含量低。</p><p>　　通常用甲烷氣體（C1）與總烴量

28、（C1～C5）的比率作為確定氣體的干度指標(biāo)，即C1/ C1～C5值大于99%，為特別干的氣體；95%～99%為干氣；85%～95%為濕氣；小于85%，為特別濕的氣體。</p><p><b>　　二、非烴類(lèi)氣體</b></p><p>　　大多數(shù)煤層氣中的非烴類(lèi)氣體含量通常小于20%，其中氮?dú)饧s占三分之二，二氧化碳約占三分之一。如美國(guó)阿巴拉契亞盆地、阿科馬盆地和黑勇士

29、盆地，其煤層氣中非烴氣體含量極低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10%。在某些煤層氣中，氮?dú)夂投趸己孔兓艽螅缃髫S城煤礦，其氮?dú)夂孔兓?.20%～83.39%，二氧化碳含量變化在0.02%～10.12%。氮?dú)夥肿虞^小，運(yùn)移速度快，因而主要受上覆蓋層質(zhì)量的影響。二氧化碳易溶于水，且易被地下水帶走，因而二氧化碳含量主要受地下水活動(dòng)的影響。此外，氮?dú)夂投趸己恳彩苊簩勇裆詈兔鹤冑|(zhì)程度的影響，一般越靠近地表，氮?dú)夂投趸嫉暮吭礁?；煤變質(zhì)程度越高

30、，氮?dú)夂投趸嫉暮吭降汀?lt;/p><p>　　雖然煤層氣的成分都是以甲烷為主，然而在不同盆地，同一盆地的不同部位，不同煤層，不同埋深，不同煤階以及不同煤層氣井之間，煤層氣的組分往往出現(xiàn)較大的差異?？刂泼簩託獬煞值闹饕蛩赜校海?）煤的顯微組分，特別是富氫組分的豐度；（2）儲(chǔ)層壓力，它影響煤的吸附能力；（3）煤化作用程度，即煤階/煤級(jí)；（4）煤層氣解吸階段，吸附性弱或濃度高的組分先解吸；（5）水文地質(zhì)條件，它通

31、過(guò)輸送細(xì)菌及生物成因的氣體而影響煤層氣的成分。</p><p>　　2.1.3 煤層氣的物理性質(zhì)</p><p>　　煤層氣的成分以甲烷為主，含量一般在90%以上，多為干氣，重?zé)N含量一般較低，還有少量的N2、CO2、H2、CO、SO2、H2S以及氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體及烯有氣體。</p><p>　　一、煤層氣分子的大小和分子量</p><

32、;p>　　煤層氣分子的大小介于0.32～0.55 nm之間，多為近似值，分子的偏心度或非均質(zhì)度，即偏心因子甲烷最小，只有0.008，分子平均自由程（氣體分子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與其它分子兩次碰撞之間的距離）約為其分子平均直徑的200倍。其分子量是由組成煤層氣的各種分子的百分含量累加而成，稱(chēng)為表觀分子量。</p><p><b>　　二、煤層氣的密度</b></p><p&g

33、t;　　標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(1個(gè)大氣壓，溫度15.55℃)單位體積煤層氣的重量，單位為kg/m2。煤層氣在地下的密度隨分子量及壓力的增大而增大，隨溫度的升高而減小。</p><p>　　煤層氣的相對(duì)密度是指同溫度、壓力條件下(1個(gè)大氣壓，溫度15.55℃或20℃)煤層氣的密度與空氣密度的比值。</p><p><b>　　三、煤層氣的粘度</b></p>&l

34、t;p>　　粘度是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)沿接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以阻抗流體變形的性質(zhì)。常用動(dòng)力粘度系數(shù)，即流體內(nèi)摩擦切應(yīng)力與切應(yīng)變率的比值來(lái)表示，其單位為泊（P）、厘泊（CP）、微泊（μP）、千克力秒平方米（Kgf·s/m2）、帕斯卡秒（Pa·s）、毫帕斯卡秒（mPa·s）。1P=102CP=106μP =0.0101972 Kgf·s/m2=0.0980665 Pa·s=9

35、8. 0665 mPa·s。煤層氣的粘度很小，在地表常壓20℃時(shí)，甲烷的動(dòng)力粘度系數(shù)為1.08×10-5 mPa·s。表示粘度的參數(shù)還有運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)（即動(dòng)力粘度與密度的比值，單位：cm2/s）和相對(duì)粘度（即液體的絕對(duì)粘度與水的絕對(duì)粘度的比值）。</p><p>　　煤層氣的粘度與氣體的組成、溫度、壓力等條件有關(guān)，在正常壓力下，粘度隨溫度的升高而變大，這與分子運(yùn)動(dòng)加速，氣體分子碰撞次數(shù)

36、增加有關(guān)，而隨分子量增大而變小。在較高壓力下，煤層氣的粘度隨壓力增加而增長(zhǎng)，隨溫度的升高而減小，隨分子量的增大而增大 [15] 。</p><p>　　2.2 煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)</p><p><b>　　一、微孔和裂縫發(fā)育</b></p><p>　　煤層氣主要吸附于微孔中，而割理是煤層氣產(chǎn)出的主要通道。割理主要由面割理、端割理和構(gòu)造裂縫組成，

37、面割理延伸很遠(yuǎn)，端割理發(fā)育在兩條面割理之間，它們與層理面相交，把煤體分成一個(gè)個(gè)斜方形或長(zhǎng)方形的基質(zhì)巖塊。盡管裂縫的孔隙度只有1%～2%，然而它對(duì)煤層的滲透率有重要影響 [5] 。</p><p><b>　　二、儲(chǔ)層滲透率極低</b></p><p>　　煤層滲透率決定了煤層氣能否順利的從煤層中采出，而我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層滲透率普遍偏低，90%的儲(chǔ)層滲透率低于3×

38、10-3 μm2，通常為(0.001～0.1)×10-3 μm2，屬典型的低滲透、特低滲透儲(chǔ)層。</p><p>　　三、普遍屬于低壓儲(chǔ)層</p><p>　　儲(chǔ)層壓力直接影響儲(chǔ)層的含氣量和煤層氣的存在狀態(tài)，也是氣體由儲(chǔ)層流向井筒的能量來(lái)源，從而影響煤層氣的產(chǎn)量，我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層壓力大多低于正常靜水壓力，屬于低壓儲(chǔ)層。</p><p><b>　

39、　四、含氣飽和度低</b></p><p>　　中國(guó)五大聚煤區(qū)包括西北、華北、東北、滇藏及華南聚煤區(qū)，以華北和西北聚煤區(qū)為主，占全國(guó)總資源量的90.7%，其次為華南聚煤區(qū)，東北聚煤區(qū)煤層氣資源量相對(duì)較低，滇藏聚煤區(qū)煤層氣資源量極少。各主要聚煤區(qū)含氣飽和度數(shù)值如表2-1所示。由表2-1可知，我國(guó)大多數(shù)煤層氣儲(chǔ)層含氣飽和度較低。</p><p>　　表 2-1 主要聚煤區(qū)煤層氣儲(chǔ)層

40、含氣飽和度數(shù)據(jù)表</p><p>　　五、煤巖表面帶有電荷</p><p>　　煤巖表面比常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖表面帶有更多的電荷，表面電位隨所處環(huán)境的pH的增大而減小，多數(shù)煤巖的表面電位經(jīng)歷了由正到負(fù)的過(guò)程，表面電位為零時(shí)的pH值稱(chēng)為等電點(diǎn)，不同煤巖的等電點(diǎn)大小不同，但大多數(shù)遠(yuǎn)小于7，所以在一般鉆井液的pH條件下，煤巖表面帶負(fù)電。國(guó)外有學(xué)者依據(jù)此性質(zhì)設(shè)計(jì)出一種通過(guò)靜電吸附到煤巖表面的柔性材料

41、，用于封堵儲(chǔ)層裂縫。</p><p>　　2.3 鉆井液體系對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害</p><p>　　鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害主要有兩個(gè)因素：一是煤體對(duì)鉆井液的吸附或吸收；二是鉆井液中的固相顆粒對(duì)煤中裂隙通道的堵塞。</p><p>　　2.3.1 煤體吸附儲(chǔ)層傷害分析</p><p>　　前人的研究表明，煤是由高度交聯(lián)的大分子網(wǎng)和其它互不交聯(lián)的大分

42、子鏈組成的。因此與砂巖不同，煤具有很強(qiáng)的吸收或吸附各種液體和氣體的能力。煤吸收氣體和液體的結(jié)果之一是煤體膨脹，其膨脹程度取決于液體和氣體的化學(xué)性質(zhì)。由于煤中裂隙的孔隙度很低(大約為1%～2%)，且只有它才與煤層的滲透率有關(guān)，并作為煤基質(zhì)中所含氣體的流通通道，所以，煤吸收液體后即使煤基質(zhì)有輕微的膨脹，也會(huì)引起裂隙孔隙度和滲透率的大幅降低。已有研究表明，煤吸收液體并隨之引起的機(jī)制膨脹和滲透率下降這個(gè)過(guò)程幾乎是不可逆的，也就是說(shuō)用減壓的辦法來(lái)

43、把煤體吸收的液體化學(xué)物質(zhì)除掉基本上是不可能的。因此，鉆井過(guò)程中鉆井液中的任何化學(xué)物質(zhì)與煤體的接觸都是有害的。</p><p>　　2.3.2 固相堵塞儲(chǔ)層傷害分析</p><p>　　鉆井液中所含的固相顆粒分為粗粒(大于2000 Lm)、中粗粒(250～2000 Lm)、細(xì)粒(44～250 Lm)、微粒(2～44 Lm)和膠體顆粒(小于2 Lm)。鉆井液中不同粒徑的固體顆粒，特別是其中的微

44、粒和膠體顆粒會(huì)沿著煤層的割理和孔隙進(jìn)入煤層，對(duì)煤層氣的運(yùn)移通道產(chǎn)生填充和堵塞。雖然裂隙度僅有1%～2%，但它是煤層氣產(chǎn)出的主要通道。鉆井過(guò)程中鉆井液的固相顆粒對(duì)煤層裂隙系統(tǒng)的充填堵塞是存在的。鉆井液中的固相顆?？赡軄?lái)自鉆井液本身(如泥漿中的粘土顆粒)，鉆井液中顆粒分散的越細(xì)，顆粒侵入對(duì)煤層滲透率的傷害越嚴(yán)重，因?yàn)轭w粒越細(xì)越容易沿裂隙流動(dòng)，使侵入半徑增大。聚合物類(lèi)泥漿侵入煤層，會(huì)因高分子聚合物的吸附作用引起粘土絮凝堵塞和羧基水化作用引起粘

45、土膨脹堵塞，從而降低煤層滲透率。少量的膠體顆粒還有可能進(jìn)入煤層的基質(zhì)孔隙而影響氣體的解吸、擴(kuò)散和運(yùn)移。另外，鉆井液與地層水作用產(chǎn)生的硬質(zhì)沉淀物，也會(huì)造成孔隙的堵塞。為避免這一效應(yīng)，應(yīng)注意鉆井液和地層水的化學(xué)反應(yīng)，或單獨(dú)使用地層水鉆進(jìn)。</p><p>　　另外流體在煤層中的浸泡時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致煤儲(chǔ)層傷害半徑的增大，從而加劇對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害程度，如固井或壓裂完井后不能及時(shí)進(jìn)行下一步工作，導(dǎo)致煤層中的固相顆粒一直在高壓差作

46、用下向煤層更遠(yuǎn)處運(yùn)移，又不能及時(shí)卸壓返排，加劇外來(lái)流體對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害。</p><p>　　2.3.3 鉆井壓力對(duì)儲(chǔ)層的傷害分析</p><p>　　煤儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)儲(chǔ)集巖(砂巖)不同。煤的彈性模量小，一般為2.1×103～6.3×103 MPa，而常規(guī)儲(chǔ)集巖的彈性模量大多在1.1×104～4.2×104 MPa之間；煤的泊松比一般為0.27～

47、0.4，而常規(guī)儲(chǔ)集巖大多小于0.2，這說(shuō)明煤比巖石更易受壓縮。盡管煤基質(zhì)塊的泊松比比較高，但煤中天然裂隙的發(fā)育大大降低了煤的強(qiáng)度，使其比其它巖石更易受壓縮碎裂。因此在鉆井過(guò)程中，很小的壓力變化都會(huì)引起滲透率的較大變化。根據(jù)前人所做的相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，煤的滲透率隨壓力的增加而降低。當(dāng)有效應(yīng)力增加到13.8 MPa時(shí)，煤的滲透率可降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。煤樣若經(jīng)多次加壓、卸壓，可以發(fā)現(xiàn)，加壓會(huì)使?jié)B透率降低，而卸壓時(shí)滲透率只能得到一定程度的恢復(fù)，從而

48、造成滲透率的損失(即所謂的滲透性滯后現(xiàn)象)。鉆井過(guò)程中的壓力變化很可能引起煤層發(fā)生這種變化。</p><p>　　鉆井壓力變化對(duì)儲(chǔ)層的傷害通常由兩種因素造成：一是鉆井液壓力變化；二是鉆桿柱壓力變化。下鉆時(shí)的壓力激動(dòng)，也會(huì)加劇這種傷害。在過(guò)平衡鉆進(jìn)時(shí)，井內(nèi)循環(huán)液壓力大于煤層壓力，使作用在井筒附近的純應(yīng)力降低，引起煤層滲透率增高，鉆井液中各膠體顆粒和其它細(xì)微顆粒被吸附堵塞在煤層氣的孔隙喉道上，鉆井液濾液的侵入又有可能

49、發(fā)生各類(lèi)敏感反應(yīng)，從而生成各類(lèi)不溶性沉淀物，也增大了鉆井液對(duì)煤層的侵入速度和侵入壓力，從而使?jié)B透率降低。在欠平衡鉆進(jìn)時(shí)，井內(nèi)循環(huán)液壓力小于煤層壓力，使作用在井筒附近的純應(yīng)力增高，引起煤層塑性變形，造成滲透率大幅度降低。這種作用大于煤層的應(yīng)力，足以引起煤層滲透率滯后現(xiàn)象，造成滲透率的永久性降低。</p><p>　　鉆柱壓力變化和下鉆時(shí)引起的壓力激動(dòng)，也會(huì)通過(guò)鉆井液或直接對(duì)煤層造成傷害。因此在上下鉆時(shí)要盡量減小壓力

50、激動(dòng)同時(shí)在鉆井過(guò)程中也應(yīng)盡量避免壓力突變，采用平衡鉆進(jìn)方式 [6] 。</p><p>　　綜上所述，本章對(duì)煤層氣概念與其大體形成過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，進(jìn)而介紹了煤層氣的主要化學(xué)物理性質(zhì)以及煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，從而進(jìn)一步引出鉆井液體系對(duì)儲(chǔ)層的傷害表現(xiàn)。</p><p>　　第3章 煤層氣儲(chǔ)層對(duì)鉆井液性能的要求</p><p>　　一、具有較強(qiáng)的封堵性能</p>

51、<p>　　在用清水或常規(guī)鉆井液鉆高度裂縫的煤層時(shí)，鉆井液不可避免的侵入煤層，鉆井液進(jìn)入到裂縫系統(tǒng)后，井眼附近的地層壓力接近井底壓力，導(dǎo)致鉆井液對(duì)煤層的支撐力下降，致使煤巖脫落，造成井壁的坍塌，侵入儲(chǔ)層的鉆井液越多，侵入的距離越遠(yuǎn)，則坍塌的可能行越大。此時(shí)，人們往往為了穩(wěn)定井壁而加入重晶石或者碳酸鈣以增大泥漿密度，使井底壓力重新大于儲(chǔ)層壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井壁的支撐，但這樣做往往會(huì)適得其反。因?yàn)榫讐毫Φ脑俅卧黾訒?huì)將裂縫撐開(kāi)，

52、從而有更多的鉆井液進(jìn)入儲(chǔ)層，當(dāng)井底壓力重新擴(kuò)散到與儲(chǔ)層壓力相等時(shí)，井壁依舊坍塌。鉆井液進(jìn)入裂縫，會(huì)在以下幾方面對(duì)儲(chǔ)層造成污染，造成儲(chǔ)層滲透率下降：（1）煤基質(zhì)吸收液體發(fā)生膨脹，擠壓裂縫，使得儲(chǔ)層滲透率大幅度下降，并且該過(guò)程幾乎是不可逆的；（2）鉆井液中的固相顆粒(粘土顆粒、巖屑、粉煤灰等)堵塞裂縫造成儲(chǔ)層滲透率下降；（3）若鉆井液中含有聚合物，高分子聚合物吸附粘土顆粒也會(huì)引起裂縫的堵塞；（4）鉆井液與地層流體不匹配，生成沉淀堵塞裂縫。滲

53、透率的下降將嚴(yán)重影響到煤層氣的產(chǎn)量 [13] 。</p><p>　　經(jīng)過(guò)以上分析，發(fā)現(xiàn)不論是從井壁穩(wěn)定方面還是從保護(hù)儲(chǔ)層免受鉆井液傷害方面，都應(yīng)當(dāng)阻止鉆井液侵入到儲(chǔ)層，所以煤層氣井鉆井液要有較好的封堵性能。</p><p>　　二、具有合理的鉆井液密度</p><p>　　合理的鉆井液密度對(duì)于井壁的穩(wěn)定具有重要的意義，若鉆井液密度過(guò)低，則井壁失去必要的支撐而發(fā)生坍

54、塌，造成井徑擴(kuò)大，形成“大肚子”和“糖葫蘆”井眼；若密度過(guò)高，超過(guò)煤巖破裂壓力時(shí)則會(huì)壓裂地層，產(chǎn)生井漏和儲(chǔ)層傷害，所以確定鉆井液密度窗口很有必要。</p><p>　　三、具有較好的抑制性能</p><p>　　煤巖常常與泥頁(yè)巖互層，煤層中往往還有泥土質(zhì)夾矸，粘土礦物的水化膨脹會(huì)加劇井壁不穩(wěn)定和對(duì)儲(chǔ)層的傷害，所以鉆井液應(yīng)當(dāng)具有好的抑制粘土膨脹的能力。</p><p>

55、;　　四、具有較低的表面張力</p><p>　　裂縫的內(nèi)徑很小，每一條裂縫都可以看做是一條毛細(xì)管，鉆井液的侵入會(huì)在裂縫中形成一個(gè)凹向水相的彎液面，從而形成毛細(xì)管壓力，這個(gè)附加壓力的存在使得氣體流動(dòng)阻力增加，甚至完全阻止氣體向井筒的流動(dòng)，造成“水鎖”。表面活性劑能有效地降低鉆井液體系的表面張力，從而減小“水鎖”效應(yīng)對(duì)氣體流動(dòng)的影響。</p><p>　　五、具有合適的pH值</p&g

56、t;<p>　　當(dāng)pH值過(guò)高時(shí)，OH-與煤層面負(fù)電荷較高的氧原子可以形成強(qiáng)烈的氫鍵作用，促使水化作用，加劇坍塌的可能性，堿性濾液與地層水反應(yīng)生成沉淀，會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成污染；若鉆井液pH較低，不利于鉆井液中腐殖酸類(lèi)等有機(jī)處理劑的溶解，對(duì)鉆具也有腐蝕作用。因此，鉆井液的pH值應(yīng)當(dāng)控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，推薦鉆井液pH值在7～8的范圍內(nèi)比較合適。</p><p>　　綜上所述，本章著重闡述了在全面考慮煤層氣分

57、布儲(chǔ)層特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，鉆井液體系應(yīng)該滿(mǎn)足的主要要求條件，主要包含具有較強(qiáng)的封堵性能、合理的鉆井液密度、具有較好的抑制性能、具有較低的表面張力、具有合適的值。</p><p>　　第4章 常規(guī)及前沿鉆井液體系介紹</p><p>　　4.1 常規(guī)鉆井液體系</p><p>　　早期的欠平衡鉆井所用的循環(huán)介質(zhì)為空氣，采取油基鉆井液體系。后來(lái)相繼發(fā)展了采用天然氣、氮?dú)?、泡?/p>

58、和充氣鉆井液。國(guó)內(nèi)目前用于鉆進(jìn)煤層氣儲(chǔ)層的鉆井液有：優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土鉆井液、低固相聚合物鉆井液、空心玻璃漂珠鉆井液、清水鉆井液、無(wú)粘土鉆井液等，接下來(lái)介紹其它幾種有效的煤層氣井鉆井液體系。</p><p>　　4.1.1 泡沫鉆井液體系</p><p>　　通過(guò)混合水、表面活性劑和空氣(或氮?dú)?來(lái)制造泡沫，泡沫具有較寬的粒徑分布，可以用于封堵大范圍直徑分布的的裂縫。泡沫通過(guò)架橋來(lái)堵塞孔喉，減少鉆

59、井液進(jìn)入儲(chǔ)層，從而減少井底壓力的傳播和鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。泡沫鉆井液體系也有其自身方面的不足，主要表現(xiàn)在：（1）需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備來(lái)產(chǎn)生泡沫，這些設(shè)備往往價(jià)格昂貴；（2）在井底壓力下，泡沫比較容易被破壞而失去封堵能力 [11] 。</p><p>　　4.1.2 Aphron鉆井液體系 </p><p>　　Aphron鉆井液是國(guó)外研制的一種新型的具有高剪切稀釋性的水基充氣泡沫鉆井液，已在世界

60、范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　Aphron是由三層表面活性劑所包裹的氣核，在表面活性劑中間有一層粘度較高的稠化水層，最外層表面活性劑極性端朝外，使得Aphron與周?chē)黧w相溶，如圖4-1所示。加入一種由表面活性劑和聚合物組成的混合物(Aphron穩(wěn)定劑)改進(jìn)得到的Aphron穩(wěn)定性增強(qiáng)。Aphron除了有普通泡沫的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有以下特點(diǎn)：（1）相對(duì)于普通泡沫，Aphron承壓能力更強(qiáng)，特別是改進(jìn)

61、后的Aphron，在3.5 MPa的壓力下，直徑為250 μm的普通泡沫、Aphron以及改進(jìn)后的Aphron直徑都立即收縮到大約150 μm，普通泡沫在2min內(nèi)消失，Aphron至少在10 min后才消失，而改進(jìn)后的Aphron則能穩(wěn)定30 min以上；（2）在井底壓下，Aphrons被壓縮，體積很小，對(duì)鉆井液的密度影響較小，使鉆井液處于一個(gè)穩(wěn)定的靜水壓力和循環(huán)壓力下，有利于井壁穩(wěn)定和井控；當(dāng)Aphron進(jìn)入地層后，體積開(kāi)始膨脹，并

62、在鉆井液前端聚集封堵地層，保持了井筒壓力和地層壓力的平衡，減小鉆井液向儲(chǔ)層的侵入；（3）Aphrons之間以及Aphrons與孔隙裂縫表面的作用力很小，在后期生產(chǎn)中，Aphrons容易從</p><p>　　4.1.3 超低滲透鉆井液體系</p><p>　　超低滲透鉆井液體系適用于封堵微裂縫性?xún)?chǔ)層，該鉆井液體系的核心處理劑是FLC2000，它是由部分水溶和部分油溶的各種聚合物組成的混合物

63、，具有寬的HLB值。將FLC2000加入到水基鉆井液中時(shí)，聚合物聚集形成“膠束”，在過(guò)平衡壓力下，“膠束”立即在煤巖孔喉處形成一個(gè)低滲透的封堵層，如圖4-2所示。超低滲透鉆井液體系具有以下特點(diǎn)：（1）膠束具有寬的粒徑分布，可以用于封堵具有較大范圍直徑分布的的裂縫；（2）以最快的速度形成低滲透的封堵層，阻止鉆井液的進(jìn)一步侵入儲(chǔ)層；（3）FLC2000具有寬的HLB值，可用于水基、油基和合成基鉆井液；（4）封堵層只是存在于井壁巖石表面，沒(méi)有

64、深入到儲(chǔ)層深部，一旦過(guò)平衡壓力消失，封堵層就會(huì)消弱，生產(chǎn)過(guò)程中在儲(chǔ)層反向壓力作用下，封堵膜就會(huì)自動(dòng)清除，不會(huì)永久性堵塞儲(chǔ)層；（5）封堵膜具有強(qiáng)的承壓能力，可以使地層破裂壓力梯度增加，提高井壁的穩(wěn)定性。</p><p>　　2005年，北美一口煤層氣井采用該超低滲透鉆井液體系，完成150 m水平井段，順利鉆至設(shè)計(jì)井深，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的泥漿漏失和井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。</p><p>　　4.2 前沿鉆

65、井液體系介紹</p><p>　　現(xiàn)今改良出現(xiàn)很多新型鉆井液體系：第一，裂縫架橋式煤層氣井鉆井液；第二，可全面封堵地層的絨囊鉆井液；第三，可循環(huán)微泡鉆井液在煤層氣鉆井中的應(yīng)用；第四，超臨界CO2注氣開(kāi)發(fā)煤層氣，為未來(lái)的煤層氣開(kāi)發(fā)提供優(yōu)越技術(shù)支持。</p><p>　　4.2.1 裂縫架橋式煤層氣井鉆井液</p><p>　　由于煤層滲透率較低，僅僅靠井底壓差在儲(chǔ)層上

66、面很難形成泥餅，這種新型鉆井液的創(chuàng)新之處在于利用煤巖表面強(qiáng)的負(fù)電荷，柔性材料通過(guò)靜電吸附到煤層氣儲(chǔ)層上，在裂縫上架橋形成低滲透的“表面橋”來(lái)堵塞裂縫，如圖5-1所示。由這些“表面橋”組成的低滲透封堵層，保持了井壁上的壓差，減少了井底壓力的擴(kuò)散和鉆井液的侵入，從而有利于井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)。鉆井完成后，通過(guò)破膠劑可把“表面橋”清除，儲(chǔ)層的滲透性得到恢復(fù)。該鉆井液體系已在鉆進(jìn)加拿大西部沉積盆地煤層氣水平井中得到使用，取得了好的效果，沒(méi)有出現(xiàn)井

67、壁失穩(wěn)和對(duì)儲(chǔ)層的嚴(yán)重傷害 [14] 。</p><p>　　4.2.2 仿生絨囊煤層氣井鉆井液</p><p>　　研究可循環(huán)泡沫鉆井液、微泡鉆井液過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，仿照細(xì)菌外觀結(jié)構(gòu)，可以開(kāi)發(fā)出含絨囊結(jié)構(gòu)的鉆井液，在鉆井過(guò)程中無(wú)需固相即可暫堵漏失儲(chǔ)層。絨囊鉆井液防漏堵漏機(jī)理有別于目前以剛性架橋?yàn)榛A(chǔ)的封堵理論，也不同于可循環(huán)泡沫類(lèi)鉆井液降低體系密度控制漏失。絨囊鉆井液由絨囊及其存在的膠體環(huán)境構(gòu)成

68、。絨囊由囊核、囊粒、囊層構(gòu)成。囊粒決定其封堵能力，囊層決定其流變性。絨囊鉆井液的定量作用機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究，但煤層氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，定性封堵機(jī)理是成立的。事實(shí)上，絨囊封堵漏失地層僅僅是絨囊鉆井液諸多功能中的一個(gè)。絨囊鉆井液不但密度可調(diào)，適合于欠平衡作業(yè)，還具有高效封堵、高效懸浮攜帶巖屑以及可以使用惰性加重材料加重等特點(diǎn)，成為煤層氣鉆井中不可多得的多功能鉆井液。</p><p>　　一、仿生絨囊鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀

69、</p><p>　　目前，仿生絨囊鉆井液已在煤層氣欠平衡鉆井、空氣鉆井、防漏堵漏、快速鉆進(jìn)和提高同一裸眼井段中低壓地層承壓能力等方面發(fā)揮了作用。</p><p>　　二、仿生絨囊鉆井液應(yīng)用前景</p><p>　　煤層氣鉆井過(guò)程中地層漏失、井壁坍塌十分嚴(yán)重，再加上煤層氣儲(chǔ)層傷害機(jī)理仍處于摸索階段，工作液的目標(biāo)性能尚不能明確，欠平衡成為目前比較認(rèn)可的鉆井方式。同時(shí)，

70、成本控制是煤層氣鉆井又一考核指標(biāo)，空氣鉆井進(jìn)入了煤層氣鉆井行業(yè)?？諝夂推渌麣怏w型工作流體一樣，都是氣體型鉆井工作流體，完鉆后轉(zhuǎn)化常規(guī)鉆井液完井，井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層傷害、轉(zhuǎn)化周期長(zhǎng)等，一直是作業(yè)者考慮的重點(diǎn)和難點(diǎn)。絨囊鉆井液無(wú)縫轉(zhuǎn)化技術(shù)，為氣體完鉆后，煤層氣鉆井解決井壁失穩(wěn)、井涌井漏等事故復(fù)雜提供了技術(shù)支持，也為氣體鉆井適用更廣泛的地層，提供了新手段。不考慮鉆井過(guò)程中的其他地層流體壓力，單就煤層氣鉆井而言，煤層氣壓力分布不均勻，有的異常高壓，

71、有的卻很低。需要注意的是，不能認(rèn)為低壓地區(qū)用近（或欠）平衡鉆井比較安全，高壓就不安全。事實(shí)上，即使高壓煤層氣存在，解吸流入井筒、形成高壓氣流返出地面，也要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間，這段時(shí)間足以完成鉆井任務(wù)。高壓煤層氣欠平衡鉆井在保證井壁穩(wěn)定的前提下，可以通過(guò)安裝常規(guī)防噴器或旋轉(zhuǎn)控制頭，在防止非煤層氣流體溢出的情況下進(jìn)行，但投入成本較高。絨囊鉆井液很好地解決了欠平衡鉆井技術(shù)和成本控制問(wèn)題，成為煤層氣鉆井有望在欠平衡鉆井</p><

72、p>　　煤層氣鉆井的另一個(gè)難點(diǎn)是：同一裸眼井段不同壓力系統(tǒng)共存。絨囊鉆井液利用其自身的封堵能力、攜帶能力，使得同一裸眼井段涌水、漏失、掉塊、坍塌、井底沉砂等復(fù)雜情況處理簡(jiǎn)單化。</p><p>　　這樣看來(lái)，絨囊鉆井液可以用于欠平衡鉆井、空氣鉆井、快速鉆進(jìn)、提高地層承壓能力鉆井等專(zhuān)項(xiàng)作業(yè)，表現(xiàn)了仿生絨囊鉆井液廣闊的煤層氣應(yīng)用前景。（1）無(wú)固相非加重仿生絨囊鉆井液密度可以控制在1.0 g/cm2以下，惰性加重

73、材料可調(diào)整絨囊鉆井液密度至1.0 g/cm2以上，還可以實(shí)現(xiàn)與空氣、霧、泡沫鉆井液的“無(wú)縫轉(zhuǎn)化”，適合近平衡、欠平衡和過(guò)平衡鉆井，體現(xiàn)了絨囊鉆井液的多功能性。因此，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)井下具體情況，大膽嘗試在更多作業(yè)環(huán)境下使用絨囊技術(shù)，如環(huán)空中有囊核存在，地面迅速消失，以滿(mǎn)足固控要求；現(xiàn)場(chǎng)需要環(huán)空中鉆井液低密度、沉砂池低黏度迅速沉降的鉆井液，以實(shí)現(xiàn)不需強(qiáng)制分離設(shè)備分離固相。因此，需要深入研究絨囊微觀結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足煤層氣沉砂的鉆井液。（2

74、）分壓、耗壓、撐壓方式適用于各種漏失地層控制地層漏失。應(yīng)用表明，絨囊鉆井液防漏堵漏能力強(qiáng)、提高地層承壓能力強(qiáng)，可避免因井漏引發(fā)井下事故復(fù)雜，縮短鉆井周期；可有效解決同一裸眼井段涌水、漏失、掉塊、坍塌等井下事故復(fù)雜處理和預(yù)防，適合同一裸眼井段不同壓力系統(tǒng)共存地層的窄密度安全窗口鉆井。但現(xiàn)在非儲(chǔ)層漏失依然嚴(yán)重，要進(jìn)一步嘗試與其他技術(shù)結(jié)合，封“死”表層</p><p>　　研究、評(píng)價(jià)絨囊鉆井液，使其在煤層氣鉆井中發(fā)揮更

75、大的作用，是目前絨囊鉆井液研究應(yīng)用的一項(xiàng)重要任務(wù)。不同作業(yè)環(huán)境如低溫天氣，需要開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的鉆井液以滿(mǎn)足不同要求；在一些穩(wěn)定地層，需進(jìn)一步研究把鉆井液密度降得更低，以滿(mǎn)足不需要增加附加設(shè)備能實(shí)現(xiàn)低密度循環(huán)、不影響隨鉆測(cè)量?jī)x（MWD）信號(hào)傳輸?shù)纫?，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井，以更好地滿(mǎn)足煤層氣鉆井需要 [1,9] 。</p><p>　　4.2.3 可循環(huán)微泡煤層氣井鉆井液</p><p>　　

76、應(yīng)用實(shí)例：34井—煤層氣生產(chǎn)井，位置在山西省柳林縣楊家峪村南。工作區(qū)屬河?xùn)|煤田中段離柳礦區(qū)西部，三交～柳林含煤區(qū)處于呂梁復(fù)背斜次級(jí)構(gòu)造王家會(huì)背斜西翼，是一個(gè)緩傾斜的單斜構(gòu)造。僅有寬緩的小型褶曲發(fā)育，未形成規(guī)模。斷層稀少，僅在區(qū)塊北部有一由聚財(cái)塔南北正斷層組成的地塹構(gòu)造及次一級(jí)小型斷裂構(gòu)造。地表未見(jiàn)陷落柱，也未見(jiàn)巖漿活動(dòng)，構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。本井鉆遇地層自上而下為： 第四系，二疊系上統(tǒng)石千峰組、上石盒子組，二疊系下統(tǒng)下石盒子組、山西組；石炭系

77、上統(tǒng)太原組。</p><p><b>　　一、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用</b></p><p>　　本井采用TSJ－2000鉆機(jī)和泥漿泵進(jìn)行施工。鉆進(jìn)過(guò)程中使用一種可循環(huán)微泡鉆井液，發(fā)泡劑包括十二烷基苯磺酸鈉ABS和十二烷基硫酸鈉SDS?？裳h(huán)微泡鉆井液是在預(yù)水化膨潤(rùn)土漿中，加入氫氧化鈉、黃原膠XC、中粘度絮狀纖維素CMC及0.1～0.3%上述的發(fā)泡劑。鉆井施工中，首先按照一定比例配

78、制上述的可循環(huán)微泡鉆井液，密度0.97～0.99 g/cm2、粘度18～19 s，然后應(yīng)用這種可循環(huán)微泡鉆井液進(jìn)行鉆井?？裳h(huán)微泡鉆井液中添加發(fā)泡劑后，形成微泡沫泥漿，防漏堵漏效果好、潤(rùn)滑性能好、流變性好，可明顯提高鉆探質(zhì)量和鉆進(jìn)效率。</p><p><b>　　二、效果評(píng)價(jià)</b></p><p>　?。?） 減少漏失量，控制儲(chǔ)層傷害。儲(chǔ)層段采用可循環(huán)微泡鉆井液鉆

79、進(jìn)，密度控制在0.97～0.99 g/cm2左右，有效地控制了漏失；加入粘土抑制劑，可有效抑制煤系地層中的粘土水化膨脹、分散，從而封堵滲流通道影響產(chǎn)能。整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程無(wú)漏失，避免了因漏失鉆井液可能造成的儲(chǔ)層污染。</p><p>　　（2） 配伍性好，抗污染能力強(qiáng)?？裳h(huán)微泡鉆井液可以使用就近水源配制。鉆遇地層水，膨潤(rùn)土漿混入的情況下，鉆井液體系性能穩(wěn)定，且易于調(diào)整到希望性能。</p><p&g

80、t;　?。?） 攜巖能力強(qiáng)，提高機(jī)械鉆速?？裳h(huán)微泡鉆井液動(dòng)塑比高，有利于攜帶巖屑，避免了重復(fù)破碎。鉆井液抑制能力強(qiáng)，有效避免粘土分散，減少微粒對(duì)機(jī)械鉆速影響。該井采用膨潤(rùn)土鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，鉆速1.9 m/h；改用微泡鉆井液后，平均機(jī)械鉆速2.34 m/h，平均機(jī)械鉆速提高了23.1%。</p><p>　?。?） 施工順利，綜合效益好。配制工藝簡(jiǎn)單，不需要附加設(shè)備，全井沒(méi)有發(fā)生任何井下復(fù)雜情況，有效縮短了施工時(shí)間

81、，節(jié)約了成本。</p><p><b>　　三、結(jié)論：</b></p><p>　?。?） 可循環(huán)微泡鉆井液可用于欠平衡或近平衡鉆井，但是在遇到異常情況的時(shí)候，必須先消泡除氣，然而微泡體系非常穩(wěn)定，故這項(xiàng)工作有一定難度；</p><p>　?。?） 可循環(huán)微泡鉆井液由于密度在0.97～0.99 g/cm2左右，能適應(yīng)復(fù)雜的地層，且具有密度低、懸

82、浮攜帶能力強(qiáng)、儲(chǔ)層保護(hù)效果好、可循環(huán)使用、成本小、施工維護(hù)處理工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；</p><p>　?。?） 現(xiàn)場(chǎng)用的常規(guī)設(shè)備就可以生成穩(wěn)定的微泡體系，滿(mǎn)足施工要求 [3] 。</p><p>　　4.2.4 超臨界CO2開(kāi)發(fā)煤層氣</p><p>　　CO2臨界點(diǎn)比較低，臨界溫度約為31.04℃，臨界壓力約為7.38 MPa(見(jiàn)圖5-2)，一般井下750 m就能夠達(dá)

83、到臨界點(diǎn)，因此，鉆井過(guò)程中井筒中的CO2很容易達(dá)到超臨界態(tài)。</p><p>　　超臨界流體既不同于氣體，也不同于液體，具有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。超臨界CO2具有接近于液體的密度，同時(shí)，其粘度與氣體接近，擴(kuò)散系數(shù)比液體大，具有良好的傳質(zhì)性能。另外，超臨界CO2的表面張力為零，因此它們可以進(jìn)入到任何大于超臨界CO2分子的空間。在臨界溫度以下，不斷壓縮CO2氣體會(huì)有液相出現(xiàn)，然而壓縮超臨界CO2僅僅導(dǎo)致其密度的增加

84、，不會(huì)形成液相。在臨界點(diǎn)附近CO2流體的性質(zhì)有突變性和可調(diào)性，即壓力和溫度的微小變化會(huì)顯著影響CO2流體的性質(zhì)，如密度粘度、擴(kuò)散系數(shù)和溶劑化能力等。因此，它在煤層氣開(kāi)發(fā)方面存在諸多優(yōu)勢(shì)。</p><p><b>　　一、技術(shù)優(yōu)勢(shì)</b></p><p>　?。?） 提高鉆井速度，縮短建井周期</p><p>　　最重要的是，超臨界CO2流體中不

85、含水，在提高鉆井速度的同時(shí)，降低了縮徑、卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)，增加了純鉆時(shí)間。</p><p>　?。?） 超臨界CO2強(qiáng)化采氣，提高產(chǎn)量及采收率</p><p>　　煤層氣在儲(chǔ)層中的吸附氣含量達(dá)到20%～85%，決定了其單井產(chǎn)量低、采收率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)。利用超臨界CO2開(kāi)采煤層氣，可望解決這些問(wèn)題。</p><p>　　首先，超臨界CO2粘度較低，擴(kuò)散系數(shù)較大，最

86、重要的是表面張力為零。因此，它在儲(chǔ)層孔隙中非常容易流動(dòng)，而且能夠進(jìn)入到任何大于其分子的空間，在外力作用下，能夠有效驅(qū)替微小孔隙和裂縫中的游離態(tài)CH4。其次，分子與煤層的吸附能力強(qiáng)于CH4分子與煤層的吸附能力。因此，它能夠與吸附在孔隙有機(jī)質(zhì)、微小黏土顆粒等礦物表面的CH4分子發(fā)生置換，將吸附態(tài)的CH4分子變?yōu)橛坞x態(tài)經(jīng)過(guò)孔隙裂縫運(yùn)移到井筒中被開(kāi)采出來(lái)，使氣井投產(chǎn)后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持較高產(chǎn)量，縮短生產(chǎn)周期。再次，超臨界CO2流體密度大，有很強(qiáng)

87、的溶劑化能力，能夠溶解近井地帶的重油組分和其他污染物，減小近井地帶油氣的流動(dòng)阻力。</p><p><b>　　二、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)</b></p><p>　　由于煤層氣開(kāi)發(fā)難度較大，單井產(chǎn)量和采收率低，投資回收期較長(zhǎng)，因此要嚴(yán)格控制開(kāi)發(fā)成本。通常經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)是一致的，因此超臨界CO2流體開(kāi)發(fā)煤層氣具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。首先，超臨界CO2鉆井鉆速快，破巖門(mén)限壓力低。這樣

88、不僅大大縮短了鉆井周期，而且對(duì)設(shè)備的壓力要求也大大降低，從而降低了鉆井設(shè)備功率，減少了能源耗費(fèi)，因此可以大大降低開(kāi)發(fā)初期的鉆井成本。其次，超臨界CO2對(duì)儲(chǔ)層沒(méi)有任何污染，鉆開(kāi)儲(chǔ)層時(shí)不但不會(huì)增大表皮系數(shù)，反而會(huì)使其下降，投產(chǎn)前無(wú)需對(duì)近井地帶進(jìn)行改造，節(jié)約了費(fèi)用。同時(shí)在利用超臨界CO2強(qiáng)化采氣時(shí)，由于超臨界CO2具有低黏、高擴(kuò)散系數(shù)、零表面張力特性，以及比CH4氣體更強(qiáng)的巖石吸附能力，使得超臨界CO2流體能夠進(jìn)入任何大于其分子的空間，有助于

89、CH4氣體的置換，從而提高煤層氣的采收率和單井產(chǎn)量，降低單位成本，縮短投資回收期，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。此外，超臨界CO2鉆井液適應(yīng)性廣，與常規(guī)水基或油基鉆井液相比，它容易回收利用，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，節(jié)約了鉆井液和環(huán)境治理費(fèi)用。</p><p>　　隨著全球氣候的日益惡化，節(jié)能減排的呼聲越來(lái)越高，碳交易也在逐步推進(jìn)，雖然當(dāng)前我國(guó)碳交易受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件的制約發(fā)展緩慢，但隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、科技的快速發(fā)展，碳交易已是大勢(shì)所趨。不

90、僅可以利用CO2進(jìn)行強(qiáng)化采氣，換得清潔能源，而且還可以將大量CO2注入儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)永久封存，并從碳排放較多的企業(yè)或國(guó)家獲取碳收益，從而進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)煤層氣的成本。</p><p><b>　　三、結(jié)論與建議</b></p><p>　　（1）煤層基質(zhì)孔隙極不發(fā)育，滲透率和孔隙度極低，因此對(duì)鉆采技術(shù)提出了更高的要求；</p><p>　?。?）超臨

91、界CO2流體具有低黏、高擴(kuò)散性、高密度等特點(diǎn)，使得超臨界CO2鉆井具有破巖門(mén)限壓力低、破巖速度快等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于典型的難鉆煤層來(lái)說(shuō)，能夠大大縮短鉆井周期，降低鉆井費(fèi)用；同時(shí)對(duì)頁(yè)巖來(lái)說(shuō)，CO2分子比CH4分子具有更強(qiáng)的吸附能力，可進(jìn)行CO2強(qiáng)化采氣。因此，超臨界CO2開(kāi)發(fā)煤層氣技術(shù)有望成為煤層氣增產(chǎn)的新技術(shù)；</p><p>　?。?）CO2在開(kāi)發(fā)煤層氣過(guò)程中能夠被永久封存于儲(chǔ)層中，同時(shí)還能從碳排放較多的企業(yè)或國(guó)家獲取

92、碳收益，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)進(jìn)一步降低煤層氣開(kāi)發(fā)成本；</p><p>　　（4）建議積極開(kāi)展超臨界CO2鉆井、壓裂理論研究和配套工具的研制工作，對(duì)CO2、CH4與煤層的吸附能力進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，為其盡早成為開(kāi)發(fā)煤層氣的現(xiàn)實(shí)技術(shù)奠定基礎(chǔ)；</p><p>　?。?）在相同實(shí)驗(yàn)條件下，CO2在煤巖中的吸附量明顯高于CH4的吸附量，說(shuō)明與CH4相比CO2更容易吸附在煤巖表面，將甲烷置換出來(lái)；<

93、;/p><p>　　（6）與自然降壓開(kāi)采相比，注CO2可以提高煤層氣的采收率，提高幅度可達(dá)10% 以上；隨CO2注入量的增加，煤層氣采收率增大；</p><p>　?。?）CO2和CH4在煤巖表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附是CO2提高煤層氣采收率的機(jī)理之一 [10] 。</p><p>　　本章主要介紹了幾種典型現(xiàn)用鉆井液體系，用于表征技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀。如：泡沫鉆井液體系、Aphron鉆井

94、液體系、超低滲透鉆井液體系等；之后又主要介紹了目前開(kāi)發(fā)煤層氣儲(chǔ)層的前沿鉆井液體系，用于表征技術(shù)發(fā)展方向。如：裂縫架橋式煤層氣井鉆井液、仿生絨囊鉆井液煤層氣鉆井、可循環(huán)微泡鉆井液、超臨界CO2開(kāi)發(fā)煤層氣。</p><p><b>　　第5章 結(jié)論</b></p><p>　　通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研與系統(tǒng)分析，得到現(xiàn)今改創(chuàng)新型鉆井液體系：</p><p>　

95、　（1）裂縫架橋式煤層氣井鉆井液，其創(chuàng)新之處在于利用煤巖表面強(qiáng)的負(fù)電荷，柔性材料因靜電吸附作用傳導(dǎo)至煤層氣儲(chǔ)層表面，在裂縫上架橋形成低滲透的“表面橋”來(lái)堵塞裂縫。</p><p>　?。?）可全面封堵地層的仿生絨囊鉆井液，其鉆井液密度可調(diào)，且具有高效封堵、高效懸浮攜帶巖屑以及可以使用惰性加重材料加重等特點(diǎn)。</p><p>　?。?）可循環(huán)微泡鉆井液，其可用于欠平衡或近平衡鉆井，能適應(yīng)復(fù)雜

96、的地層，且具有密度低、懸浮攜帶能力強(qiáng)、儲(chǔ)層保護(hù)效果好、可循環(huán)使用、成本小、施工維護(hù)處理工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　（4）超臨界CO2注氣開(kāi)發(fā)煤層氣，其具有接近于液體的密度，其黏度與氣體接近，擴(kuò)散系數(shù)比液體大，具有良好的傳質(zhì)性能。另外，超臨界CO2的表面張力為零，因此它們可以進(jìn)入到任何大于超臨界CO2分子的空間。在臨界點(diǎn)附近CO2流體具有突變性和可調(diào)性。</p><p><b

97、>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 鄭力會(huì)．絨囊鉆井液控制煤層氣儲(chǔ)層傷害室內(nèi)研究[J]．煤炭學(xué)報(bào),2010,043：03-05．</p><p>　　[2] 崔榮國(guó)．國(guó)內(nèi)外煤層氣開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀[J]．國(guó)土資源情報(bào)，2005，11(3)：13-17．</p><p>　　[3] 牟海平．可循環(huán)微泡鉆井液在煤層氣鉆井中的應(yīng)用[J]．山東煤

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99、煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究[J]．中國(guó)煤田地質(zhì)，2001，13(3)：29-301．</p><p>　　[7] 韓寶山．欠平衡鉆井技術(shù)與煤層氣開(kāi)發(fā)[J]．煤田地質(zhì)與勘探，2002，30(4)：61-62．</p><p>　　[8] 樊世忠．欠平衡鉆井完井液技術(shù)(Ⅱ)—?dú)怏w型完井液技術(shù)[J]．鉆井液與完井液,2001,18(1)：25-29．</p><p>　　[9

100、] 鄭力會(huì)．仿生絨囊鉆井液煤層氣鉆井應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]．石油鉆采工藝,2011,78(1)：03-04．</p><p>　　[10] 王海柱，沈忠厚，李根生．超臨界CO2開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣技術(shù)[J]．石油鉆探技術(shù)，2011，05(3)：03-06．</p><p>　　[11] 李世臻，曲英杰．美國(guó)煤層氣和頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示[J]．中國(guó)礦業(yè)，2010-12(4)：16-19．

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103、Drilling [J].Corrosion,1999,55(7):706-713.</p><p>　　[15] 王少昌等．陜甘寧盆地上古生界煤成氣藏形成條件及勘探方向[J]．長(zhǎng)慶石油地質(zhì)局，1985，14(2)：11-15．</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　在本論文的寫(xiě)作即將完成之際，筆者的心情無(wú)法平靜，本

104、文的完成既是筆者孜孜不倦努力的結(jié)果，更是導(dǎo)師xx老師親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)的結(jié)果。在整個(gè)論文的選題、研究和撰寫(xiě)過(guò)程中，導(dǎo)師都給了我精心的指導(dǎo)、熱忱的鼓勵(lì)和支持，她多次詢(xún)問(wèn)論文的寫(xiě)作進(jìn)程，多次為我批閱文章并提出修改意見(jiàn)，她的精心點(diǎn)撥為我開(kāi)拓了研究視野，修正了寫(xiě)作思路，對(duì)論文的完善和質(zhì)量的提高起到了關(guān)鍵性的作用。另外，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)和高尚的人格魅力，都給了學(xué)生很大感觸，使學(xué)生終生受益。在此，學(xué)生謹(jǐn)向?qū)熤乱宰钫鎿吹母?/p>

105、激和最崇高的敬佩之情。</p><p>　　另外，我還需要特別感謝xx講師、xx講師、殷世艷講師等對(duì)我多年的教育和培養(yǎng)之恩。俗話說(shuō)：“教師是太陽(yáng)底下最光輝的事業(yè)”。在您們身上，我看到了這句話的真諦，您們諄諄的教導(dǎo)，偉大的人格和無(wú)私奉獻(xiàn)的精神，讓我終生難忘，永遠(yuǎn)鞭策我前進(jìn)。在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。</p><p>　　再者，還要感謝四年來(lái)在學(xué)習(xí)和生活中所有給予我關(guān)心、支持和幫助的

106、老師和同學(xué)們。特別是我寢室的兄弟們，四年來(lái)我們一起學(xué)習(xí)、一起歡樂(lè)，共同度過(guò)了太多的美好時(shí)光，我們始終是一個(gè)團(tuán)結(jié)、友愛(ài)、積極向上的集體。“天下沒(méi)有不散的宴席”。在我們即將分離的時(shí)刻，我別無(wú)他話，衷心的祝愿大家一路走好、前程似錦、一生平安幸福。</p><p>　　最后，感謝我的爸爸媽媽?zhuān)兄x您們賜予我生命，感謝您們二十多年來(lái)對(duì)我的養(yǎng)育之恩，更感謝您們不管多苦多難對(duì)我學(xué)業(yè)始終如一的理解與支持。向百忙之中抽出時(shí)間審稿和