發(fā)布時間：2020-07-06 21:51

【摘要】：煤層氣(俗稱瓦斯)以吸附狀態(tài)儲存于煤層內(nèi)的一種非常規(guī)天然氣,是一種新型的潔凈能源和優(yōu)質(zhì)化工原料,是21世紀(jì)的重要接替能源之一。要實現(xiàn)我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,亟待開展煤層氣儲層損害機理及鉆井液與完井液技術(shù)研究。煤層氣儲層鉆完井過程中都會不同程度破壞其原有平衡狀態(tài)并造成儲層損害,其后果將嚴(yán)重影響煤層氣的解吸、擴散、滲流及后期開采。煤巖特殊的孔隙裂縫結(jié)構(gòu)及煤層氣的儲存機制、產(chǎn)出方式的特性決定了煤層氣儲層損害機理具有特殊性。近年來我國煤層氣儲層保護鉆井液與完井液技術(shù)主要是沿用常規(guī)油氣儲層保護鉆井液與完井液技術(shù),但煤巖的成分、形成原因、化學(xué)組成、物理性質(zhì)、孔隙裂縫結(jié)構(gòu)與常規(guī)油氣儲層相比具有其特殊性,常規(guī)油氣儲層保護鉆井液與完井液技術(shù)不能有效保護煤層氣儲層。因此深入研究煤層氣儲層損害機理及鉆井液與完井液技術(shù)具有重要實際意義。本文研究了沁端區(qū)塊3#煤層發(fā)育特征、煤體結(jié)構(gòu)特征、儲層孔隙特征、儲層裂隙特征、儲層孔隙度、儲層滲透率、儲層溫度與壓力以及地層水性質(zhì)等,沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層表現(xiàn)為低滲、裂隙發(fā)育、低壓力的特性。在研究沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層特征基礎(chǔ)上分析了儲層潛在損害因素,沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層中礦物類型及含量決定了儲層存在速敏、鹽敏、堿敏以及酸敏；沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層多孔隙、多裂隙性是發(fā)生水鎖損害自然條件：沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層煤巖的彈性模量較低、泊松比較高、脆性大、易破碎、易壓縮物理力學(xué)性質(zhì)以及儲層孔隙、裂隙特征決定了儲層具有較強的應(yīng)力敏感性。采用滲透率和解吸速率相結(jié)合方法深入研究了儲層應(yīng)力敏感性、速敏、鹽敏、堿敏及酸敏,并探討了儲層應(yīng)力敏感性、速敏、鹽敏、堿敏及酸敏損害機理。(1)儲層應(yīng)力敏感性研究結(jié)果表明,儲層滲透率隨著有效應(yīng)力增加而急劇降低,而在有效壓力恢復(fù)過程中,儲層滲透率不能恢復(fù)到原來大��；煤層氣解吸速率隨有效應(yīng)力增加而減小,在同一有效應(yīng)力條件下,加載過程中煤層氣解吸速率大于卸載過程中解吸速率；沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層裂隙開度隨著有效應(yīng)力增加而減小(2)速敏研究結(jié)果表明,煤巖滲透率和煤層氣解吸速率隨流速增大而減小,沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層中的煤粉隨著流速增大而增加,同時粘土礦物顆粒隨著流速增大而發(fā)生運移,煤粉及粘土礦物顆粒堵塞煤層氣滲流通道和降低煤層氣解吸面積。反向流動實驗結(jié)果驗證了沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層發(fā)生速敏損害主要是由于煤粉及粘土礦物顆粒發(fā)生運移造成的。(3)鹽敏研究結(jié)果表明,當(dāng)外來流體礦化度低于地層水礦化度時,煤巖滲透率和煤層氣解吸速率隨著流體礦化度降低而降低,當(dāng)外來流體礦化度高于地層水礦化度時,煤巖滲透率和煤層氣解吸速率隨著礦化度升高而降低。儲層中伊／蒙混層與低礦化度的外來流體接觸時發(fā)生水化膨脹導(dǎo)致粘土礦物顆粒和煤粉失穩(wěn)脫落,儲層中粘土礦物與高礦化度的外來流體接觸時,高礦化度的流體壓縮粘土礦物擴散雙電層,造成粘土礦物及煤粉失穩(wěn)脫落。(4)堿敏研究結(jié)果表明,煤層滲透率和煤層氣解吸速率隨著流體pH值升高而降低。強堿性流體與煤分子結(jié)構(gòu)中羧基官能團發(fā)生反應(yīng)改變了煤分子結(jié)構(gòu)和煤巖表面潤濕性；煤巖表面電動電位隨pH值增大而增大,電動電位越大,煤粉及儲層中礦物質(zhì)微粒運移程度越大；強堿性流體誘發(fā)沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層中粘土礦物分散,造成煤粉及儲層中礦物質(zhì)失穩(wěn)脫落；強堿性流體與沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層中礦物質(zhì)反應(yīng)生成膠體或沉淀,堵塞煤層氣滲流通道和降低煤層氣解吸面積。煤分子結(jié)構(gòu)中羧基、酚羥基官能團以及儲層中礦物質(zhì)是沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層發(fā)生堿敏損害主要因素。(5)沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層酸化后滲透率和煤層氣解吸率增大,酸液溶蝕儲層中礦物質(zhì),提高了儲層滲透性,增加了煤層氣解吸面積；酸液與儲層中碳酸鹽類礦物反應(yīng)生成的二氧化碳頂替吸附在煤基質(zhì)表面的甲烷,提高煤層氣解吸速率。沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層鉆井過程中鉆井液極易侵入儲層,鉆井液侵入儲層后將破壞煤儲層原有平衡狀態(tài)而損害煤層氣儲層,其后果將嚴(yán)重影響煤層氣解吸、擴散和滲流。在分析鉆井液對煤層氣儲層損害因素的基礎(chǔ)上,采用滲透率和解吸速率相結(jié)合方法研究鉆井液濾液侵入、固相顆粒侵入、聚合物滯留以及鉆井液侵入對沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層的損害,并探討了儲層損害機理。(1)鉆井液濾液侵入對沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層損害機理主要為：1)鉆井液濾液侵入后煤基質(zhì)發(fā)生膨脹；2)鉆井液濾液侵入后儲層發(fā)生鹽敏損害；3)鉆井液濾液侵入后儲層發(fā)生水鎖損害；4)鉆井液濾液與地層水不配伍或配伍性差生成沉淀物。(2)鉆井液濾液侵入后造成沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層發(fā)生水鎖損害,鉆井液濾液侵入后延長煤層氣解吸時間和降低儲層滲透率。隨著含水率上升,沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層水鎖損害程度增加。沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層多孔隙、多裂隙性是發(fā)生水鎖損害自然條件,毛細管阻力是發(fā)生水鎖損害壓力條件。(3)聚合物影響沁端區(qū)塊3#煤分子晶體結(jié)構(gòu),聚合物在沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層的滯留影響儲層滲透率和煤層氣解吸速率。聚合物與煤基質(zhì)表面發(fā)生多點吸附后,煤基質(zhì)發(fā)生膨脹,儲層裂隙受到擠壓而變窄,毛細管力增大,水鎖損害程度增加。聚合物與煤巖表面發(fā)生多點吸附后形成的膠凝層堵塞儲層裂隙和割理,形成的隔離膜抑制煤層氣解吸。(4)固相顆粒侵入沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層降低儲層滲透率和煤層氣解吸速率,儲層發(fā)育的裂隙寬度為5～10μm,侵入固相顆粒粒徑越小,煤巖滲透率變化率和煤層氣解吸速率變化率越大。粒徑較小的固相顆粒侵入儲層裂隙內(nèi)部并在裂隙內(nèi)部架橋,固相顆粒粒徑越小,侵入深度越深,儲層損害程度增加；而粒徑與儲層裂隙寬度不匹配的較大固相顆粒難以進入儲層裂隙深部,只是附著在煤巖表面或淺表部位。(5)鉆井液侵入前沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層孔隙和裂隙連通性較好,而鉆井液侵入后儲層孔隙和裂隙被鉆井液中固相顆粒、聚合物以及沉淀物所充填,沁端區(qū)塊3“煤經(jīng)鉆井液浸泡后煤分子結(jié)構(gòu)中的官能團發(fā)生了改變。通過優(yōu)選或研制鉆井液增粘劑、防水鎖劑及封堵劑,研制出沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層水平井無固相可降解封堵性防水鎖鉆井液體系,并評價了鉆井液流變性、抗溫性、抗無機鹽能力和抑制性。(1)通過聚合物影響煤分子晶體結(jié)構(gòu)以及聚合物在沁水河水中流變性實驗優(yōu)選了鉆井液增粘劑JMY,可降解天然聚合物JMY基本不影響煤分子晶體結(jié)構(gòu),JMY具有較強的提粘切能力。(2)通過表面活性劑篩選及其復(fù)配實驗,優(yōu)選了鉆井液防水鎖劑FSSJ,并采用接觸角法和白吸法研究了其潤濕性,防水鎖劑FSSJ主要成分為胺基硅醇、聚合醇、氟碳表面活性劑等。防水鎖劑FSSJ降低表面張力、增大接觸角、降低毛細管阻力、實現(xiàn)“反毛細管效應(yīng)”,改變煤的潤濕性和阻止鉆井液濾液侵入儲層裂隙。(3)采用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚體系,以N,N—雙亞甲基丙烯酰胺為交聯(lián)劑合成了鉆井液封堵劑FDJ,并評價了其封堵性能。封堵劑FDJ具有可變形和自適應(yīng)作用,封堵劑FDJ封堵煤層氣儲層裂隙,降低鉆井液侵入儲層深度,封堵劑FDJ有利于提高應(yīng)力敏感性較強的沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層承壓能力,能有效解決鉆井液侵入及漏失問題。(4)通過增粘劑、防水鎖劑及封堵劑的優(yōu)選或研制,研制出沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層無固相可降解封堵性防水鎖鉆井液體系,其配方為：沁水河水+0.2%JMY+O.8%FDJ+1.0%FSSJ,采用KCl加重。并對其性能進行了評價,研究結(jié)果表明該鉆井液體系具有較好流變性、抗溫性、抗無機鹽能力和抑制性。為了有效保護沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層,研制出了可改善沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層進攻型防水鎖完井液新體系,并評價其破膠性能、儲層保護能力,并通過掃描電鏡微觀分析了完井液破膠作用后煤巖端面。(1)通過破膠劑、緩蝕劑、防水鎖劑、阻垢劑、粘土穩(wěn)定劑及其加量優(yōu)選,研制出可改善沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層進攻型防水鎖完井液新體系,其配方為：2.0%PLOK+ 1.0%CO21+1.0%FSSJ+1.0%HEDP+1.5%KCl,經(jīng)完井液破膠作用后鉆井液的粘度接近清水的粘度,有利于鉆井液返排。(2)完井液破膠性能、完井液儲層保護能力以及完井液破膠作用后煤巖端面微觀分析研究結(jié)果表明,研制出的可改善沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層進攻型防水鎖完井液新體系具有較好破膠性能和較強儲層保護能力。(3)強氧化性破膠劑PLOK能有效降解鉆井液中聚合物,且破膠后溶液呈現(xiàn)酸性,可提高儲層滲透率和煤層氣解吸速率；完井液中防水鎖劑能有效解決沁端區(qū)塊3#煤層氣儲層水鎖損害問題；完井液中防水鎖劑、阻垢劑及粘土穩(wěn)定劑能有效防止完井液對沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層造成二次損害。本論文創(chuàng)新之處：(1)采用滲透率和解吸速率相結(jié)合的新方法深入研究了沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層損害機理。(2)通過增粘劑、防水鎖劑和封堵劑的研制及優(yōu)選,研制山無固相可降解封堵性防水鎖鉆井液新體系�？山到馓烊痪酆衔颙MY基本不影響煤分子晶體結(jié)構(gòu),具有較好的提粘切作用,能解決鉆井過程中攜巖問題;封堵劑FDJ具有可變形和自適應(yīng)作用,封堵煤層氣儲層裂隙,降低鉆井液侵入儲層深度,能有效解決鉆井液侵入及漏失問題；防水鎖劑FSSJ降低表面張力、增大接觸角、降低毛細管阻力,能有效解決煤層氣儲層水鎖損害問題；該鉆井液體系為無固相鉆井液體系,可有效防止固相顆粒侵入造成儲層損害。(3)通過破膠劑、緩蝕劑、防水鎖劑、阻垢劑、粘十穩(wěn)定劑及其加量優(yōu)選,研制出可改善沁端區(qū)塊3“煤層氣儲層的進攻型防水鎖完井液新體系。無固相可降解封堵性防水鎖鉆井液經(jīng)完井液降解后其粘度接近清水粘度,有利于鉆井液返排；破膠后溶液呈現(xiàn)酸性,溶蝕儲層中礦物質(zhì),提高儲層滲透性和增加煤層氣解吸面積,同時反應(yīng)生成二氧化碳頂替吸附在煤基質(zhì)表面的煤層氣,提高煤層氣采收率；完井液中防水鎖劑能有效解決煤層氣儲層水鎖損害問題,完井液中阻垢劑和粘土穩(wěn)定劑能有效防止完井液對儲層造成二次損害。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE258

【參考文獻】

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本文編號：2744178