煤层气绒囊钻井流体的防塌机理

尽管绒囊钻井流体已成功应用于煤层气钻井,但研究其防塌机理,事关其煤层封堵效果、封堵强度、封堵成本以及储层伤害程度。为此,实验室对比测定了山西沁水盆地3号煤岩柱塞单轴抗压强度、驱替？38 mm煤岩柱塞的入口压力。对比注入2%氯化钾溶液、低固相聚合物钻井流体和绒囊钻井流体后煤岩柱塞强度的实验结果发现,仅绒囊钻井流体（3组）的煤岩强度提高38.46%;驱替压力对比结果显示,绒囊钻井流体在驱替压力为20.73 MPa、21.46 MPa时不漏失,绒囊封堵后2%氯化钾溶液在驱替压力分别为24.79 MPa、25.64 MPa时仍不漏失,绒囊钻井流体增大了流体进入地层的阻力。室内显微镜观察绒囊钻井流体封堵60~80目、80~100目、100~120目三种粒径煤岩岩屑的填砂管,结果发现：囊泡以堆积、拉抻、堵塞等方式封堵不同尺寸的漏失通道并平铺渗流通道的入口端,形成“珠状毯”;囊泡的弹性、韧性吸收了钻具对井壁的冲击力,从而减轻了钻具造成的井壁失稳。结论认为：煤层气绒囊钻井流体的主要防塌机理是提高煤岩强度、增大流体进入煤岩地层的阻力、缓冲钻具冲击力等。

煤层气直井排采捞煤粉一体化技术

在煤层气井开采过程中,目前用的最多的还是抽油机排采系统,在排采泵方面主要采用常规整筒泵,这种泵所存在的主要问题是煤粉卡泵和煤粉卡固定阀、游动阀,导致系统频繁作业,严重影响了煤层气的开采时率。为了有效解决这个问题,研制出一套排采捞煤粉一体化管柱,该管柱采用新型防煤粉泵和挂篮式沉砂管,使煤层气井的排采、捞砂一体化成为可能。新型防煤粉泵采用了高支固定阀和大直径游动阀的长柱塞结构,不仅可以有效防止煤粉卡固定阀、游动阀,还能有效防止煤粉进入泵筒造成卡泵;排采过程中沉积下来的煤粉进入挂篮式沉砂管中,待到检泵时连同沉积在沉砂管中的煤粉一同起出,取消了捞煤粉环节,节约成本。现场应用表明,煤层气直井排采捞煤粉一体化管柱适应现场需求,延长了检泵周期,具有良好的推广前景。

沁水盆地在用煤层气钻井液伤害沁水3#煤岩室内评价

研究沁水3#煤岩储层钻井液储层伤害机理,对沁水煤层气开发至关重要。室内对比测定了清水、绒囊、膨润土聚合物等3类钻井液伤害端氏煤矿3#煤岩柱塞前后渗透率值。结果表明,清水、绒囊钻井液、膨润土聚合物钻井液伤害煤岩柱塞平均渗透率恢复值为70.88%、84.22%和49.26%。结合渗透率恢复实验数据、煤岩柱塞伤害时漏失情况,分析钻井液储层伤害的主要因素有钻井液滤液及颗粒伤害、煤岩自身煤粉及微粒运移、某些表面活性剂与地层不配伍等。建议钻井使用无固相控制煤粉运移的钻井液,适当使用处理剂封堵地层控制滤液与煤层接触机会,根据具体煤岩情况优选表面活性剂避免煤岩与表面活性剂不配伍造成储层渗透率降低。

马壁区块复杂结构煤体的煤层气绒囊钻井液研究

为解决马壁区块煤层气钻井漏失、井壁失稳和气侵等成井难题,通过室内对比试验,测定了注3种不同钻井液的煤岩单轴抗压强度,及其封堵煤岩后其承受液压力的大小。试验研究结果表明:注氯化钾溶液、低固相聚合物钻井液可使煤岩强度分别降低19.2%、11.5%,注绒囊钻井流体则能提高38.4%,并且注绒囊钻井流体封堵煤岩后承受液压力达20 MPa以上,注氯化钾溶液和低固相聚合物钻井液,其液压力分别为1.61、8.04 MPa,证明绒囊钻井流体防塌防漏能力强。现场应用结果与室内试验结果一致,煤层气绒囊钻井液满足稳定井壁和防漏堵漏要求,结合增加维护次数、减少单次维护数量的施工工艺,解决了马壁区块煤层气钻井难题。

沁水盆地高阶煤层气压裂工艺反思与技术改进试验研究

煤层气单井产量是制约煤层气产业发展的瓶颈问题,压裂改造是提高煤层气单井产量的措施之一。本文总结了沁水盆地高阶煤层气压裂工艺近年以来的应用情况,反思了压裂效果差异后面隐藏的问题,探讨了压裂改造过程中外来水对煤层气储层的影响,针对活性水压裂工艺在低渗透煤储层应用中的不足,提出了降低水伤害提高压裂改造效果的一整套压裂工艺技术改进思路,通过开展先导试验取得了突出成效,初步形成了"低前置比、快速返排"压裂工艺。

郑3X煤层气井绒囊流体重复压裂控水增产试验

郑3X煤层气井水力裂缝沟通含水砂岩层,导致了气井高产水、低产气。为此,利用绒囊流体封堵含水砂岩层和原缝,重复压裂压开新缝,降低气井产水量,提高产气量。室内测试结果表明,绒囊流体暂堵煤岩裂缝承压能力21 MPa,降低砂岩水相渗透率52.67%,伤害煤岩基质渗透率恢复值87%,满足转向压裂和堵水的性能要求。现场配制密度0.85~0.95 g/cm3、表观黏度40~60 m Pa·s的绒囊流体80 m3。当绒囊流体成功封堵含水砂岩层和原缝后,再利用活性水进行压裂。排采结果表明,重复压裂后排水期和产气期的产水量分别降低79%和68%,而产气量提高44%,表明绒囊流体在郑3X井控水增产试验成功。绒囊流体具有良好的封堵能力和控水性能,能够实现水侵煤层气井堵水压裂一体化作业,提高煤层气开发效果。

郑X井重复压裂非产水煤层绒囊流体暂堵转向试验

郑庄煤层气田郑X井欲实施绒囊暂堵流体重复压裂转向,既形成新裂缝又不影响原缝生产,增加供气体积以达到满意产量。室内先用绒囊流体暂堵直径38 mm煤岩柱塞的中间人工剖缝,后用活性水测试绒囊流体暂堵剖缝承压能力达20 MPa,超过地层18 MPa的破裂压力,满足转向要求;绒囊暂堵流体伤害郑庄煤岩柱塞渗透率恢复值85%,满足原缝继续生产要求;现场利用混砂车和水罐建立循环,通过剪切漏斗配制密度为0.94~0.98 g/cm^3、表观黏度为30~34 mPa..s的绒囊暂堵流体。先用活性水顶替检测原缝是否存在后,用排量为3.0~3.5 m^3/h注入绒囊暂堵流体60 m^3,停泵30 min油压稳定在12 MPa,表明绒囊封堵原缝成功。用活性水压裂液压裂,油管压力上升至18 MPa时出现破裂。微地震监测新缝方位为N13°W,相对于原缝N42°E转向55°。压后间抽2 h产气200 m^3,是压裂前产量的2倍以上。采用微地震监测和对比压裂前后产量证明,绒囊可迫使压裂液转向压开新缝,且不伤害原裂缝,适用于煤层气老井重复压裂恢复生产。

煤岩水敏性机理研究及防治

通过静态观察实验以及岩心动态流动实验,研究了煤岩吸水膨胀对储层的影响,揭示了煤岩水敏机理,提出了防治煤岩水敏的方法。水敏实验结果表明,煤岩很容易发生水敏,对地层产生较大伤害。膨胀实验显示,煤粉在低矿化度的流体中更易发生膨胀。对煤粉充填压实岩心进行的流动实验结果表明,黏土矿物水化膨胀,产生微粒运移,使渗透率下降,对储层的伤害具有不可逆性,而KCl对抑制煤岩膨胀具有很好的效果。

层面粘结性能对遇层面水压裂缝扩展的影响

采用RFPA2D软件对水压裂缝遇不同粘结性能层面后的扩展规律进行了数值模拟,分析了不同粘结性能层面下水压裂缝初至层面扩展行为、沿层面扩展的最大距离以及遇层面水压裂缝的扩展形态。模拟结果表明水压裂缝初至层面的扩展行为主要由层面与煤岩体粘结强度的差异性决定;水压裂缝沿层面扩展的最大距离随岩层与层面抗拉强度比值的增大呈线性增长。

表面活性剂对煤粉分散运移的影响

通过静态观察实验及岩心动态流动实验,考察了煤粉在不同表面活性剂溶液中的分散情况,以及煤岩与不同表面活性剂接触后的临界流速和速敏指数。所用的阳离子表面活性剂为十八烷基三甲基氯化铵(1831),阴离子表面活性剂为十烷基二苯醚二磺酸钠(Dowfax 3B2)、十二烷基硫酸钠和磺基脂肪酸甲酯钠盐(MES)。静态观察实验结果表明,煤粉在地层水中的分散性较弱,在表面活性剂溶液中更易分散,且在阴离子表面活性剂溶液中比在阳离子表面活性剂溶液中的分散性强。煤粉充填压实岩心流动实验结果表明,不加表面活性剂时的临界流速为0.25 mL/min,速敏指数为0.45;加入0.5%Dowfax 3B2、MES和1831后的临界流速分别为0.25、0.25和0.5 mL/min,速敏指数分别为0.58、0.60和0.48;加入1%Dowfax 3B2和1831后的临界流速分别为0.1和0.5 mL/min,速敏指数分别为0.57和0.48。阴离子表面活性剂对岩心的伤害程度大于阳离子表面活性剂。

应力环境对层面区域水压裂缝扩展的影响

无论是传统的煤炭、石油、天然气资源开采,还是新兴的非常规天然气开采,控制水压裂缝尽量在指定的资源储层中横向延伸、限制储层外垂向水压裂缝的数目和扩展长度是提高水压致裂效率和保护地层环境的有效途径。层面所处的应力环境是影响水压裂缝扩展的关键因素。采用RFPA2D-Flow,对不同应力环境下,水压裂缝初至层面的扩展行为、沿层面水压裂缝最大开裂长度和水压裂缝的破坏形态进行了模拟。模拟结果表明:1应力环境对水压裂缝初至层面时的扩展行为没有影响;2沿层面水压裂缝扩展的最大长度随主应力比的增加呈双曲线降低;3双向等压时,水压致裂沿层面方向的影响范围最大;4随着主应力比的增加,层面对水压裂缝扩展的影响逐渐减小,应力的作用逐渐增加,水压裂缝沿垂直于最小主应力方向穿层面扩展。

红砂岩单轴压缩破坏的声发射信号及时空演化特征

针对红砂岩在单轴压缩下的变形损伤规律和破裂失稳机理,进行了红砂岩单轴压缩的声发射定位实验研究。结果表明:加载过程中声发射信号随时间的变化特征能够反映出红砂岩的张拉破坏模式,声发射定位点首先在岩样的下部产生,随时间的变化定位点数不断增加,并逐渐向上扩展至整个试件,且下部产生的定位点数比上部密集,红砂岩最终发生劈裂破坏,声发射定位点主要集中在裂纹附近;随着有大裂纹的产生,红砂岩临近破坏时声发射定位有突增的特点。研究结果反映了岩样内部裂纹产生和扩展的空间位置以及三维空间演化过程,为研究红砂岩破裂失稳机理提供了依据。

不同加卸载路径下煤岩渗透性变化特征分析

查明不同加卸载路径下煤岩渗透率变化特征是进行采、掘过程中煤岩裂隙变化规律研究的基础。利用RMT-150B型岩石力学伺服实验系统对不同煤样进行了不同应力、不同变形阶段的多次加-卸载下的渗透性测试试验,基于孔裂缝的演化机理对渗透性变化规律进行总结,并对变化机理进行了分析。结果表明:峰值前进行加卸载时,渗透性变化幅度较小;应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性不明显。其变化主要取决于弹性变形;峰值后进行加卸载时,渗透性发生质的变化,增加幅度较大,并且应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性明显,其变化主要取决于塑性变形。同时随着循环加卸载次数的增加,渗透性均是逐渐变大,尤其是同一加卸载过程中相同应变所对应的加载与卸载时渗透性的差值。