摘　要：針對國內(nèi)尚缺少統(tǒng)一有效的鉆井液損害煤層評價(jià)方法的現(xiàn)狀，基于煤層氣產(chǎn)出及損害機(jī)理，提出了解吸量比值法和滲透率恢復(fù)率法聯(lián)合評價(jià)鉆井液對煤層損害效果的評價(jià)方法和指標(biāo)，并對煤樣解吸量比和滲透率恢復(fù)率的概念進(jìn)行了定義。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法以及煤層氣自降解鉆井液(CBMD)和常規(guī)無固相聚合物鉆井液(WGJH)對煤層的保護(hù)和損害能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①CBMD降解后，滲透率恢復(fù)率較高，可達(dá)100％，對煤儲(chǔ)層基本不傷害，而WGJH鉆井液滲透率恢復(fù)率最高不超過30％；②CBMD污染過的煤樣解吸量比達(dá)95.89％與清水接近，WGJH鉆井液污染過的煤樣解吸量比為20.11％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也解釋了現(xiàn)場應(yīng)用WGJH后煤層產(chǎn)氣量低甚至不產(chǎn)氣的原因，即煤層滲流通道恢復(fù)能力變差、煤層氣解吸能力降低。結(jié)論認(rèn)為，該方法實(shí)用、有效，可作為鉆井液損害及保護(hù)煤層效果的評價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：煤層氣??鉆井完井液??煤層損害??評價(jià)方法??解吸量??解吸量比值??滲透率恢復(fù)率

Abstract：Currently，there is no unified and effective evaluation methods for coalbed damages induced by drilling fluids in China．With consideration to CBM production and damage mechanisms，combination of desorption ratio and permeability recovcrv rate and relevant indexes were proposed to evaluate coalbed damages．In addition，concepts of desorption ratio and permeabilitv rccoverv rate were defined．On this basis，the experimental evaluation techniques，together with protection and damage potentials of coalbed methane degradable drilling fluids(CBMD)and conventional solid free polymer drilling fluids(WGJH)，were described in detail．Research results show that：(1)upon degradation，the permeability recovery rate of CBMD reaches as high as 100％，indicating that the fluid may basically produce no damage to coalbed，whereas the permeability recovery rate of WGJH is no higher than 30％；(2)the CBMD contaminated samples have a desorption ratio up to 95.89％，which is similar with those of freshwater，while the WGJH contaminated samples have a desorption ratio of 20.1l％．Moreover，the test results clarify the reasons for low CBM Droductivity or no production upon application of WGJ H on site，namely，a poor recovery capacity of flow channels in coal beds and a low desorption capacity of CBM gas．This practical and effective method can be deployed for evaluating damagcs caused by drilling fluids and performances of combed protection．

Keywords：CoMbed methane(CBM)；Drilling and well completion；Coalbed damage；Evaluation method；Desorption quantitv：Desorption ratio method；Rate of permeability recovery

近年煤層氣水平井、U型井等鉆采煤層氣資源，取得了較好的效果^[1-6]。然而，不可否認(rèn)國內(nèi)對煤層損害的機(jī)理仍然認(rèn)識不清，缺少有效地評價(jià)鉆井液對煤層損害與保護(hù)效果的評價(jià)方法和指標(biāo)^[7-8]，造成國內(nèi)煤層氣企業(yè)不能有效辨識何種鉆井液更適用于煤層鉆井。依據(jù)煤層氣產(chǎn)出及損害機(jī)理，提出了解吸量比值法和滲透率恢復(fù)率法聯(lián)合評價(jià)鉆井完井液對煤層保護(hù)效果的評價(jià)方法，并建立了相應(yīng)評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)該方法評價(jià)了保護(hù)煤層自降解鉆井完井液和常規(guī)無固相聚合物鉆井液損害儲(chǔ)層情況，結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用效果一致，表明該評價(jià)方法簡單、實(shí)用、有效。

煤巖具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，鉆井方式、工藝、鉆井液、完井方式與常規(guī)油氣鉆采明顯不同，因鉆井液引起的井壁失穩(wěn)、煤層損害、完井效果差等難題一直困擾著煤層氣的高效勘探開發(fā)。

1)為最大限度保護(hù)煤儲(chǔ)層，現(xiàn)場多采用清水作為鉆井液鉆進(jìn)煤層。但清水黏度低、濾失量大、攜巖效果差，易引起井下事故復(fù)雜。同時(shí)，清水鉆進(jìn)時(shí)，井壁掉塊嚴(yán)重，井徑不規(guī)則、鉆成的井眼重入性差，加之采用裸眼完井，由于無套管或篩管支撐井壁，煤層氣開采幾年后井壁便會(huì)坍塌，大大縮短了煤層氣井采氣壽命。而國外煤層氣井平均可開采20～30年，有些井可達(dá)40年^[9]。

2)常規(guī)鉆井完井液能有效解決清水鉆井引起的復(fù)雜問題，但煤層損害嚴(yán)重，基本不產(chǎn)氣。分析認(rèn)為，常規(guī)鉆井液鉆井，引起煤層流體敏感、固相侵入以及應(yīng)力敏感損害，妨礙煤層甲烷解吸、滲流。此外，由于儲(chǔ)層壓力低，侵入的工作液難以返排，煤層氣滲流通道極易受阻。

??3)國內(nèi)尚缺少統(tǒng)一有效的鉆井液損害與保護(hù)煤層的評價(jià)方法和指標(biāo)。以往，國內(nèi)主要以常規(guī)油氣藏相關(guān)評價(jià)方法為基礎(chǔ)，多數(shù)仍以滲透率恢復(fù)率為指標(biāo)評價(jià)煤層損害與保護(hù)情況，該方法并沒有考慮煤層氣解吸這一微觀產(chǎn)出機(jī)理，得到的評價(jià)結(jié)果并不能反映鉆井液保護(hù)煤層的真實(shí)能力。

煤層損害主要分為滲流損害和解吸損害兩種類型^[10-16]。研究表明，應(yīng)力敏感、流體及固相侵入、水相圈閉為煤層滲流損害的主要類型，其損害煤層的滲流通道，主要表現(xiàn)在降低煤層甲烷的擴(kuò)散能力和煤層的滲流能力。聚合物吸附、含水飽和度上升等為煤層解吸損害的主要類型。因此，保護(hù)煤層就必須對煤層微觀解吸、擴(kuò)散能力和宏觀滲流能力進(jìn)行保護(hù)。

煤層氣開采具有空間和時(shí)間多尺度性。空間尺度涉及煤巖裂隙系統(tǒng)的基塊孔喉尺度、割理尺度、水力裂縫尺度及宏觀氣井尺度。時(shí)間尺度表現(xiàn)為煤層甲烷在傳遞過程中具有時(shí)間尺度效應(yīng)，即在基塊和微孔中解吸擴(kuò)散耗時(shí)長，在孔喉、割理中滲流耗時(shí)較短，在水力裂縫及井筒中運(yùn)移耗時(shí)最短。煤層氣開采過程中的這種多尺度效應(yīng)，要求煤層甲烷在基塊尺度具有一定的解吸速率和解吸量，以便其供氣能力滿足割理滲流及井筒管流的需要。因此，提出采用解吸量比值法評價(jià)鉆井完井液對煤樣甲烷解吸能力的保護(hù)效果。

解吸量比是在一定時(shí)間內(nèi)將鉆井完井液污染煤樣的甲烷解吸量與清水水濕煤樣(或污染前煤樣)的甲烷解吸量進(jìn)行對比，得到的比值稱為解吸量比，相應(yīng)的評價(jià)方法叫解吸量比值法。解吸量比越高，則表明鉆井完井液對煤層甲烷解吸能力的保護(hù)就越好。解吸量比是基塊解吸氣量和解吸速率的綜合反映，能較為客觀地從微觀角度評價(jià)基塊被鉆井完井液污染后的供氣能力。

滲流是解吸發(fā)生的前提，有了滲流，才有降壓，降壓之后才有解吸。割理和孔隙是鉆井完井液返排通道，亦是煤層甲烷擴(kuò)散滲流通道，只有對煤層滲流通道進(jìn)行有效的保護(hù)，保證完井后滲流通道暢通，才能高效勘探開發(fā)煤層氣資源。

傳統(tǒng)切割法評價(jià)煤樣滲透率恢復(fù)率，主要針對射孔完井設(shè)計(jì)，不能有效模擬裸眼及篩管完井情況下的滲透率恢復(fù)情況，而煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井多采用裸眼或PVC篩管完井。因此，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際，認(rèn)為采用增加返排壓差，通過自然返排的方法，測試煤樣滲透率恢復(fù)率，可更好反映鉆井液對煤層滲流能力的保護(hù)和損害情況。

評價(jià)時(shí)，首先反向測量煤巖滲透率，然后用鉆井液正向污染巖心，一段時(shí)間后反向測量巖心滲透率，最后將污染后與污染前反向測得的巖心滲透率進(jìn)行對比，得到的比值稱為滲透率恢復(fù)率。滲透率恢復(fù)率越高，代表完井作業(yè)后期煤層滲流通道得到保護(hù)的程度越高。

2．1．1壓碎煤巖巖塊

對Mg(以裝滿煤樣罐為準(zhǔn))0.2～0.3mm(80～60目)篩間煤粒40℃條件下烘干，然后進(jìn)行真空脫氣(本次實(shí)驗(yàn)的煤巖來自于端氏煤礦3號煤層高階煤，不是來源于煤層氣井現(xiàn)場取心，下同)。

2．1．2脫氣結(jié)束后，開展煤粒吸附平衡實(shí)驗(yàn)

2．1．3煤樣解吸量測定

1)使用清水(蒸餾水)污染樣品0.5～1min，瀝清水相。

2)測定并記錄甲烷解吸量Qoi及對應(yīng)的記錄時(shí)間toi(單位為min)，直至相鄰記錄時(shí)間所記錄的甲烷解吸量增量小于2％。

3)重復(fù)步驟l)～2)，使用降解后的鉆井液污染樣品0.5～1min，瀝清水相。

4)測定并記錄煤樣鉆井液污染后甲烷解吸量Qwi及對應(yīng)的記錄時(shí)間twi(單位為min)，直至相鄰記錄時(shí)間所記錄的甲烷解吸量增量小于2％。

2．1．4解吸量比測定

解吸量比按式(1)計(jì)算：

Jx＝Qwi/Qoi×100????????(1)

式中Jx為twi時(shí)間內(nèi)的煤樣甲烷解吸量比最大值；Qoi為toi時(shí)間內(nèi)煤樣污染前甲烷解吸量，mL／g；Qwi為twi時(shí)間內(nèi)煤樣污染后甲烷解吸量，mL／g。

2．2．1煤樣準(zhǔn)備

沿煤心水平方向鉆成直徑2.5cm、長度介于4～5cm的圓柱，40℃條件下烘干后裝入干燥皿中備用。要求煤心圓柱的兩端面要垂直于軸線，以便于進(jìn)行滲透率恢復(fù)試驗(yàn)；選取有代表性煤心圓柱，抽真空飽和3％KC1溶液。

2．2．2煤樣初始滲透率測定

采用鉆井液解堵評價(jià)儀，在圍壓3～5MPa條件下，用3％KC1溶液以0.3～1.5MPa的流動(dòng)壓力反向測定煤樣的初始滲透率Koi，并記錄流動(dòng)壓力。

2．2．3正向污染煤樣端面

采用鉆井液解堵評價(jià)儀，在圍壓介于3～5MPa，流動(dòng)壓力3.5MPa下，用鉆井液正向循環(huán)污染巖心1h。

2．2．4降解煤樣端面鉆井液

保持圍壓不變，煤樣于鉆井液解堵評價(jià)儀中密閉存放0.5～120h，具體時(shí)間以鉆井液降解率達(dá)到85％時(shí)對應(yīng)的時(shí)間為準(zhǔn)，降解率Rj按式(2)計(jì)算：

Rj＝mi/mo×100?　　　???(2)

式中Rj為降解率；mi為i時(shí)間時(shí)鉆井液表觀黏度，mPa·s；mo為鉆井液初始表觀黏度，mPa·s。2．2．5污染后煤樣滲透率測定

采用鉆井液解堵評價(jià)儀，圍壓3～5MPa，分別以0.3MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa流動(dòng)壓力，用3％KC1溶液測定反向煤樣滲透率及對應(yīng)的流動(dòng)壓力(單位為MPa)。

2．2．6滲透率恢復(fù)率測定

滲透率恢復(fù)率(St)按式(3)計(jì)算：

St＝Kfi/Koi×100????????(3)

式中St為各流動(dòng)壓力點(diǎn)下的煤樣滲透率恢復(fù)率最大值；Koi、Kfi分別為各流動(dòng)壓力點(diǎn)對應(yīng)的煤樣初始滲透率、煤樣污染后滲透率，mD。

評價(jià)鉆井液損害和保護(hù)煤層能力時(shí)，煤層保護(hù)效果按表1所示進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)采用就低不就高的原則，即當(dāng)解吸量比與滲透率恢復(fù)率指標(biāo)屬于同一級別，煤層保護(hù)效果才能判定為該級別，否則保護(hù)效果按低級別判定。例如，當(dāng)鉆井液污染煤層后，甲烷解吸量比和煤層滲透率恢復(fù)率均大于85％，則判定煤層保護(hù)效果為好；當(dāng)鉆井液污染煤層后，甲烷解吸量比大于85％，而煤層滲透率恢復(fù)率介于50％～70％，則判定煤層保護(hù)效果為一般；同理，當(dāng)鉆井液污染煤層后，甲烷解吸量比介于30％～50％，而煤層滲透率恢復(fù)率大于85％，則判定煤層保護(hù)效果為較差。

采用如上評價(jià)方法和指標(biāo)，對煤層氣自降解鉆井完井液(CBMD)和常規(guī)聚合物鉆井液(WGJH)進(jìn)行了評價(jià)。CBMD配方為：清水+0.2％～0.6％增黏劑+0.3％～1.2％pH值調(diào)節(jié)劑+0.5％降失水劑+3.0％～4.0％儲(chǔ)集層保護(hù)劑+0.5％～4.0％降解劑。WGJH配方為：清水+0.2％～0.5％碳酸鈉+有機(jī)鹽(根據(jù)密度需要調(diào)整加量)+0.2％～0.4％提切劑+0.5％～1.0％抑制劑+1.5％～2.5％降濾失劑+2％～3％防塌劑。