井筒压力波动对煤岩伤害的评价方法.pdf

本发明提供一种井筒压力波动对煤岩伤害的评价方法，其中，包括按如下方式评价井筒压力波动对裂缝宽度的影响：将有一贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置，将煤样装入岩心夹持器，加围压，保持围压不变；采用恒压法将模拟煤层水注入煤样，设定初始驱替压力，计算该压力下煤样的渗透率，煤样的初始缝宽；在煤样入口端设置计量泵的压力波动幅度和波动频率，测定在整个压力波动过程中煤样两端的压差，在压力波动过程中模拟煤层水通过煤样的流量，测定煤样的渗透率与缝宽随压力和时间的变化情况。本发明方法在评价煤层气地层伤害时考虑到了井筒压力波动对储层产生的伤害作用，弥补了井筒压力波动对储层产生伤害评价研究的空缺。

1.  一种井筒压力波动对煤岩伤害的评价方法，其特征在于，包括按如下方式评 价井筒压力波动对裂缝宽度的影响：
将有一贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置，将煤样装入岩心夹持器，加 围压，保持围压不变；
采用恒压法将模拟煤层水注入煤样，设定初始驱替压力，计算在初始驱替压力下 煤样的渗透率，并计算煤样的初始缝宽；
在煤样入口端设置计量泵的压力波动幅度和波动频率，测定在整个压力波动过程 中煤样两端的压差，以及在压力波动过程中模拟煤层水通过煤样的流量，测定煤样的 渗透率与缝宽随压力和时间的变化情况。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在初始驱替压力下煤样的渗透 率的计算公式为：
K = QμL AΔP ; ]]>
其中，K为煤样的渗透率，μm²；
A为煤样的截面积，cm²；
ΔP为流体通过煤样前后的压力差，10^-1MPa；
Q为在ΔP压力差下通过煤样的流体流量，cm³/s；
μ为通过煤样的流体粘度，mPa·s；
L为煤样的长度，cm。

3.  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述煤样的初始缝宽的计算公式为：
w = AK 8.33 × 10 6 D 3 ; ]]>
其中，w为煤样的初始缝宽，cm；
D为煤样直径，cm。

4.  如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述评价方法还包括按如下 方式评价井筒压力波动对钻井液滤失量的影响：
将有一贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置，将煤样放入岩心夹持器中， 加围压，用计量泵在预设压差下将模拟煤层水从煤样入口端注入煤样，在煤样出口端 记录模拟煤层水的流量，当煤样两端压差和模拟煤层水的流量稳定之后，测量煤样两 端压差和通过煤样的模拟煤层水的流量，代入煤样的渗透率计算公式，计算初始渗透 率Ko；
在煤样出口端反向模拟钻井井筒压力波动过程，让钻井液在波动的压力下循环污 染煤样端面，测定在井筒压力波动过程中钻井液滤失量随时间的变化情况。

5.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，钻井液污染煤样端面的时间为120 分钟。

6.  如权利要求4所述的方法，其特征在于，测定在井筒压力波动过程中钻井液 滤失量随时间的变化情况，包括：分别测试钻井液在压力波动和压力稳定两种情况下 的滤失量。

7.  如权利要求4所述的方法，所述评价方法还包括按如下方式评价井筒压力波 动对钻井液侵入后的煤样的渗透率的影响：
在与测定初始渗透率Ko相同的预设压差下，将模拟煤层水从煤样入口端注入煤 样，并注20倍以上的孔隙体积，记录煤样两端压差及煤样出口端模拟煤层水的流量， 待模拟煤层水的流量达到稳定后测定煤样的渗透率Kos。

井筒压力波动对煤岩伤害的评价方法
技术领域
本发明涉及煤层气勘探开发技术领域，特别涉及一种井筒压力波动对煤岩伤害的 评价方法。
背景技术
发展有意义的用于评价煤层气地层伤害，以及修复和改造伤害地层的室内试验对 煤层气的高效开发至关重要。Thomas等人曾这样描述：室内试验是先诊断后描述地 层伤害的重要部分。目前国内外常用的评价储层伤害的实验方法基本上可以分为储层 敏感性系统评价实验和模拟动态施工过程中的工程模拟实验两大类。对常规砂岩油气 藏，我国已建立了储层伤害评价方法，以及钻井液滤失率的测定方法行业标准。
由于煤层气储层的岩石特征、流体特征和钻采特征与常规油气藏差别很大，表现 出的储层损害类型和程度也各有差异。因此，室内评价实验方法和伤害模拟装置将与 常规油气藏有所不同。煤层气储集岩具有易脆、易压缩的物理性质和复杂有机沉积物 的化学性质，另外其特殊的基质孔隙和割理组成的孔隙结构，使得煤层气储层更易因 外部应力变化和外来流体侵入使其受到损害。井筒压力波动是指在钻井过程中，钻井 液压力和钻杆柱的压力变化以及起下钻时引起的压力激动。井筒压力波动会引起井筒 附近煤层的变形，从而使煤层裂隙发生变形，造成储层渗透率发生变化。对于裂缝性 的煤层气储层来说，井筒压力变化极易导致煤储层裂缝中的压力增大使裂隙的宽度变 大，加剧钻井液向裂隙中的侵入，对储层造成伤害。因此，实验模拟钻井过程中井筒 压力波动及钻井液污染过程，测定在井筒压力波动过程中煤岩裂缝宽度的变化、钻井 液的滤失量以及钻井液侵入后煤岩渗透率的改变，是煤层气储层伤害诊断及钻井工程 优化设计的重要环节。
目前国内外常用的评价储层伤害的实验方法主要是通过测定在恒定压力下或者 恒定速度下工作液通过岩心前后的渗透率，并进行对比分析得到评价结果，并没有考 虑在钻井过程中井筒压力波动的工程因素。
发明内容
本发明实施例提供了一种井筒压力波动对煤岩伤害的评价方法，考虑了在钻井过 程中井筒压力波动带来的影响，该方法包括按如下方式评价井筒压力波动对裂缝宽度 的影响：
将有一贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置，将煤样装入岩心夹持器，加 围压，保持围压不变；
采用恒压法将模拟煤层水注入煤样，设定初始驱替压力，计算在初始驱替压力下 煤样的渗透率，并计算煤样的初始缝宽；
在煤样入口端设置计量泵的压力波动幅度和波动频率，测定在整个压力波动过程 中煤样两端的压差，以及在压力波动过程中模拟煤层水通过煤样的流量，测定煤样的 渗透率与缝宽随压力和时间的变化情况。
在一个实施例中，所述在初始驱替压力下煤样的渗透率的计算公式为：
K = QμL AΔP ; ]]>
其中，K为煤样的渗透率，μm²；
A为煤样的截面积，cm²；
ΔP为流体通过煤样前后的压力差，10^-1MPa；
Q为在ΔP压力差下通过煤样的流体流量，cm³/s；
μ为通过煤样的流体粘度，mPa·s；
L为煤样的长度，cm。
在一个实施例中，所述煤样的初始缝宽的计算公式为：
w = AK 8.33 × 10 6 D 3 ; ]]>
其中，w为煤样的初始缝宽，cm；
D为煤样直径，cm。
在一个实施例中，所述评价方法还包括按如下方式评价井筒压力波动对钻井液滤 失量的影响：
将有一贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置，将煤样放入岩心夹持器中， 加围压，用计量泵在预设压差下将模拟煤层水从煤样入口端注入煤样，在煤样出口端 记录模拟煤层水的流量，当煤样两端压差和模拟煤层水的流量稳定之后，测量煤样两 端压差和通过煤样的模拟煤层水的流量，代入煤样的渗透率计算公式，计算初始渗透 率Ko；
在煤样出口端反向模拟钻井井筒压力波动过程，让钻井液在波动的压力下循环污 染煤样端面，测定在井筒压力波动过程中钻井液滤失量随时间的变化情况。
在一个实施例中，钻井液污染煤样端面的时间为120分钟。
在一个实施例中，测定在井筒压力波动过程中钻井液滤失量随时间的变化情况， 包括：分别测试钻井液在压力波动和压力稳定两种情况下的滤失量。
在一个实施例中，所述评价方法还包括按如下方式评价井筒压力波动对钻井液侵 入后的煤样的渗透率的影响：
在与测定初始渗透率Ko相同的预设压差下，将模拟煤层水从煤样入口端注入煤 样，并注20倍以上的孔隙体积，记录煤样两端压差及煤样出口端模拟煤层水的流量， 待模拟煤层水的流量达到稳定后测定煤样的渗透率Kos。
在本发明实施例中，在评价煤层气地层伤害时考虑到了在钻井过程中井筒压力波 动对储层产生的伤害作用，弥补了钻井过程中井筒压力波动对储层产生伤害评价研究 的空缺，通过本发明方法也能够为煤层气钻井施工过程中的储层保护措施提出合理的 建议。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种测定井筒压力波动对煤样裂缝宽度的影响的方 法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种测量装置的总体结构示意图；
1-气罐、2-ISCO计量泵、3-气体缓冲容器、4-活塞式中间容器(存放模拟煤层水)、 5-活塞式中间容器(存放钻井液)、6-六通阀、7-岩心夹持器、8-缓冲容器、9-量筒、 10-围压泵；
图3为本发明实施例提供的一种井筒压力波动对裂缝宽度的影响(压力波动幅度 为3MPa)测量结果示意图；
图4为本发明实施例提供的一种井筒压力波动对裂缝宽度的影响(压力波动幅度 为3.5MPa)测量结果示意图；
图5为本发明实施例提供的一种清水钻井液静滤失速率与驱替时间的测量结果 示意图；
图6为本发明实施例提供的一种聚合物钻井液静滤失速率与驱替时间的测量结 果示意图；
图7为本发明实施例提供的一种含固相聚合物钻井液静滤失速率与驱替时间的 测量结果示意图；
图8为本发明实施例提供的一种泡沫钻井液静滤失速率与驱替时间的测量结果 示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图， 对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发 明，但并不作为对本发明的限定。
本发明方法从三个方面来评价井筒压力波动对煤岩伤害：(1)评价井筒压力波动 对煤样裂缝宽度的影响；(2)评价井筒压力波动对钻井液滤失量的影响；(3)评价井 筒压力波动对钻井液侵入后的煤样的渗透率的影响。我们采用图1所示的测量装置来 测量井筒压力波动对煤岩伤害。
评价井筒压力波动对煤样裂缝宽度的影响的流程如图2所示，具体步骤为：
步骤201：将有一贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置(设定24小时)， 将煤样装入岩心夹持器7，加围压，保持围压不变；
步骤202：采用恒压法将模拟煤层水注入煤样，设定初始驱替压力，计算在初始 驱替压力下煤样的渗透率，并计算煤样的初始缝宽；
步骤203：在煤样入口端(即岩心夹持器7入口)设置ISCO计量泵2的压力波 动幅度和波动频率，测定在整个压力波动过程中煤样两端的压差，以及在压力波动过 程中模拟煤层水通过煤样的流量，测定煤样的渗透率与缝宽随压力和时间的变化情 况。
具体实施时，在初始驱替压力下煤样的渗透率的计算公式为：
K = QμL AΔP - - - ( 1 ) ]]>
式(1)中，K为煤样的渗透率，μm²；
A为煤样的截面积，cm²；
ΔP为流体通过煤样前后的压力差，10^-1MPa；
Q为在ΔP压力差下通过煤样的流体流量，cm³/s；
μ为通过煤样的流体粘度，mPa·s；
L为煤样的长度，cm。
煤样的初始缝宽的计算公式为：
w = AK 8.33 × 10 6 D 3 - - - ( 2 ) ]]>
式(2)中，w为煤样的初始缝宽，cm；
D为煤样直径，cm。
评价井筒压力波动对钻井液滤失量的影响的具体步骤为：
将有一贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置，将煤样放入岩心夹持器7 中，加围压，用ISCO计量泵2在预设压差下将模拟煤层水从煤样入口端注入煤样， 在煤样出口端记录模拟煤层水的流量，当煤样两端压差和模拟煤层水的流量稳定之 后，测量煤样两端压差和通过煤样的模拟煤层水的流量，代入煤样的渗透率计算公式 (1)，计算初始渗透率Ko；
在煤样出口端反向模拟钻井井筒压力波动过程，让钻井液在波动的压力下循环污 染煤样端面，测定在井筒压力波动过程中钻井液滤失量随时间的变化情况。
具体实施时，钻井液污染时间设为120分钟。在实验中分别测试钻井液在压力波 动和压力稳定两种情况下的滤失量。其中，压力波动是指设定一个压力波动振幅和频 率，在某一时间间隔内突然增加或减小压力；压力稳定是指钻井液的注入压力始终保 持不变。
评价井筒压力波动对钻井液侵入后的煤样的渗透率的影响的具体步骤为：
在与测定初始渗透率Ko相同的预设压差下，将模拟煤层水从煤样入口端注入煤 样，并注20倍以上的孔隙体积，记录煤样两端压差及煤样出口端模拟煤层水的流量， 待模拟煤层水的流量达到稳定后测定煤样的渗透率Kos。
实施例1
模拟钻井过程中井筒压力波动对裂缝宽度影响实例：
将准备好的有贯穿裂缝的煤样抽空饱和模拟煤层水后静置24小时，然后将煤样 装入岩心夹持器7，加围压，保持围压不变。在实验过程中，先在煤样入口端建立3MPa 的压力，出口端压力为零，在此压差下让模拟煤层水通过煤样，并测定稳定后的流量， 计算煤样的初始渗透率和初始缝宽。通过ISCO计量泵2在煤样入口端面设置压力波 动幅度，使压力瞬时升高到6MPa，一段时间后设置压力再瞬时恢复到3MPa，测定 压力波动过程中煤样两端压差和通过的流量，计算压力波动过程中煤样的缝宽。实验 中对同一块煤样共测定了两个不同压力波动幅度下缝宽的变化情况，另一压力波动为 3.5MPa→7MPa→3.5MPa。当压力波动幅度为3Mpa时，缝宽的变化情况如图3所 示；当压力波动幅度为3.5Mpa时，缝宽的变化情况如图4所示。具体结果见表1、2。
表1压力波动过程中裂缝宽度的变化实验数据

表2压力波动引起的缝宽变化数据