我国煤层气储层具有低含气饱和度、低渗透率、低储层压力、低资源丰度和高变质等特点,煤层气的开采具有较大的技术难度,特别是在钻井过程中,要防止钻井液对煤层气储层的伤害。 屏蔽暂堵技术通过在钻井液中添加适当的暂堵材料来封堵岩石中的孔隙,防止钻井液侵入储层对其渗透率造成伤害,在钻井完成后,可通过解堵措施恢复储层的渗透性。 在低孔低渗煤层气藏中存在大量的细微孔隙,其中有较多孔隙的尺寸处于纳米级别(0~100nm),传统暂堵材料难以封堵纳米级孔隙。本文提出将纳米碳酸钙引入屏蔽暂堵技术中,利用纳米碳酸钙颗粒封堵低孔低渗煤岩中的纳米级孔隙来保护煤层气储层,在钻井完成后,利用各种解堵手段恢复煤层气的解析运移通道,从而恢复煤层气储层的渗透性。 本论文共分七章进行论述,各章的主要内容如下: 第一章介绍了低孔低渗煤岩的基本特征及其对钻井液的要求,分析了我国煤层气储层的基本特征,介绍了纳米材料在石油工程中的应用现状,阐述了本文的选题来源、研究背景、研究目标、研究内容及研究意义。 第二章分析了煤层气储层伤害机理和煤层气储层保护技术,并对山西晋城低孔低渗煤岩进行了物性分析。首先,通过环境扫描电子显微镜观察煤岩的孔隙尺寸和分布范围,结果表明该煤岩主要以纳米级别孔隙为主;其次,通过X 衍射分析对煤岩的矿物组成进行了鉴定,其主要矿物组成以非晶质组分、伊利石和绿泥石为主,并含少量的高岭石和方解石,其中伊利石和高岭石两种粘土矿物含量合计占21%,属于粘土含量较高的煤岩;最后,测定和分析了煤岩的真密度、视密度和孔隙率,结果表明,其平均孔隙率约为4.598%,属于致密的低孔低渗煤岩。 第三章分析了活度平衡理论和钻井液水活度调节方法,并通过煤岩膨胀性实验、煤岩回收率实验和煤岩渗透性实验,系统评价了不同种类(NaCl、KCl、CaCl2、HCOONa 和HCOOK)和不同浓度(5%、10%和20%)盐溶液对煤岩的抑制性效果和对钻具的腐蚀情况。结果表明,盐溶液可以有效抑制煤岩吸水膨胀,在同类型盐溶液中,其抑制效果随其质量浓度增加而增加。综合技术和经济成本考虑,HCOONa 对煤岩抑制性效果较好,腐蚀性低,且较经济,其最优加量为5%~10%。 第四章分析了纳米粉体材料的分散方法,并研究了机械剪切、超声波、表面活性剂和稳定剂对纳米碳酸钙在水溶液中的分散性的影响。发明了一种将纳米碳酸钙颗粒分散到纳米尺寸并保持稳定的方法,通过透射电子显微镜观察发现,在该纳米碳酸钙稳定分散液中,纳米碳酸钙颗粒分散均匀。配制出了一种高浓度(浓度可达到15%~20%)的纳米碳酸钙稳定分散液,该分散液可以保持长时间稳定分散的状态,在透射电子显微镜下,可以观察到被分散到纳米级别的单个纳米碳酸钙颗粒。 第五章在分析了屏蔽暂堵理论和解堵技术的基础上,研究了基于纳米碳酸钙的暂堵型钻井液的基本性能,该钻井液流变性良好,抗滤失性和抑制性强,形成的泥饼薄而致密。通过破胶实验、泥饼清除实验和无压滤失实验研究了该钻井液的降解特性,结果表明,钻井液在生物酶和盐酸的双重降解作用下,降解效果显著。纳米碳酸钙高浓度稳定分散液加入钻井液基浆后,钻井液性能良好,降失水效果显著,在VK-X100 激光共聚焦显微镜下可以看到纳米碳酸钙在泥饼上形成了一层致密的封堵层。 第六章研究了纳米碳酸钙对煤岩的储层保护效果。通过比表面积及孔隙度分析实验、原状煤样气体渗透率实验和人工煤样液体渗透率实验,从微观和宏观两个角度分析了纳米碳酸钙对煤岩孔隙的封堵效果,并研究了解堵过后煤岩渗透率的恢复情况。结果表明,纳米碳酸钙颗粒能够有效封堵煤岩中的纳米级孔隙,且封堵效果好,主要表现在封堵过后煤岩孔隙尺寸和渗透率都大大降低。在生物酶和盐酸的双重降解作用下,可以有效清除封堵在煤岩孔隙中的暂堵颗粒,使储层渗透性得以恢复,渗透率恢复率可达75%以上。 第七章是对全文的总结,指出了本文的主要结论及创新点,对论文中的不足作了说明,并提出了进一步研究思路。 本文的主要创新点是: (1)系统研究了机械剪切、超声波、表面活性剂和稳定剂等因素对纳米碳酸钙分散性的影响规律。发明了一种在水溶液中分散纳米碳酸钙粉体材料的方法,并研制了一种纳米碳酸钙高浓度(浓度达15%~20%)稳定分散液。 (2)采用ASAP2020 比表面积及孔隙分析仪观察煤岩孔隙分布,可为低孔低渗煤岩和钻井液的相互作用机理研究提供一种行之有效的研究方法。 (3)研发了一种基于纳米碳酸钙的暂堵型钻井液,分析了其基本性能和降解特性。研究了纳米碳酸钙对低孔低渗煤岩的储层保护效果和生物酶及盐酸对储层的解堵效果。