煤层气(Coalbed Methane)是一种新型的清洁能源,是典型的自生自储式非常规天然气资源。在石化资源日益短缺的状况下,勘探开发煤层气资源是21世纪接替传统能源最有前景和最为现实的途径之一。我国煤层气资源丰富,仅次于美国和俄罗斯的煤层气资源量,开发和利用丰富的煤层气资源对我国的能源储备起到至关重要的作用。煤层作为煤层气的储集层,其物理化学性质均与常规砂岩储集层有很大的差别。煤岩具有性脆,易碎,机械强度低,割理发育,易受压缩,杨氏模量低、泊松比高,结构复杂、均质性较差,孔隙度及渗透率低、储层压力低等特点。这些特性决定了煤层受钻井过程的影响比常规储层大的多,也就是说,在煤层气钻井过程中,煤层受到的伤害远大于常规储层,而煤层气的煤层受到伤害将直接影响煤层气的解吸、扩散、运移及后期排采。由于煤岩具有较强的应力敏感性,很小的压力变化都会使煤储层的渗透率发生较大变化,所以钻井过程中钻井压力及钻井液极易对煤储层造成伤害。当钻井液压力和钻杆柱的压力发生变化,或者起下钻时引起井筒压力波动,都会引起井筒附近煤层的变形,从而使煤层裂隙发生变形,造成储层渗透率降低。同时储层裂隙中压力的增大会导致裂隙的宽度变大,加剧钻井液向煤层中侵入。钻井液侵入煤层后,吸附滞留在煤层孔道中,会对煤岩造成伤害,影响煤层气的产量,因此,有必要研究钻井过程中井筒压力变化及其带来的一系列变化对煤储层造成的伤害,从源头上找出伤害原因,从而为制定煤储层保护措施提供支撑依据。本文通过对沁水盆地郑庄区块的力学性质和储层特征进行研究发现,该区块煤岩的弹性模量较低,泊松比较高,抗压强度均较低,脆性大,易破碎,易受压缩。煤层的孔隙度及渗透率均较低,而且具有较强的非均质性。这些特性决定了在钻井过程中研究区域的煤储层易受到伤害。为了进一步弄清楚钻井过程中井筒压力及压力波动对煤储层的伤害,本文以山西沁水盆地煤岩为研究对象,采用理论分析和实验测试相结合的方法,从三个方面入手进行了研究。①一般情况下,煤岩具有较强的应力敏感性。本文通过借鉴石油行业评价储层应力敏感性的行业标准,采用流动实验研究了山西沁水盆地郑庄区块凤凰山和寺河矿两个矿区煤岩的应力敏感性。实验结果表明,两个矿区煤岩的应力敏感性都极强,而且应力改变过程使得煤岩的渗透率受到永久性伤害。②钻井过程中井筒压力变化和井筒压力波动均对煤岩裂缝及渗透率产生影响,通过室内实验测试了压力变化过程中煤岩渗透率及裂缝宽度的变化,并在实验中通过在某一瞬间改变煤岩受到的压力来模拟钻井过程中的井筒压力波动,记录压力波动过程中煤岩裂缝宽度及渗透率的变化。实验结果表明,当井筒压力升高时,煤样渗透率增大；井筒压力减小时,煤样的渗透率减小,而且不能恢复至初始值；井筒压力波动使煤样的裂缝发生变形,压力增大的一瞬间煤样的渗透率迅速增大,且压力波动的幅度越大,对煤样产生的伤害越大。③钻井液侵入煤层后会对煤层造成伤害,本文首先从理论上分析了钻井液对裂缝性煤储层的伤害机理,然后通过实验测定了四种钻井液对不同宽度裂缝煤岩的伤害程度。实验结果表明,对于相同的钻井液,裂缝宽度越小,煤样的伤害率越大。清水钻井液对煤岩的伤害最小,但是滤失量最大。因此,从井壁稳定和钻井液封堵能力的角度出发,建议采用泡沫钻井液进行煤层气钻井,在钻进过程中,为了减小煤储层的伤害,应该选择合适的钻井方式,防止钻井压差过大,并减小起下钻次数,尽量避免钻井压力波动。