煤层气(俗称瓦斯)以吸附状态储存于煤层内的一种非常规天然气,是一种新型的洁净能源和优质化工原料,是21世纪的重要接替能源之一。要实现我国煤层气产业化发展,亟待开展煤层气储层损害机理及钻井液与完井液技术研究。煤层气储层钻完井过程中都会不同程度破坏其原有平衡状态并造成储层损害,其后果将严重影响煤层气的解吸、扩散、渗流及后期开采。煤岩特殊的孔隙裂缝结构及煤层气的储存机制、产出方式的特性决定了煤层气储层损害机理具有特殊性。近年来我国煤层气储层保护钻井液与完井液技术主要是沿用常规油气储层保护钻井液与完井液技术,但煤岩的成分、形成原因、化学组成、物理性质、孔隙裂缝结构与常规油气储层相比具有其特殊性,常规油气储层保护钻井液与完井液技术不能有效保护煤层气储层。因此深入研究煤层气储层损害机理及钻井液与完井液技术具有重要实际意义。本文研究了沁端区块3#煤层发育特征、煤体结构特征、储层孔隙特征、储层裂隙特征、储层孔隙度、储层渗透率、储层温度与压力以及地层水性质等,沁端区块3#煤层气储层表现为低渗、裂隙发育、低压力的特性。在研究沁端区块3#煤层气储层特征基础上分析了储层潜在损害因素,沁端区块3#煤层气储层中矿物类型及含量决定了储层存在速敏、盐敏、碱敏以及酸敏；沁端区块3#煤层气储层多孔隙、多裂隙性是发生水锁损害自然条件：沁端区块3“煤层气储层煤岩的弹性模量较低、泊松比较高、脆性大、易破碎、易压缩物理力学性质以及储层孔隙、裂隙特征决定了储层具有较强的应力敏感性。采用渗透率和解吸速率相结合方法深入研究了储层应力敏感性、速敏、盐敏、碱敏及酸敏,并探讨了储层应力敏感性、速敏、盐敏、碱敏及酸敏损害机理。(1)储层应力敏感性研究结果表明,储层渗透率随着有效应力增加而急剧降低,而在有效压力恢复过程中,储层渗透率不能恢复到原来大小；煤层气解吸速率随有效应力增加而减小,在同一有效应力条件下,加载过程中煤层气解吸速率大于卸载过程中解吸速率；沁端区块3“煤层气储层裂隙开度随着有效应力增加而减小(2)速敏研究结果表明,煤岩渗透率和煤层气解吸速率随流速增大而减小,沁端区块3#煤层气储层中的煤粉随着流速增大而增加,同时粘土矿物颗粒随着流速增大而发生运移,煤粉及粘土矿物颗粒堵塞煤层气渗流通道和降低煤层气解吸面积。反向流动实验结果验证了沁端区块3“煤层气储层发生速敏损害主要是由于煤粉及粘土矿物颗粒发生运移造成的。(3)盐敏研究结果表明,当外来流体矿化度低于地层水矿化度时,煤岩渗透率和煤层气解吸速率随着流体矿化度降低而降低,当外来流体矿化度高于地层水矿化度时,煤岩渗透率和煤层气解吸速率随着矿化度升高而降低。储层中伊／蒙混层与低矿化度的外来流体接触时发生水化膨胀导致粘土矿物颗粒和煤粉失稳脱落,储层中粘土矿物与高矿化度的外来流体接触时,高矿化度的流体压缩粘土矿物扩散双电层,造成粘土矿物及煤粉失稳脱落。(4)碱敏研究结果表明,煤层渗透率和煤层气解吸速率随着流体pH值升高而降低。强碱性流体与煤分子结构中羧基官能团发生反应改变了煤分子结构和煤岩表面润湿性；煤岩表面电动电位随pH值增大而增大,电动电位越大,煤粉及储层中矿物质微粒运移程度越大；强碱性流体诱发沁端区块3#煤层气储层中粘土矿物分散,造成煤粉及储层中矿物质失稳脱落；强碱性流体与沁端区块3#煤层气储层中矿物质反应生成胶体或沉淀,堵塞煤层气渗流通道和降低煤层气解吸面积。煤分子结构中羧基、酚羟基官能团以及储层中矿物质是沁端区块3“煤层气储层发生碱敏损害主要因素。(5)沁端区块3“煤层气储层酸化后渗透率和煤层气解吸率增大,酸液溶蚀储层中矿物质,提高了储层渗透性,增加了煤层气解吸面积；酸液与储层中碳酸盐类矿物反应生成的二氧化碳顶替吸附在煤基质表面的甲烷,提高煤层气解吸速率。沁端区块3#煤层气储层钻井过程中钻井液极易侵入储层,钻井液侵入储层后将破坏煤储层原有平衡状态而损害煤层气储层,其后果将严重影响煤层气解吸、扩散和渗流。在分析钻井液对煤层气储层损害因素的基础上,采用渗透率和解吸速率相结合方法研究钻井液滤液侵入、固相颗粒侵入、聚合物滞留以及钻井液侵入对沁端区块3#煤层气储层的损害,并探讨了储层损害机理。(1)钻井液滤液侵入对沁端区块3“煤层气储层损害机理主要为：1)钻井液滤液侵入后煤基质发生膨胀；2)钻井液滤液侵入后储层发生盐敏损害；3)钻井液滤液侵入后储层发生水锁损害；4)钻井液滤液与地层水不配伍或配伍性差生成沉淀物。(2)钻井液滤液侵入后造成沁端区块3#煤层气储层发生水锁损害,钻井液滤液侵入后延长煤层气解吸时间和降低储层渗透率。随着含水率上升,沁端区块3#煤层气储层水锁损害程度增加。沁端区块3#煤层气储层多孔隙、多裂隙性是发生水锁损害自然条件,毛细管阻力是发生水锁损害压力条件。(3)聚合物影响沁端区块3#煤分子晶体结构,聚合物在沁端区块3#煤层气储层的滞留影响储层渗透率和煤层气解吸速率。聚合物与煤基质表面发生多点吸附后,煤基质发生膨胀,储层裂隙受到挤压而变窄,毛细管力增大,水锁损害程度增加。聚合物与煤岩表面发生多点吸附后形成的胶凝层堵塞储层裂隙和割理,形成的隔离膜抑制煤层气解吸。(4)固相颗粒侵入沁端区块3“煤层气储层降低储层渗透率和煤层气解吸速率,储层发育的裂隙宽度为5～10μm,侵入固相颗粒粒径越小,煤岩渗透率变化率和煤层气解吸速率变化率越大。粒径较小的固相颗粒侵入储层裂隙内部并在裂隙内部架桥,固相颗粒粒径越小,侵入深度越深,储层损害程度增加；而粒径与储层裂隙宽度不匹配的较大固相颗粒难以进入储层裂隙深部,只是附着在煤岩表面或浅表部位。(5)钻井液侵入前沁端区块3“煤层气储层孔隙和裂隙连通性较好,而钻井液侵入后储层孔隙和裂隙被钻井液中固相颗粒、聚合物以及沉淀物所充填,沁端区块3“煤经钻井液浸泡后煤分子结构中的官能团发生了改变。通过优选或研制钻井液增粘剂、防水锁剂及封堵剂,研制出沁端区块3#煤层气储层水平井无固相可降解封堵性防水锁钻井液体系,并评价了钻井液流变性、抗温性、抗无机盐能力和抑制性。(1)通过聚合物影响煤分子晶体结构以及聚合物在沁水河水中流变性实验优选了钻井液增粘剂JMY,可降解天然聚合物JMY基本不影响煤分子晶体结构,JMY具有较强的提粘切能力。(2)通过表面活性剂筛选及其复配实验,优选了钻井液防水锁剂FSSJ,并采用接触角法和白吸法研究了其润湿性,防水锁剂FSSJ主要成分为胺基硅醇、聚合醇、氟碳表面活性剂等。防水锁剂FSSJ降低表面张力、增大接触角、降低毛细管阻力、实现“反毛细管效应”,改变煤的润湿性和阻止钻井液滤液侵入储层裂隙。(3)采用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚体系,以N,N—双亚甲基丙烯酰胺为交联剂合成了钻井液封堵剂FDJ,并评价了其封堵性能。封堵剂FDJ具有可变形和自适应作用,封堵剂FDJ封堵煤层气储层裂隙,降低钻井液侵入储层深度,封堵剂FDJ有利于提高应力敏感性较强的沁端区块3“煤层气储层承压能力,能有效解决钻井液侵入及漏失问题。(4)通过增粘剂、防水锁剂及封堵剂的优选或研制,研制出沁端区块3“煤层气储层无固相可降解封堵性防水锁钻井液体系,其配方为：沁水河水+0.2%JMY+O.8%FDJ+1.0%FSSJ,采用KCl加重。并对其性能进行了评价,研究结果表明该钻井液体系具有较好流变性、抗温性、抗无机盐能力和抑制性。为了有效保护沁端区块3#煤层气储层,研制出了可改善沁端区块3#煤层气储层进攻型防水锁完井液新体系,并评价其破胶性能、储层保护能力,并通过扫描电镜微观分析了完井液破胶作用后煤岩端面。(1)通过破胶剂、缓蚀剂、防水锁剂、阻垢剂、粘土稳定剂及其加量优选,研制出可改善沁端区块3“煤层气储层进攻型防水锁完井液新体系,其配方为：2.0%PLOK+ 1.0%CO21+1.0%FSSJ+1.0%HEDP+1.5%KCl,经完井液破胶作用后钻井液的粘度接近清水的粘度,有利于钻井液返排。(2)完井液破胶性能、完井液储层保护能力以及完井液破胶作用后煤岩端面微观分析研究结果表明,研制出的可改善沁端区块3#煤层气储层进攻型防水锁完井液新体系具有较好破胶性能和较强储层保护能力。(3)强氧化性破胶剂PLOK能有效降解钻井液中聚合物,且破胶后溶液呈现酸性,可提高储层渗透率和煤层气解吸速率；完井液中防水锁剂能有效解决沁端区块3#煤层气储层水锁损害问题；完井液中防水锁剂、阻垢剂及粘土稳定剂能有效防止完井液对沁端区块3“煤层气储层造成二次损害。本论文创新之处：(1)采用渗透率和解吸速率相结合的新方法深入研究了沁端区块3“煤层气储层损害机理。(2)通过增粘剂、防水锁剂和封堵剂的研制及优选,研制山无固相可降解封堵性防水锁钻井液新体系。可降解天然聚合物JMY基本不影响煤分子晶体结构,具有较好的提粘切作用,能解决钻井过程中携岩问题;封堵剂FDJ具有可变形和自适应作用,封堵煤层气储层裂隙,降低钻井液侵入储层深度,能有效解决钻井液侵入及漏失问题；防水锁剂FSSJ降低表面张力、增大接触角、降低毛细管阻力,能有效解决煤层气储层水锁损害问题；该钻井液体系为无固相钻井液体系,可有效防止固相颗粒侵入造成储层损害。(3)通过破胶剂、缓蚀剂、防水锁剂、阻垢剂、粘十稳定剂及其加量优选,研制出可改善沁端区块3“煤层气储层的进攻型防水锁完井液新体系。无固相可降解封堵性防水锁钻井液经完井液降解后其粘度接近清水粘度,有利于钻井液返排；破胶后溶液呈现酸性,溶蚀储层中矿物质,提高储层渗透性和增加煤层气解吸面积,同时反应生成二氧化碳顶替吸附在煤基质表面的煤层气,提高煤层气采收率；完井液中防水锁剂能有效解决煤层气储层水锁损害问题,完井液中阻垢剂和粘土稳定剂能有效防止完井液对储层造成二次损害。