仿生絨囊鉆井液煤層氣鉆井應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

鄭 力 會

（中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

研究可循環(huán)泡沫鉆井液［1］、微泡鉆井液［2］過程中發(fā)現(xiàn)，仿照細(xì)菌外觀結(jié)構(gòu)，可以開發(fā)出含絨囊結(jié)構(gòu)的鉆井液［3］，在鉆井過程中無需固相即可暫堵漏失儲層。絨囊鉆井液防漏堵漏機(jī)理有別于目前以剛性架橋為基礎(chǔ)的封堵理論［4］，也不同于可循環(huán)泡沫類鉆井液降低體系密度控制漏失［5］。絨囊鉆井液由絨囊及其存在的膠體環(huán)境構(gòu)成。絨囊由囊核、囊粒、囊層構(gòu)成。囊粒決定其封堵能力，囊層決定其流變性。絨囊鉆井液的定量作用機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究，但煤層氣鉆井現(xiàn)場應(yīng)用表明，文獻(xiàn)［4］的定性封堵機(jī)理是成立的。事實上，絨囊封堵漏失地層僅僅是絨囊鉆井液諸多功能中的一個。絨囊鉆井液不但密度可調(diào)，適合于欠平衡作業(yè)，還具有高效封堵、高效懸浮攜帶巖屑以及可以使用惰性加重材料加重等特點，成為煤層氣鉆井中不可多得的多功能鉆井液［6］。

1 煤層氣仿生絨囊鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，仿生絨囊鉆井液已在煤層氣欠平衡鉆井、空氣鉆井、防漏堵漏、快速鉆進(jìn)和提高同一裸眼井段中低壓地層承壓能力等方面發(fā)揮了作用。

1.1 欠平衡鉆井工作流體

鑒于我國煤層氣低儲層壓力、低滲透性、低單井產(chǎn)量、低經(jīng)濟(jì)效益和高社會效益等“四低一高”的特點［7］，許多文獻(xiàn)推薦使用近/欠平衡鉆井，滿足儲層保護(hù)要求，提高開發(fā)效益［8］。絨囊鉆井液利用表面活性劑、聚合物高分子，依靠物理、化學(xué)作用形成包裹空氣的囊核，降低鉆井液密度。作業(yè)現(xiàn)場不增加附加設(shè)備，依靠攪拌、剪切或鉆頭水眼空化作用，實現(xiàn)無固相非加重鉆井液密度在0.8~1.0 g/cm3范圍可調(diào)（與我國煤層氣儲層壓力系數(shù)平均值0.88［9］相適應(yīng)），而且能夠和常規(guī)鉆井液一樣循環(huán)使用，滿足了近/欠平衡鉆井的要求。

CLY-A井位于山西省柳林縣，地層壓力系數(shù)0.85。綜合考慮地層破裂壓力、坍塌壓力以及煤層氣鉆井設(shè)備條件，二開使用密度0.90 g/cm3絨囊鉆井液。?215.9 mm PDC鉆頭2010年5月30日開鉆，2010年6月20日完鉆，完鉆井深816.00 m。

使用密度0.90 g/cm3絨囊鉆井液，一是滿足近/欠平衡鉆井工程要求，可以在安全鉆井和保證地層不發(fā)生應(yīng)力敏感的前提下，實現(xiàn)降低鉆井液密度、最大限度地降低液柱壓力與地層壓力間壓差的目的；二是不需要增加諸如泡沫發(fā)生器類附加設(shè)備，配制、維護(hù)、處理等工藝和常規(guī)鉆井液一樣，滿足了目前煤層氣鉆井設(shè)備比較簡單的客觀條件要求。

1.2 空氣鉆井工作流體

提高機(jī)械鉆速、防漏堵漏是空氣鉆井的主要目的，但需要選擇合適的地層［10］?？諝忏@井過程中在無地層水出現(xiàn)的情況下，一般需要加入一些表面活性劑以潤滑鉆屑，減緩鉆具沖刷，抑制鉆屑分散和井壁失穩(wěn)。如果遇到地層出少量水，加入表面活性劑遇水成霧；地層出水量增加，表面活性劑則形成泡沫；出水再增加，就只能用常規(guī)鉆井液壓井，轉(zhuǎn)為常規(guī)鉆井液鉆井。轉(zhuǎn)化前，采取合理措施避免地層漏失、坍塌、鉆井周期延長等，是空氣或氣體鉆井過程中重點考慮的因素［11］。但由于地層原因，轉(zhuǎn)化常規(guī)鉆井液后井壁失穩(wěn)所產(chǎn)生的負(fù)面影響，常會抵消空氣鉆井成果［12］。而絨囊鉆井液可以根據(jù)不同地層，添加不同處理劑，自動實現(xiàn)空氣鉆井過程中空氣、霧、泡沫和絨囊不停鉆轉(zhuǎn)換鉆井工作流體，控制鉆井液轉(zhuǎn)化后井壁失穩(wěn)。

CLY-B井位于山西柳林縣，為防止鉆井液漏失和提高機(jī)械鉆速，2010年6月16日二開繼續(xù)使用空氣鉆井，鉆進(jìn)過程中加入絨囊鉆井液成核劑。由于沒有地層水，成核劑潤滑鉆屑、井壁和鉆井工具，攜巖能力良好，尺寸為1~2 cm左右的巖屑順利返出地面。鉆具摩阻較小，控制鉆壓容易，鉆進(jìn)快速。6月18日鉆進(jìn)至671 m，地層出水，環(huán)空自然出現(xiàn)霧，隨著井深增加，出現(xiàn)泡沫，攜帶能力變差。6月19日一邊鉆進(jìn)一邊添加成膜劑、成層劑和定位劑，自動轉(zhuǎn)化為絨囊鉆井液。6月20日鉆至井深702 m完鉆。

空氣、霧、泡沫、絨囊鉆井液，不間斷鉆井自動轉(zhuǎn)化，是現(xiàn)場技術(shù)人員在實踐中創(chuàng)造的。初期添加處理劑能保證潤滑性，攜巖能力、抑制能力符合設(shè)計要求。一開空氣鉆井過程中，添加自帶表面活性劑鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速10.85 m/h；二開空氣鉆井過程中，添加絨囊鉆井液成核劑鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速13.02 m/h，提高20%。同時，安全快速地將柳林地區(qū)空氣鉆井井深記錄提高了71.00 m?？諝狻㈧F、泡沫與絨囊鉆井液“無縫轉(zhuǎn)化”，既避免了井壁失穩(wěn)，又節(jié)約了轉(zhuǎn)化鉆井液時間。使用絨囊鉆井液鉆進(jìn)，平均機(jī)械鉆速2.86 m/h；下套管、固井順利，表明無轉(zhuǎn)化前后井壁失穩(wěn)問題；設(shè)計鉆井周期13 d，實際鉆井周期6.393 d，轉(zhuǎn)化時間大幅度減少。前期使用空氣、霧、泡沫加快了鉆井速度，后期添加絨囊鉆井液用處理劑自動轉(zhuǎn)化為絨囊鉆井液，避免了處理劑之間不配伍、鉆井液與地層之間不配伍以及濾液與地層之間不配伍等，保證了井下安全，為縮短鉆井周期提供了技術(shù)支持。

1.3 防漏堵漏工作流體

絨囊鉆井液中的囊粒遇到比其尺寸大得多的漏失通道時，膨脹并堆積成塔狀，將鉆井液液柱壓力分解，作用在地層流體的壓力相對減小，漏失量得以控制，稱之為分壓封堵；遇到與其尺寸接近的漏失通道時，囊粒被低壓漏失層“吸入”時拉長且膨脹，增加流入阻力，消耗了液柱壓力，漏失量得以控制，稱之為耗壓封堵；遇到比其尺寸小得多的漏失通道時，囊粒被低壓微孔隙、微裂縫吸附在端口處，聚合物和表面活性劑吸附地層表面，形成囊粒、聚合物和表面活性劑屏蔽層，支撐液柱壓力，漏失量得以控制，稱之為撐壓封堵。因此，絨囊能夠封堵各種尺寸的漏失通道，全面控制地層漏失，使得煤層氣鉆井順利。

DFS-C井位于陜西省彬縣，二開、三開井段頻繁漏失。三開鉆至1074 m鉆井液失返。后多次使用棉籽殼、鋸末、水泥等堵漏材料堵漏無效。采用邊漏邊鉆工藝，耗時一個多月，無法鉆達(dá)目的井深。2010年5月31日，使用密度0.95 g/cm3、動切力20~30 Pa的絨囊鉆井液鉆進(jìn)。因考慮鉆井后排采效果，保持滲流通道暢通，不宜封住漏失地層。采用控制漏速2 m3/h以內(nèi)，邊漏邊鉆。鉆井時間包括鉆機(jī)大修占用時間在內(nèi)，6月6日鉆達(dá)目的井深1275 m，與水平距離650 m的直井對接，穿針一次成功，形成“U”形井。

絨囊鉆井液最初是為儲層暫堵提高產(chǎn)能開發(fā)的，因此更適合于儲層鉆井過程中的防漏堵漏，不論地下流體壓力高低，基本上能有效封堵。煤層氣儲層由于產(chǎn)能影響因素很多，儲層傷害機(jī)理尚未定論［13］。目前采取保證煤層氣滲流通道暢通的漏失控制技術(shù)，不僅能夠迅速鉆穿儲層，而且有利于排水采氣。

1.4 快速鉆進(jìn)工作流體

絨囊鉆井液具有低剪切速率下的高黏度和高剪切速率下的低黏度特性，對井眼清潔效率較高，水馬力發(fā)揮較好，有利于提高機(jī)械鉆速［14］。水平井、定向井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的長裸眼鉆井過程中，由于井眼軌跡的特殊性，易造成井眼凈化不佳，形成巖屑床，致使拖壓，影響機(jī)械鉆速，嚴(yán)重時還會卡鉆［15］。絨囊鉆井液的動塑比在表觀黏度不高的情況下可以調(diào)整至1.0 Pa/mPa·s以上。合適的表觀粘度，高動塑比，保證了鉆井液優(yōu)異的攜巖性能和水力破巖效率，進(jìn)而實現(xiàn)了快速鉆井［16］。

FL-D井位于山西柳林縣，使用絨囊鉆井液鉆五分支井。2010年8月28日，采用?152.4 mm鉆頭三開。設(shè)計水平段總長4000 m，實際鉆進(jìn)4690 m。單分支水平段最長1050 m，平均水平段長935 m。鉆井液密度0.95 g/cm3，塑性黏度10~14 mPa·s，動切力7.5~11 Pa，動塑比始終維持在0.75 Pa/mPa·s以上；初切8~10 Pa，終切12~14 Pa，維持較高的低剪切速率黏度。上部直井段，膨潤土鉆井液機(jī)械鉆速6.86 m/h，水平井段絨囊鉆井液平均機(jī)械鉆速7.5 m/h，提高9.3%；實際施工周期比設(shè)計周期縮短了28 d，大幅度地節(jié)約了鉆機(jī)、定向、錄井及現(xiàn)場用水等費用；為保持煤層滲流通道打開，控制漏失速度0.5~1.0 m3/h，以利于煤層氣排采。

1.5 提高地層承壓能力工作流體

絨囊鉆井液具有自匹配性能，通俗地講，就是自動找低壓層位然后堵低壓孔隙或裂隙。目前，很多煤層氣鉆井過程中遇到井眼涌水、漏失、坍塌事故復(fù)雜，有的用套管封隔，有的受井身結(jié)構(gòu)限制無法封隔，造成同一裸眼井段同時存在兩個以上不同壓力地層，使得安全密度窗口窄小。而且，有的窄安全密度窗口鉆井不漏失，注水泥漏失；靜止不漏失，循環(huán)漏失，這種情況稱為“動態(tài)窄安全密度窗口”。動態(tài)窄安全密度窗口與目前常說的窄安全密度窗口［17］不同，影響因素更多，有內(nèi)在的，也有外在的；作用機(jī)理復(fù)雜，有鉆井液自身原因，也有施工工藝原因，封堵措施也不同。這將在以后的文章中論述。不管是何種原因，絨囊工作流體能在高密度鉆井液平衡涌水地層和坍塌地層壓力的同時，自動封堵低壓地層，提高低壓地層承壓能力，而不需要添加其他封堵材料。

J-E井位于山西蒲縣，儲層壓力系數(shù)0.91。設(shè)計井深1251 m，2010年9月11日二開。聚合物鉆井液密度1.04 g/cm3、漏斗黏度26 s，鉆至井深450 m地層涌水。重晶石加重鉆井液平衡涌水層壓力后鉆進(jìn)。鉆至875 m，掉塊嚴(yán)重，起下鉆遇阻。調(diào)整鉆井液密度1.05 g/cm3、漏斗黏度27 s，下鉆至750 m遇阻。預(yù)計沉砂厚度163 m。調(diào)整鉆井液密度1.20 g/cm3、漏斗黏度60~102 s，循環(huán)出大量灰綠、棕紅色泥巖。鉆至925 m井下坍塌、掉塊嚴(yán)重。調(diào)整鉆井液密度1.2~1.5 g/cm3、滴流，但此次下鉆距離井底70 m處，再無法下鉆至井底?？紤]到儲層壓力系數(shù)只有0.91，鉆井液過平衡壓力太大，鉆井存在漏失風(fēng)險，甚至?xí)霈F(xiàn)涌水、坍塌、漏失同時發(fā)生，普通聚合物鉆井液無法完成設(shè)計井深，所以使用絨囊鉆井液。10月14日，配制用重晶石加重的密度為1.03 g/cm3、漏斗黏度93 s的絨囊鉆井液，循環(huán)12 h，井內(nèi)沉砂徹底清除，正常鉆進(jìn)。12 d鉆達(dá)井深1278 m。聚合物鉆井液平均機(jī)械鉆速1.37 m/h，絨囊鉆井液平均機(jī)械鉆速1.55 m/h，提高13.1%。

普通膨潤土鉆井液完成同一裸眼中不同壓力共存的復(fù)雜煤層氣鉆井表明，只有提高涌水層和坍塌層鉆井液的密度，才能順利鉆穿高壓地層，但高密度可能造成低壓層漏失。絨囊鉆井液依靠自身封堵能力，自動尋找低壓漏失地層全面封堵，提高地層承壓能力，解決動態(tài)窄安全密度窗口問題。

2 煤層氣仿生絨囊鉆井液應(yīng)用前景

煤層氣鉆井過程中地層漏失、井壁坍塌十分嚴(yán)重，再加上煤層氣儲層傷害機(jī)理仍處于摸索階段，工作液的目標(biāo)性能尚不能明確，欠平衡成為目前比較認(rèn)可的鉆井方式。同時，成本控制是煤層氣鉆井又一考核指標(biāo)，空氣鉆井進(jìn)入了煤層氣鉆井行業(yè)。

空氣和其他氣體型工作流體一樣，都是氣體型鉆井工作流體，完鉆后轉(zhuǎn)化常規(guī)鉆井液完井，井壁穩(wěn)定、儲層傷害、轉(zhuǎn)化周期長等，一直是作業(yè)者考慮的重點和難點［18］。絨囊鉆井液無縫轉(zhuǎn)化技術(shù)，為氣體完鉆后，煤層氣鉆井解決井壁失穩(wěn)、井涌井漏等事故復(fù)雜提供了技術(shù)支持，也為氣體鉆井適用更廣泛的地層，提供了新手段。

不考慮鉆井過程中的其他地層流體壓力，單就煤層氣鉆井而言，煤層氣壓力分布不均勻，有的異常高壓，有的很低。需要注意的是，不能認(rèn)為低壓地區(qū)用近/欠平衡鉆井比較安全，高壓就不安全。事實上，即使高壓煤層氣存在，解吸流入井筒、形成高壓氣流返出地面，也要經(jīng)過較長時間，這段時間足以完成鉆井任務(wù)。高壓煤層氣欠平衡鉆井在保證井壁穩(wěn)定的前提下，可以通過安裝常規(guī)防噴器或旋轉(zhuǎn)控制頭，在防止非煤層氣流體溢出的情況下進(jìn)行，但投入成本較高。絨囊鉆井液很好地解決了欠平衡鉆井技術(shù)和成本控制問題，成為煤層氣鉆井有望在欠平衡鉆井方面擴(kuò)大應(yīng)用的新技術(shù)。

煤層氣鉆井的另一個難點是：同一裸眼井段不同壓力系統(tǒng)共存。絨囊鉆井液利用其自身的封堵能力、攜帶能力，使得同一裸眼井段涌水、漏失、掉塊、坍塌、井底沉砂等復(fù)雜情況處理簡單化。

這樣看來，絨囊鉆井液可以用于欠平衡鉆井、空氣鉆井、快速鉆進(jìn)、提高地層承壓能力鉆井等專項作業(yè)，表現(xiàn)了仿生絨囊鉆井液廣闊的煤層氣應(yīng)用前景。

（1）無固相非加重仿生絨囊鉆井液密度可以控制在1.0 g/cm3以下，惰性加重材料可調(diào)整絨囊鉆井液密度至1.0 g/cm3以上，還可以實現(xiàn)與空氣、霧、泡沫鉆井液的“無縫轉(zhuǎn)化”，適合近平衡、欠平衡和過平衡鉆井，體現(xiàn)了絨囊鉆井液的多功能性。因此，現(xiàn)場應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)井下具體情況，大膽嘗試在更多作業(yè)環(huán)境下使用絨囊技術(shù)，如環(huán)空中有囊核存在，地面迅速消失，以滿足固控要求；現(xiàn)場需要環(huán)空中鉆井液低密度、沉砂池低黏度迅速沉降的鉆井液，以實現(xiàn)不需強(qiáng)制分離設(shè)備分離固相。因此，需要深入研究絨囊微觀結(jié)構(gòu)，開發(fā)滿足煤層氣沉砂的鉆井液。

（2）分壓、耗壓、撐壓方式適用于各種漏失地層控制地層漏失。應(yīng)用表明，絨囊鉆井液防漏堵漏能力強(qiáng)、提高地層承壓能力強(qiáng)，可避免因井漏引發(fā)井下事故復(fù)雜，縮短鉆井周期；可有效解決同一裸眼井段涌水、漏失、掉塊、坍塌等井下事故復(fù)雜處理和預(yù)防，適合同一裸眼井段不同壓力系統(tǒng)共存地層的窄密度安全窗口鉆井。但現(xiàn)在非儲層漏失依然嚴(yán)重，要進(jìn)一步嘗試與其他技術(shù)結(jié)合，封“死”表層開放性漏失地層。這是因為煤層氣鉆井過程中可能遇到不同地層條件，如溶洞漏失、地表漏失等。

（3）低剪切速率黏度大、高剪切速率黏度小，利于井眼清潔、發(fā)揮水力破巖作用，提高機(jī)械鉆速。應(yīng)用表明，適合水平井和分支井作業(yè)。要嘗試叢式井、雙臺階或多臺階水平井作業(yè)，發(fā)揮其以快制勝的特點。

3 結(jié)束語

研究、評價絨囊鉆井液，使其在煤層氣鉆井中發(fā)揮更大的作用，是目前絨囊鉆井液研究應(yīng)用的一項重要任務(wù)。不同作業(yè)環(huán)境如低溫天氣，需要開發(fā)不同類型的鉆井液以滿足不同要求；在一些穩(wěn)定地層，需進(jìn)一步研究把鉆井液密度降得更低，以滿足不需要增加附加設(shè)備能實現(xiàn)低密度循環(huán)、不影響MWD信號傳輸?shù)纫?，進(jìn)一步實現(xiàn)欠平衡鉆井，以更好地滿足煤層氣鉆井需要。

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