低固相防塌鉆井液在韓城地區(qū)煤層氣井試驗(yàn)研究與評(píng)價(jià)

丁海英，陳 強(qiáng)

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

低固相防塌鉆井液在韓城地區(qū)煤層氣井試驗(yàn)研究與評(píng)價(jià)

丁海英，陳 強(qiáng)

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

針對(duì)陜西韓城地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件和鉆井工藝特點(diǎn)，基于維護(hù)井壁穩(wěn)定和減少對(duì)煤儲(chǔ)層損害兩點(diǎn)原則，提出鉆采區(qū)鉆井液類型確定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而利用正交試驗(yàn)法研究適應(yīng)煤儲(chǔ)層和非煤地層煤層氣井鉆進(jìn)用低固相防塌鉆井液體系，并對(duì)復(fù)配試驗(yàn)優(yōu)選配方進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：鉆井液配方材料選取具有良好的廣譜性，成本低且配制流程簡(jiǎn)單，適合于煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)使用；鉆井液具有較低的固相含量和密度，pH值接近8，濾失量低于8 mL/30min，滿足降低煤儲(chǔ)層傷害的要求；鉆井液具有良好的防塌性能，能夠有效抑制粘土、砂土地層的水敏性，維護(hù)孔壁穩(wěn)定。

煤層氣井；低固相；防塌鉆井液；正交試驗(yàn)；性能評(píng)價(jià)

煤層氣井鉆進(jìn)施工中鉆井液體系和性能參數(shù)的合理選擇直接關(guān)系到鉆進(jìn)安全和后期生產(chǎn)，煤儲(chǔ)層自身裂隙發(fā)育、質(zhì)軟，賦存在儲(chǔ)層中的煤層氣開(kāi)采難易程度亦與煤層的敏感性、壓力、煤質(zhì)孔隙發(fā)育有關(guān)。近年來(lái)，很多學(xué)者致力于研究煤層氣井鉆進(jìn)用鉆井液體系。王勝等[1]進(jìn)行了煤層氣鉆探無(wú)固相聚合物鉆井液的研究與性能評(píng)價(jià)；孫建平[2]對(duì)煤層氣井鉆井液特點(diǎn)進(jìn)行了探討；岳前升等[3]開(kāi)展了關(guān)于沁水盆地基于儲(chǔ)層保護(hù)的煤層氣水平井鉆井液的研究；折海成等[4]進(jìn)行煤層井壁穩(wěn)定新型防塌聚磺鉆井液體系在氣井水平井中的研究；馬永樂(lè)[5]在其學(xué)位論文中重點(diǎn)開(kāi)展煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液技術(shù)研究。以上研究成果對(duì)煤層氣井鉆井液體系研究起到了積極的推動(dòng)作用。但是，目前針對(duì)陜西韓城地區(qū)煤層氣井鉆進(jìn)用低固相防塌鉆井液的相關(guān)研究、探討鮮有報(bào)道。

1 韓城地區(qū)煤層氣鉆井概況

1.1 韓城地區(qū)地質(zhì)條件

陜西韓城地區(qū)煤炭資源豐富，屬石炭二疊紀(jì)煤田，該區(qū)煤層氣賦存品質(zhì)高，單層可采煤層氣含量大于4 m3/t，具備良好開(kāi)發(fā)前景[6]。區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，分別含3號(hào)煤層和11號(hào)煤層，各煤層厚2.4～3 m。非煤地層由上至下依次為黃土、亞粘土、砂質(zhì)粘土、中粗粒砂巖、桃花泥巖、礫巖等，地層具體分布見(jiàn)表1。

表1 韓城地區(qū)地分布

1.2 煤層氣井井身結(jié)構(gòu)

目前，韓城地區(qū)煤層氣地面開(kāi)發(fā)以直井為主，普遍采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)井眼直徑φ311.1 mm，下φ244.5 mm套管，二開(kāi)井眼直徑φ215.9 mm，下φ139.7 mm套管。

1.3 韓城地區(qū)煤層氣鉆探鉆井液應(yīng)用評(píng)價(jià)

韓城地區(qū)煤層氣井鉆進(jìn)非煤地層普遍采用常規(guī)膨潤(rùn)土鉆井液或低固相鉆井液，以預(yù)防井壁坍塌、縮頸及獲得較高機(jī)械鉆速為主。鉆井液pH值8～9、密度1.04～1.09 g/cm3、漏斗粘度36～39 s、含砂量0.2%～0.8%、失水量8～10 mL/30 min[7]。

韓城地區(qū)煤層氣井主采煤儲(chǔ)層壓力較低，較高的泥漿柱壓力會(huì)引起儲(chǔ)層傷害，在設(shè)計(jì)泥漿壓力時(shí)，原則上應(yīng)做到近平衡鉆進(jìn)。根據(jù)韓城地區(qū)煤系地層及其上覆地層特點(diǎn),借鑒已有煤層氣勘探開(kāi)發(fā)井施工經(jīng)驗(yàn)，確定鉆井液體系應(yīng)滿足下述要求：

1) 目標(biāo)煤儲(chǔ)層上覆地層井段采用低固相泥漿鉆井液；

2) 含煤地層井段，采用低密度鉆井液；

3) 目標(biāo)煤儲(chǔ)層井段使用清水鉆進(jìn)，密度應(yīng)控制在1.03 g/cm3以下。

2 低固相防塌鉆井液試驗(yàn)研究

2.1 鉆井液處理劑材料

試驗(yàn)選擇造漿率高的優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土配制鉆井液基漿，膨潤(rùn)土加量3%，以嚴(yán)格控制鉆井液符合低固相低密度要求；選擇鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)作為增粘降濾失劑；選擇PAC-141為鉆井液防塌劑和流型調(diào)節(jié)劑；選擇腐植酸鉀(KHm)和單寧為降濾失劑。綜合運(yùn)用上述4種處理劑控制鉆井液的密度、粘度、切力、濾失量、pH，調(diào)節(jié)濾失性和造壁性，滿足保護(hù)煤儲(chǔ)層要求。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 正交試驗(yàn)

試驗(yàn)研究選擇Na-CMC、PAC-141、KHm、單寧4種處理劑及3種加量做正交試驗(yàn)，初選配方見(jiàn)表2。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 鉆井液初選配方材料及用量 %

表3 鉆井液正交試驗(yàn)結(jié)果

注:1.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為3因素的3個(gè)相同加量所對(duì)應(yīng)表觀粘度(MPa·s)、失水量(mL/30 min)性能結(jié)果之和。2.R稱為極差值，是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)中的最大值與最小值之差。

試驗(yàn)的基本思想是利用不同處理劑在鉆井液體系中的不同功用，研究適應(yīng)韓城地區(qū)粘土、砂土類厚度分布較廣的低固相防塌鉆井液，利用低失水、近中性、低污染等特性有效預(yù)防鉆進(jìn)過(guò)程中坍塌、掉塊、縮頸、卡鉆等井內(nèi)復(fù)雜事故的發(fā)生。

2.2.2 鉆井液的復(fù)配與優(yōu)選

依據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)不同加量處理劑配方的鉆井液，分析其表觀粘度和失水量，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中極差評(píng)估方法發(fā)現(xiàn)在正交試驗(yàn)中不同加量的處理劑對(duì)表觀粘度影響大于對(duì)濾失量影響，綜合考慮韓城地區(qū)煤層氣井鉆進(jìn)施工時(shí)鉆井液濾失量小于10 mL/30 min，孔壁穩(wěn)定、鉆孔質(zhì)量良好，為獲得更高的碎巖效率、縮短鉆井時(shí)間、節(jié)約鉆進(jìn)成本，按最優(yōu)粘度選取配方見(jiàn)表4，其性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 優(yōu)選配方 %

注：基漿為3%的鈉基膨潤(rùn)土鉆井液。

2.3 性能評(píng)價(jià)

2.3.1 鉆井液流變性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)研究采用數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)鉆井液測(cè)試φ600、φ300、φ200、φ100、φ6、φ3 6檔剪切速率下讀數(shù)，低固相防塌鉆井液流變曲線見(jiàn)圖1。

表5 優(yōu)選配方性能

圖1 低固相防塌鉆井液流變曲線

從圖1可知，鉆井液流變曲線不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，剪切速率低于100 s-1時(shí)，流體所受剪切應(yīng)力較大，表示鉆井液在開(kāi)始流動(dòng)的最初速度較低階段，需要附加一定的力。說(shuō)明該鉆井液體系屬于假塑性流體，流變方程選擇冪律方程評(píng)價(jià)，流行指數(shù)n=0.84，表征鉆井液剪切稀釋特性良好。稠度系數(shù)K=0.05，與鉆井液配方粘土用量少、粘度低有必然關(guān)系，可滿足施工中減少孔內(nèi)鉆具磨損、提高鉆進(jìn)機(jī)械鉆速的要求。

2.3.2 鉆井液防塌性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)過(guò)程中，選擇韓城地區(qū)粘土加工制作土試塊，分別將試塊浸泡在清水和試驗(yàn)鉆井液中，觀察試塊浸泡16 h后的膨脹效果，如圖2(a)所示，土試塊經(jīng)鉆井液浸泡16 h后，完整堅(jiān)固，未開(kāi)裂,說(shuō)明鉆井液對(duì)粘土地層具有良好的護(hù)壁性能，可有效抑制粘土類地層遇水膨脹分散，能夠避免井眼縮頸、坍塌事故發(fā)生；如圖2(b)所示，浸泡在清水中的試塊則分散垮塌，試塊表面開(kāi)裂。

2.3.3 鉆井液膠體率評(píng)價(jià)

取100 mL試驗(yàn)鉆井液于燒杯內(nèi)靜止12 h，如圖3所示。鉆井液體系均勻穩(wěn)定，表層稀水量很低，膠體率可達(dá)99%。表明該鉆井液在煤層氣井鉆進(jìn)施工中能夠表現(xiàn)出良好的懸浮能力，可有效確保鉆孔清潔、避免鉆頭重復(fù)碎巖、鉆進(jìn)效率高。

圖2 試塊浸泡16 h效果

圖3 鉆井液靜放12 h效果

2.3.4 鉆井液濾失性評(píng)價(jià)

試驗(yàn)利用鉆井液濾失量測(cè)定儀測(cè)試在常溫0.69 MPa壓力下，鉆井液30 min的失水量和泥皮厚度，經(jīng)測(cè)試該鉆井液濾失量為7.5 mL/30 min、泥皮厚0.5 mm，與韓城地區(qū)此前應(yīng)用鉆井液濾失量對(duì)比可知：試驗(yàn)防塌鉆井液濾失量較低，泥皮厚度薄且致密，能夠有效抑制施工中因孔內(nèi)地層壓力差存在而導(dǎo)致鉆井液向地層失水，影響鉆孔安全。

2.3.5 鉆井液酸堿度評(píng)價(jià)

試驗(yàn)鉆井液的配漿材料為鈉基膨潤(rùn)土且加量?jī)H為3%，處理劑選取亦避免選用堿度過(guò)大的處理劑，以上措施確保鉆井液pH值接近中性。能夠避免因堿度過(guò)大造成煤儲(chǔ)層污染，影響后期煤層氣解析，降低產(chǎn)氣率。通過(guò)實(shí)測(cè)可知，鉆井液pH值接近8，滿足對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)要求。

3 結(jié) 論

1) 總結(jié)韓城地區(qū)煤層氣井鉆井用鉆井液類型及性能參數(shù)要求，根據(jù)地質(zhì)條件及鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)，提出了不同地層鉆井液類型選取標(biāo)準(zhǔn)。

2) 試驗(yàn)針對(duì)韓城地區(qū)非煤井段開(kāi)展低固相防塌鉆井液體系研究，設(shè)計(jì)鉆井液初選配方和正交設(shè)計(jì)方案，通過(guò)正交試驗(yàn)和復(fù)配試驗(yàn)確定鉆井液優(yōu)化配方。

3) 對(duì)優(yōu)選的低固相防塌鉆井液開(kāi)展流變性、膠體率、濾失性和酸堿性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，試驗(yàn)鉆井液具有良好的剪切稀釋特性、穩(wěn)定性、較低的失水量和酸堿度，滿足韓城地區(qū)煤層氣鉆探施工要求。

[1] 王勝, 郭凱彬, 袁超鵬, 等. 煤層氣鉆探無(wú)固相聚合物鉆井液的研制與性能評(píng)價(jià)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2015, 15(33): 150-154.

[2] 孫建平. 煤層氣井鉆井液特點(diǎn)的探討[J]. 中國(guó)煤田地質(zhì), 2003, 15(4): 61-71.

[3] 岳前升, 陳軍, 鄒來(lái)方, 等. 沁水盆地基于儲(chǔ)層保護(hù)的煤層氣水平井鉆井液的研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2012, 37(S2): 416-419.

[4] 折海成, 劉海峰, 方敬偉. 煤層井壁穩(wěn)定新型防塌聚磺鉆井液體系在氣井水平井中的研究與應(yīng)用[J]. 遼寧化工, 2014, 43(11): 1438-1444.

[5] 馬永樂(lè). 煤層氣儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液技術(shù)研究[D]. 北京: 中國(guó)石油大學(xué), 2011.

[6] 黃國(guó)耀. 韓城地區(qū)煤層氣水平井鉆井工藝技術(shù)研究[D]. 西安: 西安科技大學(xué), 2009.

[7] 丁海英, 陳強(qiáng). 韓城區(qū)塊煤層氣鉆探?jīng)_洗液應(yīng)用分析[J]. 山西建筑, 2015, 41(27): 115-116.

A Experiment Research and Evaluation of Coal Bed Methane Drilling Low Solid Drilling Fluid Collapse Prevention in Seoul Area

DING Haiying，CHEN Qiang

(ShanxiEnergyInstitute,Xianyang,Shanxi712000,China)

In view of Seoul regional geological conditions of coal bed methane drilling and drilling construction technology，the author, based on protecting borehole wall stability and reduce the damage to the coal measures strata, has put forward the drilling area drilling fluid type to determine the standard. On this basis, the emphasis on adaptation were studied by using orthogonal test method of coal measures strata, including the coal bed methane drilling strata low solid drilling fluid system collapse. It evaluated the distribution of test selection formula for performance.The experimental results tell us that the drilling fluid formula materials selecting good broad-spectrum, reasonable cost and preparation process of treating agent preparation process was simple in suitable for coal bed methane of drilling construction site use. Drilling fluid with low solid content and density, pH value was equal to 8 with filtration quantity below 8 mL/30 min, in accordance to the requirement of coal seam to avoid pollution. Otherwise,drilling fluid will have a good collapse prevention performance, as can effectively inhibit clay and sandy soil stratum under water dispersion, hole wall instability occurs.

Coalbed methane; Low solid content; Anti-collapse drilling fluid; Orthogonal test; Performance evaluation

2017-02-20

陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年科研項(xiàng)目(15KY06)

丁海英(1983-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，研究方向：鉆探技術(shù)，手機(jī)：15389468611，E-mail：395864143@qq.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.042