白楊河礦區(qū)煤層氣井示范工程鉆井液的選用

湯建江

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì),新疆 830009)

白楊河礦區(qū)煤層氣井示范工程鉆井液的選用

湯建江

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì),新疆 830009)

新疆阜康市白楊河礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用先導(dǎo)性示范工程是新疆維吾爾自治區(qū)的第一個(gè)煤層氣示范工程項(xiàng)目。該示范區(qū)煤層氣開發(fā)井型以叢式井為主，以U型井、L型井、空氣動(dòng)力井等多種井型為輔；示范區(qū)總體構(gòu)造為一南傾的單斜構(gòu)造，地層傾角大，煤層厚、多且間距大。為了防止鉆井液對(duì)煤層的污染，傷害煤層的滲透性，并達(dá)到防止煤層垮塌、快速成井的目的，針對(duì)示范區(qū)井型多、煤質(zhì)軟、順煤層U型井、L型井等成井難度大的特點(diǎn)，進(jìn)行多種鉆井液體系對(duì)比分析、選用，實(shí)踐初步形成了一套適合該地區(qū)煤層氣開發(fā)的鉆井液使用體系。

煤層氣 叢式井 大傾角 厚煤層 鉆井液

新疆煤層氣資源豐富，預(yù)測(cè)煤層氣資源量達(dá)9.5萬億m3(與天然氣資源量相當(dāng))，占全國煤層氣預(yù)測(cè)資源量的26%。新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣示范工程是新疆第一個(gè)以低階煤、多厚煤層、大傾角地質(zhì)條件為開發(fā)對(duì)象的大規(guī)模煤層氣開發(fā)基地，為了找到適合示范區(qū)煤層多、厚度大、傾角大等地質(zhì)特點(diǎn)的煤層氣開發(fā)方法，示范區(qū)設(shè)計(jì)井型多，鉆井工藝復(fù)雜。鉆井液不僅要滿足常規(guī)鉆井的需要，還必須符合煤層氣的開發(fā)特點(diǎn)，是煤層氣開發(fā)過程中極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

1 示范區(qū)鉆井液選用難點(diǎn)分析

鉆井液服務(wù)于鉆井工程，它直接關(guān)系著鉆井質(zhì)量的優(yōu)劣，鉆進(jìn)效率的高低，煤層傷害污染程度，井身安全，甚至鉆井工程的成功與失敗，因此被譽(yù)為鉆井的“血液”。

(1)煤系地層需防止鉆井液污染

煤層及煤層頂?shù)装宓臐B透性是煤層氣開發(fā)的重要指標(biāo)之一，煤層是雙重介質(zhì)，既是生氣層又是儲(chǔ)氣層，煤層的空隙和割理較發(fā)育，儲(chǔ)層壓力低，破碎，機(jī)械強(qiáng)度低，具有壓力敏感性，從而導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性差，易發(fā)生井內(nèi)事故，儲(chǔ)層易傷害，保護(hù)困難。煤層氣開發(fā)過程中鉆井液對(duì)煤層的污染主要是降低煤層的滲透性，堵塞了煤層氣產(chǎn)出的微通道。因此要求鉆井液比重低，固相含量少，不污染傷害煤層，為了減少污染，鉆井液選用要滿足以下條件：①鉆井液比重低，粘度較高，保證井內(nèi)較小的液柱壓力，減小鉆井液的濾失量；②鉆井液與煤系地層不發(fā)生明顯的化學(xué)、物理反應(yīng)，產(chǎn)生沉淀，堵塞滲流通道；③pH值保持在中性偏堿性，與煤系地層相近。示范區(qū)是以低階煤為主，滲透率低，煤層多，厚度大，地層傾角大，易坍塌，對(duì)鉆井液性能要求也較高，因此示范區(qū)鉆井液選用參考《煤層氣鉆井作業(yè)規(guī)范》(DZ/T 0250—2010)，并通過實(shí)踐對(duì)鉆井液性能進(jìn)行優(yōu)化。

(2)煤層厚、煤質(zhì)軟，煤層容易垮塌，不利于鉆井液的選用

示范區(qū)儲(chǔ)層壓力低、破碎，其物理力學(xué)性質(zhì)決定了機(jī)械強(qiáng)度低，具有壓力敏感性，從而導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌掉塊，夾矸的存在易導(dǎo)致卡鉆，同時(shí)煤層垮塌后井徑擴(kuò)大率過大會(huì)造成固井質(zhì)量差、錄井、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)失真。為了防止以上鉆井事故，要求鉆井液比重適當(dāng)提高，以平衡地層壓力及坍塌壓力，保證井內(nèi)安全，提高粘度降低失水量，提高環(huán)空攜砂能力和井壁穩(wěn)定能力。

(3)鉆遇地層復(fù)雜，機(jī)械鉆速低

示范區(qū)鉆遇地層為下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組和新生界第四系。根據(jù)區(qū)塊內(nèi)地質(zhì)條件，中生界黃山街組含菱鐵礦結(jié)核，下侏羅統(tǒng)八道灣組中段含砂礫巖，地層可鉆性差。為了提高鉆井速度，保證鉆進(jìn)安全，保護(hù)儲(chǔ)層，示范區(qū)采取非含煤地層與含煤地層采用不同鉆井液標(biāo)準(zhǔn)，很好地滿足了鉆進(jìn)速度和保護(hù)煤系地層的需要。

2 示范區(qū)鉆井液體系的選用

通過對(duì)各種鉆井液體系特點(diǎn)的分析，在煤層氣鉆井施工中，各井型、各階段選擇不同鉆井液，有利于保護(hù)煤層滲透性和快速完成鉆井施工作業(yè)，有利于減少煤層垮塌和鉆井事故的發(fā)生。鉆井液體系主要分為液體鉆井液(水基鉆井液、油基鉆井液、合成基鉆井液)，氣、液混合物(泡沫鉆井液、充氣泥漿鉆井液)以及氣體(空氣、天然氣)。對(duì)于防止煤層污染來講，氣體鉆井液最優(yōu)，但示范區(qū)考慮到煤系地層含水層較多，地層漏失，并且煤質(zhì)軟，煤層厚度大，破碎，埋藏深，采用氣體鉆井施工難度大、施工工期長，施工成本高，而水基鉆井液穩(wěn)定，護(hù)壁性好，能較好平衡地層壓力及坍塌壓力，攜砂效果好，工藝成熟，成本較低，因此鉆井液綜合考慮示范區(qū)主要以四低(低固相、低粘度、低密度、低失水量)水基鉆井液為主、泡沫鉆井液為輔。

2.1 水基鉆井液的選用及其特點(diǎn)

示范區(qū)水基鉆井液主要包括坂土漿和低固相聚合物鉆井液。

2.1.1 坂土漿

一開鉆井時(shí)使用，其主要成分是清水、膨潤土和各種粘土，其特點(diǎn)是可容納較多的固相，密度高，攜砂能力強(qiáng)，容易在井壁上形成較致密的泥餅，失水較低，適合一開地層成巖性差、滲透性好、易坍塌且機(jī)械鉆速低的特點(diǎn)，使用井段為0～50m。

2.1.2 低固相聚合物鉆井液

二開及三開鉆井時(shí)使用，其成分主要為清水、膨潤土和高分子聚合物處理劑。高分子聚合物能有效地包裹各種固相顆粒，并攜帶至井口，在振動(dòng)篩作用下容易與鉆井液分離，保證了鉆井液的攜砂能力和低密度、低固相。有利于提高鉆井速度，減少地層造漿率，提高井壁穩(wěn)定性。

2.2 泡沫鉆井液使用及其特點(diǎn)

泡沫鉆井液是氣、水混合體。其特點(diǎn)是密度低，有利于降低井內(nèi)壓力；鉆井液循環(huán)快，攜帶巖屑能力較強(qiáng)；鉆出的巖屑十分清晰，便于分析；對(duì)煤層氣開發(fā)較為有利，但示范區(qū)儲(chǔ)層坍塌壓力低，破碎，其物理力學(xué)性質(zhì)決定了機(jī)械強(qiáng)度低，具有壓力敏感性，上述特點(diǎn)容易導(dǎo)致井壁垮塌，不利于正常完井，同時(shí)鉆井液中液體的非連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致井下定向設(shè)備脈沖信號(hào)傳輸困難，導(dǎo)致施工困難。在73井實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)入煤層前50m密度降至0.99～1.02g/cm3粘度50s,鉆進(jìn)過程發(fā)生卡鉆情況，經(jīng)倒劃眼短提解決，但在鉆進(jìn)42號(hào)煤過程中，打完單根上提劃眼時(shí)發(fā)生卡鉆事故，鉆頭距離井底6m左右，鉆具卡死轉(zhuǎn)盤不能活動(dòng)。當(dāng)時(shí)泥漿性能為密度1.0g/cm3、粘度為58s、失水5mL。立即循環(huán)處理復(fù)雜。未能解決卡鉆事故后隨即轉(zhuǎn)換泥漿體系為聚磺泥漿體系后繼續(xù)處理卡鉆后解卡，處理成功后提鉆。泥漿密度為1.17g/cm3，粘度55s。通過對(duì)73井微泡泥漿使用分析，下一步應(yīng)系統(tǒng)地對(duì)示范區(qū)使用微泡泥漿體系進(jìn)行設(shè)備儀器適應(yīng)性分析和地層適應(yīng)性分析，包括煤巖物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、煤層水敏性、儲(chǔ)層壓力、地層壓力系數(shù)、破裂壓力和坍塌壓力，通過綜合分析后再確定是否使用微泡泥漿。

3 鉆井液參數(shù)的參數(shù)研究

因?yàn)槭痉秴^(qū)煤層氣井鉆井液主要以水基鉆井液為主，泡沫鉆井液為輔，因此研究和控制鉆井液的主要參數(shù)有鉆井液的流變性、密度、含砂量、失水性和 pH值，現(xiàn)分述如下。

3.1 流變性

流變性是鉆井液的一個(gè)綜合指標(biāo)，在煤系地層中，流變性好的鉆井液密度低而不影響鉆井液攜帶巖、煤屑的能力；井內(nèi)液柱壓力低而不造成井壁嚴(yán)重垮塌；能有效的保證較高的鉆進(jìn)速度和井下安全。根據(jù)鉆進(jìn)的實(shí)際需求，采取相應(yīng)方法可以獲得滿足煤層氣井需要的流變性，控制的主要參數(shù)為粘度、塑性粘度和觸變性。

3.1.1 粘度、塑性粘度

通過試驗(yàn)和鉆井證明，示范區(qū)煤系地層鉆井施工中，保持鉆井液粘度40～50s、塑性粘度15～20MPa·s能有效的攜帶巖屑、保證較高的鉆進(jìn)速度和井內(nèi)安全。鉆井過程中，通過鉆井技術(shù)員每班記錄，監(jiān)督每天巡檢，及時(shí)調(diào)整粘土含量，高分子聚結(jié)含量(結(jié)構(gòu)粘度)，保證振動(dòng)篩的使用，使鉆井液的粘度始終保持在最優(yōu)狀態(tài)。

3.1.2 觸變性

觸變性指標(biāo)不涉及對(duì)煤系地層的污染，示范區(qū)對(duì)鉆井液的觸變性沒有明確的規(guī)定，各鉆井隊(duì)根據(jù)鉆井施工中遇見的實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整?？傮w原則是進(jìn)入煤層頂板以上50m取芯鉆進(jìn)井段后，提高觸變性指數(shù)，保證鉆井液停止循環(huán)時(shí)，鉆井液切力能較快地增大，井內(nèi)懸浮鉆屑不會(huì)快速沉淀；開鉆后，鉆井液切力較快下降，不致于靜置后開泵泵壓過高。

3.2 鉆井液的密度和含砂量

煤層氣儲(chǔ)層對(duì)鉆井液的敏感性較高，鉆井液密度及含沙量在保證安全鉆進(jìn)的前提下宜維持在下限水平，以此減小儲(chǔ)層污染，保證合格的井徑擴(kuò)大率。

3.2.1 鉆井液的密度

示范區(qū)非煤系地層三工河組砂礫巖較厚，以防漏為主，鉆井液密度過大會(huì)導(dǎo)致地層壓力失衡，壓漏地層；含煤地層八道灣組巖性為細(xì)砂巖、砂礫巖與粉砂巖為主。地層造漿不嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)近平衡快速鉆井技術(shù)，減少壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速；減少鉆井液對(duì)煤層的浸泡時(shí)間，能有效減少鉆井液對(duì)煤層的傷害，根據(jù)本區(qū)施工實(shí)際情況，鉆井液密度在1.05g/cm3以下時(shí)易發(fā)生井壁坍塌掉塊，井徑擴(kuò)大率超標(biāo)，鉆井事故多發(fā)等情況，煤系地層鉆井液密度范圍在1.10～1.15g/cm3能很好的平衡地層坍塌壓力，保證鉆井施工安全，安全快速完井可降低儲(chǔ)層浸泡時(shí)間，減少儲(chǔ)層污染，保護(hù)煤層滲透性。

3.2.2 鉆井液的含砂量

根據(jù)示范區(qū)八道灣組巖性和鉆井實(shí)際情況，示范區(qū)要求鉆井液的含砂量小于0.4%。取得了較好鉆井的效果，有效的減小了泥餅的滲透性和固相體積含量百分比≤6%，減小了鉆井液的失水性，保護(hù)了煤層滲透性。

3.3 失水性

在煤系地層中，鉆井液的失水過大會(huì)嚴(yán)重的污染近井地帶煤層，煤層中的泥質(zhì)成分發(fā)生膨脹減小了煤層的滲流通道，影響最終產(chǎn)氣效果，因此示范區(qū)對(duì)鉆井液的失水性有嚴(yán)格的要求，液濾失量不大于2mL。除此之外，鉆井液失水嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致煤系地層泥巖垮塌和縮徑?？刂坪勉@井的失水，對(duì)于快速鉆井和保護(hù)煤層滲透性有重要的意義。

靜失水的公式為

式中：Vf—濾失量，cm3;K—泥餅滲透性，mD;ΔP—壓差，MPa; Cc—泥餅固相體積含量,%;Cm—鉆井液固相體積含量,%;A—濾失面積，cm2;t—濾失時(shí)間，s;μ—濾液粘度，mPa·s；

由上式可知，在鉆井液粘度、密度、壓差、濾失面積一定的情況下(粘度40～50s、密度1.10～1.15g/cm3)，提高鉆井速度、減少泥餅的滲透性、泥餅中的固相體積含量與鉆井液中固相含量的比值是控制鉆井液慮失量的關(guān)鍵參數(shù)。

通過示范區(qū)鉆井液模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、鉆井液形成的泥餅薄而致密，則失水小；厚而酥松，則失水大，因此控制鉆井液的失水，就要保證井壁泥餅薄、致密、韌性好。通過選用專用廠家膨潤土，保證質(zhì)量穩(wěn)定性；動(dòng)態(tài)調(diào)整有機(jī)分散劑用量和CMC的含量，保證粘土顆粒的適宜的分散度和保護(hù)粘土顆粒；加入極細(xì)的膠體粒子可以達(dá)到較好的效果。

3.4 鉆井液的pH值

對(duì)于煤層氣開發(fā)利用，鉆井液的pH值范圍的控制至關(guān)重要，鉆井液的酸堿性必須與煤層的酸堿性相適應(yīng)，否則會(huì)發(fā)生煤層酸堿性傷害，發(fā)生化學(xué)生成固體堵塞煤層微裂隙而降低滲透性，示范區(qū)開發(fā)煤層多為偏堿性，鉆井液pH值都控制在7.5～8.5，既能滿足保護(hù)煤層滲透性的需要，又能保證鉆井液的性能達(dá)到最優(yōu)。

4 示范區(qū)鉆井液的應(yīng)用效果

在前期施工的第一批11口井，按規(guī)范要求泥漿密度控制在1.05以下，均不同程度的發(fā)生了煤層坍塌掉塊現(xiàn)象，個(gè)別煤層段井徑擴(kuò)大率達(dá)到50%以上，特別是42號(hào)煤破碎，松軟，更容易發(fā)生井內(nèi)事故，如8、34、38井在鉆遇42號(hào)煤時(shí)發(fā)生卡鉆事故。通過及時(shí)提高泥漿比重及粘度，并加入解卡劑，8井成功處理復(fù)雜；34井井內(nèi)鉆具卡死，經(jīng)倒扣、打撈等事故處理，20日后成功完井；38井卡鉆處理失敗報(bào)廢填井，直接經(jīng)濟(jì)損失100萬元。

經(jīng)過第一批鉆井施工結(jié)束后總結(jié)，通過對(duì)示范區(qū)鉆井液的參數(shù)及示范區(qū)鉆井液選用的難點(diǎn)分析。在含煤層段，泥漿比重在1.05g/cm3以下，無法平衡地層坍塌壓力，煤層及頂?shù)装逡装l(fā)生坍塌掉塊，井徑擴(kuò)大率超標(biāo)，鉆井事故多發(fā)。

為保證施工安全，應(yīng)適當(dāng)提高鉆井液比重，鉆遇易坍塌的42號(hào)煤層時(shí)，要尤其注意泥漿性能的維護(hù)。合理的泥漿性能對(duì)鉆井安全，鉆進(jìn)效率，減少儲(chǔ)層污染十分重要。快速成井減少鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的浸泡污染時(shí)間是示范區(qū)煤層氣鉆井的重要手段。示范區(qū)鉆井液應(yīng)針對(duì)不同地層選用不同性能的鉆井液，一開采用板土漿，控制失水，二開在非煤地層泥漿比重控制在1.15左右，粘度50s左右，在漏失地層可適當(dāng)提高粘度，加入核桃核等惰性材料堵漏，如在示范區(qū)西部多數(shù)井內(nèi)都發(fā)生漏失現(xiàn)象，采用此堵漏方法很好地抑制漏失。在進(jìn)入煤層前逐步降低泥漿比重，控制在1.10～1.15g/cm3，粘度40～50s。

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(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

Selection of Drilling Fluid for CBM Well Demonstration Engineering Project in Baiyanghe Mining Area

TANG Jianjiang

(No.156 Geological Exploring and Surveying Team, Xinjiang Bureau of Coal Field Geology, Xinjiang 830009)

The CBM development and utilization pilot demonstration project of Fukang Baiyanghe Mining Area is the first CBM demonstration project in the Xinjiang Uygur Autonomous Region. The wells type for CBM development in the demonstration zone is mainly cluster wells, with a variety of supplemented wells, including U-type well, L-type well, aerodynamic well, etc. The overall structure of the demonstration zone is south-dipping monoclinic structure, with large formation dip angle, thick and multiple coal seams, and large spacing of coal seams. To prevent the contamination of drilling fluid to the coal seam as well as damage to coal seam permeability, and to achieve the purpose of preventing coal seam collapse and rapid well-forming, the paper compares, analyzes and select different types of drilling fluid based on the characteristics of the demonstration zone, such as multiple well types, soft coal, difficulty to form well of U-type well and L-type well along the coal seam, and preliminarily establishes a utilization system of drilling fluid suitable for the CBM development in this area.

CBM; cluster wells; large angle; thick seam; drilling fluid

新疆地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目“新疆阜康市白楊河礦區(qū)煤層氣開發(fā)利用先導(dǎo)性示范工程”.

湯建江，男，鉆探工程師，本科，獲全國五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>