煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機(jī)理

鄭力會(huì)陳必武張　崢湯繼丹,孫　昊.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 2.油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室·長(zhǎng)江大學(xué).中國(guó)石油華北油田公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部

鄭力會(huì)等.煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機(jī)理.天然氣工業(yè),2016,36(2):72-77.

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煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機(jī)理

鄭力會(huì)1,2陳必武3張崢1湯繼丹1,3孫昊1
1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 2.油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室·長(zhǎng)江大學(xué)3.中國(guó)石油華北油田公司煤層氣勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部

鄭力會(huì)等.煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機(jī)理.天然氣工業(yè),2016,36(2):72-77.

摘 要盡管絨囊鉆井流體已成功應(yīng)用于煤層氣鉆井，但研究其防塌機(jī)理，事關(guān)其煤層封堵效果、封堵強(qiáng)度、封堵成本以及儲(chǔ)層傷害程度。為此，實(shí)驗(yàn)室對(duì)比測(cè)定了山西沁水盆地3號(hào)煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度、驅(qū)替?38 mm煤巖柱塞的入口壓力。對(duì)比注入2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體和絨囊鉆井流體后煤巖柱塞強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅絨囊鉆井流體（3組）的煤巖強(qiáng)度提高38.46%；驅(qū)替壓力對(duì)比結(jié)果顯示，絨囊鉆井流體在驅(qū)替壓力為20.73 MPa、21.46 MPa時(shí)不漏失，絨囊封堵后2%氯化鉀溶液在驅(qū)替壓力分別為24.79 MPa、25.64 MPa時(shí)仍不漏失，絨囊鉆井流體增大了流體進(jìn)入地層的阻力。室內(nèi)顯微鏡觀察絨囊鉆井流體封堵60～80目、80～100目、100～120目三種粒徑煤巖巖屑的填砂管，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：囊泡以堆積、拉抻、堵塞等方式封堵不同尺寸的漏失通道并平鋪滲流通道的入口端，形成“珠狀毯”；囊泡的彈性、韌性吸收了鉆具對(duì)井壁的沖擊力，從而減輕了鉆具造成的井壁失穩(wěn)。結(jié)論認(rèn)為：煤層氣絨囊鉆井流體的主要防塌機(jī)理是提高煤巖強(qiáng)度、增大流體進(jìn)入煤巖地層的阻力、緩沖鉆具沖擊力等。

關(guān)鍵詞煤層氣鉆井井壁穩(wěn)定絨囊鉆井流體防塌機(jī)理沁水盆地實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

煤層氣的開(kāi)發(fā)關(guān)系到中國(guó)的安全戰(zhàn)略、環(huán)境戰(zhàn)略和能源戰(zhàn)略[1]。目前煤層氣開(kāi)發(fā)主要有地面排采和地下抽排兩大方式[2]。保證井眼規(guī)則和井壁穩(wěn)定，有利于提高固井質(zhì)量和有序地面排采[3]。因此，按開(kāi)發(fā)要求成井，是地面排采的關(guān)鍵工程技術(shù)之一。但是，煤巖儲(chǔ)層強(qiáng)度低，割理裂隙發(fā)育，成井過(guò)程中井下難題頻繁出現(xiàn)，事故經(jīng)常發(fā)生，所以選擇穩(wěn)定煤巖井壁的鉆井流體成為鉆井施工前關(guān)注的重點(diǎn)，吸引許多學(xué)者參與其中，成為研究的熱點(diǎn)。又由于煤巖力學(xué)性質(zhì)和賦存機(jī)理復(fù)雜，鉆井流體開(kāi)發(fā)涉及工程、儲(chǔ)層傷害等因素眾多，煤巖鉆井流體的開(kāi)發(fā)成為煤層氣鉆井技術(shù)的難點(diǎn)之一。

煤層鉆進(jìn)必須穿過(guò)以泥巖為主的煤頂板，黃維安等認(rèn)為鉆井液濾液侵入煤巖裂縫引起黏土水化膨脹或分散，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[4]。董建輝等認(rèn)為鉆進(jìn)性脆且存在天然裂縫的煤層時(shí)，極易引起井壁垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故，甚至井眼報(bào)廢[5]。梁大川等認(rèn)為井下工具、作業(yè)流體產(chǎn)生的機(jī)械力和壓力波動(dòng)也會(huì)造成煤巖坍塌或者加劇煤巖坍塌程度[6]。針對(duì)這些問(wèn)題，呂開(kāi)河等開(kāi)發(fā)了多元醇/KCl鉆井流體解決塔里木盆地依奇克里克區(qū)塊煤巖井壁失穩(wěn)問(wèn)題[7]。張義等針對(duì)煤層機(jī)械強(qiáng)度低、微裂縫節(jié)理發(fā)育，采用煤層水力自旋轉(zhuǎn)射流鉆頭鉆進(jìn)，防止井壁失穩(wěn)[8]。屈平等認(rèn)為煤層井壁失穩(wěn)是由于裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展所致，通過(guò)模擬軟件確定出節(jié)理煤層的鉆井液密度安全窗口的最高最低值，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算得到山西沁水盆地煤巖鉆井液密度窗口比不考慮裂縫的范圍要小得多[9]。趙向陽(yáng)等開(kāi)發(fā)有機(jī)鹽加重鉆井液解決鄂爾多斯盆地榆林氣田長(zhǎng)北區(qū)塊長(zhǎng)水平段煤層坍塌問(wèn)題[10]。黃維安等分析了沁水盆地煤層氣井壁失穩(wěn)機(jī)理，依據(jù)“多元協(xié)同”防塌原理，構(gòu)建了泥頁(yè)巖地層防塌鉆井液和煤層鉆開(kāi)液，可顯著增加巖樣單向抗壓強(qiáng)度[11]。

總體看，目前煤巖井壁失穩(wěn)研究結(jié)論源于常規(guī)油氣鉆井的煤層失穩(wěn)理論，鉆井流體也是針對(duì)常規(guī)油氣鉆井而研制的，能否作為煤層氣儲(chǔ)層的防塌治塌鉆井流體還有待進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

目前，煤層氣絨囊鉆井流體能較好地解決煤層氣儲(chǔ)層鉆進(jìn)中的坍塌問(wèn)題。開(kāi)發(fā)煤層氣絨囊鉆井流體最初是為解決煤巖儲(chǔ)層鉆井流體漏失[12]。事實(shí)上在防漏堵漏應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其也能防塌治塌，所以近年來(lái)絨囊鉆井流體用于煤層氣防漏防塌的鉆井實(shí)例逐漸增多，一些現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)難題解決后的成果也有所報(bào)道。王德桂等在吉X井使用煤層氣絨囊鉆井流體解決了煤層氣井表層漏失、煤儲(chǔ)層坍塌的問(wèn)題[13]。孫法佩等使用煤層氣絨囊鉆井流體解決了JU2井?215.9 mm大井眼水平井鉆井坍塌的問(wèn)題[14]。孟尚志等使用絨囊鉆井流體解決了山西柳林地區(qū)FL-H2-L煤層氣五分支井易塌易漏的問(wèn)題[15]。王洪關(guān)等使用煤層氣絨囊鉆井流體完成了易塌易漏的沁水盆地六分支井[16]。上述實(shí)例表明絨囊鉆井流體具有防塌能力。事實(shí)上，絨囊流體用于天然氣開(kāi)發(fā)諸多環(huán)節(jié)，早在2011年有所預(yù)測(cè)[17]。王金鳳用天然氣井等產(chǎn)量恢復(fù)時(shí)間在7 d以內(nèi)說(shuō)明絨囊流體作為修井工作流體的寶華儲(chǔ)層效果[18]。

孟尚志等在“U”形井和“V”形井應(yīng)用絨囊鉆井流體后，推測(cè)絨囊鉆井液有較強(qiáng)的抑制性、潤(rùn)滑性、封堵性，從而有效抑制井壁坍塌[19]。匡立新等應(yīng)用于延平1井成功防漏后認(rèn)為絨囊流體可以形成煤巖覆蓋薄膜提高地層承壓能力[20]。學(xué)者們利用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，在一定程度上解釋了防塌治塌現(xiàn)象背后的原因，只是定性說(shuō)明、推測(cè)絨囊鉆井流體的防塌機(jī)理。

本文利用室內(nèi)儀器設(shè)備的模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)，研究了煤巖和煤層氣絨囊鉆井流體作用后的力學(xué)和微觀特征，解釋了其防塌治塌的內(nèi)在原因。

1　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 絨囊鉆井流體影響煤巖單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)配制3種煤層氣常用的鉆井流體：①2%氯化鉀溶液；②由4%膨潤(rùn)土、0.03%增黏劑、2%降失水劑等配制的低固相聚合物煤層氣鉆井流體；③由2.0%囊層劑、0.5%絨毛劑、0.4%囊核劑、0.4%囊膜劑等配制的煤層氣絨囊鉆井流體，用于注入煤巖柱塞，模擬鉆井流體封堵煤巖過(guò)程，并測(cè)定鉆井流體封堵后的煤巖強(qiáng)度。

上聲字的曲字調(diào)值和字腔的基本音勢(shì)都呈狀的高—低—高勢(shì)。專用腔格是罕腔法，符號(hào)是。譜字有兩種形式：一種是以罕腔的專用符合來(lái)標(biāo)記，另一種是以實(shí)音來(lái)標(biāo)記。由罕腔而來(lái)的上聲字腔譜面只有一個(gè)升勢(shì)的腔尾，其腔頭的降勢(shì)通常都用符號(hào)表示，演唱的效果相當(dāng)于下滑音。

配制2%氯化鉀溶液、低固相聚合物煤層氣鉆井流體和煤層氣絨囊鉆井流體，用滲透率儀加圍壓7 MPa模擬井深，初始驅(qū)壓0.5 MPa，從入口端分別注入直徑為25 mm、長(zhǎng)度為50 mm的沁水盆地3號(hào)煤巖柱塞中，不間斷加壓驅(qū)替1 h停止。用單軸壓力機(jī)測(cè)定風(fēng)干煤巖2組和煤巖注入2%氯化鉀溶液2組、低固相聚合物鉆井流體2組、絨囊鉆井流體3組共9枚煤巖柱塞的單軸抗壓強(qiáng)度，測(cè)定的9枚柱塞的單軸抗壓強(qiáng)度和計(jì)算的單軸抗壓強(qiáng)度平均值如圖1所示。

圖1　煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度及各組平均抗壓強(qiáng)度圖

測(cè)試前后的9枚煤巖如圖2（其中有1枚煤巖損壞）所示。

圖2　4組煤巖單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試前后照片

從圖1可以看出，風(fēng)干煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度分別為1.8 MPa、3.5 MPa，注入2%氯化鉀溶液的分別為2.8 MPa、1.4 MPa，低固相聚合物鉆井流體的為2.6 MPa、2.0 MPa，絨囊鉆井流體的為4.0 MPa、2.8 MPa和4.1 MPa，4組煤巖的每組平均抗壓強(qiáng)度分別為2.6 MPa、2.1 MPa、2.3 MPa、3.6 MPa。進(jìn)一步按平均抗壓強(qiáng)度計(jì)算，注入氯化鉀溶液降低煤巖強(qiáng)度19.23%，低固相聚合物鉆井流體降低煤巖強(qiáng)度11.54%，絨囊鉆井流體提高煤巖強(qiáng)度38.46%。

也就是說(shuō)，鉆井過(guò)程中，2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體在壓差作用下，進(jìn)入煤巖會(huì)降低煤巖強(qiáng)度，造成井壁失穩(wěn)。而絨囊鉆井流體則會(huì)提高煤巖強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)防塌治塌。或者說(shuō)，絨囊鉆井流體提高了煤巖自身強(qiáng)度，從而提高了抗坍塌能力，實(shí)現(xiàn)控制井壁失穩(wěn)。其中原因，可能由于氯化鉀溶液和低固相聚合物鉆井流體封堵性能略差，且溶液或者流體中的自由水容易進(jìn)入煤巖地層，引起地層黏土水化膨脹或者水化分散，進(jìn)而引起整個(gè)煤巖地層強(qiáng)度降低。同樣的理由可以解釋，絨囊鉆井流體封堵效果好，流體中的自由水進(jìn)入地層困難或者進(jìn)入地層的深度較淺，黏土水化膨脹或者水化分散概率較低，煤巖能夠保持較高的抗壓強(qiáng)度。至于提高抗壓強(qiáng)度本文也做了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

絨囊鉆井流體封堵后煤巖柱塞的單軸抗壓強(qiáng)度大于采用氯化鉀溶液和低固相聚合物鉆井流體封堵的強(qiáng)度，從力學(xué)的角度進(jìn)一步解釋了采用清水和聚合物鉆井流體無(wú)法控制井壁失穩(wěn)時(shí)，改用絨囊鉆井流體能夠穩(wěn)定煤巖井壁順利完成鉆井任務(wù)的原因——絨囊鉆井流體提高了地層自身的強(qiáng)度。

1.2絨囊流體封堵煤巖后封堵區(qū)域承壓實(shí)驗(yàn)

絨囊流體封堵能力強(qiáng)是其全面封堵的特點(diǎn)決定的[21]，但強(qiáng)度能達(dá)到多少，是作業(yè)者關(guān)心的焦點(diǎn)。為測(cè)試絨囊流體封堵煤巖后能夠承受多大的液柱壓力，利用帶有模擬地層壓力的滲透率測(cè)定儀，先后采用2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體、絨囊鉆井流體，驅(qū)替?38 mm煤巖柱塞，測(cè)定出入口壓力和出口端流體量。實(shí)驗(yàn)兩組?38 mm煤巖柱塞（圖3），獲得煤巖柱塞驅(qū)替2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體、絨囊鉆井流體和絨囊鉆井流體封堵柱塞后驅(qū)替2%氯化鉀溶液的入口端驅(qū)替壓力及兩組實(shí)驗(yàn)的平均出口壓力（圖4）。

圖3　封堵區(qū)域承壓實(shí)驗(yàn)所用的兩組煤巖柱塞照片

圖4　煤巖柱塞承受驅(qū)替壓力柱狀圖

從圖4可以看出，2%氯化鉀溶液驅(qū)替兩組煤巖柱塞的平均入口壓力為1.61 MPa，絨囊鉆井流體封堵柱塞后驅(qū)替2%氯化鉀溶液的為25.22 MPa，可以認(rèn)為，絨囊鉆井流體平均提高煤巖抗破裂強(qiáng)度23.61 MPa，從而增加煤巖強(qiáng)度，提高了煤巖破裂壓力，能夠滿足目前煤層氣鉆井的防塌需要。

從另外一個(gè)角度解釋了采用絨囊鉆井流體封堵后，井下漏失得到有效控制沒(méi)有發(fā)生坍塌的原因。

絨囊鉆井流體封堵煤巖后，地層承壓能力提高，除自身強(qiáng)度抵抗液柱壓力外，依靠絨囊流體分壓、耗壓及撐壓方式，抵消液柱壓力[22]。進(jìn)一步說(shuō)，煤層氣絨囊鉆井流體增大了流體進(jìn)入地層的阻力達(dá)到防漏堵漏目的。通過(guò)堆積、拉抻和堵塞等方式，使本來(lái)作用在煤巖上的液柱力，改變?yōu)樽饔迷诮q囊流體的囊泡上，囊泡吸收或者緩沖煤巖承受的液柱壓力，提高煤巖穩(wěn)定性，也就提高了井壁穩(wěn)定性。

1.3絨囊流體封堵靜態(tài)填砂方式微觀實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步研究絨囊流體封堵地層后，囊泡與封堵地層的關(guān)系，即囊泡在地層滲流通道中如何存在，以實(shí)現(xiàn)提高煤巖自身強(qiáng)度和抵抗液柱壓力進(jìn)入地層。實(shí)驗(yàn)選用60～80目、80～100目、100～120目三種不同粒徑的石英砂樣以替代在顯微鏡下觀察效果不佳的煤巖碎屑，先充填?12 mm×70 mm透明有機(jī)玻璃管（圖5），后置入填砂管中，再充填?25 mm×500 mm填砂管。實(shí)驗(yàn)施加回壓0.5 MPa，在較低驅(qū)壓0.01 MPa下注入絨囊流體，防止煤巖碎屑沖出填砂管。封堵成功后，取出有機(jī)玻璃管，用COVS-P-45/45TR連續(xù)變倍立體顯微鏡，10～15倍下觀察囊泡封堵方式。

圖5　含砂有機(jī)玻璃管照片

砂樣在填砂管中形成大小、形狀不同的孔隙，囊泡以不同的方式與其關(guān)聯(lián)。60～80目、80～100目的填砂管實(shí)驗(yàn)都能看到囊泡封堵大孔、中孔、小孔的方式，由于100～120目的砂樣未能在填砂管里堆積成大孔隙，該填砂管實(shí)驗(yàn)僅能看到囊泡封堵中孔、小孔的方式，如圖6所示。

圖6　砂樣填砂管囊泡封堵形式照片

從圖6中可以看出，砂樣在填砂管里堆積成尺寸不等的孔隙，封堵的囊泡尺寸大小也不一致。進(jìn)一步觀察不同大小的孔隙和封堵它的囊泡形態(tài)，按囊泡封堵不同大小的孔隙后存在的形態(tài)可以分為堆積、拉抻(被低壓拉拽增長(zhǎng))、堵塞3種形式。

孔隙尺寸為囊泡直徑兩倍以上時(shí)，囊泡堆積在一起，如圖6-a、圖6-b中①所示；孔隙尺寸與囊泡直徑大小相當(dāng)時(shí)，囊泡拉抻變形，如圖6中②所示；孔隙尺寸小于囊泡直徑較多時(shí)，囊泡堵塞孔隙入口處，如圖6中③所示。無(wú)論大孔隙、中孔隙還是小孔隙都能得到封堵。

封堵大孔隙，囊泡堆積，分解井筒液柱壓力；封堵中孔隙，囊泡拉抻，消耗液柱壓力；封堵小孔隙，囊泡堵塞，阻止流體進(jìn)入地層。具體流體以哪種方式封堵地層，由地層孔隙進(jìn)入的絨囊流體隨機(jī)決定，不存在大小孔隙和大小囊泡誰(shuí)先誰(shuí)后問(wèn)題。這與以前宏觀研究推測(cè)的絨囊封堵方式基本一致[23]。這可以從微觀上解釋絨囊鉆井流體能夠順利完成清水和聚合物不能完成的煤巖鉆井問(wèn)題。主要是絨囊鉆井流體能夠通過(guò)分壓、耗壓、撐壓封堵方式，全面封堵煤層中裂縫、孔洞和裂隙，使得自身裂縫發(fā)育的、強(qiáng)度相對(duì)低的煤巖充填成相對(duì)穩(wěn)定的整體，提高地層強(qiáng)度，相當(dāng)于提高了坍塌壓力和破裂壓力。

同時(shí)，絨囊封堵完成后，裂隙靠近井筒端，囊泡通過(guò)絨毛的吸附平鋪在井壁上，形成“珠狀毯”，囊泡的彈性、韌性會(huì)吸收鉆具對(duì)井壁的沖擊力，從而減緩了鉆具造成的井壁失穩(wěn)，可以保證起下鉆的抽汲和壓力激動(dòng)下井壁安全。由于絨囊流體封堵能力和封堵強(qiáng)度的影響因素較多，其種類和影響程度以后再做研究。

2　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

煤層氣絨囊鉆井流體自發(fā)明以來(lái)，已完成沁水、吉縣等8個(gè)地區(qū)35口井煤層氣直井、水平井、分支井等鉆完井作業(yè)，為這些地區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)選擇。由于其在煤層氣成井過(guò)程中防塌和防漏的獨(dú)到特點(diǎn)，特別適合于復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)井作業(yè)，通過(guò)減少井下難題和事故，加快煤層氣鉆井速度。

2.1沁平12H煤層氣六分支井鉆井

沁平12H井是沁水盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區(qū)塊的一口六分支水平井。設(shè)計(jì)水平井煤層總進(jìn)尺4 440.22 m，2個(gè)主分支，6個(gè)小分支，裸眼完井。該區(qū)塊鉆井過(guò)程中易發(fā)生井壁垮塌、卡鉆等事故，鉆井成功率低。提高井壁穩(wěn)定性和提高鉆井成功率是成井的難點(diǎn)。

沁平12H井二開(kāi)前采用清水鉆進(jìn)，三開(kāi)水平分支井采用絨囊鉆井流體，密度介于0.96～1.08 g/cm3，塑性黏度介于7～17 mPa·s，動(dòng)切力介于4.0～10.22 Pa，煤層鉆遇率達(dá)到95%。中途克服井漏、井塌等井下難題，鉆井總進(jìn)尺4 189.49 m。兩主井眼順利下入篩管，完井。

2.2樊試UH井三開(kāi)鉆井

樊試UH井是沁水盆地南部晉城斜坡帶樊莊區(qū)塊的一口“U”形對(duì)接井，設(shè)計(jì)井深1 500 m。

三開(kāi)先采用清水鉆至772 m時(shí)，地層坍塌，卡鉆。后采用煤層氣絨囊鉆井流體，密度介于0.96～1.05 g/cm3，塑性黏度介于6～14 mPa·s，動(dòng)切力介于6.13～20.44 Pa。安全鉆至1 501 m與直井連通，完鉆井深1 510 m。順利完井。

3　結(jié)論

1）初步揭示煤層氣絨囊鉆井流體三大主要防塌機(jī)理，即提高煤巖地層強(qiáng)度、增大流體進(jìn)入煤層的地層阻力、吸收鉆具沖擊力等。

2）以微觀實(shí)驗(yàn)的手段發(fā)現(xiàn)絨囊流體中囊泡以堆積、拉抻、堵塞形式封堵地層，佐證了絨囊鉆井流體分壓、耗壓、撐壓等作用機(jī)理，在一定程度上解釋了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中推測(cè)的提高地層承壓能力、成膜等煤層氣絨囊流體防塌機(jī)理。

參考文獻(xiàn)

[1]彭賢強(qiáng),張寶生,儲(chǔ)王濤,劉玲莉.中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)綜合效益評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè),2008,28(3):124-126.Peng Xianqiang,Zhang Baosheng,Chu Wangtao,Liu Lingli.Comprehensive benefit evaluation of coal bed methane development in China[J].Natural Gas Industry,2008,28(3):124-126.

[2]高遠(yuǎn)文,姚艷斌.我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)模式探討[J].資源與產(chǎn)業(yè),2008,10(2):90-92.Gao Yuanwen,Yao Yanbin.Present status and development model of coalbed methane industry in China[J].Resources & Industries,2008,10(2):90-92.

[3]鄭毅,黃洪春.中國(guó)煤層氣鉆井完井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].石油學(xué)報(bào),2002,23(3):81-85.Zheng Yi,Huang Hongchun.Development of drilling and completion technology of coalbed methane wells in China[J].Acta Petrolei Sinica,2002,23(3):81-85.

[4]黃維安,邱正松,徐加放,于連香.吐哈西部油田井壁失穩(wěn)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào),2007,28(3):116-119.Huang Wei'an,Qiu Zhengsong,Xu Jiafang,Yu Lianxiang,Experimental study on sidewall instability mechanism of oil wells in the western Tuha oilfield[J].Acta Petrolei Sinica,2007,28(3):116-119.

[5]董建輝,王先國(guó),喬磊,申瑞臣,王開(kāi)龍.煤層氣多分支水平井鉆井技術(shù)在樊莊區(qū)塊的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2008,36(4):21-24.Dong Jianhui,Wang Xianguo,Qiao Lei,Shen Ruichen,Wang Kailong.Application of CBM multi-branch horizontal well for drilling technology in Fanzhuang Block[J].Coal Geology & Exploration,2008,36(4):21-24.

[6]梁大川,蒲曉林,徐興華.煤巖坍塌的特殊性及鉆井液對(duì)策[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(6):28-31.Liang Dachuan,Pu Xiaolin,Xu Xinghua.Particularity of coal collapse and drilling fluid countermeasure[J].Journal of Southwest Petroleum Institute,2002,24(6):28-31.

[7]呂開(kāi)河,孫明波,邱正松.塔里木盆地依奇克里克區(qū)塊煤層鉆井技術(shù)研究[J].石油學(xué)報(bào),2006,27(5):108-111.Lü Kaihe,Sun Mingbo,Qiu Zhengsong.Drilling techniques for coalbed in Yiqikelike area of Tarim Basin[J].Acta Petrolei Sinica,2006,27(5):108-111.

[8]張義,周衛(wèi)東,王瑞和,鮮保安.煤層水力自旋轉(zhuǎn)射流鉆頭設(shè)計(jì)[J].天然氣工業(yè),2008,28(3):61-63.Zhang Yi,Zhou Weidong,Wang Ruihe,Xian Bao'an.Design on hydraulic self-revolving jet bits for CBM drilling[J].Natural Gas Industry,2008,28(3):61-63.

[9]屈平,申瑞臣.煤層氣鉆井井壁穩(wěn)定機(jī)理及鉆井液密度窗口的確定[J].天然氣工業(yè),2010,30(10):64-68.Qu Ping,Shen Ruichen.Mechanism of wellbore stability and determination of drilling fluid density window in coalbed methane drilling[J].Natural Gas Industry,2010,30(10):64-68.

[10]趙向陽(yáng),林海,陳磊,涂海海,宋迎春.長(zhǎng)北氣田CB21-2井長(zhǎng)水平段煤層防塌鉆井液技術(shù)實(shí)踐與認(rèn)識(shí)[J].天然氣工業(yè),2012,32(3):81-85.Zhao Xiangyang,Lin Hai,Chen Lei,Tu Haihai,Song Yingchun.Application of anti-sloughing drilling fluid technology to the long horizontal coalbed interval of Well CB21-2,Changbei Gas Field[J].Natural Gas Industry,2012,32(3):81-85.

[11]黃維安,邱正松,楊力,王彥祺,馬永樂(lè),王宗敏.煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理及防塌鉆井液技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2013,41(2):37-41.Huang Wei’an,Qiu Zhengsong,Yang Li,Wang Yanqi,Ma Yongle,Wang Zongmin.Instability mechanism of sidewall and anti-sloughing drilling fluid technique for coalbed methane well drilling[J].Coal Geology & Exploration,2013,41(2):37-41.

[12]鄭力會(huì),曹園,韓子軒.含絨囊結(jié)構(gòu)的新型低密度鉆井液[J].石油學(xué)報(bào),2010,31(3):490-493.Zheng Lihui,Cao Yuan,Han Zixuan.Novel low-density drilling fluid containing fuzzy ball structure[J].Acta Petrolei Sinica,2010,31(3):490-493.

[13]王德桂,何玉云,卜淵,畢延森,張毅,羅紅兵.吉X井煤層氣絨囊鉆井液實(shí)踐[J].石油鉆采工藝,2011,33(5):93-95.Wang Degui,He Yuyun,Bu Yuan,Bi Yansen,Zhang Yi,Luo Hongbing.Practice of fuzzy-ball drilling fluid technology in Well Ji X coalbed methane[J].Oil Drilling & Production Technology,2011,33(5):93-95.

[14]孫法佩,張杰,李劍,李翔,鄭烜.煤層氣215.9 mm井眼水平井絨囊鉆井液技術(shù)[J].中國(guó)煤層氣,2012,9(2):18-21.Sun Fapei,Zhang Jie,Li Jian,Li Xiang,Zheng Xuan.Soft capsule drilling fluid technology for 215.9mm CBM well and horizontal well[J].China Coalbed Methane,2012,9(2):18-21.

[15]孟尚志,竇政輝,劉彬,孫苗苗.FL-H2-L煤層氣五分支水平井絨囊鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液,2012,29(1):5-8.Meng Shangzhi,Dou Zhenghui,Liu Bin,Sun Miaomiao.The fuzzy-ball drilling fluid technology in FL-H2-L CBM 5 branch horizontal well[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2012,29(1):5-8.

[16]王洪關(guān),崔金榜,朱慶忠,陳必武.沁平12-11-3H煤層氣六分支水平井絨囊鉆井液技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2014,36(3):39-41.Wang Hongguan,Cui Jinbang,Zhu Qingzhong,Chen Biwu.Fuzzy-ball drilling fluid technology in CBM of multilateral horizontal well Qinping 12-11-3H with six branch holes[J].Oil Drilling & Production Technology,2014,36(3):39-41.

[17]鄭力會(huì).仿生絨囊鉆井液煤層氣鉆井應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].石油鉆采工藝,2011,33(3):78-81.Zheng Lihui.Application state and prospects of bionic fuzzy-ball drilling fluids for coalbed methane drilling[J].Oil Drilling & Production Technology,2011,33(3):78-81.

[18]王金鳳,鄭力會(huì),張耀剛,鄧金根,張儒鑫.天然氣井的絨囊流體活塞修井技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2015,35(12):53-57.Wang Jinfeng,Zheng Lihui,Zhang Yaogang,Deng Jingen,Zhang Ruxin.Fuzzy-ball fluid piston workover technology for natural gas wells[J].Natural Gas Industry,2015,35(12):53-57.

[19]孟尚志,張志珩,趙軍.絨囊鉆井液在煤層氣水平井穩(wěn)定井壁技術(shù)的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2014,31(3):35-38.Meng Shangzhi,Zhang Zhiheng,Zhao Jun.Application of chorionic sac drilling fluid in stabilizing borehole wall in horizontal coal bed methane drilling[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2014,31(3):35-38.

[20]匡立新,鄭烜,袁明進(jìn),胡江浜.延平1水平井煤層氣絨囊鉆井液實(shí)踐[J].天然氣與石油,2012,30(4):39-42.Kuang Lixin,Zheng Xuan,Yuan Mingjin,Hu Jiangbang.Application of fuzzy-ball drilling fluids to coalbed methane development in Yanping 1 horizontal well[J].Natural Gas and Oil,2012,30(4):39-42.

[21]鄭力會(huì),張明偉.封堵技術(shù)基礎(chǔ)理論回顧與展望[J].石油鉆采工藝,2012,34(5):1-9.Zheng Lihui,Zhang Mingwei.Review of basic theory for lost circulation control[J].Oil Drilling & Production Technology,2012,34(5):1-9.

[22]鄭力會(huì),孔令琛,曹園,王慧云,韓子軒,何曉慶.絨囊工作液防漏堵漏機(jī)理[J].科學(xué)通報(bào),2010,55(15):1220-1228.Zheng Lihui,Kong Lingchen,Cao Yuan,Wang Huiyun,Han Zixuan,He Xiaoqing.The mechanism for fuzzy-ball working fluids for controlling & killing lost circulation[J].Chinese Science Bulletin,2010,55(15):1220-1228.

[23]Zheng LH,Kong L,Cao Y,Wang H,Han Z.A new fuzzy ball working fluid for plugging lost circulation paths in depleted reservoirs[J].Petroleum Science and Technology,2012,30(24):2517-2530.

（修改回稿日期 2015-12-27 編 輯 凌 忠）

Anti-collapse mechanism of the CBM fuzzy-ball drilling fluid

Zheng Lihui1,2,Chen Biwu3,Zhang Zheng1,Tang Jidan1,3,Sun Hao1
(1.China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.Lost Circulation Control Division,Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory,Wuhan,Hubei 430100,China; 3.CBM Branch Company,Huabei Oilfield Company,Changzhi,Shanxi 046000,China)

NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 2，pp.72-77，2/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Although fuzzy-ball drilling fluid has been successfully applied in CMB well drilling,it is necessary to study its anti-collapse mechanism so that adjustable coalbed sealing effects,controllable sealing strength,rational sealing cost and controllable reservoir damage degree can be realized.In this paper,laboratory measurement was performed on the uniaxial compressive strength of the plungers of No.3 coalbed in the Qinshui Basin and the inlet pressure of ?38 mm coal plunger displacement.The strength of coal plungers were tested and compared after 2% potassium chloride solution,low-solids polymer drilling fluid and fuzzy-ball drilling fluid were injected into the coal plungers respectively.It is shown that coal strength rises by 38.46% after the fuzzy-ball drilling fluid is injected (in three groups); and that no fuzzy-ball drilling fluid is lost at the displacement pressures of 20.73 MPa and 21.46 MPa,nor 2% potassium chloride solution is leaked at such pressures of 24.79 MPa and 25.64 MPa after the plunger was sealed by the fuzzy-ball drilling fluid.This indicates that the fuzzy-ball drilling fluid can increase the formation resistance to fluid.Indoor microscopic observation was conducted on the sealing process of the fuzzy-ball drilling fluid in sand packs with coal cuttings of three grain sizes (60-80,80-100 and 100-120 mesh).It is shown that the leakage pathways of different sizes are sealed by the vesicles in the form of accumulation,stretch and blockage.And there are vesicles at the inlet ends of the flowing pathways in the shape of beaded blanket.The impact force of drilling tools on the borehole walls is absorbed by the vesicles due to their elasticity and tenacity,so the borehole wall instability caused by drilling tools is relieved.It is concluded that the main anti-collapse mechanisms of the CBM fuzzy-ball drilling fluid are to raise the coal strength,increase the formation resistance to fluid,and buffer the impact of drill tools.

Keywords:CBM; Drilling; Wellbore stability; Fuzzy-ball; Drilling fluid; Anti-collapse mechanism; Qinshui Basin; Laboratory test

作者簡(jiǎn)介：鄭力會(huì)，1968年生，研究員，博士生導(dǎo)師，楚天學(xué)者特聘教授，博士；油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏研究室學(xué)術(shù)帶頭人，主要從事油氣田化學(xué)防漏堵漏研究工作。地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)。電話：（010）89732207。ORCID:0000-0002-2334-3263。E-mail:zhenglihui@cup.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究”（編號(hào)：51221003）、國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“煤層氣鉆完井及增產(chǎn)改造技術(shù)示范工程”（編號(hào)：2016ZX05064002-002）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.010