沁水盆地煤層氣井鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向

呂帥鋒 王生維，3 烏效鳴 李 瑞 王道寬

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 武漢)資源學(xué)院，湖北 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 武漢) 工程學(xué)院，湖北 430074；3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司國(guó)家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 048006)

沁水盆地煤層氣井鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向

呂帥鋒1王生維1，3烏效鳴2李 瑞1王道寬2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 武漢)資源學(xué)院，湖北 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 武漢) 工程學(xué)院，湖北 430074；3.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司國(guó)家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 048006)

沁水盆地目前以清水鉆井液為主體，兼用優(yōu)質(zhì)鉆井液，同時(shí)嘗試了聚合物鉆井液、絨囊鉆井液和中空玻璃球鉆井液等低密度新型鉆井液，但是這些類型鉆井液只是針對(duì)特定煤層，沒有形成成熟的煤層氣井鉆井液技術(shù)體系?？山到忏@井液能夠通過生物酶解除污染，微固相聚合物鉆井液能夠有效地成膜護(hù)壁，兩者結(jié)合具有良好的應(yīng)用前景，可能是未來煤層氣井鉆井液的一個(gè)主要發(fā)展方向。此外，建議加強(qiáng)對(duì)煤層損害解除方法的研究，盡快制定煤層氣鉆井相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法和礦場(chǎng)評(píng)價(jià)方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成一套適于煤層氣鉆采的煤層氣井專用鉆井液體系。

沁水盆地 煤層氣井鉆井液 可降解 微固相

煤層氣井鉆井質(zhì)量嚴(yán)重制約著后期煤層氣排采和產(chǎn)氣量的提高。煤儲(chǔ)層為裂隙型儲(chǔ)層，具有空裂隙雙重空隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)沁水盆地由于經(jīng)歷印支、燕山、喜馬拉雅等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)生升降、褶皺、斷裂和變形，煤儲(chǔ)層受了不同程度的破壞，碎裂煤等構(gòu)造煤較為發(fā)育。沁水盆地煤儲(chǔ)層地層壓力普遍較低，煤體松軟易垮塌，敏感性強(qiáng)，儲(chǔ)層容易受到外來流體傷害和污染。因此，煤層氣鉆井在井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)方面具有很大的挑戰(zhàn)。

鉆井液是煤層氣鉆井中的循環(huán)介質(zhì)，直接與煤儲(chǔ)層接觸，沁水盆地煤層氣鉆井裸眼井段較長(zhǎng)，鉆井難度大。鉆井液能夠懸浮煤屑，保證鉆孔中煤屑被排除干凈；在有效懸浮鉆屑同時(shí)，可加強(qiáng)對(duì)松軟井壁的膠結(jié)作用，這樣可以有效保護(hù)井壁；通過強(qiáng)降失水劑和成膜骨架的作用可以大大降低煤層氣鉆井液向地層滲透的作用；通過抑制劑來抑制地層的水化膨脹、坍塌縮徑等，保護(hù)煤層井壁；在一定條件下通過調(diào)整鉆井液中的成膜骨架加量來調(diào)整其密度，從而平衡地層中正常壓力和異常壓力，保證安全鉆進(jìn)。因此可以通過改進(jìn)煤層氣井鉆井液技術(shù)提高鉆井質(zhì)量，減少鉆井事故和對(duì)煤儲(chǔ)層的污染。

沁水盆地煤層氣生產(chǎn)井主要采用清水、無粘土鉆井液或優(yōu)質(zhì)鉆井液施工。利用清水或者無粘土鉆井液鉆進(jìn)時(shí)井孔內(nèi)容易出現(xiàn)掉塊、坍塌，甚至難以形成井眼而導(dǎo)致報(bào)廢，優(yōu)質(zhì)鉆井液能夠有效降低鉆井施工風(fēng)險(xiǎn)，但是難以控制鉆井液固相物對(duì)煤儲(chǔ)層裂隙的堵塞，導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)能降低。因此沁水盆地煤層氣鉆井在鉆井液的使用上進(jìn)行了積極的探索，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的效果。

1 煤層氣井井壁失穩(wěn)機(jī)理

煤儲(chǔ)層孔裂隙發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)破碎，為鉆井液濾失和侵入煤儲(chǔ)層提供了良好的通道和貯存空間，同時(shí)煤巖中含有大量粘土礦物，其中不乏膨脹性粘土礦物，如伊蒙混層粘土，極易水化膨脹，致使井眼周圍煤巖更加松散，膠結(jié)強(qiáng)度下降。鉆井液對(duì)煤層氣井井壁長(zhǎng)時(shí)間的浸泡和沖洗，增加了井壁的不穩(wěn)定性。從力學(xué)方面來講，當(dāng)鉆井液密度大于地層破裂壓力當(dāng)量密度或者小于地層坍塌壓力當(dāng)量密度，井壁巖石就會(huì)失去平衡，造成井壁的崩裂或者垮塌。沁水盆地煤系地層普遍埋深較淺，地層壓力系數(shù)較小，屬于低壓-常壓的地層，鉆井液密度通常高于地層破裂壓力，同時(shí)由于鉆進(jìn)時(shí)鉆井動(dòng)壓影響，鉆井施工容易發(fā)生井壁破裂，引起鉆井液進(jìn)一步漏失，增加堵漏難度。

因此，煤層氣井井壁失穩(wěn)是內(nèi)因和外因兩方面共同導(dǎo)致的。內(nèi)因?yàn)槊簝?chǔ)層機(jī)械結(jié)構(gòu)松軟破碎且含有易水化的粘土礦物等自身地質(zhì)條件。外因是鉆井液安全密度窗口決定的，即鉆井液密度要限制在地層破裂和地層垮塌當(dāng)量密度的范圍內(nèi)。

很多學(xué)者對(duì)關(guān)于井壁失穩(wěn)機(jī)理做了深入研究。唐立強(qiáng)等根據(jù)力學(xué)原理，確定鉆井液密度范圍，地層破裂壓力當(dāng)量密度為：

式中：K=tan(40°+φ/2)；φ為摩擦角，°；H為井眼垂深，m；ρm為鉆井液密度，kg/L；C為巖石粘聚力，MPa；η為應(yīng)力非線性修正系數(shù)；a為有效應(yīng)力修正系數(shù)；σH1和σH2為水平地應(yīng)力，MPa；p0為孔隙壓力，MPa。

地層破裂壓力當(dāng)量密度為：

式中：ρf為鉆井液密度，kg/L；st為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。

2 鉆井液污染和傷害煤儲(chǔ)層機(jī)理

造成儲(chǔ)層污染的因素也包括內(nèi)因和外因，內(nèi)因?yàn)槊簝?chǔ)層具有裂隙性和敏感性，機(jī)械強(qiáng)度弱，外因主要為鉆井液液柱壓力以及鉆井液與煤層流體的不匹配性。

關(guān)于鉆井液污染和傷害煤儲(chǔ)層機(jī)理，可以歸納為三個(gè)方面。第一，鉆井液固相顆粒粒徑在量值上非常接近或者小于煤層裂隙和孔隙,極易進(jìn)人煤層裂隙和孔隙中造成產(chǎn)氣通道被堵塞。同時(shí)，鉆井液處理劑高分子聚合物吸附在煤基質(zhì)表面，形成凝膠層，不僅堵塞裂隙，還會(huì)誘發(fā)煤基質(zhì)膨脹，使有效裂縫受擠壓變窄。第二，由于煤儲(chǔ)層往往為欠壓地層，如果鉆井液液柱壓力過大，特別是上下鉆具時(shí)引起壓力激動(dòng)，也可能造成煤儲(chǔ)層裂隙閉合。煤巖經(jīng)多次加壓和卸壓過程后，加壓會(huì)使?jié)B透率降低，而卸壓時(shí)滲透率只能得到一定程度的恢復(fù)，從而造成滲透率的損失。第三，鉆井液濾液由于與煤儲(chǔ)層中流體物理化學(xué)性質(zhì)不匹配，可使煤基質(zhì)膨脹，從而減小孔隙度，降低煤巖滲透率；同時(shí)煤巖中化學(xué)物質(zhì)或者礦物發(fā)生聚集沉降，也能堵塞孔隙；濾液被壓入煤巖孔隙后，由于毛細(xì)效應(yīng)和水鎖效應(yīng)等，堵塞咽喉，很難出來，從而造成煤巖孔隙通道的堵塞。

3 煤層氣鉆井液技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前清水鉆井液在沁水盆地煤層氣井鉆井中被普遍使用。藍(lán)焰煤層氣公司幾乎所有煤層氣垂直井都使用清水鉆進(jìn)。清水鉆井液是在清水中添加少許處理劑，如抑制劑、絮凝劑等，使之與煤儲(chǔ)層具有更好的伍配性，從而降低對(duì)煤儲(chǔ)層的水敏性傷害。但是由于清水鉆井液粘度小，懸渣能力較弱，同時(shí)在裂隙發(fā)育煤層漏失量較大，容易發(fā)生井壁坍塌掉塊，鉆井事故頻發(fā)。清水鉆井液適合在煤層氣豎直井中使用，對(duì)于長(zhǎng)距離順層煤層井或者水平井無濟(jì)于事。同時(shí)為了加快鉆速，在淺層地表也通過空壓機(jī)和增壓機(jī)使用空氣鉆進(jìn)，大大縮短鉆井工期。沁水盆地同時(shí)嘗試了一些低密度新型鉆井液，并取得了一定的效果。下面簡(jiǎn)單介紹中空玻璃球鉆井液、聚合物鉆井液和絨囊鉆井液以及可降解鉆井液。

3.1 中空玻璃微球鉆井液

中空玻璃微球鉆井液具有密度小的特點(diǎn)，適合欠平衡鉆井和高效快速鉆進(jìn)，還可以有效的保護(hù)煤儲(chǔ)層，降低儲(chǔ)層傷害。該鉆井液在柿莊南區(qū)塊的SX-177、SX-181井組鉆進(jìn)山西組3號(hào)煤層時(shí)得到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在低密度的基礎(chǔ)上，增加提粘劑和降濾失劑，有效控制切力和失水量等性能，提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期。但是該鉆井液對(duì)注入設(shè)備以及煤體結(jié)構(gòu)要求較高，在破碎易垮煤層難以發(fā)揮作用。

3.2 聚合物鉆井液

聚合物鉆井液最大的優(yōu)點(diǎn)在于利用其低固相、低失水量和強(qiáng)絮凝性等特點(diǎn)在井壁周圍形成薄而致密的泥皮，從而能夠有效穩(wěn)定并且保護(hù)井壁，阻止鉆井液進(jìn)一步侵入煤層。優(yōu)質(zhì)鉆井液實(shí)質(zhì)上為聚合物鉆井液，調(diào)整其性能在固相含量、攜砂性、潤(rùn)滑性和濾失性等方面滿足煤層氣鉆井要求。煤層氣開發(fā)井Z-004用清水在煤層中鉆進(jìn)時(shí)，發(fā)生井壁垮塌和卡鉆事故，在鉆井液中加入適量的粘土粉和聚合物處理劑后，提高了攜屑能力，井眼穩(wěn)定，順利鉆至靶點(diǎn)。在柿莊地區(qū)，所選聚合物鉆井液現(xiàn)場(chǎng)使用很成功，起到了較好的護(hù)壁效果，同時(shí)節(jié)約了工程成本，縮短了工期。聚合物鉆井液需要嚴(yán)格控制其密度和固相含量，才能夠在安全鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上最小限度地減小對(duì)煤儲(chǔ)層的污染和傷害。

3.3 絨囊鉆井液

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)絨囊鉆井液的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該鉆井液具有低密度和高效封堵、自動(dòng)解堵的特點(diǎn)，能夠降低濾失量，有效保護(hù)煤儲(chǔ)層不受污染?！敖q囊”由內(nèi)部的“氣核”、中間的表面活性劑和外圍的高分子聚合物構(gòu)成，鉆遇不同規(guī)模裂隙的地層時(shí)，根據(jù)囊粒與裂隙尺寸的關(guān)系，分別可以對(duì)裂隙進(jìn)行分壓封堵、耗壓封堵和撐壓封堵，因此能夠封堵和控制各種尺寸的濾失通道。山西柳林縣的CLY-A井二開使用絨囊鉆井液，驗(yàn)證了其良好的封堵效果。

3.4 可降解鉆井液

可降解鉆井液是在無固相聚合物鉆井液基礎(chǔ)上加入生物酶，能夠人為控制降解時(shí)間，理論上可以有效清除鉆井液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害，從而恢復(fù)煤儲(chǔ)層的滲透率(圖1)。但是該鉆井液缺乏現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其解堵性有待工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

圖1 不同處理階段煤巖平均氣體滲透率變化情況

4 問題和建議

沁水盆地煤層氣井鉆井中，清水鉆井液、聚合物鉆井液和氣體泡沫鉆井液只有針對(duì)具體特定的煤儲(chǔ)層條件，才具有良好的適用效果，同時(shí)還需要對(duì)鉆井液材料成本、循環(huán)設(shè)備要求等綜合考慮。學(xué)者對(duì)鉆井液成膜護(hù)壁研究較多，對(duì)于后期定時(shí)降解和返排卻研究較少，也很少同時(shí)考慮兩者。鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害評(píng)價(jià)大多局限于滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)、膨脹量測(cè)定、鏡下觀測(cè)和數(shù)值模擬等手段，缺少現(xiàn)場(chǎng)或者井下解剖分析，也沒有能夠和工程因素相結(jié)合研究。

在現(xiàn)有技術(shù)條件基礎(chǔ)上，需要通過加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，篩選鉆井液材料和處理劑，配制出針對(duì)不同地質(zhì)條件煤儲(chǔ)層的煤層氣井鉆井液。微固相聚合物鉆井液能夠有效地形成泥餅保護(hù)井壁，可降解鉆井液能夠通過生物酶解除污染，二者結(jié)合具有良好的應(yīng)用前景。因此，建議加強(qiáng)對(duì)煤層損害解除方法的研究，研制出同時(shí)具有成膜護(hù)壁和定時(shí)降解性能的鉆井液體系，形成一套煤層氣井專用鉆井液體系。同時(shí)建立鉆井液對(duì)裂隙性煤儲(chǔ)層傷害的評(píng)價(jià)體系，健全煤層氣鉆井相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，并且制定出礦場(chǎng)評(píng)價(jià)方法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使煤層氣產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

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(責(zé)任編輯 劉 馨)

Current Situation and Development Direction of Drilling Fluid Technology for CBM Wells in Qinshui Basin

LV Shuaifeng1，WANG Shengwei1，3，WU Xiaoming2，LI Rui1，WANG Daokuan2

(1.Faculty of Earth Resourceses, China University of Geosciences(Wuhan), Hubei 430074;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan), Hubei 430074;3.National Energy Key Lab of Coal and Coalbed Methane Co-Mining Technology, Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Corporation Limited, Shanxi 048006)

Water drilling fluids act as the main body currently in Qinshui basin, high quality drilling fluids are followed. Some new and low density drilling fluids such as polymer, velvet pouch and hollow glass spheres drilling fluids were tried to make the application. But these types of drilling fluids are just for a particular coal seam, and there is not mature drilling fluid technology system. Degradable drilling fluids can relieve pollution through biological enzyme, and micro solid drilling fluids could build a protective film, so they both have good application prospects which may be a major development direction in the future. In addition, it is recommended to strengthen the research of lifting coal damage, and as soon as possible to develop the industry standard including laboratory experiments and field evaluation method, and form a set of suitable for CBM wells special drilling fluid system.

Qinshui Basin; drilling fluids of CBM well; iodegradable; micro solid phase

呂帥鋒,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,研究方向?yàn)槊簩託饪碧脚c開發(fā)。