煤層氣弱凝膠和微固相雙效鉆井液體系

王道寬， 彭斌， 烏效鳴， 惠增輝

煤層氣是一種煤層本身自生自儲(chǔ)式的非常規(guī)天 然氣資源，主要成分是甲烷，多以吸附方式被煤基質(zhì)束縛。中國煤層氣儲(chǔ)層的微裂隙多，總孔容、微孔孔容大，比表面積大，吸附性強(qiáng)[1-5]。因此煤層氣鉆井液除了需要滿足常規(guī)性能以外，還需盡可能降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害（滲透率傷害、水鎖傷害）[6-11]。而且中國煤層氣各自相對(duì)埋藏較深，裸眼井段較長、鉆井難度較大[12-18]。無論是優(yōu)質(zhì)的膨潤土鉆井液，還是清水都會(huì)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)生傷害。因此研制出弱凝膠和微固相鉆井液體系，同時(shí)運(yùn)用生物酶和表面活性劑，通過pH值控制復(fù)合生物酶的降解時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)安全高效鉆進(jìn)和定時(shí)降解保護(hù)儲(chǔ)層的效果。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)弱凝膠和微固相雙效鉆井液體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 雙效鉆井液作用機(jī)理

針對(duì)中國煤層氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)，在前人研究的基礎(chǔ)上，為了保證復(fù)雜煤層鉆進(jìn)及減少對(duì)儲(chǔ)層的影響，提出有架橋顆粒（膨潤土）的微固相鉆井液；對(duì)于比較完整的煤層使用弱凝膠鉆井液。

作用機(jī)理主要是利用抗污染能力強(qiáng)、可降解性好、提黏降濾失效果好的降濾失劑和提黏劑。一方面滿足前期成膜護(hù)壁等基本鉆進(jìn)需求，后期利用復(fù)合生物酶和pH值控制高效降解；另一方面結(jié)合優(yōu)質(zhì)少量膨潤土作為架橋顆粒，應(yīng)對(duì)復(fù)雜煤層氣儲(chǔ)層鉆進(jìn)，利用兩性水化表面活性劑降低水鎖危害[11]。

2 雙效鉆井液組成及其性能評(píng)價(jià)

2.1 雙效鉆井液組成及基本性能

弱凝膠鉆井液（1#配方，針對(duì)比較完整煤儲(chǔ)層）：0.1%流型調(diào)節(jié)劑XC+0.1%田箐膠（高效可降解提黏劑1）+0.15%PAC-HV（高效可降解提黏劑2）+1%PAC-LV（高效可降解降濾失劑1）+2%DFD（高效可降解降濾失劑2）+0.3%兩性水化表面活性劑HXY

微固相鉆井液（2#配方，針對(duì)較破碎煤儲(chǔ)層）：0.8%優(yōu)質(zhì)土（骨架成膜劑）+0.1%XC+0.1%田箐膠+0.15%PAC-HV+1.5%PAC-LV+2%DFD+0.3%HXY

目前現(xiàn)場使用配方：6.625%土+0.375%HVCMC+0.25%GD-1。3個(gè)配方基本性能見表1。弱凝膠和微固相雙效鉆井液各方面指標(biāo)都要優(yōu)于晉城地區(qū)現(xiàn)場使用的配方。

表1 弱凝膠和微固相雙效鉆井液與現(xiàn)場配方性能對(duì)比

2.2 抑制性

通過巖心壓制機(jī)壓制試驗(yàn)地區(qū)主力煤層15#煤巖心，15#煤巖心壓制條件為：7 g過篩孔為0.154 mm篩的煤粉加入2 mL水玻璃，在15 MPa壓力下壓制20 min。然后通過膨脹量儀測(cè)試不同時(shí)間巖心在水、弱凝膠鉆井液（1#配方）和微固相鉆井液（2#配方）中的膨脹量，并最終換算為膨脹率，對(duì)比見圖1。由圖1可知，弱凝膠和微固相鉆井液都對(duì)15#煤樣巖心有較好抑制作用，膨脹量很小。一方面弱凝膠和微固相鉆井液濾失量都很??；另一方面大分子材料水化束縛了很多自由水，大大減少了樣品的水化膨脹。

圖1 15#煤樣巖心在弱凝膠和微固相鉆井液中的膨脹量

2.3 抗溫性和抗污染能力

煤層氣儲(chǔ)層的地下情況復(fù)雜，有一定溫度，30～50 ℃，且地下水有很高的礦化度，其中主要是含Na+、Ca2+、Mg2+等離子，這里弱凝膠和微固相鉆井液進(jìn)行抗溫和抗鹽污染能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，讓鉆井液熱滾22 h后，測(cè)試觀察其基本性能的變化。

1）抗溫性。煤層氣儲(chǔ)層溫度一般為30～50 ℃，因此確定實(shí)驗(yàn)溫度為30、40、50 ℃，設(shè)置老化時(shí)間為22 h，老化后鉆井液的性能見表2。由表2可知，弱凝膠和微固相鉆井液老化前后性能變化很小，說明其有很好的抗溫性。弱凝膠和微固相鉆井液主要是通過多種提黏劑之間的相互配合使用，復(fù)配使用2種分子量的降濾失劑，且XC具有很好的抗溫性和流型調(diào)節(jié)作用，從而保證了在30～50 ℃下基本性能的穩(wěn)定。

表2 弱凝膠和微固相雙效鉆井液抗溫性

2）抗鹽污染能力。根據(jù)微固相和弱凝膠鉆井液配方配制鉆井液，在配方中分別加入不同加量的NaCl、CaCl2和MgCl2，在50 ℃老化22 h后測(cè)其性能，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著NaCl、CaCl2或MgCl2加量的增加，該鉆井液的流變性保持很好，濾失量變化很小，表明微固相和弱凝膠鉆井液具有較強(qiáng)的抗鹽污染能力。在常規(guī)鉆井液中加入大量土，在鹽溶液中是很難水化的，該體系通過PAC-HV和PAC-LV具有很好的水解性，在高濃度的鹽溶液中也能保證自身的水解，從而保證較好的黏度和降濾失性。

東營凹陷烴源巖主要位于古近系沙四段和沙三段，以深灰色泥巖、暗色油頁巖為主，有機(jī)碳含量平均為1.66%，沙四段有機(jī)碳含量平均為1.7%。有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，生烴門限上限深度2 200m，對(duì)應(yīng)地溫93℃［5-6］。東營凹陷巖性油藏主要分布在2 500～3 600m范圍內(nèi)，巖性油藏的充滿度和含油飽和度具有隨埋深增加先增大后減小的特點(diǎn)，且約在3 300m圈閉充滿度最高，從層位上看，沙三中、下亞段巖性圈閉充滿度值最高（圖3）。

表3 弱凝膠和微固相鉆井液的抗鹽污染能力

3）抗煤屑污染能力。在配方中加入不同加量煤鉆屑，在50 ℃老化22 h后測(cè)試其性能，結(jié)果見表4，利用VK-X100series 光學(xué)顯微鏡觀察侵入后泥皮，結(jié)果見圖2。由圖2可知，煤屑對(duì)2種配方的基礎(chǔ)性能影響很小，微觀觀測(cè)可知，煤屑與濾失后的鉆井液材料膠結(jié)在一起形成了致密的泥皮，沒有割裂泥皮；在滾動(dòng)污染了22 h后，微固相和弱凝膠鉆井液依然對(duì)鉆屑有很好的懸浮作用。

表4 弱凝膠和微固相雙效鉆井液的抗煤屑污染能力

圖2 煤屑侵入弱凝膠和微固相鉆井液微觀觀測(cè)

2.4 鉆井液潤滑性及黏附系數(shù)

晉城地區(qū)普遍的水平井和“U”型井，在煤層中水平鉆進(jìn)設(shè)計(jì)有的能達(dá)到1 000 m以上，長時(shí)間和長距離的水平井就需很好的潤滑性和低的黏附系數(shù)。如表5所示，微固相和弱凝膠鉆井液的潤滑系數(shù)分別能達(dá)到0.17和0.12。

表5 不同樣品潤滑系數(shù)

通過不添加固相成分或把優(yōu)質(zhì)土作為架橋劑，同時(shí)借助兩性表面活性劑HXY來降低潤滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)，這樣大大減少水平井和“U”型井卡鉆和扭矩過大等事故，保證安全高效鉆采[15]。

3 雙效鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層及煤層氣保護(hù)

3.1 滲透傷害性

鉆取打磨晉城地區(qū)15#煤心，使用現(xiàn)場配方、降解的弱凝膠和微固相鉆井液分別污染1#、2#和3#煤心，利用氣體滲透率儀測(cè)試污染前后鉆井液滲透率，測(cè)得煤心在可降解的弱凝膠、微固相鉆井液和現(xiàn)場使用鉆井液中的滲透率恢復(fù)分別達(dá)到91.3%、82.3%和5.38%。

該體系配方基本都是有機(jī)成分，利用生物酶技術(shù)可降解，在前期，弱凝膠和微固相鉆井液可快速形成致密的泥皮，盡量減少鉆井液成分進(jìn)入儲(chǔ)層；在后期通過加入生物酶，降解進(jìn)入儲(chǔ)層的鉆井液，同時(shí)降解在儲(chǔ)層上的致密泥皮，從而可以大大恢復(fù)原有儲(chǔ)層的滲透率。

3.2 防水鎖性能

主要是通過測(cè)試鉆井液的表面張力和接觸角來評(píng)價(jià)其防水鎖能力，結(jié)果見表6和表7。

表6 不同鉆井液的表面張力

表7 不同鉆井液的接觸角

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，防水鎖效應(yīng)主要反映在：①兩性表面活性劑降低弱凝膠和微固相鉆井液的表面張力，降低表面張力可以降低毛細(xì)管阻力；②在生物酶和表面活性劑的作用下，其接觸角增大，改變煤樣表面的潤濕性，有利于外來液體的排除，可防止水鎖效應(yīng)；③同時(shí)由各組的水活度可知，微固相的水活度最低，說明其含有的自由水相對(duì)較少，對(duì)于黏土礦物較多、易膨脹的煤層氣鉆井有抑制作用。

3.3 降解性及泥皮清除性能

生物酶作用的環(huán)境主要是在中性或者弱堿性條件下，這里主要是評(píng)價(jià)pH≥8條件下弱凝膠和微固相鉆井液（500 mL）隨著時(shí)間再加入生物酶（纖維素酶、中性α-淀粉酶、復(fù)合酶（0.1 g∶0.1 g∶0.1 g））降解情況，同時(shí)觀察生物酶對(duì)泥皮的降解效果。30 ℃水浴下觀察pH為8、9和10時(shí)，弱凝膠鉆井液的降解為90.9%、68.0%、54.3%，微固相鉆井液降解為83%、77.8%、50.5%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 弱凝膠和微固相鉆井液在不同pH值下的降解率

弱凝膠和微固相鉆井液濾失30 min后形成的泥餅，放置在500 mL酶溶液（0.1 g纖維素酶+0.1 g中性α-淀粉酶+0.1 g復(fù)合酶），浸泡4 h觀察泥皮降解情況，弱凝膠和微固相鉆井液泥皮清除降解率分別為72.9%和72.3%。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，總體上溶液的堿性越強(qiáng)降解越慢，降解率也低了很多，堿性大于10后，基本很難達(dá)到中性或者偏酸性下的降解率，但pH值低于10時(shí)，經(jīng)過足夠的時(shí)間，溶液也能降解比較完全，弱凝膠和微固相鉆井液最大降解率可達(dá)到90.9%和83.0%。

酸性和強(qiáng)堿性環(huán)境下會(huì)破壞生物酶的活性，弱凝膠和微固相鉆井液主要由纖維素和淀粉組成，通過加入針對(duì)性的纖維素生物酶和淀粉酶，同時(shí)利用復(fù)合酶來實(shí)現(xiàn)綜合控制降解，在實(shí)際鉆井過程中可以利用復(fù)合酶降解溫和，通過pH值控制降解時(shí)間，解決前期鉆井液性能與后期降解保護(hù)儲(chǔ)層的矛盾。

3.4 鉆井液微觀觀測(cè)

利用VK-X100series光學(xué)顯微鏡，觀測(cè)鉆井液降解前后及在煤樣裂隙中情況，結(jié)果見圖3?？梢院芮逦匆?，加入生物酶的鉆井液后期其泥皮都被很好地降解，只留下一些難以降解的顆粒；同時(shí)可看到，未降解的鉆井液會(huì)充滿裂隙，堵塞裂隙，降解后的鉆井液在裂隙中的殘留很少，復(fù)合生物酶降解技術(shù)可以大大提高對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)。

圖3 VK-X100series光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果

3.5 對(duì)產(chǎn)氣量影響

1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。在晉城市沁水縣采煤現(xiàn)場取15#煤樣（富含煤層氣），利用實(shí)驗(yàn)室煤層氣解吸觀測(cè)裝置（排水法）測(cè)試不同鉆井液環(huán)境下煤層氣解析量，為了對(duì)比說明弱凝膠和微固相鉆井液對(duì)煤層氣解吸的影響，與清水+1%KCl溶液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，稱取粒徑為0.90 mm的破碎煤塊300 g，并往球磨罐中加入400 mL鉆井液進(jìn)行濕磨。球磨3 h后，放入30 ℃水浴鍋以充分解吸，40 h后測(cè)試排水體積，結(jié)果見表9。如果把清水+1%KCl的溶液對(duì)煤層氣解吸傷害看為0的話，那么現(xiàn)場使用配方傷害率達(dá)到41.1%，弱凝膠和微固相鉆井液傷害率為7.4%和13.0%。

表9 弱凝膠和微固相鉆井液對(duì)煤層氣解吸影響

2）現(xiàn)場試驗(yàn)?，F(xiàn)場使用雙效鉆井液微固相鉆井液，選SHH02-4井為試驗(yàn)對(duì)象，并與鄰近的5口井進(jìn)行對(duì)比。SHH02-4井鉆井液密度為1.01～1.03 g/cm3，表觀黏度為 10～25 mPa·s，濾失量小于12 mL；順煤層進(jìn)尺最大，鉆進(jìn)長度為900 m，鄰近5口井均為700 m；縮短了鉆井周期，完工工期為46 d，鄰近5口井完工工期平均為52 d；生物酶最終降解率為81%；日產(chǎn)氣量為1 128 m3，鄰近5口井平均日產(chǎn)氣量為814 m3。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鉆井液有較好的抗溫、抗鹽、抗污染性，有利于縮短工期；在復(fù)雜的鉆進(jìn)環(huán)境中，生物酶最終可使降解率達(dá)到80%以上。雖然目前在現(xiàn)場只試驗(yàn)了這1口井，但結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知，在同等情況下，使用可降解的微固相和弱凝膠鉆井液相比傳統(tǒng)的鉆井液，更有利于提高后期產(chǎn)氣量的提高。

4 結(jié)論

1.弱凝膠和微固相鉆井液有良好的流變性能，能滿足煤儲(chǔ)層鉆進(jìn)中對(duì)懸浮巖屑、強(qiáng)降濾失、抗溫性、抗鹽性、抗煤屑污染、抑制膨脹和潤滑性的要求。

2.弱凝膠和微固相鉆井液有良好的降解性，在復(fù)合生物酶降解下，降解率分別可達(dá)到90.9%和83.0%，泥皮降解率可達(dá)到72.9%和72.3%，滲透率恢復(fù)率可以達(dá)到91.3%、82.3%，通過生物酶和兩性表面活性劑HXY的作用，可降低其表面張力和增大接觸角，可防止水鎖效應(yīng)。

3.微觀觀測(cè)可知，復(fù)合生物酶降解技術(shù)能降解泥皮和煤層裂隙里的鉆井液殘留物；同時(shí)解吸實(shí)驗(yàn)表明，相比現(xiàn)場使用的配方，可生物降解的弱凝膠和微固相鉆井液可大大降低對(duì)煤層氣解吸的影響。

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