煤層氣水平井可降解鉆井液體系研究

段偉偉

摘 要：煤層氣水平井的主要目的是開(kāi)采煤層氣，在這個(gè)過(guò)程中，降低煤礦瓦斯含量，保證鉆井具有較為秀良的常規(guī)性能，例如流變性和過(guò)濾性之外，還應(yīng)該盡可能的降低因煤礦瓦斯含量對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的損害。在煤層氣水平井的建設(shè)之中，清除液濾餅的通常做法是在每個(gè)井段泵入0.5立方米且濃度為15%的鹽酸。但是相關(guān)試驗(yàn)表明，單獨(dú)使用酸或氧化劑在水平井段中清除濾餅的效果并不明顯，其主要的不足在于會(huì)與所遇到的所有可被氧化的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使酸或氧化劑失去原有的效力。因此，為了盡可能地降低鉆井液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的損害，就應(yīng)該通過(guò)鉆井液配方實(shí)驗(yàn)、粒度分析測(cè)試、濾餅清除實(shí)驗(yàn)、高溫高壓膨脹量測(cè)試和煤巖氣體滲透率測(cè)試等試驗(yàn)手段研發(fā)可降解鉆井液，并對(duì)可降解鉆井液體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：煤層氣水平井；鉆井液；生物酶；氣體滲透率

中圖分類(lèi)號(hào)：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）08-0159-01

1 實(shí)驗(yàn)方法

（1）可降解鉆井液配方實(shí)驗(yàn)：首先，在實(shí)驗(yàn)材料的選擇上采用羧甲基纖維素作為增黏劑、改性淀粉作為降濾失劑、超細(xì)碳酸鈣作為架橋劑、氯化銨作為PH調(diào)節(jié)劑、膨潤(rùn)土作為配漿土、JBR作為生物酶破膠劑以及特種生物酶SE-4。其次，在實(shí)驗(yàn)方法上，設(shè)置對(duì)照組，先將其中一組按照不加酶的配方配制漿液并將PH調(diào)至7，測(cè)試漿液的密度、表觀黏度等參數(shù)，然后再在另一組變量按照加特種生物酶的方式配置漿液并將PH調(diào)至7，兩組同時(shí)放入恒溫（10攝氏度）靜置，測(cè)試漿液流變參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。

（2）可降解鉆井液粒度分析：本實(shí)驗(yàn)主要用來(lái)評(píng)價(jià)可降解鉆井液中固相顆粒大小及分布規(guī)律，由此確定固體顆粒與煤層空隙之間的配伍情況。做法是按照不加生物破膠酶的情況配置漿液，然后使用激光粒度分析儀進(jìn)行漿液粒度分析，并觀察顆粒粒度分布情況。

（3）可降解鉆井液濾餅清除實(shí)驗(yàn)：在可降解鉆井液降解的不同階段，即降解前、生物酶降解2小時(shí)、酸解2小時(shí)這三個(gè)階段中，利用壓失水儀對(duì)濾餅進(jìn)行無(wú)壓濾失量實(shí)驗(yàn)，記錄一定時(shí)間內(nèi)的濾失量。同時(shí)設(shè)置對(duì)照組，即對(duì)清水在空白濾紙上進(jìn)行無(wú)壓失水實(shí)驗(yàn)，并記錄相同時(shí)間內(nèi)的濾失量，最后通過(guò)比較兩者的濾失量來(lái)說(shuō)明不同解堵工藝對(duì)濾餅的解堵效果。

（4）煤巖物性測(cè)試：采集煤層煤樣，利用X射線(xiàn)衍射對(duì)其進(jìn)行礦物鑒定，最后再測(cè)試氣體滲透率及孔隙度。

（5）煤巖膨脹量測(cè)試：首先用7g煤粉與2mL水玻璃混勻，在巖芯壓制機(jī)上用16MPa壓力壓制20min，取出即可得到實(shí)驗(yàn)所需煤樣，將煤樣分為三份并置于蒸餾水、1%的KCI溶液和可降解鉆井液這三種不同的液體中，進(jìn)行高溫高壓膨脹量測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

（1）可降解鉆井液配方實(shí)驗(yàn)：通過(guò)對(duì)對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)可知，加入特種生物酶的漿液破膠率高達(dá)90%切表觀黏度為2.5mPa·s。這就表明表明生物降解過(guò)程已基本結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入生物酶的漿液可以滿(mǎn)足煤層氣水平井鉆進(jìn)要求，尤其適合膠結(jié)性較差的松軟煤層。

（2）可降解鉆井液粒度分析實(shí)驗(yàn)：可降解鉆井液中固相顆粒粒徑的分布范圍大致是36～1000μm，粒徑峰值在240μm左右，在該配方中，超細(xì)碳酸鈣為400目，顆粒大小在37.4μm以下，泥漿中固相顆粒的峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)為膨潤(rùn)土顆粒。由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，如要起到較好的暫時(shí)封堵，保護(hù)煤層氣儲(chǔ)層的作用，就應(yīng)依據(jù)煤儲(chǔ)層裂隙和孔隙大小，合理選擇泥漿固相顆粒大小。

（3）可降解鉆井液濾餅清除實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了三點(diǎn)問(wèn)題，第一點(diǎn)，可降解鉆井液所形成濾餅的無(wú)壓失水量為零，說(shuō)明濾餅質(zhì)量較好。第二點(diǎn)，可降解鉆井液濾餅的解堵是靠生物酶和酸的雙重措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩種缺一都將導(dǎo)致最終的解堵效果變差（單獨(dú)酸化的無(wú)壓失水量?jī)H為0.5mL，說(shuō)明解堵效果一般），采用雙重解堵措施之后，4h后可以實(shí)現(xiàn)完全解堵。第三點(diǎn)，附著有濾餅的濾紙的最終濾失量略大于空白濾紙的濾失量，可能的原因之一是浸泡會(huì)使濾紙的結(jié)構(gòu)變得更加疏松、微觀孔隙變大，另一個(gè)原因是濾紙與酸會(huì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致濾紙的致密程度下降，濾失量增大。

（4）煤巖物性測(cè)試：該實(shí)驗(yàn)中，所用煤樣的成分為：石英為1%，高嶺石為5%，方解石為20%，白云石為15%，非晶質(zhì)為59%；孔隙率為10.0%～10.5%；氣體滲透率為0.3×10-15～0.5×10-15平方米。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：煤樣以非晶質(zhì)組分、方解石和白云石為主，并含少量的高嶺石和石英。

（5）煤巖膨脹量測(cè)試：該測(cè)試仍以煤巖物性測(cè)試的煤樣為測(cè)試樣本，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在蒸餾水中，煤樣仍表現(xiàn)出較低的膨脹率，在可降解鉆井液中，煤樣吸水膨脹具有一定的抑制能力，其效果介于蒸餾水和1%的KCI溶液之間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）在可降解鉆井液中，液態(tài)的特種生物酶具有較快的破膠速度和較徹底的破膠效果，2h后破膠量超過(guò)85%，破膠后漿液黏度也明顯降低。

（2）利用生物酶降解和酸解相結(jié)合的的復(fù)合解堵方式可以有效地消除鉆井液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害，恢復(fù)甚至提高煤巖氣體滲透率達(dá)15.47%～38.92%。

（3）可降解鉆井液具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)是保持井壁穩(wěn)定，另一個(gè)是保護(hù)氣儲(chǔ)層，并提高煤巖氣體滲透率。該鉆井呀非常適合煤層，特別是松軟煤層儲(chǔ)層鉆進(jìn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

總結(jié)來(lái)說(shuō)：在可降解鉆井液中，液態(tài)的特種生物酶具有較快的破膠速度和較徹底的破膠效果，生物酶降解加鹽酸酸化的結(jié)合使用可有效地清除可降解鉆井液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的傷害并能恢復(fù)甚至提高煤巖氣體滲透率。而可降解鉆井液具有的雙重優(yōu)點(diǎn)（保持井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)），非常適合煤層，特別是松軟煤層的水平井的鉆進(jìn)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上的相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，將可降解鉆井液引入煤層氣水平井的鉆進(jìn)過(guò)程中，可在一定程度上保護(hù)氣儲(chǔ)層，通過(guò)采用生物酶加酸化的雙重解堵措施來(lái)清除鉆井液所形成的濾餅，對(duì)井壁的保護(hù)效果非常顯著。同時(shí)，可間接的鉆井液也體現(xiàn)了環(huán)保意識(shí)，在保護(hù)氣儲(chǔ)層的的過(guò)程中利用生物技術(shù)和化學(xué)技術(shù)的結(jié)合，減少了污染物的殘留。

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