新型低固相硅酸鹽體系在煤層氣鉆井中的應(yīng)用

岳秋艷

摘要：在煤層氣鉆井中，煤巖坍塌造成接單根困難、起下鉆遇阻遇卡、憋泵等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。通過對煤巖力學(xué)性能測試和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征分析，分析了煤巖失穩(wěn)的特殊性，有針對性的提出鉆井液技術(shù)對策，優(yōu)選出鉆井液體系及配方，應(yīng)用表明新型低固相硅酸鹽鉆井液能有效防止煤巖井壁失穩(wěn)和保護儲層。

引言

貴州六盤水地區(qū)具有豐富的煤層氣資源，鉆遇的地層有三疊系飛仙關(guān)組合二疊系的人龍?zhí)督M，鉆遇的主要巖性為石灰?guī)r、泥巖、砂巖和煤層。井壁失穩(wěn)主要發(fā)生在煤層，曾多次發(fā)生煤巖垮塌造成接單根困難、起下鉆遇阻遇卡等井下復(fù)雜情況。鉆進過程中煤巖坍塌造成三方面危害：（1）影響鉆井安全，降低鉆井速度和效率；（2）井徑擴大率超標，井身質(zhì)量差，局部形成“大肚子”和“糖葫蘆”井眼。同時由于環(huán)空間隙變化大，嚴重影響攜巖效果，而且難以保證固井質(zhì)量，影響后期的壓裂施工；（3）由于井眼擴大使環(huán)空水泥環(huán)增厚，降低射孔彈穿煤層的厚度，影響增產(chǎn)措施效果。

1 煤巖地層坍塌的特殊性

煤系地層鉆井井眼不穩(wěn)定是較為普遍的現(xiàn)象。其主要的問題是割理、裂隙發(fā)育，巖石脆性大、強度低，在地層應(yīng)力作用或其他外界因素影響下很不穩(wěn)定。

1.1煤巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征

試驗區(qū)煤巖煤化程度較高，鏡質(zhì)組含量高，次為絲質(zhì)組，殼質(zhì)組含量低。

1.2煤巖力學(xué)性能

與常規(guī)砂巖、泥巖相比，煤巖的彈性模量較低，泊松比較高，抗壓及抗拉強度均較低，脆性大，易破碎，易受壓縮。

2 穩(wěn)定煤巖井壁鉆井液技術(shù)對策

（1）合理的鉆井液密度

煤巖強度低，受鉆井液及其濾液浸泡后強度進一步下降，所以鉆井液的密度不要過大，大了會壓裂煤層；也不要過小，小了會造成應(yīng)力釋放，使煤層沿節(jié)理和裂縫崩裂坍塌。合理鉆井液密度要根據(jù)煤巖物理力學(xué)參數(shù)、煤層壓力、煤層地應(yīng)力等參數(shù)綜合分析計算后確定，同時要考慮泥頁巖夾層的穩(wěn)定問題。

（2）鉆井液具有強封堵能力及優(yōu)良造壁性

良好的封堵能力是液柱壓力有效支撐、減少濾液進入煤層的先決條件。所以必須加強鉆井液封堵能力，阻止鉆井液濾液進入地層。

（3）優(yōu)化鉆井液流變參數(shù)

鉆井液粘切不宜太低，粘切太低，在井眼內(nèi)形成紊流，對井壁的沖刷能力增強，容易造成煤層坍塌，同時鉆井液攜砂能力減弱；粘切太高，鉆井液結(jié)構(gòu)太強，活動鉆具或起下鉆時波動壓力增大，容易引起井壁煤塊的松動，也不利于井壁穩(wěn)定。

（4）良好抑制性

煤巖中粘土礦物含量雖然很低，但泥頁巖夾層粘土礦物含量高，抑制性差的鉆井液濾液進入泥頁巖會產(chǎn)生水化膨脹壓，誘發(fā)或加劇井壁失穩(wěn)，泥頁巖坍塌會導(dǎo)致煤巖坍塌，二者相互影響、相互促進。因此，要求鉆井液具有良好的抑制性。

（5）良好潤滑性

保證鉆井液良好潤滑性，減少鉆具與泥餅之間的摩擦力，能減少起下鉆阻卡的可能，防止井下復(fù)雜發(fā)生。

3 鉆井液體系選擇

根據(jù)貴州六盤水地區(qū)地質(zhì)資料和工程設(shè)計，參考鄰井實鉆資料分析，結(jié)合地層特點，要求鉆井液要具備以下特點：①良好的流變性；②良好的懸浮攜帶能力；③強抑制能力；④良好的潤滑性；⑤較強的穩(wěn)定性；⑥良好的造壁能力。根據(jù)該井的地層特點和對鉆井液的要求，結(jié)合以往成功經(jīng)驗，使用低固相硅酸鹽鉆井液體系。

根據(jù)煤巖失穩(wěn)機理及其影響因素研究，通過大量室內(nèi)配方優(yōu)選試驗，確定使用低固相硅酸鹽鉆井液體系。其基本配方如下：

5%硅酸鈉+0.2%KPAM+1.0%LV-CMC +1-2%NPAN+2%QS-2+ 0.5%其它添加劑

在該配方中，KPAM和NPAN共同作用使體系具有好的流變性和一定的抑制性，LV-CMC主要起改善失水造壁性和封堵作用，該體系的主要特點是：有較好的抑制水化作用，造壁性優(yōu)良，潤滑性較好，能有效地控制煤巖坍塌。同時，該體系固相含量較低、密度較低，有利于煤層的鉆進，有利于保護煤層氣儲層。

4 應(yīng)用效果

比1井組共完成了4口水平井，4口井的鉆井液全部使用新型低固相硅酸鹽鉆井液體系。在保證井下安全的前提下鉆井液密度和濾失量均控制在要求范圍內(nèi)，并且井壁穩(wěn)定，潤滑效果好，滿足了鉆井工藝的要求；新型低固相硅酸鹽鉆井液體系，攜巖能力強，潤滑性好，鉆井液整體性能穩(wěn)定，不僅保證了鉆井施工的安全、快速、高效、環(huán)保，還滿足了地質(zhì)錄井的需要，比設(shè)計周期縮短的了三分之一，節(jié)約了鉆井成本。對比同一區(qū)塊使用聚合物鉆井液體系的井，從以下幾方面分析評價該井組鉆井液體系。

（1）穩(wěn)定井壁方面。比1井組使用新型低固相硅酸鹽鉆井液體系后，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象得到明顯改善。電測數(shù)據(jù)顯示，井徑擴大率明顯小于使用聚合物體系的井。

（2）固相控制。新型低固相硅酸鹽鉆井液體系具有高動速比的特性，使得鉆井液中的有害固相易于被固控設(shè)備清除。

（3）斜井段滑動機械鉆速明顯提高。新型低固相硅酸鹽鉆井液體系有較強固相控制性能，有利于鉆井機械鉆速的提高，特別是有利于提高斜井段滑動鉆進時的機械鉆速。

（4）攜砂能力與潤滑防卡。從比1井組鉆井液使用效果來看，新型低固相硅酸鹽鉆井液體系具備安全鉆井所需的攜砂能力和潤滑防卡性能。

（5）儲層保護。比1-4井作為井組第一口井，全井鉆井液密度低，在完井時為1.08g/cm3，含砂量小于0.3%，這說明該鉆井液的應(yīng)用對于儲層的保護很有利。

（6）對比電測。該井組4口井電測均一次成功，說明電測時鉆井液性能能夠同時滿足攜帶鉆屑和潤滑井壁的要求。

5 結(jié)論

1）與常規(guī)砂巖、泥巖相比，煤巖的彈性模量較低，泊松比較高，抗壓及抗拉強度均較低，脆性大，易破碎。

2）新型低固相硅酸鹽鉆井液具有很強鉆井液的抑制性、較強的抗鹽、抗劣土污染能力和較好的保護儲層性能；形成的無滲透泥餅?zāi)茱@著提高地層的承壓能力。

3）新型低固相硅酸鹽鉆井液體系具有較強的抑制防塌能力，能夠有效保持長裸眼段的井壁穩(wěn)定性。該體系能有效清除鉆井液中的有害固相，加強體系固相含量控制，鉆井液剪切稀釋性強等都有利于提高機械鉆速。

4）新型低固相硅酸鹽鉆井液濾液與地層水相遇后，生成三維網(wǎng)狀凝膠以及與二價離子生成沉淀，堵塞泥頁巖孔隙和微裂縫，阻止濾液進入地層，同時減少了壓力傳遞。

5）完井液的低密度和低濾失，能夠有效地保護油層，提高水平井開發(fā)效益。鉆井液處理劑均選用無毒的無機處理劑和可生物降解的有機處理劑，有利于降低鉆井液對環(huán)境的影響。

（作者單位：中石化勝利石油工程公司黃河鉆井總公司）