岳前升，馬玄 （長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

馬認(rèn)琦，沈元波，金鑫，張亮 （中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司，天津300452）

山西柳林地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣中段，東側(cè)為晉西南隆起，隸屬離石鼻狀構(gòu)造傾覆端西延部分，煤層含氣量較高，是我國首批煤層氣勘探開發(fā)示范區(qū)，目的層位主要為山西組3＃煤層和4＃煤層，該地區(qū)水平井采用清水進(jìn)行鉆進(jìn)。清水具有成本低、煤層保護(hù)效果相對(duì)較好的特點(diǎn)，但對(duì)煤層也有一定程度的損害，主要表現(xiàn)為水敏性損害和“水鎖”效應(yīng)損害［1～9］，在有些地區(qū)也易引起煤層垮塌［10］。筆者以柳林河?xùn)|煤礦3＃煤為研究對(duì)象，在研究煤層特性基礎(chǔ)上，針對(duì)清水保護(hù)煤層中存在的不足，從保護(hù)煤層和穩(wěn)定井壁的角度出發(fā)，在清水基礎(chǔ)上提出無固相活性鹽水鉆井液，并成功應(yīng)用于多分支水平井CLU－07H井，在該地區(qū)顯示出良好的應(yīng)用前景。

1 柳林地區(qū)煤巖特性分析

1.1 樣品全巖礦物和黏土礦物分析

通過煤樣X－射線衍射分析［11，12］，對(duì)其全巖礦物和黏土礦物含量進(jìn)行定量分析（見表1和表2）。結(jié)果顯示，柳林地區(qū)3＃煤層、4＃煤層除非晶質(zhì)部分（即煤質(zhì)成分）外，還含有部分無機(jī)礦物和黏土礦物，其中黏土礦物以伊利石和高嶺石為主，但總的來看黏土礦物含量較低。

表1 柳林地區(qū)煤樣全巖礦物分析

1.2 電鏡掃描分析

電鏡掃描結(jié)果顯示，3＃煤層具塊狀結(jié)構(gòu)，微裂縫少，孔隙不發(fā)育（見圖1和圖2）；4＃煤層具紋層構(gòu)造，平行層理較發(fā)育，層間微縫發(fā)育，孔隙不發(fā)育（見圖3和圖4）。

表2 柳林地區(qū)煤樣黏土礦物分析

圖1 3＃煤層電鏡掃描圖（100倍）

圖2 3＃煤層電鏡掃描圖（800倍）

圖3 4＃煤層電鏡掃描圖（100倍）

圖4 4＃煤層電鏡掃描圖（400倍）

1.3 膨脹性分析

3＃煤層在不同水介質(zhì)中的常溫常壓時(shí)的膨脹性見圖5。煤樣的膨脹率較低，基本上在0.3%以下，但清水中的膨脹性要高于KCl鹽水，也就是說KCl有利于抑制煤巖中黏土礦物水化膨脹。

1.4 煤巖潤濕性分析

利用接觸角法測(cè)定煤樣對(duì)清水（現(xiàn)場(chǎng)鉆井水）潤濕性，以接觸角大小表征煤樣對(duì)清水的潤濕性。試驗(yàn)測(cè)得柳林3＃煤層和4＃煤層樣對(duì)清水接觸角分別為65.6°和67.5°，屬于弱親水性。

圖5 柳林3＃煤樣的膨脹性

2 清水損害煤層因素分析

2.1 礦化度變化造成煤層水敏性損害

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨地層水礦化度降低，煤心滲透率出現(xiàn)下降現(xiàn)象（見圖6），3＃煤層中的地層水礦化度在6000mg／L左右，而實(shí)際鉆井中使用的地表水礦化度在500～700mg／L，這種因礦化度降低導(dǎo)致煤巖滲透率下降現(xiàn)象類似于油氣田中的水敏性損害。

2.2 含水飽和度變化引起的煤層損害

由于煤巖的弱親水性、正壓差鉆井和低滲性，清水會(huì)不可避免地侵入煤層，其結(jié)果就會(huì)造成一種“水鎖”現(xiàn)象，即水相造成煤層氣在解吸運(yùn)移過程中阻力增加，其本質(zhì)是煤層含水飽和度上升造成氣相滲透率下降，如圖7所示。

圖6 礦化度變化對(duì)煤巖滲透率影響

圖7 含水飽和度變化對(duì)煤巖氣相滲透率影響

3 無固相活性鹽水鉆井液配方

針對(duì)清水存在的不足并結(jié)合水平井鉆井特點(diǎn)，無固相活性鹽水鉆井液采用的技術(shù)思路和對(duì)策為：通過引入無機(jī)鹽KCl來抑制煤層中的黏土礦物膨脹；引入表面活性劑降低鹽水表面張力使侵入煤層的鉆井液易于返排；引入聚合醇類水基潤滑劑增強(qiáng)清水潤滑能力降低水平井鉆進(jìn)時(shí)的摩阻。通過大量試驗(yàn)優(yōu)選出無固相活性鹽水配方：清水＋2%KCl＋0.1%防水鎖劑P22＋1%聚合醇水基潤滑劑JLX，其基本性能見表3。

表3 無固相活性鹽水基本性能

4 性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用

4.1 性能評(píng)價(jià)

1）對(duì)煤巖強(qiáng)度影響 3＃煤層煤心在經(jīng)無固相活性鹽水鉆井液浸泡前后的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表3。浸泡后的煤心強(qiáng)度下降幅度較小，這也說明無固相活性鹽水鉆井液穩(wěn)定煤層井壁能力較清水強(qiáng)，降低了煤層段井壁發(fā)生垮塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2）煤層保護(hù)評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)了3＃煤層煤心經(jīng)不同流體介質(zhì)污染后的滲透率恢復(fù)值，結(jié)果見表4。無固相活性鹽水鉆井液侵入污染后煤心滲透率恢復(fù)值很高，超過原始滲透率，這主要是因?yàn)榛钚喳}水鉆井液不僅有效抑制水敏損害，而且大幅降低了氣－液表面張力，使液相更易流動(dòng)和返排。

表3 3＃煤層在不同流體介質(zhì)中加壓浸泡后的單軸強(qiáng)度

表4 不同流體對(duì)3＃煤層煤心的污染評(píng)價(jià)

4.2 應(yīng)用

CLU－07H井為中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司在柳林地區(qū)第1口U型連通多分支井，采用2個(gè)主分支，每個(gè)主分支上有3個(gè)側(cè)分支，主支和側(cè)分支井眼尺寸均為152.4mm井眼，2個(gè)主分支下玻璃鋼管完井。基于前述無固相活性鹽水鉆井液具有優(yōu)異的煤層保護(hù)和較好的穩(wěn)定井壁能力，實(shí)際鉆井過程采用無固相活性鹽水鉆井液鉆進(jìn)，其配方為：清水＋2%～3%KCl＋1%～2%聚合醇＋0.1%～0.2%防水鎖劑，鉆井過程中性能指標(biāo)如下：密度1.02～1.05g／cm3，漏斗黏度27～30s，表面張力小于30mN／m，鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)和漏失現(xiàn)象，直至順利完鉆。鉆進(jìn)過程中由于防水鎖劑和水基潤滑劑會(huì)產(chǎn)生起泡現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)需備一定數(shù)量的消泡劑。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）柳林區(qū)塊3＃煤層和4＃煤層含有一定量的黏土礦物，以低膨脹性伊利石和高嶺石為主；膨脹率較低，泡水后強(qiáng)度下降幅度不大，煤巖表面呈弱親水特性。

2）水敏性和水鎖是清水鉆井液損害本地區(qū)煤層的主要因素。

3）無固相活性鹽水鉆井液具有較強(qiáng)的防膨性、穩(wěn)定井壁和優(yōu)異的煤層保護(hù)性能，在柳林地區(qū)煤層氣水平井應(yīng)用前景廣闊。

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［11］SY／T6210－1996，中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［12］SY／T5163－1995，中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.