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。中國煤層氣儲層的微裂隙多，總孔容、微孔孔容大，比表面積大，吸附性強[1-5]。因此煤層氣鉆井液除了需要滿足常規(guī)性能以外，還需盡可能降低對儲層的傷害（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，還是清水都會對煤層氣儲層產(chǎn)生傷害。因此研制出弱凝膠和微固相鉆井液體系，同時運用生物酶和表面活性劑，通過pH值控制復(fù)合生物酶的降解時間，來實現(xiàn)安全高效鉆進和定時降解保護儲層的效果。通過室內(nèi)實驗對弱凝膠和微固相雙效鉆井液體系進行綜合評價。

1 雙效鉆井液作用機理

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

作用機理主要是利用抗污染能力強、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壁等基本鉆進需求，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)對復(fù)雜煤層氣儲層鉆進，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價

2.1 雙效鉆井液組成及基本性能

弱凝膠鉆井液（1#配方，針對比較完整煤儲層）：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，針對較破碎煤儲層）：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)場配方性能對比

2.2 抑制性

通過巖心壓制機壓制試驗地區(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試不同時間巖心在水、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，對比見圖1。由圖1可知，弱凝膠和微固相鉆井液都對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行抗溫和抗鹽污染能力進行評價，讓鉆井液熱滾22 h后，測試觀察其基本性能的變化。

1）抗溫性。煤層氣儲層溫度一般為30～50 ℃，因此確定實驗溫度為30、40、50 ℃，設(shè)置老化時間為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，有機碳含量平均為1.66%，沙四段有機碳含量平均為1.7%。有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，生烴門限上限深度2 200m，對應(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，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2種配方的基礎(chǔ)性能影響很小，微觀觀測可知，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；在滾動污染了22 h后，微固相和弱凝膠鉆井液依然對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

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，在煤層中水平鉆進設(shè)計有的能達到1 000 m以上，長時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 雙效鉆井液對煤儲層及煤層氣保護

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試污染前后鉆井液滲透率，測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)分別達到91.3%、82.3%和5.38%。

該體系配方基本都是有機成分，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入儲層；在后期通過加入生物酶，降解進入儲層的鉆井液，同時降解在儲層上的致密泥皮，從而可以大大恢復(fù)原有儲層的滲透率。

3.2 防水鎖性能

主要是通過測試鉆井液的表面張力和接觸角來評價其防水鎖能力，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

由實驗結(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較少，對于黏土礦物較多、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，這里主要是評價pH≥8條件下弱凝膠和微固相鉆井液（500 mL）隨著時間再加入生物酶（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，同時觀察生物酶對泥皮的降解效果。30 ℃水浴下觀察pH為8、9和10時，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%，實驗結(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%。

由實驗結(jié)果可知，總體上溶液的堿性越強降解越慢，降解率也低了很多，堿性大于10后，基本很難達到中性或者偏酸性下的降解率，但pH值低于10時，經(jīng)過足夠的時間，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到90.9%和83.0%。

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

3.4 鉆井液微觀觀測

利用VK-X100series光學(xué)顯微鏡，觀測鉆井液降解前后及在煤樣裂隙中情況，結(jié)果見圖3。可以很清晰看見，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；同時可看到，未降解的鉆井液會充滿裂隙，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)可以大大提高對儲層的保護。

圖3 VK-X100series光學(xué)顯微鏡觀測結(jié)果

3.5 對產(chǎn)氣量影響

1）室內(nèi)實驗。在晉城市沁水縣采煤現(xiàn)場取15#煤樣（富含煤層氣），利用實驗室煤層氣解吸觀測裝置（排水法）測試不同鉆井液環(huán)境下煤層氣解析量，為了對比說明弱凝膠和微固相鉆井液對煤層氣解吸的影響，與清水+1%KCl溶液進行對比實驗。實驗時，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鉆井液進行濕磨。球磨3 h后，放入30 ℃水浴鍋以充分解吸，40 h后測試排水體積，結(jié)果見表9。如果把清水+1%KCl的溶液對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煤層氣解吸影響

2）現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場使用雙效鉆井液微固相鉆井液，選SHH02-4井為試驗對象，并與鄰近的5口井進行對比。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；順煤層進尺最大，鉆進長度為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。由實驗結(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)雜的鉆進環(huán)境中，生物酶最終可使降解率達到80%以上。雖然目前在現(xiàn)場只試驗了這1口井，但結(jié)合室內(nèi)實驗可知，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，能滿足煤儲層鉆進中對懸浮巖屑、強降濾失、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，降解率分別可達到90.9%和83.0%，泥皮降解率可達到72.9%和72.3%，滲透率恢復(fù)率可以達到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；同時解吸實驗表明，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煤層氣解吸的影響。

[1]岳前升，陳軍，鄒來方，等.沁水盆地基于儲層保護的煤層氣水平井鉆井液的研究[J].煤炭學(xué)報，2012（S2）：416-419.

YUE Qiansheng，CHEN Jun，ZOU Laifang，et al.Research on coalbed methane drilling fluid for horizontal well based on coal reservoir protection in Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society，2012（S2）：416-419.

[2]馮少華，侯洪河.煤層氣鉆井過程中的儲層傷害與保護[J].中國煤層氣，2008，5（3）：16-19.

FENG Shaohua ， HOU Honghe. Damages to CBM reservior and its protection during CBM Drilling[J]. China Coalbed Methane，2008，5（3）：16-19.

[3]庚勐， 陳浩， 陳振宏，等. 我國煤層氣富集規(guī)律及資源潛力新認識[J].天然氣地球科學(xué)， 2016， 27（9）：1659-1665.

GENG Meng，CHEN Hao，CHEN Zhenhong，et al.New recognization of CBM enrichment pattern and resource potential in China[J]. Natural Gas Geoscience，2016， 27（9）：1659-1665.

[4]涂乙，鄒來方，汪偉英，等.煤層氣井儲層的傷害及優(yōu)選保護鉆井工藝[J].油氣田地面工程，2010，29（2）：4-6.

TU Yi，ZOU Laifang，WANG Weiying，et al.Reservoir damage of coalbed methane well and drilling technology of optimal protection[J].Oil-Gasfield Surface Engineering，2010，29（2）：4-6.

[5]秦建強，劉小康.煤層氣鉆井煤儲層的保護措施[J].中國煤炭地質(zhì)，2008，20（3）：67-68.

QIN Jianqiang，LIU Xiaokang.Coal reservoir protective measures during CBM drilling[J].Coal Geology of China，2008，20（3）：67-68.

[6]張振文，高永利，代鳳紅，等. 影響曉南礦未開采煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素[J].煤炭學(xué)報，2007，32（9） ：950-954.

ZHANG Zhenwen，GAO Yongli，DAI Fenghong，et al.The geologic agent affecting the gas occurrence of the coal seam unmined in Xiaonan coal mine[J]. Journal of China Coal Society，2007，32（9） ： 950-954.

[7] A1-YAMI A S，NASR-EL-DIN H A，BATAWEEL M A，et a1.Formation damage induced by various water-based nuids used to driIl HP/HT wells[R]. SPE 112421，2008.

[8]LAKATOSI，BODIT，IJAKATOS-SZABO J，et a1.Mitigation of formation damage caused by water-based drilling fluids in unconventional gas reservoirs [R].SPE 127999，2010.

[9]ZAKARIA M，HUSEIN M，HARELAND G.Novel nanoparticle-based drilling fluid with improved characteristics[R]. SPE 156992，2012.

[10]陳軍，馬玄，岳前升，等. 沁水盆地清水鉆井液對煤儲層損害機理[J]. 煤礦安全，2014，45（11）：68-71.

CHEN Jun，MA Xuan，YUE Qiansheng ，et al.Damage mechanism of clear water drilling fluid on coal reservoir inQinshui basin[J]. Safety in Coal Mines，2014，45（11）：68-71.

[11]岳前升，鄒來方，蔣光忠，等. 煤層氣水平井鉆井過程儲層損害機理[J]. 煤炭學(xué)報，2012，37（1）：91-95.

YUE Qiansheng，ZOU Laifang，JIANG Guangzhong，et al.Lab investigation on damage mechanism of coal reservoir for pinnate horizontal well based on coalbed methane[J]. Journal of China Coal Society，2012，37（1）：91-95.

[12]黃質(zhì)強，蔣光忠，鄭雙進，等.煤層氣儲層保護鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究[J].石油天然氣學(xué)報，2010，32（6）：116-118.

HUANG Zhiqiang，JIANG Guangzhong，ZHENG Shuangjin，et al. The Key drilling technique of formation protection for coal-bed methane[J]. Journal of Oil And Gas Technology，2010，32（6）：116-118.

[13]王懷勐，朱炎銘，李搖伍，等. 煤層氣賦存的兩大地質(zhì)控制因素[J]. 煤炭學(xué)報，2011，36（7）：1129-1135..

WANG Huaimeng，ZHU Yanming，LI Yaowu，et al.Two major geological control factors of occurrence characteristics of CBM[J]. Journal of China Coal Society，2011，36（7）：1129-1135.

[14]梁利，管保山，劉萍，等. 雙生陽離子表面活性劑壓裂液在煤層氣井的應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（5）：112-115.

LIANG Li，GUAN Baoshan，LIU Ping，et al. Twin cationic surfactant fracturing fluid applied to coalbed methane well[J]. Coal Science and Technology，2016，44（5）：112-115.

[15]王道寬，烏效鳴，朱永剛，等.表面活性劑改善鉆井液速溶的效果評價[J]. 煤田地質(zhì)與勘探， 2015，43（5）：117-120.

WANG Daokuan，WU Xiaoming，ZHU Yonggang，et al. Laboratory study of influence of surfactants on the drilling fluid[J]. Coal Geology & Exploration，2015，43（5）：117-120.

[16]AMANULLAH M，AL-ABDULLATIF Z. Preliminary test results of a water based nanofluid[C]//The 8th International Conf. & Exhib. On Chemistry in industry，2010：18-20.

[17]AMANULLAH M，AL-ARFAJ K，AL-ABDULLATIF Z.Preliminary test results of nano-based drilling fluids for oil and gas field application[R]. SPE/IADC 139534，2011.

[18]Meng L, Connell L D. Dual porosity processes in coal seam reservoirs：The effect of heterogeneity of coal matirces[C]//2010 SPE Asia Pacific Oil & Gas Conference. Adelaide，2010， 42.