耿學(xué)禮 蘇延輝 鄭曉斌 高波

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

無固相保護(hù)煤層鉆井液研究及應(yīng)用

耿學(xué)禮 蘇延輝 鄭曉斌 高波

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

針對(duì)沁水盆地15#煤層水平井鉆井過程中煤層坍塌失穩(wěn)和儲(chǔ)層污染的難題，通過研發(fā)可降解的稠化劑和低溫氧化破膠劑，開發(fā)出一套既能穩(wěn)定井壁又能保護(hù)儲(chǔ)層的無固相保護(hù)煤層鉆井液體系。通過鉆井液流變性、濾失性、抑制性、儲(chǔ)層保護(hù)性能和破膠性能等實(shí)驗(yàn)對(duì)該體系進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系性能穩(wěn)定，抑制性強(qiáng)，煤巖回收率大于96%，煤巖相對(duì)膨脹率低于0.3%，與地層流體配伍性良好，30 ℃下破膠率達(dá)到93%以上，破膠后煤巖滲透率恢復(fù)值達(dá)到96%以上。該鉆井液在七元煤礦4口U型水平井現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場施工順利，未發(fā)生任何事故復(fù)雜，完鉆后試井表皮因數(shù)最低-2.17，達(dá)到了穩(wěn)定井壁和保護(hù)儲(chǔ)層的雙重目的。

沁水盆地；煤層氣；可降解稠化劑；無固相鉆井液；低溫破膠；儲(chǔ)層保護(hù)

煤層在鉆井過程中，易受外力及外來流體侵入造成煤巖喪失原有穩(wěn)定性，發(fā)生煤層坍塌造成井壁失穩(wěn)等鉆井事故［1］。與常規(guī)油氣藏相比，煤巖儲(chǔ)層普遍存在孔隙及割理，煤層氣以游離、吸附形式存儲(chǔ)在儲(chǔ)層中［2］，煤巖本身具有高吸附性、低孔隙度、低滲透率、低壓等特點(diǎn)，鉆完井過程中煤巖儲(chǔ)層極易受到損害［3-4］，因此解決井壁失穩(wěn)和儲(chǔ)層損害問題是煤層氣高效開發(fā)的關(guān)鍵。

目前煤層氣鉆井中采用的鉆井液體系主要有清水/活性水、泡沫鉆井液、絨囊鉆井液、無固相聚合物鉆井液、可降解鉆井液等體系［5-11］，由于各體系對(duì)不同煤巖特性的適應(yīng)性存在差異，且受到配制工藝、成本、性能、儲(chǔ)層保護(hù)效果等因素影響，適用范圍均存在一定的局限性［12］。

沁水盆地七元礦區(qū)煤層氣開發(fā)以15#煤層為主，厚度平均3.77 m，埋深大部分小于800 m，地層壓力系數(shù)平均為0.56，地層處于欠壓狀態(tài)，儲(chǔ)層溫度30～50 ℃左右；孔隙度平均值在5.8%左右，滲透率平均值為0.045 mD，黏土礦物總量為3.5%～4.6%，其中伊利石含量40%～43%，伊蒙混層比29%～35%。鉆井井型以U型為主［13］，前期采用無固相清潔鹽水鉆井液，但在水平井施工中易出現(xiàn)煤層坍塌掉塊現(xiàn)象，攜巖性能較差，嚴(yán)重時(shí)引起卡鉆，造成井下復(fù)雜或事故。無固相聚合物鉆井液和可降解鉆井液能夠解決井壁失穩(wěn)問題，后期通過破膠作業(yè)可解除部分傷害，但七元礦地層溫度較低，破膠效果并不理想，對(duì)儲(chǔ)層仍存在一定傷害。

針對(duì)沁水盆地七元礦15#煤層鉆井難點(diǎn)，從穩(wěn)定井壁、提高攜巖性能、降低失水、提高儲(chǔ)層保護(hù)性能等角度出發(fā)［14］，研究了一種無固相聚合物鉆井液體系及配套破膠液體系。鉆井液中的稠化劑為大、小分子聚合物復(fù)配的新型稠化劑，大、小分子聚合物配合使用同時(shí)穩(wěn)定井壁和降低濾失；破膠液中的低溫破膠劑為在普通氧化破膠劑中加入低溫激活劑，解決了低溫破膠的難題，從而達(dá)到了鉆井液穩(wěn)定井壁和低溫破膠的目的，并在該地區(qū)4口U型水平井中成功應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

Experiment

1.1 主要材料與儀器

Main experimental material and apparatus

稠化劑，羧甲基多糖類聚合物和鈉羧基纖維素復(fù)配，相對(duì)分子量在100萬～200萬左右，粉末狀，自制；低溫氧化破膠劑，低溫破膠激活劑和強(qiáng)氧化劑復(fù)配，顆粒狀，自制；酯類水基潤滑劑，防水鎖劑，工業(yè)品，荊州長大石油科技有限公司；過硫酸銨，分析純，無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司。

無固相保護(hù)煤層鉆井液配方：清水+0.8%～1.2%稠化劑+1%～2%水基潤滑劑；破膠液配方：清水+5%低溫氧化破膠劑+0.5%防水鎖劑。

15#煤巖巖屑取自七元礦鉆井現(xiàn)場。15#煤巖巖心取自當(dāng)?shù)孛旱V，煤巖1-1、煤巖1-2，孔隙度13.5%，氣測滲透率0.61 mD。地層水為經(jīng)過濾后的排采水，水型為NaHCO3型，礦化度為2 976.78 mg/L。

主要儀器：FANN35SA型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國FAN公司；FANN21200型極壓潤滑儀，美國FAN公司；JHDS-Ⅱ型高溫高壓動(dòng)態(tài)失水試驗(yàn)儀，荊州市創(chuàng)聯(lián)石油科技發(fā)展有限公司；煤巖儲(chǔ)層損害模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)，山東中石大石儀科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

Experimental method

1.2.1 鉆井液基本性能參數(shù)測試 實(shí)驗(yàn)方法參考GB/T 16783.1—2014 《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試 第 1部分：水基鉆井液》［15］。

1.2.2 鉆井液抑制性能評(píng)價(jià) 煤巖滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)：稱取20 g過6～10目烘干的15#煤巖巖屑置于老化罐中，加入350 mL鉆井液，50 ℃下熱滾16 h；用40目篩回收巖屑，將回收的巖屑105 ℃干燥4 h，稱重后計(jì)算回收率。

煤巖在鉆井液中膨脹率測試：參照SY/T 5613—2000 《泥頁巖理化性能試驗(yàn)方法》，觀察并記錄煤巖在鉆井液中的膨脹量，計(jì)算膨脹率［16］。

1.2.3 與地層水配伍性實(shí)驗(yàn) 分別采用鉆井液及其濾液與地層水1∶1混合的方式，在30 ℃水浴中加熱6 h，觀察是否有沉淀發(fā)生。

1.2.4 鉆井液破膠實(shí)驗(yàn) 將鉆井液與破膠液按1∶1比例混合，攪拌5 min后分別在30 ℃和50 ℃下恒溫4 h，測初始黏度和各時(shí)間段的黏度，計(jì)算破膠率。

1.2.5 煤巖儲(chǔ)層滲透率恢復(fù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)方法參考SY/T 6540—2002 《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》［17］。首先用地層水測試煤巖原始滲透率，然后在3.5 MPa壓差下用無固相保護(hù)煤層鉆井液對(duì)煤巖進(jìn)行污染，再測試煤巖傷害后的滲透率，最后用破膠液反向驅(qū)替1 PV后，測試破膠后滲透率。

2 結(jié)果與討論

Result and discussion

2.1 基本性能參數(shù)

Basic performance parameters

無固相保護(hù)煤層鉆井液基本性能參數(shù)見表1。該體系黏度適中，動(dòng)切力和動(dòng)塑比能夠滿足水平井?dāng)y巖需要，濾餅較薄且黏附系數(shù)能夠滿足水平井施工對(duì)潤滑性能的要求，技術(shù)指標(biāo)在鉆井設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

表1 無固相保護(hù)煤層鉆井液基本性能參數(shù)Table 1 Basic performance parameters of solid-free coalbed protection drilling fuid

2.2 抑制性能

Inhibition property

煤巖巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。1#、2#鉆井液體系為2組平行樣，2組實(shí)驗(yàn)巖屑回收率均在96%以上，較清水有極大提高，說明體系對(duì)煤巖抑制性較強(qiáng)，煤巖在體系溶液中長時(shí)間滾動(dòng)，沒有發(fā)生水化分散現(xiàn)象，煤巖巖屑在滾動(dòng)后能保證其完整性。

表2 煤巖巖屑回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental result of recovery factor of coal rock cuttings

煤巖在清水和鉆井液中的膨脹量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。煤巖在無固相保護(hù)煤層鉆井液中30 min后開始膨脹，在360 min時(shí)，膨脹量趨于穩(wěn)定，而煤巖在清水中的膨脹量基本處于上升趨勢，說明無固相保護(hù)煤層鉆井液體系對(duì)煤巖的抑制性較強(qiáng)，且能延緩煤巖初始膨脹的時(shí)間，為鉆井施工的安全提供了一定的時(shí)間保障。

圖1 不同介質(zhì)中煤巖相對(duì)膨脹率Fig. 1 Relative expansion rate of coal rock in different media

2.3 與地層流體的配伍性

Compatibility with the formation fl uid

鉆井液與地層水混合后，混合液呈現(xiàn)鉆井液原始狀態(tài)，未出現(xiàn)沉淀；鉆井液濾液與地層水混合后，溶液清澈，說明無論是鉆井液及其濾液與地層水配伍性良好（圖2）。

圖2 配伍性實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 2 Picture of compatibility experiment

2.4 破膠效果

Gel breaking effect

實(shí)驗(yàn)對(duì)比過硫酸銨和低溫破膠劑在不同溫度下對(duì)無固相保護(hù)煤層鉆井液的破膠效果，結(jié)果見表3。30 ℃下，過硫酸銨4 h破膠率為69.57%，低溫破膠劑4 h破膠率為93.47%；50 ℃下，過硫酸銨4 h破膠率為78.26%，低溫破膠劑4 h破膠率為95.65%。低溫破膠劑破膠效果明顯優(yōu)于過硫酸銨。低溫破膠劑30 ℃破膠4 h后，鉆井液完全破膠；50 ℃破膠2 h后，鉆井液完全破膠。在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)儲(chǔ)層溫度適當(dāng)調(diào)整破膠作業(yè)時(shí)間。

表3 鉆井液破膠率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Gel breaking rate experiment result of drilling fuid

2.5 煤儲(chǔ)層保護(hù)效果

Coal reservoir protection effect

煤巖儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。無固相保護(hù)煤巖鉆井液體系在不破膠的情況下，對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度達(dá)到30%以上，說明無固相保護(hù)煤層鉆井液本身對(duì)煤層有一定傷害。在用破膠液反向驅(qū)替1 PV后，儲(chǔ)層的滲透率恢復(fù)值均達(dá)到96%以上，基本上解除了鉆井液對(duì)煤巖的污染。

表4 煤巖巖心儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation result of reservoir protection performance on coal rock cores

3 現(xiàn)場應(yīng)用

Field application

無固相保護(hù)煤層鉆井液體系已在七元礦區(qū)成功完鉆4口U型水平井。01H、02H、12H井首先采用清潔鹽水在煤層鉆進(jìn)，鉆進(jìn)煤層超過3 d，開始出現(xiàn)掉塊，鉆進(jìn)超過10 d，出現(xiàn)掉塊嚴(yán)重、煤層坍塌，導(dǎo)致鉆井施工不能正常進(jìn)行。轉(zhuǎn)換為無固相保護(hù)煤層鉆井液鉆進(jìn)后，有效抑制了煤層的坍塌問題，鉆屑規(guī)則，攜巖正常，井壁穩(wěn)定，保證了順利完鉆。08H井在煤層鉆進(jìn)直接采用無固相保護(hù)煤層鉆井液，整個(gè)施工過程未出現(xiàn)與鉆井液相關(guān)的任何事故。

以12H井為例，使用清潔鹽水鉆井液鉆至井深960 m時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)尺和巖屑返出量不成比例，經(jīng)觀察分析，判斷為井下垮塌嚴(yán)重，且有掉塊逐漸增加的趨勢，掉塊大小2～3 cm，將鉆井液密度由1.08 g/cm3調(diào)整至1.12 g/cm3，發(fā)現(xiàn)巖屑返出量基本趨于正常，但掉塊依然沒有減少，鉆具上提下放遇阻嚴(yán)重。鉆至井深1 022 m，上提鉆具遇阻，提至400 kN左右，然后活動(dòng)正常，鉆至井深1 045 m，因?yàn)榫碌魤K較多，準(zhǔn)備短起，在井深1 017m處遇阻卡鉆，開泵憋泵，上提懸重至450 kN左右未能起出，最后啟動(dòng)頂驅(qū)上提下放倒劃眼解卡。隨即改為無固相保護(hù)煤層鉆井液體系鉆進(jìn)，并將鉆井液密度維持在1.05～1.06 g/cm3，有效穩(wěn)定了井壁，漏斗黏度在40 s左右，避免了煤層滲漏的發(fā)生，動(dòng)切力維持在5～7 Pa，既保證了攜巖，又避免了小井眼施工泵壓易高的問題。在之后的鉆進(jìn)過程中，無掉塊和井漏問題出現(xiàn)，順利完鉆。完鉆后進(jìn)行破膠洗井作業(yè)，其中12H井煤層厚度4.31 m，日均產(chǎn)水量28.7 m3，井底流壓自2.486 MPa緩慢下降，排水64 d后，完鉆井已有水溶氣產(chǎn)出。

4 結(jié)論

Conclusions

（1）開發(fā)的無固相保護(hù)煤層鉆井液體系性能穩(wěn)定，潤滑性好、黏切適中、與地層流體配伍性好，能夠滿足七元礦區(qū)煤層氣水平井鉆井技術(shù)要求。無固相保護(hù)煤層鉆井液體系與配套的破膠液使用能夠完全破膠，且破膠后能夠解除鉆井液對(duì)煤層的傷害。

（2）無固相保護(hù)煤層鉆井液對(duì)煤巖抑制性較強(qiáng)，穩(wěn)定井壁能力強(qiáng)，解決了煤層坍塌造成卡鉆、憋泵問題，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，可在該區(qū)塊推廣應(yīng)用。

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（修改稿收到日期 2017-06-23）

〔編輯 朱 偉〕

Study and application of solid-free coalbed protection drilling fl uid

GENG Xueli, SU Yanhui, ZHENG Xiaobin, GAO Bo
Drilling & Production Co., CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300452, China

When a horizontal well is drilling through the No.15 coal seam in the Qinshui Basin, coal seam collapse and instability and reservoir contamination tend to happen. To deal with these problems, degradable thickening agent and low-temperature oxidizing breaker were developed. Then, a set of sold-free drilling fuid system which can guarantee both borehole stability and reservoir protection was prepared. And fnally, this system was evaluated by performing experiments on its rheological property, fltration property, inhibition property, reservoir protection and gel breaking capacity. It is shown that this system is characterized by stable property, strong inhibition and good compatibility with the formation fuid. The recovery ratio of coal rock is higher than 96% and its relative expansion ratio is lower than 0.3%. The gel breaking ratio is 95% at 30 ℃, and the recovery ratio of coal rock permeability after gel breaking is over 96%.This drilling fuid system was applied on site in 4 U-shape horizontal wells in Qiyuan Coal Mine. The drilling operation was smooth and no accident happened. The skin factor of well testing after drilling was the lowest (-2.17). And thus, the double targets of borehole stability and reservoir protection are realized.

Qinshui Basin; coalbed methane; degradable thickening agent; solid-free drilling fuid; low temperature breaking;reservoir protection

耿學(xué)禮，蘇延輝，鄭曉斌，高波.無固相保護(hù)煤層鉆井液研究及應(yīng)用［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（4）：455-459.

TE254

B

1000 – 7393（ 2017 ） 04 – 0455 – 05

10.13639/j.odpt.2017.04.011

:GENG Xueli, SU Yanhui, ZHENG Xiaobin, GAO Bo. Study and application of solid-free coalbed protection drilling fuid［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4): 455-459.

中海油能源發(fā)展股份有限公司“非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”重大專項(xiàng)子課題“煤層氣儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)與保護(hù)技術(shù)研究”（編號(hào)：HFXMLZ-CJFZ1311）。

耿學(xué)禮（1983-），2007年畢業(yè)于長江大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事鉆完井液及儲(chǔ)層保護(hù)研究等工作，工程師。通訊地址：（300452）天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號(hào)鉆采工藝實(shí)驗(yàn)室。電話：022-25804735。E-mail：gengxl2@cnooc.com.cn