馮建秋，王 凱，陳倩倩，賈 萌，陳亞琪，聶帥帥.

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

絨囊鉆井液在三交區(qū)塊勘探應(yīng)用的可行性研究

馮建秋1，王 凱1，陳倩倩1，賈 萌1，陳亞琪1，聶帥帥2.

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

為解決三交區(qū)塊煤層氣分支水平井鉆井液漏失、井壁失穩(wěn)、儲層傷害嚴(yán)重等問題，通過室內(nèi)對比試驗(yàn)，分別測定清水鉆井液、絨囊鉆井液注入后的煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度、注入端壓力和滲透率恢復(fù)值。清水鉆井液、絨囊鉆井液注入后的煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度分別降低23.3%、提高43.3%，表明絨囊鉆井液防塌能力較強(qiáng)；清水鉆井液、絨囊鉆井液驅(qū)替煤巖柱塞注入壓力分別為1.7 MPa、18 MPa，表明絨囊鉆井液封堵能力較強(qiáng)；清水鉆井液、絨囊鉆井液污染后煤巖柱塞滲透率恢復(fù)值分別為53%、87%，表明絨囊鉆井液儲層傷害程度較低。鄰區(qū)LL-1五分支水平井絨囊鉆井液煤層鉆進(jìn)控制漏失速度在2 m3/h以下；JX-1井絨囊鉆井液煤層鉆進(jìn)井壁穩(wěn)定，日產(chǎn)氣量達(dá)3200 m3/d?，F(xiàn)場應(yīng)用效果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致，說明絨囊鉆井液滿足穩(wěn)定井壁和防漏堵漏的要求，在三交區(qū)塊分支水平井應(yīng)用絨囊鉆井液具有一定的可行性。

煤層氣；鉆井；鉆井液；井壁穩(wěn)定；儲層傷害；絨囊

三交區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓折帶中段，主體構(gòu)造位于華北地塊次級構(gòu)造單元河?xùn)|塊凹之，表現(xiàn)為向西傾斜的單斜構(gòu)造。地層從上到下依次為下古生界、上古生界、中生界及新生界。區(qū)塊煤層構(gòu)造簡單，整體呈西傾單斜構(gòu)造，地層傾角在5°左右，在單斜背景上發(fā)育一系列低幅度撓曲微構(gòu)造。區(qū)塊北部呈北東走向、傾向北西；中南部走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，走向近南北、傾向西。全區(qū)未見大型斷層，僅在區(qū)塊南緣發(fā)育2條近東西向正斷層、落差200余米，區(qū)內(nèi)未見火成巖體出露。

區(qū)內(nèi)煤層氣勘探工作始于20世紀(jì)80年代，山西組3+4+5號煤和太原組8+9號煤為主要開發(fā)煤層，埋深300～2000 m不等，煤層氣賦存條件較好。鏡質(zhì)體反射率為1.11～1.34，屬于中階煤。2002年，試驗(yàn)井產(chǎn)量約1×104m3，產(chǎn)氣效果較好。

為節(jié)約用地和提高單井產(chǎn)量，區(qū)內(nèi)開發(fā)多采用分支水平井。為防止生產(chǎn)過程中井眼坍塌，控制煤粉量，鉆井后下PE篩管完井。由于煤質(zhì)松散，鉆井過程中經(jīng)常出現(xiàn)井漏、井塌現(xiàn)象。且隨著深部煤層的開發(fā)，分支井成井難度進(jìn)一步加大，儲層污染更為嚴(yán)重。因此，三交區(qū)塊急需一種防漏、防塌以及低傷害的鉆井液，為后續(xù)順利完井和排采提供良好的基礎(chǔ)條件。

1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)與對策

三交區(qū)塊在整個(gè)河?xùn)|煤田中部，北部為臨興—柳林區(qū)塊，南部為石樓—大寧吉縣區(qū)塊。區(qū)內(nèi)以多分支水平井開發(fā)為主，一開膨潤土鉆井液，二開聚合物鉆井液，三開煤層鉆進(jìn)多采用清水鉆井液。從三交區(qū)塊實(shí)鉆情況來看，煤層鉆進(jìn)均存在不同程度的漏失和卡鉆現(xiàn)象，與柳林、大寧吉縣區(qū)塊較為類似。但是，三交區(qū)塊開發(fā)以分支水平井為主，分支段漏失控制、坍塌控制以及儲層控制的難度更大。

1.1 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

煤層是孔隙和割理—微裂隙雙重孔隙介質(zhì)，井漏是常見的井下事故[1]。水平分支井長裸眼鉆進(jìn)當(dāng)量循環(huán)密度增加，漏失概率增加。三交區(qū)塊部分煤層壓力系數(shù)低至0.5，清水鉆井液煤層鉆進(jìn)易漏失[2]。

受構(gòu)造活動(dòng)的影響，區(qū)內(nèi)碎裂煤、碎粒煤發(fā)育，煤質(zhì)疏松，易坍塌。清水鉆進(jìn)時(shí)，煤層頂?shù)装寮懊簩訆A矸中泥頁巖吸水膨脹，易產(chǎn)生掉塊。為保證長水平裸眼段井壁穩(wěn)定，需提高鉆井液密度。但煤層壓力系數(shù)低，會進(jìn)一步引起井漏。三交區(qū)塊多分支井鉆進(jìn)分支段坍塌嚴(yán)重。如SJ-A井M1主支鉆至976.00 m時(shí)滑動(dòng)困難，拖壓嚴(yán)重，結(jié)束鉆進(jìn)。后起鉆至880.00 m側(cè)鉆L1(M1)，鉆至1023.00 m卡鉆。在打撈鉆具的過程中破壞了井壁穩(wěn)定性，導(dǎo)致井報(bào)廢，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

卡鉆引起的交變應(yīng)力致使煤剪切破壞[3]，產(chǎn)生的大量煤粉不僅會堵塞流動(dòng)通道，也為后面排采增加了難度。三交區(qū)塊煤層氣井排采前期出煤粉嚴(yán)重，平均卡泵2次[4]。

水平井段鉆進(jìn)過程中清水?dāng)y巖能力低，易在井筒內(nèi)形成巖屑床，造成鉆井時(shí)泵壓升高、摩阻增大，影響井下安全[5]。因此，每鉆進(jìn)50～100 m實(shí)施劃眼循環(huán)，這不僅影響工程進(jìn)度，也未從根本上解決攜巖問題。

煤層微孔微裂隙發(fā)育，具有較強(qiáng)的毛管自吸力，侵入煤層的鉆井液以液相圈閉、固相堵塞及流體敏感等形式損害煤層滲透率[6]。與常規(guī)的砂巖氣不同的是，鉆井液侵入煤層會進(jìn)一步影響甲烷氣的解吸和擴(kuò)散，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降[7]。區(qū)內(nèi)煤層清水鉆進(jìn)井下復(fù)雜事故頻發(fā)，嚴(yán)重傷害了儲層。

綜上，三交區(qū)塊清水鉆井液攜巖能力差，井下坍塌嚴(yán)重，且造成了較為嚴(yán)重的儲層傷害。清水鉆井液不僅制約了分支井成井，更進(jìn)一步降低了氣井產(chǎn)量。

1.2 鉆井液技術(shù)對策

為實(shí)現(xiàn)三交區(qū)塊深部煤層氣的順利開發(fā)，首先應(yīng)當(dāng)保證分支水平井井眼質(zhì)量完好。由于三交區(qū)塊多種煤體共生，多壓力層系共存，漏失、坍塌嚴(yán)重，單一功能的鉆井液往往不能保證順利成井。

目前，能較好地解決油氣井坍塌、漏失問題的流體是絨囊流體。絨囊能夠以分壓、耗壓或者撐壓封堵流動(dòng)通道，且封堵具有高承壓性[8]，以堆積、拉抻、填塞等形式提高地層承壓能力[9]，已應(yīng)用到油氣井修井[10]、砂巖地層重復(fù)轉(zhuǎn)向酸化[11]、油井原縫無損重復(fù)壓裂[12]、非產(chǎn)水煤層轉(zhuǎn)向壓裂[13]、高產(chǎn)水煤層堵水壓裂[14]、高礦化度地層堵水[15]等技術(shù)領(lǐng)域。

煤層氣絨囊鉆井液是以絨囊流體為基礎(chǔ)研發(fā)，針對煤層易坍塌、易漏失、易水化膨脹、親油等特點(diǎn)，在分子的可降解性、表面潤濕性、封堵強(qiáng)度等方面做了較大調(diào)整，具有防塌、防漏、可降解、低污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種適合煤層氣鉆井的新型鉆井流體。目前，絨囊鉆井液已經(jīng)解決吉X井[16]、沁平12-11-3H六分支水平井[17]等煤層鉆進(jìn)中的漏失、坍塌問題，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)安全密度窗口鉆井[18]。且絨囊與煤層配伍[19]。因此，用絨囊鉆井液解決三交分支井漏失、坍塌和儲層傷害問題，具有一定的可行性。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)采用常規(guī)攪拌器，采用煤層氣鉆井用絨囊4種主處理劑配制絨囊鉆井液，配方：(1.5%～2.0%)囊層劑+(1.0%～1.5%)絨毛劑+(0.2%～0.4%)囊核劑+(0.4%～0.6%)囊膜劑。室內(nèi)采用含流體狀態(tài)下煤巖單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對比評價(jià)絨囊鉆井液、清水鉆井液的防塌能力；采用流體封堵煤巖柱塞后封堵區(qū)域承壓試驗(yàn)對比評價(jià)絨囊鉆井液、清水鉆井液的封堵能力；采用驅(qū)替試驗(yàn)對比評價(jià)絨囊鉆井液、清水鉆井液對煤基質(zhì)的傷害程度。

2.1 防塌能力測試

選取三交 9 號煤層?25 mm的煤巖柱塞6 枚。在溫度25 ℃、圍壓9 MPa、回壓0.5 MP下，將清水鉆井液、絨囊鉆井液分別從入口端注入煤巖柱塞中，加壓驅(qū)替1 h后停止。測定2組干煤巖、2組注入清水鉆井液的煤巖、2組注入絨囊鉆井液的煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度。6枚柱塞的單軸抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 干煤巖柱塞和含流體煤巖柱塞的單軸抗壓強(qiáng)度Fig.1 Dry coal rock and fluid-bearing coal rock uniaxial compressive strength

(1)清水鉆井液降低煤巖抗壓強(qiáng)度。

從圖1可以看出，干煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.7 MPa和3.3 MPa，平均為3.0 MPa；注入清水鉆井液的煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.1 MPa和2.5 MPa，平均為2.3 MPa；清水鉆井液降低煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度分別為22.2%和24.2%，平均為23.3%。說明三交區(qū)塊清水鉆井液侵入煤層后，煤抗壓強(qiáng)度降低，解釋了三交區(qū)塊煤層清水鉆進(jìn)的井壁失穩(wěn)原因。

(2)絨囊鉆井液提高煤巖抗壓強(qiáng)度。

從圖1可以看出，干煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.7 MPa和3.3 MPa，平均為3.0 MPa；注入絨囊鉆井液的煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度分別為3.9 MPa和4.7 MPa，平均為4.3 MPa；絨囊鉆井液提高煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度分別為44.4%和39.4%，平均為43.3%。說明絨囊鉆井液可以提高三交區(qū)塊的煤強(qiáng)度，保證井壁穩(wěn)定。

綜上，注入清水鉆井液的三交區(qū)塊煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度降低23.3%，注入絨囊鉆井液的煤巖柱塞單軸抗壓強(qiáng)度提高43.3%。說明絨囊鉆井液能夠提高煤的強(qiáng)度，能夠解決煤層井壁穩(wěn)定問題。

2.2 封堵能力測試

選取三交 9 號煤層?38 mm的煤巖柱塞2枚。在溫度25 ℃、圍壓9 MPa、回壓0.5 MPa下，分別用清水鉆井液、絨囊鉆井液驅(qū)替巖心，記錄驅(qū)替壓力隨時(shí)間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 流體注入壓力與時(shí)間的關(guān)系Fig.2 The relationship between injection pressure and time of coal rock

(1)清水鉆井液封堵能力差。

從圖2可以看出，清水鉆井液驅(qū)替煤巖柱塞驅(qū)替壓力隨時(shí)間變化曲線平緩，驅(qū)替壓力穩(wěn)定在1.7 MPa左右；同時(shí)，觀察柱塞出口端發(fā)現(xiàn)有液體流出，說明清水鉆井液未能封堵煤巖柱塞中的流動(dòng)通道。

(2)絨囊鉆井液封堵能力強(qiáng)。

從圖2可以看出，絨囊鉆井液驅(qū)替煤巖柱塞30 min迅速起壓，1 h后驅(qū)替壓力上升至18 MPa；同時(shí)，觀察柱塞出口端發(fā)現(xiàn)，無液體流出。說明絨囊鉆井液成功封堵了煤巖柱塞中的流動(dòng)通道。

綜上，清水鉆井液驅(qū)替煤巖柱塞壓力不足2 MPa，而絨囊鉆井液驅(qū)替壓力達(dá)18 MPa，說明絨囊鉆井液封堵性能好，防止煤層鉆進(jìn)漏失。

2.3 煤儲層傷害程度測試

選取三交9號煤層?38 mm的煤巖柱塞4枚。先以氮?dú)鉃轵?qū)替介質(zhì)，測量滲透率；再分別用清水鉆井液、絨囊鉆井液作為驅(qū)替介質(zhì)，污染1 h；最后用氮?dú)庾鳛轵?qū)替介質(zhì)，測量污染后的滲透率。試驗(yàn)2組，1#和2#柱塞采用清水鉆井液污染，3#和4#柱塞采用絨囊鉆井液污染，4個(gè)柱塞污染前后的滲透率見表1。

表1 流體污染后煤巖柱塞滲透率恢復(fù)值Table 1 Recovery rate of coal rock permeability after fluid contamination

(1)清水鉆井液煤儲層傷害程度高。

從表1可以看出，清水鉆井液污染后的煤巖柱塞滲透率恢復(fù)值分別為56.00%和50.00%。說明清水鉆井液侵入煤層后，降低煤層滲透率一半以上，污染嚴(yán)重。

(2)絨囊鉆井液煤儲層傷害程度低。

從表1可以看出，絨囊鉆井液污染后的煤巖柱塞滲透率恢復(fù)值分別為89.96%和84.21%。說明絨囊鉆井液侵入煤層后，滲透率恢復(fù)值在80 %以上，傷害程度低。

綜上，清水鉆井液傷害煤巖柱塞滲透率不足原來的50 %，而絨囊鉆井液傷害后柱塞滲透率恢復(fù)值在80 %以上，絨囊鉆井液對煤具有低傷害性，利于儲層保護(hù)。

3 現(xiàn)場配制維護(hù)工藝

絨囊鉆井液現(xiàn)場施工應(yīng)注意兩個(gè)方面：一是配制出性能符合設(shè)計(jì)的絨囊鉆井液；二是鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井液性能，補(bǔ)充處理劑并維護(hù)其性能。

3.1 絨囊鉆井液配制工藝

依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)配方，先在配漿罐中依次加入清水、囊層劑和絨毛劑，攪拌20～30 min；再緩慢加入囊核劑和囊膜劑，攪拌20～30 min；最后加入適量甲酸鹽。待處理劑完全溶解后，測定鉆井液性能。

配制的絨囊鉆井液密度為0.85～1.20 g/cm3，表觀黏度為15～30 mPa·s，塑性黏度為8～15 mPa·s，動(dòng)切力為7～14 Pa，動(dòng)塑比為0.5～1.2 Pa/(mPa·s)，pH值為8～10。

3.2 絨囊鉆井液維護(hù)工藝

日常維護(hù)要求每2 h測量漏斗黏度、密度，每4 h測量密度和流速。同時(shí)，全天候使用固控設(shè)備，清除鉆井液中無用固相，維持鉆井液表觀黏度在20 mPa·s左右。否則固相含量高，塑性黏度變大，動(dòng)塑比維持需要較高的動(dòng)切力；此時(shí)鉆井液的表觀黏度過高，不僅鉆井液性能變差，還會進(jìn)一步影響機(jī)械鉆速。

為保證井眼清潔，維持鉆井液動(dòng)塑比在0.5 Pa/(mPa·s)以上，保證水平段鉆井液的攜巖能力良好，防止形成巖屑床。當(dāng)動(dòng)塑比低于0.5 Pa/(mPa·s)時(shí)，加入絨毛劑，或者是加入囊核劑并輔以囊膜劑。

為保證井壁穩(wěn)定，絨囊鉆井液密度應(yīng)在合適的范圍內(nèi)。絨囊密度越低，形成的囊泡數(shù)量越多，封堵性能越好。但是，絨囊防塌不僅僅依靠囊泡封堵，還需要引入甲酸鹽以適當(dāng)提高密度。加入甲酸鹽一方面可以平衡高壓力地層，另一方面提高了絨囊鉆井液的抑制性，保證井壁穩(wěn)定。

4 鉆井實(shí)例

目前，絨囊鉆井液在柳林、大寧吉縣區(qū)塊成功應(yīng)用10余口井。柳林、大寧吉縣緊鄰三交，工程、地質(zhì)特征相近，且同屬于河?xùn)|煤田，絨囊鉆井液在2個(gè)區(qū)塊的成功應(yīng)用為三交提供了經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。

4.1 LL-1井絨囊鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

LL-1井是位于鄂爾多斯盆地呂梁復(fù)背斜翼的一口五分支水平井。三開五分支水平段平均井深為1000 m，5#煤層裂隙發(fā)育的漏失問題，長裸眼、長時(shí)間浸泡的井壁穩(wěn)定問題，水平段的潤滑降摩阻問題以及井眼清潔問題更為突出。

LL-1井三開水平分支段采用絨囊鉆井液鉆進(jìn)。絨囊鉆井液密度為0.90～0.98 g/cm3，漏斗黏度為30～50 s，塑性黏度為8～14 mPa·s，動(dòng)切力為7～14 Pa，動(dòng)塑比為0.85～1.10 Pa/(mPa·s)，pH值為9～10。

5個(gè)分支鉆進(jìn)時(shí)均出現(xiàn)漏失，漏失速度在5 m3/h左右。加入囊核核劑、核囊層劑，產(chǎn)生更多囊泡，降低體系密度，提高封堵能力，漏速控制在2 m3/h以下，順利完鉆。純鉆時(shí)間624 h，平均機(jī)械鉆速7.5 m/h，取得了較好的工程效果。

4.2 JX-1井絨囊鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

JX-1位于鄂爾多斯盆地東部晉西撓褶帶南段，是國內(nèi)煤層氣首例長距離、大口徑、煤層下套管壓裂的水平對接井。由于煤層水平段鉆進(jìn)距離長，煤質(zhì)較軟，易發(fā)生坍塌掉塊，引發(fā)井下復(fù)雜。

JX-1井三開1208.80～1981.45 m采用絨囊鉆井液鉆進(jìn)。絨囊鉆井液密度為1.14～1.19 g/cm3，漏斗黏度為45～50 s；表觀黏度為15～ 30 mPa·s，塑性黏度為8～15 mPa·s，動(dòng)切力為7～13 Pa，動(dòng)塑比為0.5～0.8 Pa/(mPa·s)，pH值為8～10。

絨囊鉆井液鉆進(jìn)無復(fù)雜情況發(fā)生，平均機(jī)械鉆速為5.6 m/h，取得了較好的工程效果。排采日產(chǎn)氣達(dá)3200 m3/d，說明絨囊鉆井液并未對儲層造成嚴(yán)重的傷害。

5 結(jié)論

(1)室內(nèi)對比試驗(yàn)表明，相對于清水鉆井液，絨囊鉆井液封堵能力、防塌能力較強(qiáng)，儲層傷害程度較低，滿足三交區(qū)塊煤層鉆進(jìn)防漏、防塌和低傷害的要求。

(2)現(xiàn)場應(yīng)用表明，絨囊鉆井液能夠解決長裸眼水平段的井壁失穩(wěn)問題，且對煤層具有低傷害性。因此，在三交區(qū)塊分支水平井應(yīng)用絨囊鉆井液是可行的。

(3)絨囊鉆井液可依據(jù)地層情況實(shí)時(shí)調(diào)整性能，滿足不同鉆井方式的需要。適用性強(qiáng)，但前提是要維護(hù)得當(dāng)。

(4)絨囊鉆井液應(yīng)用效果評價(jià)應(yīng)進(jìn)一步與排采結(jié)合，尋找漏失控制、坍塌控制和儲層傷害控制集一體的最優(yōu)流體性能。

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FeasibilityStudyontheApplicationofFuzzy-ballDrillingFluidinSanjiaoBlock

Feng Jianqiu1, Wang Kai1, Chen Qianqian1, Jia Meng1, Chen Yaqi1, Nie Shuaishuai2

(1.PetroChinaCoalbedMethaneCo.,Ltd.,Beijing100028,China; 2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

In order to solve the problems of lost circulation, borehole instability and serious reservoir damage in horizontal branch wells of coalbed methane in Sanjiao block, the strength of coal and rock plunger after injection of water drilling fluid and fuzzy-ball drilling fluid was measured by indoor experiment, injection pressure and permeability recovery values. Water drilling fluid reduced the uniaxial compressive strength of coal and rock plunger 23.3%, fuzzy-ball drilling fluid improved the uniaxial compressive strength of coal and rock plunger 43.3%. The plunger pressures of fuzzy-ball drilling fluid and water drilling fluid were 1.7MPa and 18MPa. The recovery values of coal and rock plunger permeability of clean drilling fluid and velvet drilling fluid pollution were 53 % and 87%. The leak rate of drilling fluids of coal seam drilling in LL-1 branch horizontal well was less than 2m3/h. JX-1 fuzzy-ball well’s drilling in coal seam was stable and the daily gas production was 3200m3/d. The results of field application were consistent with the results of laboratory experiments. It showed that the fuzzy-ball drilling fluid meets the requirements of borehole stability and lost circulation prevention and control, and it was feasible to use fuzzy-ball drilling fluid in horizontal wells of Sanjiao block.

CBM; drilling; drilling fluid; borehole stability; reservoir damage; fuzzy-ball

TD842

A

國家科技重大專項(xiàng)“煤層氣鉆完井及增產(chǎn)改造技術(shù)示范工程”(2016ZX05064002)資助。

馮建秋(1985—)，男，工程師，主要從事煤層氣鉆井工程技術(shù)管理方面的工作。郵箱：fjq.2009@163.com.