摘 "要：針對(duì)畢節(jié)織納煤田煤層氣鉆井過程中井壁失穩(wěn)及儲(chǔ)層傷害等問題，選擇畢節(jié)織納煤田代表性的16號(hào)煤層及頂?shù)装鍘r樣，開展了X-射線衍射和水化穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，揭示了畢節(jié)織納煤田煤層氣鉆井水化失穩(wěn)機(jī)理。采用“一劑多用”的理念，優(yōu)選了疏水締合聚合物AMSN、封堵劑ZJX和防水鎖劑PFWD，構(gòu)建了一種適用于畢節(jié)織納煤田煤儲(chǔ)層的封堵型無(wú)固相鉆井液體系，該鉆井液體系具有較好流變性、抑制性、低失水性和煤層微裂縫的封堵性。

關(guān)鍵詞：織納煤田；煤層氣井；水化失穩(wěn)；無(wú)固相鉆井液體系

貴州煤層氣資源豐富，2000m以淺的煤層氣資源量約2.83萬(wàn)億立方米，位居全國(guó)第四位。全省累計(jì)施工各類煤層氣井400余口，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量202億立方米。畢節(jié)煤層氣地質(zhì)資源量約占貴州省的39%，達(dá)1.1萬(wàn)億立方米。

畢節(jié)的煤層多而薄，但含氣性較好，主要采用直井、定向井和水平井進(jìn)行煤層氣開發(fā)，煤儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率較低，鉆井和固井過程煤層容易受到傷害。針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層氣儲(chǔ)保鉆井液進(jìn)行了大量的研究，黃維安等人設(shè)計(jì)出適合沁水盆地煤層氣鉆井且能有效控制鉆井液對(duì)于煤儲(chǔ)層傷害的鉆井液配方，劉彬等人基于沁水盆地的水平井鉆井液的井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)保問題，提出在清水鉆井液中加入絨囊添加劑，有利于井壁穩(wěn)定和降低儲(chǔ)層傷害。雖然眾多專家、學(xué)者在煤層氣鉆井液體系研究中取得了大量的成果，但是畢節(jié)織納煤田煤儲(chǔ)層失穩(wěn)機(jī)理不同，適用的鉆井液體系有差別。

本文基于畢節(jié)織納煤田煤層氣井水化失穩(wěn)機(jī)理分析，開展合理外加劑的優(yōu)選，構(gòu)建一套具有良好封堵作用、有效防水鎖等綜合性能良好的無(wú)固相鉆井液體系，為該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)提供技術(shù)支持和保障。

一、畢節(jié)織納煤田儲(chǔ)層物性特征

畢節(jié)的煤層氣資源主要集中在織納煤田和黔北煤田。以織納煤田文家壩區(qū)塊為例，文家壩一礦主要煤層的孔隙度為6.71%～8.64%，主要煤層滲透率為0.017～0.14mD，屬于低孔低滲儲(chǔ)層。畢節(jié)織納煤田主要煤層裂隙、節(jié)理發(fā)育，鉆井過程易出現(xiàn)煤層及頂?shù)装宓魤K、垮塌和污染等問題。

二、畢節(jié)織納煤田煤層氣井水化失穩(wěn)機(jī)理

選取織納煤田具有代表性的文家壩16號(hào)煤及頂?shù)装暹M(jìn)行X-射線衍射（XRD）分析。煤樣中主要含有碳、二氧化硅、二硫化鐵和磷酸鋁等成分（圖1），煤層鉆井過程水化分散性不強(qiáng)。

采用X-射線衍射（XRD）對(duì)16號(hào)煤頂?shù)装暹M(jìn)行礦物元素分析，頂?shù)装逯忻擅撌坎坏龋ū?），其中16號(hào)煤底板巖樣達(dá)到了45.1%，鉆井過程容易造成粘土礦物的水化膨脹。

為了進(jìn)一步研究煤層及頂?shù)装逅€(wěn)定性，選取織納煤田代表性的16號(hào)煤層及頂?shù)装鍢悠愤M(jìn)行了水化巖屑回收率實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)流程為（圖2）：稱取50.0g（精確至0.1g）樣品顆粒，裝入盛有350mL清水的密封罐中并蓋緊。恒溫滾動(dòng)16h后，取出密封罐，將罐內(nèi)的液體和樣品全部?jī)A倒在孔眼邊長(zhǎng)為0.42mm的分樣篩上，在裝有自來(lái)水的槽中濕式篩洗1分鐘。將篩余巖樣置于恒溫干燥箱中烘干4小時(shí)，取出冷卻后在空氣中靜置24小時(shí)，然后進(jìn)行稱量（精確至0.1g）。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（表2），該區(qū)塊的16號(hào)煤層有一定的水化性，但水化能力不強(qiáng)，樣品平均回收率為91.5%。但16號(hào)煤層的頂板或底板具有較強(qiáng)的水化特征，樣品平均回收率為54.9%和80.87%。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畢節(jié)織納煤田煤層氣鉆井水化失穩(wěn)機(jī)理主要原因是煤層頂?shù)装迦菀姿蛎洠鹁谑Х€(wěn)。煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率較低，但是裂隙、節(jié)理發(fā)育，鉆井液失水進(jìn)入煤儲(chǔ)層，極易堵塞滲流通道，甚至可能造成儲(chǔ)層發(fā)生“水鎖效應(yīng)”。

三、畢節(jié)織納煤田封堵型無(wú)固相鉆井液體系的構(gòu)建與評(píng)價(jià)

基于畢節(jié)織納煤田煤層氣鉆井水化失穩(wěn)機(jī)理，需要構(gòu)建一套具有良好封堵作用、有效防水鎖等綜合性能良好的無(wú)固相鉆井液體系。

（1）降濾失增粘劑AMSN的制備與優(yōu)選

針對(duì)織納煤田煤儲(chǔ)層孔滲特征，無(wú)固相鉆井液要具有一定的粘度、微小裂縫通道封堵、較低的失水量，為此，采用增粘劑進(jìn)行“一劑多用”。本次實(shí)驗(yàn)采用膠束聚合法，合成了一種降濾失增粘劑AMSN。為了驗(yàn)證反應(yīng)產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物，采用紅外光譜儀對(duì)AMSN的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紅外光譜分析測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明（圖3），AMSN在波數(shù)為1046cm-1處存在疏水單體特征峰，且圖中均未發(fā)現(xiàn)-C=C的特征峰，反應(yīng)產(chǎn)物為設(shè)計(jì)的目標(biāo)產(chǎn)物。

根據(jù)降濾失增粘劑AMSN的封堵效果、流變性和潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)，降濾失增粘劑AMSN的最佳濃度為0.3%。

（2）封堵劑優(yōu)選

AMSN具有一定的封堵微孔隙作用，但畢節(jié)織納煤田的煤層裂隙、節(jié)理發(fā)育，完全依靠AMSN的封堵難以滿足防漏失的需求，因此還需要進(jìn)行封堵劑的優(yōu)選。

吸水樹脂微球具有較強(qiáng)的吸水特性，當(dāng)其與水溶液接觸時(shí)，可以通過吸水膨脹作用形成粒徑范圍較廣的軟變形材料。該類材料具有較強(qiáng)的吸水變形能力，可以根據(jù)不同的漏失通道產(chǎn)生不同程度上的變形，對(duì)微孔隙或微裂縫具有較強(qiáng)的封堵作用。本次實(shí)驗(yàn)研制的吸水樹脂ZJX作為橋塞骨架顆粒，在大孔道內(nèi)形成穩(wěn)定的架橋結(jié)構(gòu)。

為了驗(yàn)證加入封堵劑ZJX后的疏水締合聚合物體系能夠?qū)崿F(xiàn)煤層的有效封堵，采用煤層代替濾紙作為隔離介質(zhì)，利用濾失儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在高壓濾失儀底部加入200g不同粒徑的煤粉（0.45-0.9mm、0.15-0.45mm、0.075-0.15mm），并加入350mL配制好的水溶液，測(cè)定30分鐘的高壓濾失量。實(shí)驗(yàn)體系配方為0.3%AMSN溶液+（0%、0.5%、1%和1.5%）微孔型堵漏材料ZJX。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入微孔型堵漏材料ZJX后，高壓煤層濾失量降低，微孔型堵漏材料ZJX在高壓條件下對(duì)煤層具有較好的封堵能力，可有效阻止鉆井液及其濾液侵入煤層。根據(jù)不同加量的ZJX封堵性能和潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)，ZJX最優(yōu)加量為1%。

（3）防水鎖劑優(yōu)選

防水鎖劑主要為表面活性劑，或者是以表面活性劑為主體并輔以其他添加劑。防水鎖劑能大大降低表面張力或改變潤(rùn)濕性，有利于近井滯留液以蒸發(fā)方式被驅(qū)走，更好地解除水鎖。

室內(nèi)選用了4種表面活性劑（ABS、SDS、FY和PFWD），并將其配制成溶液，使用表面張力儀測(cè)定表面張力大小。同時(shí)，表面活性劑的起泡現(xiàn)象不利于煤層氣儲(chǔ)層防水鎖，防水鎖劑的起泡性應(yīng)較弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（表3），PFWD和FY表面活性劑濃度為0.5%時(shí)，水溶液具有較弱的起泡性及良好的表面活性，表面張力小于20mN/m。有機(jī)硅氟類FY表面活性劑成本相對(duì)較高，因此選用PFWD為無(wú)固相鉆井液體系中的防水鎖劑，濃度為0.5%。

（4）封堵型無(wú)固相鉆井液體系的構(gòu)建

通過室內(nèi)大量的實(shí)驗(yàn)研究，最終構(gòu)建了適合畢節(jié)織納煤田煤層氣鉆井的一套封堵型無(wú)固相鉆井液體系，其配方為：水+0.3%AMSN+1%ZJX+1%PFWD。

（5）封堵型無(wú)固相鉆井液體系的常規(guī)性能評(píng)價(jià)

本次構(gòu)建封堵型無(wú)固相鉆井液體系密度為1.05g/cm3，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井液需要，室內(nèi)開展了不同重晶石加量后的鉆井液體系的常規(guī)性能研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系的流變性良好，濾失量滿足要求，能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）畢節(jié)織納煤田煤儲(chǔ)層主要含有碳、二氧化硅、二硫化鐵和磷酸鋁等成分，鉆井過程水化分散性不強(qiáng)，但是頂?shù)装逯忻擅撌坎坏龋菀自斐烧惩恋V物的水化膨脹。根據(jù)水化穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，16號(hào)煤層有一定的水化性，但水化能力不強(qiáng)，樣品平均回收率為91.5%，但頂板或底板具有較強(qiáng)的水化能力，樣品平均回收率為54.9%和80.87%。

（2）畢節(jié)織納煤田煤層氣井水化失穩(wěn)機(jī)理主要原因是煤層頂?shù)装迦菀姿蛎洠鹁谑Х€(wěn)。煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率較低，但是裂隙、節(jié)理發(fā)育，鉆井液失水進(jìn)入煤儲(chǔ)層，極易堵塞滲流通道，甚至可能造成儲(chǔ)層發(fā)生“水鎖效應(yīng)”。

（3）基于降濾失增粘劑、封堵劑和防水鎖劑的優(yōu)選，構(gòu)建了一種適用于畢節(jié)織納煤田的封堵型無(wú)固相鉆井液體系，具體配方為：水+0.3%AMSN+1%ZJX+1%PFWD。

作者單位：自然資源部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)非常規(guī)天然氣評(píng)價(jià)與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、貴州省油氣勘查開發(fā)工程研究院