SN-015煤層氣U型水平井鉆井液技術

劉 彬 宋百強 王瑞城 楊 勇

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

SN015井組位于沁水盆地南部向西北傾的斜坡帶上，該井組是由SN015-5H和SN015-5V連通的一口U型開發井，該區塊井自上而下依次鉆遇新生界第四系 (Q)、中生界三疊系下統劉家溝組(T1l)、上統石千峰組 (P2sh)、二疊系上統上石盒子組 (P2s)、下石盒子組 (P1x)、二疊系下統山西組 (P1s)、上統太原組 (C3t)、上古生界石炭系中統本溪組 (C2b)和下古生界奧陶系中統峰峰組(O2f)。該井目的層為山西組3號煤層氣藏，地層依次鉆遇灰巖、泥巖，粉砂巖以及煤層，鉆井過程以防漏、防塌為主。該井一開、二開采用膨潤土鉆井液，完鉆井深1256m，三開用鉆頭171.5mm開鉆，采用無固相鹽水鉆井液完鉆井深1937m，篩管完井。該井三開水平井段采用無固相鹽水鉆井液，克服了臨井鉆井過程井壁坍塌嚴重，攜巖能力差等難題，順利完井。

1 技術難點

(1)三開地層巖性混雜，易漏失。進入煤層段前，鉆遇的泥巖與煤線、泥巖與細砂巖的夾層較多，地層膠結薄弱，同時山西組3號煤層段孔隙裂縫發育，易發生漏失現象。

(2)煤層段水平位移較長，易發生井壁穩定問題。煤層的彈性模量較低，抗壓和抗拉強度小，脆性大，膠結性差。在水平井段，煤系地層在失去下支撐作用時，由于受上覆巖層壓力作用，煤層失去力學穩定性，稍加外力就會引起坍塌。該井水平段達668.1m，煤層段含粉煤，同時水平段鉆進過程長時間浸泡，泥頁巖水化膨脹，易發生井壁穩定問題。

(3)煤層段井眼攜巖能力差。煤層段鉆進過程中，由于煤層裂縫發育，易發生漏失現象，只能采取低泵壓小排量鉆進，環空返速明顯下降，水平段易形成巖屑床，起下鉆過程存在遇阻卡鉆風險。

(4)激動壓力引起井壁失穩。該井水平段較長，鑒于攜巖問題考慮，必須增加鉆井液粘度保證鉆井液的攜巖能力，但鉆井液粘度增加的情況下，起下鉆過程中產生的抽吸和激動壓力易導致井壁失穩。

2 解決思路與方案

針對以上煤層段鉆進時對鉆井液提出的難點，結合無固相鉆井液特點，SN015-5H煤層氣三開井段采用無固相聚合物鉆井液。

2.1 合理調整鉆井液密度，使之與地層壓力相匹配

根據鄰井及井深資料初步判定鉆井液密度為1.15g/cm3，為實現低固相鉆井液的高密度，通過加入工業鹽提高鉆井液的密度。

2.1.1 鹽水鉆井液的優點

采用無固相鹽水鉆井液開發煤層氣主要具有以下幾方面優點:

(1)無固相鹽水鉆井液擺脫了其他無固相鉆井液尤其是微泡鉆井液上水不好，泵壓不易控制，排量波動大的問題，鉆進過程排量保持穩定，降低出現抽吸壓力和激動壓力出現的可能性。

(2)鉆井過程中，其他無固相鉆井液可能由于含有大量聚合物，聚合物在循環過程中導致氣泡現象，影響錄井導向工作，無固相鹽水鉆井液傳輸信號良好，不影響MWD信號運輸。

(3)無固相鹽水鉆井液中加入頁巖抑制劑后性能基本不受影響，體系具有良好的抑制性，利于井壁穩定。

(4)工業鹽價格低廉，形成體系費用不高，經濟效益好。

2.1.2 鹽水鉆井液體系密度調整方案

在清水中加入工業鹽，隨工業鹽加量的增加鹽水體系密度變化見表1。.

表1 體系密度隨加鹽量變化

鹽水密度隨工業鹽加量變化見圖1。

圖1 氯化鈉加量與鹽水密度關系圖

通過實驗證明，加入工業鹽完全滿足鉆井液提高密度要求。通過鹽水鉆井液平衡地層壓力，降低井壁坍塌風險，滿足現場工藝要求。

2.2 利用聚合物提高無固相鉆井液性能

對煤層氣井出現復雜情況以防漏、防塌和防卡為主，鹽水聚合物針對以上情況，利用增粘劑、頁巖抑制劑和降失水來維持體系穩定，應對以上復雜情況。

(1)考慮到煤層氣空隙裂縫發育，易漏失的情況下，加入增粘劑和降濾失劑等大分子聚合物有利于形成致密泥餅，有效降低濾失量，維護井壁穩定;同時增加鉆井液粘度，提高動切力，利于水平段井底攜巖，防止粘卡事故。

(2)體系中加入一定量的頁巖抑制劑，可以防止黏土礦物的水化膨脹和分散，提高了體系的抑制性，減少了夾矸混層泥頁巖坍塌掉塊的可能性，維護井壁穩定。

(3)包被劑主要是針對小顆粒有害固相的清除起到重要作用，小顆粒固相既影響機械鉆速，同時容易造成堵塞煤層氣儲層微裂縫，加入包被劑利于分散相的固相顆粒清除。

3 現場應用

三開水平段地層為3號煤層，煤層厚度約為6m，有粉煤存在，本段鉆進最可能發生的復雜情況還是以井壁垮塌為主。選用合理的密度來保持井壁力學穩定，嚴格控制失水保持煤層結構強度，增強鉆井液的抑制性能，提高餅質量，防止井壁垮塌;在保證作業安全的前提下，可適當降低鉆井液密度，以達到降低漏失保護儲層的目的。

3.1 無固相鹽水鉆井液配方

該井水平段井段668m，純鉆時間148.3h，平均機械鉆速4.51m/h，煤層鉆遇率達100%。采用聚合物鹽水鉆井液鉆進，其配方為:清水+0.1%～0.5%純堿+0.2% ～0.5%降濾失劑+0.5% ～1%包被劑+0.2%～0.5%頁巖抑制劑+0.03%～0.06%增粘劑+30%工業鹽。

鉆進過程中，鉆井液密度控制在1.18g/cm3左右，利于維持井壁穩定，防止煤層坍塌掉塊，粘度40～50s，保證鉆井液粘度，利于高效攜巖，及時出去有害固相，濾失量≤5mL降低濾液進入儲層，減少儲層傷害，同時維護井壁穩定。鉆井液基本性能見表2。

表2 調整后三開鉆井液的性能

3.2 施工過程及現場維護

配制無固相聚合物鹽水鉆井液，控制密度為1.10g/cm3，pH值為8，粘度35s，開始鉆進，鉆進126m后出現掉塊，為維護井壁穩定，減少掉塊繼續添加工業鹽，適量加入增粘劑、降濾失劑，提高密度至1.15g/cm3，仍有掉塊，繼續添加工業鹽，加入增粘劑、降濾失劑、頁巖抑制劑維護體系性能，密度提至1.19g/cm3，解決了煤層坍塌問題。在保證作業安全的前提下，可適當降低鉆井液密度，以達到降低漏失保護儲層的目的。鉆進過程中，在原鉆井液的基礎上加大工業氯化鈉的含量，逐漸提高鉆井液的密度，調整密度至1.18g/cm3，解決了煤層垮塌問題。鉆進過程中，最大限度的使用固控設備，及時除去有害固相，減少儲層傷害，降低巖屑堆積，防止卡鉆事故。

3.3 現場存在問題

(1)該井目的層位于山西組3號煤層，水平段鉆進過程中，由于地層預測不準確，地層存在一定傾角，出現了兩次側鉆情況;同時由于煤層較薄，目的層鉆進過程中，鉆頭很容易跑出煤層，增加了水平井鉆進的難度。

(2)該煤層含有一定量夾矸，煤層鉆進過程曾經一度出現固相含量較多，通過加入增粘劑、包被劑和頁巖抑制劑控制固相含量，同時后期鉆進過程由于煤層力學穩定性差，出現坍塌掉塊現象，通過增加工業鹽，有效增加承壓能力，有利于井壁穩定。

4 結論

(1)煤層氣井易坍塌掉塊，力學穩定性不好，無固相鹽水鉆井液密度易于調節，鉆進過程密度控制在1.10～1.18g/cm3之間，利于地層穩定，可見鹽水鉆進煤層是可行的。

(2)無固相鉆井液中加入增粘劑、包被劑等大分子聚合物，有效控制粘度，保證良好的流變性，體系粘度控制在35～45s之間，保證體系的攜巖能力，及時除去有害固相，減少儲層傷害，降低鉆進風險。

(3)體系采用無固相鉆進，加入降濾失劑和頁巖抑制劑減少了鉆井液侵入煤層可能性，同時防止泥頁巖水化膨脹、分散侵入地層，降低了儲層傷害。

(4)煤層氣井段鉆進過程中，最大限度的應用固控設備，降低鉆井液有害固相對儲層的傷害。

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