煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機理

鄭力會陳必武張　崢湯繼丹,孫　昊.中國石油大學（北京）石油工程學院 2.油氣鉆井技術國家工程重點實驗室防漏堵漏技術研究室·長江大學.中國石油華北油田公司煤層氣勘探開發事業部

鄭力會等.煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機理.天然氣工業,2016,36(2):72-77.

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煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機理

鄭力會1,2陳必武3張崢1湯繼丹1,3孫昊1
1.中國石油大學（北京）石油工程學院 2.油氣鉆井技術國家工程重點實驗室防漏堵漏技術研究室·長江大學3.中國石油華北油田公司煤層氣勘探開發事業部

鄭力會等.煤層氣絨囊鉆井流體的防塌機理.天然氣工業,2016,36(2):72-77.

摘 要盡管絨囊鉆井流體已成功應用于煤層氣鉆井，但研究其防塌機理，事關其煤層封堵效果、封堵強度、封堵成本以及儲層傷害程度。為此，實驗室對比測定了山西沁水盆地3號煤巖柱塞單軸抗壓強度、驅替?38 mm煤巖柱塞的入口壓力。對比注入2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體和絨囊鉆井流體后煤巖柱塞強度的實驗結果發現，僅絨囊鉆井流體（3組）的煤巖強度提高38.46%；驅替壓力對比結果顯示，絨囊鉆井流體在驅替壓力為20.73 MPa、21.46 MPa時不漏失，絨囊封堵后2%氯化鉀溶液在驅替壓力分別為24.79 MPa、25.64 MPa時仍不漏失，絨囊鉆井流體增大了流體進入地層的阻力。室內顯微鏡觀察絨囊鉆井流體封堵60～80目、80～100目、100～120目三種粒徑煤巖巖屑的填砂管，結果發現：囊泡以堆積、拉抻、堵塞等方式封堵不同尺寸的漏失通道并平鋪滲流通道的入口端，形成“珠狀毯”；囊泡的彈性、韌性吸收了鉆具對井壁的沖擊力，從而減輕了鉆具造成的井壁失穩。結論認為：煤層氣絨囊鉆井流體的主要防塌機理是提高煤巖強度、增大流體進入煤巖地層的阻力、緩沖鉆具沖擊力等。

關鍵詞煤層氣鉆井井壁穩定絨囊鉆井流體防塌機理沁水盆地實驗室試驗

煤層氣的開發關系到中國的安全戰略、環境戰略和能源戰略[1]。目前煤層氣開發主要有地面排采和地下抽排兩大方式[2]。保證井眼規則和井壁穩定，有利于提高固井質量和有序地面排采[3]。因此，按開發要求成井，是地面排采的關鍵工程技術之一。但是，煤巖儲層強度低，割理裂隙發育，成井過程中井下難題頻繁出現，事故經常發生，所以選擇穩定煤巖井壁的鉆井流體成為鉆井施工前關注的重點，吸引許多學者參與其中，成為研究的熱點。又由于煤巖力學性質和賦存機理復雜，鉆井流體開發涉及工程、儲層傷害等因素眾多，煤巖鉆井流體的開發成為煤層氣鉆井技術的難點之一。

煤層鉆進必須穿過以泥巖為主的煤頂板，黃維安等認為鉆井液濾液侵入煤巖裂縫引起黏土水化膨脹或分散，導致井壁失穩[4]。董建輝等認為鉆進性脆且存在天然裂縫的煤層時，極易引起井壁垮塌、卡鉆等復雜事故，甚至井眼報廢[5]。梁大川等認為井下工具、作業流體產生的機械力和壓力波動也會造成煤巖坍塌或者加劇煤巖坍塌程度[6]。針對這些問題，呂開河等開發了多元醇/KCl鉆井流體解決塔里木盆地依奇克里克區塊煤巖井壁失穩問題[7]。張義等針對煤層機械強度低、微裂縫節理發育，采用煤層水力自旋轉射流鉆頭鉆進，防止井壁失穩[8]。屈平等認為煤層井壁失穩是由于裂紋的失穩擴展所致，通過模擬軟件確定出節理煤層的鉆井液密度安全窗口的最高最低值，并通過實例計算得到山西沁水盆地煤巖鉆井液密度窗口比不考慮裂縫的范圍要小得多[9]。趙向陽等開發有機鹽加重鉆井液解決鄂爾多斯盆地榆林氣田長北區塊長水平段煤層坍塌問題[10]。黃維安等分析了沁水盆地煤層氣井壁失穩機理，依據“多元協同”防塌原理，構建了泥頁巖地層防塌鉆井液和煤層鉆開液，可顯著增加巖樣單向抗壓強度[11]。

總體看，目前煤巖井壁失穩研究結論源于常規油氣鉆井的煤層失穩理論，鉆井流體也是針對常規油氣鉆井而研制的，能否作為煤層氣儲層的防塌治塌鉆井流體還有待進一步現場驗證。

目前，煤層氣絨囊鉆井流體能較好地解決煤層氣儲層鉆進中的坍塌問題。開發煤層氣絨囊鉆井流體最初是為解決煤巖儲層鉆井流體漏失[12]。事實上在防漏堵漏應用過程中，發現其也能防塌治塌，所以近年來絨囊鉆井流體用于煤層氣防漏防塌的鉆井實例逐漸增多，一些現場技術難題解決后的成果也有所報道。王德桂等在吉X井使用煤層氣絨囊鉆井流體解決了煤層氣井表層漏失、煤儲層坍塌的問題[13]。孫法佩等使用煤層氣絨囊鉆井流體解決了JU2井?215.9 mm大井眼水平井鉆井坍塌的問題[14]。孟尚志等使用絨囊鉆井流體解決了山西柳林地區FL-H2-L煤層氣五分支井易塌易漏的問題[15]。王洪關等使用煤層氣絨囊鉆井流體完成了易塌易漏的沁水盆地六分支井[16]。上述實例表明絨囊鉆井流體具有防塌能力。事實上，絨囊流體用于天然氣開發諸多環節，早在2011年有所預測[17]。王金鳳用天然氣井等產量恢復時間在7 d以內說明絨囊流體作為修井工作流體的寶華儲層效果[18]。

孟尚志等在“U”形井和“V”形井應用絨囊鉆井流體后，推測絨囊鉆井液有較強的抑制性、潤滑性、封堵性，從而有效抑制井壁坍塌[19]。匡立新等應用于延平1井成功防漏后認為絨囊流體可以形成煤巖覆蓋薄膜提高地層承壓能力[20]。學者們利用現場應用效果，在一定程度上解釋了防塌治塌現象背后的原因，只是定性說明、推測絨囊鉆井流體的防塌機理。

本文利用室內儀器設備的模擬現場作業參數，研究了煤巖和煤層氣絨囊鉆井流體作用后的力學和微觀特征，解釋了其防塌治塌的內在原因。

1　室內實驗

1.1 絨囊鉆井流體影響煤巖單軸抗壓強度實驗

室內配制3種煤層氣常用的鉆井流體：①2%氯化鉀溶液；②由4%膨潤土、0.03%增黏劑、2%降失水劑等配制的低固相聚合物煤層氣鉆井流體；③由2.0%囊層劑、0.5%絨毛劑、0.4%囊核劑、0.4%囊膜劑等配制的煤層氣絨囊鉆井流體，用于注入煤巖柱塞，模擬鉆井流體封堵煤巖過程，并測定鉆井流體封堵后的煤巖強度。

上聲字的曲字調值和字腔的基本音勢都呈狀的高—低—高勢。專用腔格是罕腔法，符號是。譜字有兩種形式：一種是以罕腔的專用符合來標記，另一種是以實音來標記。由罕腔而來的上聲字腔譜面只有一個升勢的腔尾，其腔頭的降勢通常都用符號表示，演唱的效果相當于下滑音。

配制2%氯化鉀溶液、低固相聚合物煤層氣鉆井流體和煤層氣絨囊鉆井流體，用滲透率儀加圍壓7 MPa模擬井深，初始驅壓0.5 MPa，從入口端分別注入直徑為25 mm、長度為50 mm的沁水盆地3號煤巖柱塞中，不間斷加壓驅替1 h停止。用單軸壓力機測定風干煤巖2組和煤巖注入2%氯化鉀溶液2組、低固相聚合物鉆井流體2組、絨囊鉆井流體3組共9枚煤巖柱塞的單軸抗壓強度，測定的9枚柱塞的單軸抗壓強度和計算的單軸抗壓強度平均值如圖1所示。

圖1　煤巖柱塞單軸抗壓強度及各組平均抗壓強度圖

測試前后的9枚煤巖如圖2（其中有1枚煤巖損壞）所示。

圖2　4組煤巖單軸抗壓強度測試前后照片

從圖1可以看出，風干煤巖的單軸抗壓強度分別為1.8 MPa、3.5 MPa，注入2%氯化鉀溶液的分別為2.8 MPa、1.4 MPa，低固相聚合物鉆井流體的為2.6 MPa、2.0 MPa，絨囊鉆井流體的為4.0 MPa、2.8 MPa和4.1 MPa，4組煤巖的每組平均抗壓強度分別為2.6 MPa、2.1 MPa、2.3 MPa、3.6 MPa。進一步按平均抗壓強度計算，注入氯化鉀溶液降低煤巖強度19.23%，低固相聚合物鉆井流體降低煤巖強度11.54%，絨囊鉆井流體提高煤巖強度38.46%。

也就是說，鉆井過程中，2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體在壓差作用下，進入煤巖會降低煤巖強度，造成井壁失穩。而絨囊鉆井流體則會提高煤巖強度，從而實現防塌治塌。或者說，絨囊鉆井流體提高了煤巖自身強度，從而提高了抗坍塌能力，實現控制井壁失穩。其中原因，可能由于氯化鉀溶液和低固相聚合物鉆井流體封堵性能略差，且溶液或者流體中的自由水容易進入煤巖地層，引起地層黏土水化膨脹或者水化分散，進而引起整個煤巖地層強度降低。同樣的理由可以解釋，絨囊鉆井流體封堵效果好，流體中的自由水進入地層困難或者進入地層的深度較淺，黏土水化膨脹或者水化分散概率較低，煤巖能夠保持較高的抗壓強度。至于提高抗壓強度本文也做了進一步實驗。

絨囊鉆井流體封堵后煤巖柱塞的單軸抗壓強度大于采用氯化鉀溶液和低固相聚合物鉆井流體封堵的強度，從力學的角度進一步解釋了采用清水和聚合物鉆井流體無法控制井壁失穩時，改用絨囊鉆井流體能夠穩定煤巖井壁順利完成鉆井任務的原因——絨囊鉆井流體提高了地層自身的強度。

1.2絨囊流體封堵煤巖后封堵區域承壓實驗

絨囊流體封堵能力強是其全面封堵的特點決定的[21]，但強度能達到多少，是作業者關心的焦點。為測試絨囊流體封堵煤巖后能夠承受多大的液柱壓力，利用帶有模擬地層壓力的滲透率測定儀，先后采用2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體、絨囊鉆井流體，驅替?38 mm煤巖柱塞，測定出入口壓力和出口端流體量。實驗兩組?38 mm煤巖柱塞（圖3），獲得煤巖柱塞驅替2%氯化鉀溶液、低固相聚合物鉆井流體、絨囊鉆井流體和絨囊鉆井流體封堵柱塞后驅替2%氯化鉀溶液的入口端驅替壓力及兩組實驗的平均出口壓力（圖4）。

圖3　封堵區域承壓實驗所用的兩組煤巖柱塞照片

圖4　煤巖柱塞承受驅替壓力柱狀圖

從圖4可以看出，2%氯化鉀溶液驅替兩組煤巖柱塞的平均入口壓力為1.61 MPa，絨囊鉆井流體封堵柱塞后驅替2%氯化鉀溶液的為25.22 MPa，可以認為，絨囊鉆井流體平均提高煤巖抗破裂強度23.61 MPa，從而增加煤巖強度，提高了煤巖破裂壓力，能夠滿足目前煤層氣鉆井的防塌需要。

從另外一個角度解釋了采用絨囊鉆井流體封堵后，井下漏失得到有效控制沒有發生坍塌的原因。

絨囊鉆井流體封堵煤巖后，地層承壓能力提高，除自身強度抵抗液柱壓力外，依靠絨囊流體分壓、耗壓及撐壓方式，抵消液柱壓力[22]。進一步說，煤層氣絨囊鉆井流體增大了流體進入地層的阻力達到防漏堵漏目的。通過堆積、拉抻和堵塞等方式，使本來作用在煤巖上的液柱力，改變為作用在絨囊流體的囊泡上，囊泡吸收或者緩沖煤巖承受的液柱壓力，提高煤巖穩定性，也就提高了井壁穩定性。

1.3絨囊流體封堵靜態填砂方式微觀實驗

為進一步研究絨囊流體封堵地層后，囊泡與封堵地層的關系，即囊泡在地層滲流通道中如何存在，以實現提高煤巖自身強度和抵抗液柱壓力進入地層。實驗選用60～80目、80～100目、100～120目三種不同粒徑的石英砂樣以替代在顯微鏡下觀察效果不佳的煤巖碎屑，先充填?12 mm×70 mm透明有機玻璃管（圖5），后置入填砂管中，再充填?25 mm×500 mm填砂管。實驗施加回壓0.5 MPa，在較低驅壓0.01 MPa下注入絨囊流體，防止煤巖碎屑沖出填砂管。封堵成功后，取出有機玻璃管，用COVS-P-45/45TR連續變倍立體顯微鏡，10～15倍下觀察囊泡封堵方式。

圖5　含砂有機玻璃管照片

砂樣在填砂管中形成大小、形狀不同的孔隙，囊泡以不同的方式與其關聯。60～80目、80～100目的填砂管實驗都能看到囊泡封堵大孔、中孔、小孔的方式，由于100～120目的砂樣未能在填砂管里堆積成大孔隙，該填砂管實驗僅能看到囊泡封堵中孔、小孔的方式，如圖6所示。

圖6　砂樣填砂管囊泡封堵形式照片

從圖6中可以看出，砂樣在填砂管里堆積成尺寸不等的孔隙，封堵的囊泡尺寸大小也不一致。進一步觀察不同大小的孔隙和封堵它的囊泡形態，按囊泡封堵不同大小的孔隙后存在的形態可以分為堆積、拉抻(被低壓拉拽增長)、堵塞3種形式。

孔隙尺寸為囊泡直徑兩倍以上時，囊泡堆積在一起，如圖6-a、圖6-b中①所示；孔隙尺寸與囊泡直徑大小相當時，囊泡拉抻變形，如圖6中②所示；孔隙尺寸小于囊泡直徑較多時，囊泡堵塞孔隙入口處，如圖6中③所示。無論大孔隙、中孔隙還是小孔隙都能得到封堵。

封堵大孔隙，囊泡堆積，分解井筒液柱壓力；封堵中孔隙，囊泡拉抻，消耗液柱壓力；封堵小孔隙，囊泡堵塞，阻止流體進入地層。具體流體以哪種方式封堵地層，由地層孔隙進入的絨囊流體隨機決定，不存在大小孔隙和大小囊泡誰先誰后問題。這與以前宏觀研究推測的絨囊封堵方式基本一致[23]。這可以從微觀上解釋絨囊鉆井流體能夠順利完成清水和聚合物不能完成的煤巖鉆井問題。主要是絨囊鉆井流體能夠通過分壓、耗壓、撐壓封堵方式，全面封堵煤層中裂縫、孔洞和裂隙，使得自身裂縫發育的、強度相對低的煤巖充填成相對穩定的整體，提高地層強度，相當于提高了坍塌壓力和破裂壓力。

同時，絨囊封堵完成后，裂隙靠近井筒端，囊泡通過絨毛的吸附平鋪在井壁上，形成“珠狀毯”，囊泡的彈性、韌性會吸收鉆具對井壁的沖擊力，從而減緩了鉆具造成的井壁失穩，可以保證起下鉆的抽汲和壓力激動下井壁安全。由于絨囊流體封堵能力和封堵強度的影響因素較多，其種類和影響程度以后再做研究。

2　現場應用實例

煤層氣絨囊鉆井流體自發明以來，已完成沁水、吉縣等8個地區35口井煤層氣直井、水平井、分支井等鉆完井作業，為這些地區煤層氣勘探開發提供了技術選擇。由于其在煤層氣成井過程中防塌和防漏的獨到特點，特別適合于復雜井身結構井作業，通過減少井下難題和事故，加快煤層氣鉆井速度。

2.1沁平12H煤層氣六分支井鉆井

沁平12H井是沁水盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區塊的一口六分支水平井。設計水平井煤層總進尺4 440.22 m，2個主分支，6個小分支，裸眼完井。該區塊鉆井過程中易發生井壁垮塌、卡鉆等事故，鉆井成功率低。提高井壁穩定性和提高鉆井成功率是成井的難點。

沁平12H井二開前采用清水鉆進，三開水平分支井采用絨囊鉆井流體，密度介于0.96～1.08 g/cm3，塑性黏度介于7～17 mPa·s，動切力介于4.0～10.22 Pa，煤層鉆遇率達到95%。中途克服井漏、井塌等井下難題，鉆井總進尺4 189.49 m。兩主井眼順利下入篩管，完井。

2.2樊試UH井三開鉆井

樊試UH井是沁水盆地南部晉城斜坡帶樊莊區塊的一口“U”形對接井，設計井深1 500 m。

三開先采用清水鉆至772 m時，地層坍塌，卡鉆。后采用煤層氣絨囊鉆井流體，密度介于0.96～1.05 g/cm3，塑性黏度介于6～14 mPa·s，動切力介于6.13～20.44 Pa。安全鉆至1 501 m與直井連通，完鉆井深1 510 m。順利完井。

3　結論

1）初步揭示煤層氣絨囊鉆井流體三大主要防塌機理，即提高煤巖地層強度、增大流體進入煤層的地層阻力、吸收鉆具沖擊力等。

2）以微觀實驗的手段發現絨囊流體中囊泡以堆積、拉抻、堵塞形式封堵地層，佐證了絨囊鉆井流體分壓、耗壓、撐壓等作用機理，在一定程度上解釋了現場作業中推測的提高地層承壓能力、成膜等煤層氣絨囊流體防塌機理。

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（修改回稿日期 2015-12-27 編 輯 凌 忠）

Anti-collapse mechanism of the CBM fuzzy-ball drilling fluid

Zheng Lihui1,2,Chen Biwu3,Zhang Zheng1,Tang Jidan1,3,Sun Hao1
(1.China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.Lost Circulation Control Division,Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory,Wuhan,Hubei 430100,China; 3.CBM Branch Company,Huabei Oilfield Company,Changzhi,Shanxi 046000,China)

NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 2，pp.72-77，2/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Although fuzzy-ball drilling fluid has been successfully applied in CMB well drilling,it is necessary to study its anti-collapse mechanism so that adjustable coalbed sealing effects,controllable sealing strength,rational sealing cost and controllable reservoir damage degree can be realized.In this paper,laboratory measurement was performed on the uniaxial compressive strength of the plungers of No.3 coalbed in the Qinshui Basin and the inlet pressure of ?38 mm coal plunger displacement.The strength of coal plungers were tested and compared after 2% potassium chloride solution,low-solids polymer drilling fluid and fuzzy-ball drilling fluid were injected into the coal plungers respectively.It is shown that coal strength rises by 38.46% after the fuzzy-ball drilling fluid is injected (in three groups); and that no fuzzy-ball drilling fluid is lost at the displacement pressures of 20.73 MPa and 21.46 MPa,nor 2% potassium chloride solution is leaked at such pressures of 24.79 MPa and 25.64 MPa after the plunger was sealed by the fuzzy-ball drilling fluid.This indicates that the fuzzy-ball drilling fluid can increase the formation resistance to fluid.Indoor microscopic observation was conducted on the sealing process of the fuzzy-ball drilling fluid in sand packs with coal cuttings of three grain sizes (60-80,80-100 and 100-120 mesh).It is shown that the leakage pathways of different sizes are sealed by the vesicles in the form of accumulation,stretch and blockage.And there are vesicles at the inlet ends of the flowing pathways in the shape of beaded blanket.The impact force of drilling tools on the borehole walls is absorbed by the vesicles due to their elasticity and tenacity,so the borehole wall instability caused by drilling tools is relieved.It is concluded that the main anti-collapse mechanisms of the CBM fuzzy-ball drilling fluid are to raise the coal strength,increase the formation resistance to fluid,and buffer the impact of drill tools.

Keywords:CBM; Drilling; Wellbore stability; Fuzzy-ball; Drilling fluid; Anti-collapse mechanism; Qinshui Basin; Laboratory test

作者簡介：鄭力會，1968年生，研究員，博士生導師，楚天學者特聘教授，博士；油氣鉆井技術國家工程重點實驗室防漏堵漏研究室學術帶頭人，主要從事油氣田化學防漏堵漏研究工作。地址：（102249）北京市昌平區府學路18號中國石油大學。電話：（010）89732207。ORCID:0000-0002-2334-3263。E-mail:zhenglihui@cup.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金創新研究群體項目“復雜油氣井鉆井與完井基礎研究”（編號：51221003）、國家科技重大專項課題“煤層氣鉆完井及增產改造技術示范工程”（編號：2016ZX05064002-002）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.010