沁水盆地煤層氣井鉆井液技術現狀和發展方向

呂帥鋒 王生維，3 烏效鳴 李 瑞 王道寬

(1.中國地質大學( 武漢)資源學院，湖北 430074；2.中國地質大學( 武漢) 工程學院，湖北 430074；3.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司國家能源煤與煤層氣共采技術重點實驗室，山西 048006)

沁水盆地煤層氣井鉆井液技術現狀和發展方向

呂帥鋒1王生維1，3烏效鳴2李 瑞1王道寬2

(1.中國地質大學( 武漢)資源學院，湖北 430074；2.中國地質大學( 武漢) 工程學院，湖北 430074；3.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司國家能源煤與煤層氣共采技術重點實驗室，山西 048006)

沁水盆地目前以清水鉆井液為主體，兼用優質鉆井液，同時嘗試了聚合物鉆井液、絨囊鉆井液和中空玻璃球鉆井液等低密度新型鉆井液，但是這些類型鉆井液只是針對特定煤層，沒有形成成熟的煤層氣井鉆井液技術體系。可降解鉆井液能夠通過生物酶解除污染，微固相聚合物鉆井液能夠有效地成膜護壁，兩者結合具有良好的應用前景，可能是未來煤層氣井鉆井液的一個主要發展方向。此外，建議加強對煤層損害解除方法的研究，盡快制定煤層氣鉆井相關室內實驗評價方法和礦場評價方法的行業標準，形成一套適于煤層氣鉆采的煤層氣井專用鉆井液體系。

沁水盆地 煤層氣井鉆井液 可降解 微固相

煤層氣井鉆井質量嚴重制約著后期煤層氣排采和產氣量的提高。煤儲層為裂隙型儲層，具有空裂隙雙重空隙結構，同時沁水盆地由于經歷印支、燕山、喜馬拉雅等構造運動，發生升降、褶皺、斷裂和變形，煤儲層受了不同程度的破壞，碎裂煤等構造煤較為發育。沁水盆地煤儲層地層壓力普遍較低，煤體松軟易垮塌，敏感性強，儲層容易受到外來流體傷害和污染。因此，煤層氣鉆井在井壁穩定和儲層保護方面具有很大的挑戰。

鉆井液是煤層氣鉆井中的循環介質，直接與煤儲層接觸，沁水盆地煤層氣鉆井裸眼井段較長，鉆井難度大。鉆井液能夠懸浮煤屑，保證鉆孔中煤屑被排除干凈；在有效懸浮鉆屑同時，可加強對松軟井壁的膠結作用，這樣可以有效保護井壁；通過強降失水劑和成膜骨架的作用可以大大降低煤層氣鉆井液向地層滲透的作用；通過抑制劑來抑制地層的水化膨脹、坍塌縮徑等，保護煤層井壁；在一定條件下通過調整鉆井液中的成膜骨架加量來調整其密度，從而平衡地層中正常壓力和異常壓力，保證安全鉆進。因此可以通過改進煤層氣井鉆井液技術提高鉆井質量，減少鉆井事故和對煤儲層的污染。

沁水盆地煤層氣生產井主要采用清水、無粘土鉆井液或優質鉆井液施工。利用清水或者無粘土鉆井液鉆進時井孔內容易出現掉塊、坍塌，甚至難以形成井眼而導致報廢，優質鉆井液能夠有效降低鉆井施工風險，但是難以控制鉆井液固相物對煤儲層裂隙的堵塞，導致煤層氣產能降低。因此沁水盆地煤層氣鉆井在鉆井液的使用上進行了積極的探索，并進行了現場試驗，取得了較好的效果。

1 煤層氣井井壁失穩機理

煤儲層孔裂隙發育，煤體結構破碎，為鉆井液濾失和侵入煤儲層提供了良好的通道和貯存空間，同時煤巖中含有大量粘土礦物，其中不乏膨脹性粘土礦物，如伊蒙混層粘土，極易水化膨脹，致使井眼周圍煤巖更加松散，膠結強度下降。鉆井液對煤層氣井井壁長時間的浸泡和沖洗，增加了井壁的不穩定性。從力學方面來講，當鉆井液密度大于地層破裂壓力當量密度或者小于地層坍塌壓力當量密度，井壁巖石就會失去平衡，造成井壁的崩裂或者垮塌。沁水盆地煤系地層普遍埋深較淺，地層壓力系數較小，屬于低壓-常壓的地層，鉆井液密度通常高于地層破裂壓力，同時由于鉆進時鉆井動壓影響，鉆井施工容易發生井壁破裂，引起鉆井液進一步漏失，增加堵漏難度。

因此，煤層氣井井壁失穩是內因和外因兩方面共同導致的。內因為煤儲層機械結構松軟破碎且含有易水化的粘土礦物等自身地質條件。外因是鉆井液安全密度窗口決定的，即鉆井液密度要限制在地層破裂和地層垮塌當量密度的范圍內。

很多學者對關于井壁失穩機理做了深入研究。唐立強等根據力學原理，確定鉆井液密度范圍，地層破裂壓力當量密度為：

式中：K=tan(40°+φ/2)；φ為摩擦角，°；H為井眼垂深，m；ρm為鉆井液密度，kg/L；C為巖石粘聚力，MPa；η為應力非線性修正系數；a為有效應力修正系數；σH1和σH2為水平地應力，MPa；p0為孔隙壓力，MPa。

地層破裂壓力當量密度為：

式中：ρf為鉆井液密度，kg/L；st為巖石抗拉強度，MPa。

2 鉆井液污染和傷害煤儲層機理

造成儲層污染的因素也包括內因和外因，內因為煤儲層具有裂隙性和敏感性，機械強度弱，外因主要為鉆井液液柱壓力以及鉆井液與煤層流體的不匹配性。

關于鉆井液污染和傷害煤儲層機理，可以歸納為三個方面。第一，鉆井液固相顆粒粒徑在量值上非常接近或者小于煤層裂隙和孔隙,極易進人煤層裂隙和孔隙中造成產氣通道被堵塞。同時，鉆井液處理劑高分子聚合物吸附在煤基質表面，形成凝膠層，不僅堵塞裂隙，還會誘發煤基質膨脹，使有效裂縫受擠壓變窄。第二，由于煤儲層往往為欠壓地層，如果鉆井液液柱壓力過大，特別是上下鉆具時引起壓力激動，也可能造成煤儲層裂隙閉合。煤巖經多次加壓和卸壓過程后，加壓會使滲透率降低，而卸壓時滲透率只能得到一定程度的恢復，從而造成滲透率的損失。第三，鉆井液濾液由于與煤儲層中流體物理化學性質不匹配，可使煤基質膨脹，從而減小孔隙度，降低煤巖滲透率；同時煤巖中化學物質或者礦物發生聚集沉降，也能堵塞孔隙；濾液被壓入煤巖孔隙后，由于毛細效應和水鎖效應等，堵塞咽喉，很難出來，從而造成煤巖孔隙通道的堵塞。

3 煤層氣鉆井液技術應用現狀

目前清水鉆井液在沁水盆地煤層氣井鉆井中被普遍使用。藍焰煤層氣公司幾乎所有煤層氣垂直井都使用清水鉆進。清水鉆井液是在清水中添加少許處理劑，如抑制劑、絮凝劑等，使之與煤儲層具有更好的伍配性，從而降低對煤儲層的水敏性傷害。但是由于清水鉆井液粘度小，懸渣能力較弱，同時在裂隙發育煤層漏失量較大，容易發生井壁坍塌掉塊，鉆井事故頻發。清水鉆井液適合在煤層氣豎直井中使用，對于長距離順層煤層井或者水平井無濟于事。同時為了加快鉆速，在淺層地表也通過空壓機和增壓機使用空氣鉆進，大大縮短鉆井工期。沁水盆地同時嘗試了一些低密度新型鉆井液，并取得了一定的效果。下面簡單介紹中空玻璃球鉆井液、聚合物鉆井液和絨囊鉆井液以及可降解鉆井液。

3.1 中空玻璃微球鉆井液

中空玻璃微球鉆井液具有密度小的特點，適合欠平衡鉆井和高效快速鉆進，還可以有效的保護煤儲層，降低儲層傷害。該鉆井液在柿莊南區塊的SX-177、SX-181井組鉆進山西組3號煤層時得到了現場應用，在低密度的基礎上，增加提粘劑和降濾失劑，有效控制切力和失水量等性能，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。但是該鉆井液對注入設備以及煤體結構要求較高，在破碎易垮煤層難以發揮作用。

3.2 聚合物鉆井液

聚合物鉆井液最大的優點在于利用其低固相、低失水量和強絮凝性等特點在井壁周圍形成薄而致密的泥皮，從而能夠有效穩定并且保護井壁，阻止鉆井液進一步侵入煤層。優質鉆井液實質上為聚合物鉆井液，調整其性能在固相含量、攜砂性、潤滑性和濾失性等方面滿足煤層氣鉆井要求。煤層氣開發井Z-004用清水在煤層中鉆進時，發生井壁垮塌和卡鉆事故，在鉆井液中加入適量的粘土粉和聚合物處理劑后，提高了攜屑能力，井眼穩定，順利鉆至靶點。在柿莊地區，所選聚合物鉆井液現場使用很成功，起到了較好的護壁效果，同時節約了工程成本，縮短了工期。聚合物鉆井液需要嚴格控制其密度和固相含量，才能夠在安全鉆進的基礎上最小限度地減小對煤儲層的污染和傷害。

3.3 絨囊鉆井液

國內學者對絨囊鉆井液的物質結構和作用機理進行了系統研究，該鉆井液具有低密度和高效封堵、自動解堵的特點，能夠降低濾失量，有效保護煤儲層不受污染。“絨囊”由內部的“氣核”、中間的表面活性劑和外圍的高分子聚合物構成，鉆遇不同規模裂隙的地層時，根據囊粒與裂隙尺寸的關系，分別可以對裂隙進行分壓封堵、耗壓封堵和撐壓封堵，因此能夠封堵和控制各種尺寸的濾失通道。山西柳林縣的CLY-A井二開使用絨囊鉆井液，驗證了其良好的封堵效果。

3.4 可降解鉆井液

可降解鉆井液是在無固相聚合物鉆井液基礎上加入生物酶，能夠人為控制降解時間，理論上可以有效清除鉆井液對煤層氣儲層的傷害，從而恢復煤儲層的滲透率(圖1)。但是該鉆井液缺乏現場應用，其解堵性有待工程實踐的驗證。

圖1 不同處理階段煤巖平均氣體滲透率變化情況

4 問題和建議

沁水盆地煤層氣井鉆井中，清水鉆井液、聚合物鉆井液和氣體泡沫鉆井液只有針對具體特定的煤儲層條件，才具有良好的適用效果，同時還需要對鉆井液材料成本、循環設備要求等綜合考慮。學者對鉆井液成膜護壁研究較多，對于后期定時降解和返排卻研究較少，也很少同時考慮兩者。鉆井液對煤儲層的傷害評價大多局限于滲透率恢復實驗、膨脹量測定、鏡下觀測和數值模擬等手段，缺少現場或者井下解剖分析，也沒有能夠和工程因素相結合研究。

在現有技術條件基礎上，需要通過加強基礎研究，篩選鉆井液材料和處理劑，配制出針對不同地質條件煤儲層的煤層氣井鉆井液。微固相聚合物鉆井液能夠有效地形成泥餅保護井壁，可降解鉆井液能夠通過生物酶解除污染，二者結合具有良好的應用前景。因此，建議加強對煤層損害解除方法的研究，研制出同時具有成膜護壁和定時降解性能的鉆井液體系，形成一套煤層氣井專用鉆井液體系。同時建立鉆井液對裂隙性煤儲層傷害的評價體系，健全煤層氣鉆井相關室內實驗評價方法，并且制定出礦場評價方法的行業標準，使煤層氣產業健康快速發展。

[1] 鐘玲文，員爭榮，李桂紅，等.我國主要含煤層區煤體結構特征及與滲透性關系的研究[J].煤田地質與勘探，2004,32增刊，77-81.

[2] 張春華，劉澤功，劉健，等.立井揭高瓦斯深埋煤層圍巖力學特性數值模擬研究[J].煤礦安全，2007(7)：8-11.

[3] 劉德乾,姜振泉，李建碩，等.深埋煤層開采的離心模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(2)：3909-3913.

[4] 包貴全.煤層氣鉆井工程中幾個重點技術問題的探討.探礦工程(巖土鉆掘工程)[J]，2007(12)：4-8.

[5] 孫建平.煤層氣井鉆井液特點的探討[J].中國煤田地質，2003，15(4)：61-71.

[6] 鮮保安，高德利，陳彩紅，等.煤層氣高效開發技術[J].特種油氣藏，2004，11(4)：63-66.

[7] 秦佑強.泡沫鉆井液技術在末端水平對接井的應用研究 [J]. 現代商貿工業， 2010, (19)：354-355.

[8] 周亮.煤系地層護壁堵漏鉆井液配制技術探討[J].中國煤炭技術，2009,21(2):120-122.

[9] 岳前升，馬玄，陳軍，等.沁水盆地煤層氣水平井井壁垮塌機理及鉆井液對策研究[J].長江大學學報,2014,11(32)：73-76.

[10] 王福昌.鉆井液與完井液[J].伊寧凹陷煤層鉆井液技術,1998,15(3):23-25.

[11] 唐立強,楊敬源,王勇,等.井壁穩定性的斷裂損傷力學分析[J].哈爾濱工程大學學報,2007,28(6):642-646.

[12] 黃維安,邱正松,楊力,等. 煤層氣鉆井井壁失穩機理及防塌鉆井液技術[J]. 煤田地質與勘探,2013,45(2):37-41.

[13] 申瑞臣,屈平,楊恒林. 煤層井壁穩定技術研究進展與發展趨勢[J]. 石油鉆探技術,2010,38(3):1-7.

[14] 屈平,申瑞臣. 煤層氣鉆井井壁穩定機理及鉆井液密度窗口的確定[J]. 天然氣工業,2010,30(10):64-68.

[15] 翟曉鵬,樓一珊,文忠選,等. 鉆井過程中煤層井壁失穩數值模擬研究[J]. 石油天然氣學報,2011,33(5):134-136.

[16] 和志浩. 煤巖井壁穩定性的巖石力學基礎研究[D].西南石油大學,2013.

[17] 楊敏. 不同煤階煤層氣藏傷害機理研究[J]. 廣東化工,2013,40(5):152-154.

[18] 彭春洋,祁麗莎,柯文麗,等. 煤層氣鉆井儲層保護新技術研究[J]. 中國煤層氣,2012,9(3):35-37.

[19] 符黨替,崔迎春,王成彪. 煤層氣井儲層保護鉆井工藝[J]. 煤田地質與勘探,2001,29(3):62-64.

[20] 汪偉英，肖娜，黃磊，等.鉆井液侵入引起煤巖膨脹對煤儲層的傷害[J].鉆井液與完井液，2010,27(3)：20-22.

[21] 岳前升，陳軍，鄒來方，等.沁水盆地基于儲層保護的煤層氣水平井鉆井液的研究[J].煤炭學報，2012，S2:416-419.

[22] 左景欒,孫晗森,呂開河.煤層氣低密度鉆井液技術研究[A].中國煤炭學會煤層氣專業委員會、中國石油學會石油地質專業委員會.2011年煤層氣學術研討會論文集[C].中國煤炭學會煤層氣專業委員會、中國石油學會石油地質專業委員會,2011:7.

[23] 侯巖波,劉 彬,王 力，等.柿莊南區塊煤層氣低密度玻璃微球鉆井液現場應用[J].中國煤層氣，2014,11(2)；17-19.

[24] 張天龍,屈俊瀛,霍仰春.低固相聚合物鉆井液在山西煤層氣井中的應用[J].西安石油學院學報，2011,16(1)：33-35.

[25] 張海濤，郭英海，王 燕.晉城柿莊地區煤層氣地面鉆井泥漿護壁工藝技術研究[J].礦業安全與環保.2012,39(4):14-17.

[26] 鄭力會.仿生絨囊鉆井液煤層氣鉆井應用現狀與發展前景[J].石油鉆采工藝,2011 , 33(3)：78-81.

(責任編輯 劉 馨)

Current Situation and Development Direction of Drilling Fluid Technology for CBM Wells in Qinshui Basin

LV Shuaifeng1，WANG Shengwei1，3，WU Xiaoming2，LI Rui1，WANG Daokuan2

(1.Faculty of Earth Resourceses, China University of Geosciences(Wuhan), Hubei 430074;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan), Hubei 430074;3.National Energy Key Lab of Coal and Coalbed Methane Co-Mining Technology, Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Corporation Limited, Shanxi 048006)

Water drilling fluids act as the main body currently in Qinshui basin, high quality drilling fluids are followed. Some new and low density drilling fluids such as polymer, velvet pouch and hollow glass spheres drilling fluids were tried to make the application. But these types of drilling fluids are just for a particular coal seam, and there is not mature drilling fluid technology system. Degradable drilling fluids can relieve pollution through biological enzyme, and micro solid drilling fluids could build a protective film, so they both have good application prospects which may be a major development direction in the future. In addition, it is recommended to strengthen the research of lifting coal damage, and as soon as possible to develop the industry standard including laboratory experiments and field evaluation method, and form a set of suitable for CBM wells special drilling fluid system.

Qinshui Basin; drilling fluids of CBM well; iodegradable; micro solid phase

呂帥鋒,中國地質大學(武漢)資源學院,研究方向為煤層氣勘探與開發。