煤層氣井防傷害鉆井液技術(shù)

吳員+呂帥鋒

摘 要：煤層氣井鉆井過程中，鉆井液往往對煤儲(chǔ)層滲透性造成傷害，進(jìn)而影響產(chǎn)氣量。在安全鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上為了最大程度減小儲(chǔ)層傷害，研發(fā)了生物酶可降解鉆井液體系。可降解聚合物鉆井液在山西的U型井和L型井已有試用成功案例，有望擇機(jī)在新疆順煤層井進(jìn)行應(yīng)用，以期減小儲(chǔ)層傷害，提高產(chǎn)氣量。

關(guān)鍵詞：煤層氣井；可降解聚合物鉆井液；煤儲(chǔ)層保護(hù)；清除污染

引言

近年來順煤層L型井已成為煤層氣開發(fā)的主力井型。目前，迫切需要研究和發(fā)展相應(yīng)的L型煤層氣井鉆井液技術(shù)，保證大位移的順煤層井安全鉆進(jìn)，同時(shí)減小儲(chǔ)層污染。

可降解聚合物鉆井液，在煤層中鉆進(jìn)時(shí)能夠形成薄而堅(jiān)韌的泥皮，鉆井前期起成膜護(hù)壁作用，同時(shí)能夠有效懸浮鉆屑，后期采取一定的降解措施，能夠降低聚合物對煤儲(chǔ)層的污染，解除泥皮的堵塞作用，保護(hù)儲(chǔ)層。

1 鉆井液對煤儲(chǔ)層的傷害

1.1 煤儲(chǔ)層傷害機(jī)理

鉆井過程中鉆井液對煤儲(chǔ)層的傷害是多方面的[1-2]，但煤儲(chǔ)層自身性質(zhì)是主要因素，而煤儲(chǔ)層被鉆井液污染結(jié)果直觀體現(xiàn)在煤儲(chǔ)層滲透性的降低。

首先，鉆井液中固相顆粒會(huì)充填和堵塞煤層大裂隙系統(tǒng)。固相微粒如粘土、堵漏材料等的流動(dòng)、運(yùn)移，在煤儲(chǔ)層裂隙通道變窄或流速減低時(shí)，單個(gè)或多個(gè)微粒在孔喉處發(fā)生堵塞，造成煤層氣儲(chǔ)層滲透率下降。其次，鉆井液液相或者濾液與儲(chǔ)層巖性、儲(chǔ)層流體不配伍也會(huì)對煤儲(chǔ)層造成傷害，包括水敏性傷害、堿敏性傷害和無機(jī)垢、有機(jī)垢堵塞等。再次，大量研究表明使用常規(guī)的鉆井液，液柱與地層之間勢必產(chǎn)生壓差，鉆井液濾液侵入儲(chǔ)層，由于毛細(xì)管阻力的存在，濾液很難被較小的儲(chǔ)層壓力驅(qū)排開，進(jìn)而造成水鎖傷害。最后，煤儲(chǔ)層孔隙變形具有塑性變形的特征，儲(chǔ)層裂隙在壓力差下會(huì)一定程度的閉合，裂隙閉合后在卸壓過程中不易恢復(fù)張開，在較大外力作用下滲透率會(huì)大大降低。

1.2 鉆井液基本要求

降低對煤儲(chǔ)層的損害，對裂隙發(fā)育且較敏感的煤儲(chǔ)層，要將鉆井液的傷害降至最低，保證產(chǎn)氣通道順暢。可見，在煤層氣水平井鉆進(jìn)時(shí)，要求鉆井液具有一定的粘度和切力，在前期能夠成膜護(hù)壁和排出鉆屑，同時(shí)鉆井液密度低、易降解，在后期能夠有效解堵，清除儲(chǔ)層污染。

2 可降解鉆井液防傷害原理

2.1 可降解鉆井液組成

可降解鉆井液主要由骨架支撐劑、提粘劑、降失水劑、流型調(diào)節(jié)劑、抑制劑、防水鎖劑和酸堿調(diào)節(jié)劑以及降解劑組成。該體系中，骨架支撐劑多為優(yōu)質(zhì)膨潤土、超細(xì)碳酸鈣，具有超細(xì)粒、穩(wěn)定分散特點(diǎn)。提粘劑為分子量較大的有機(jī)處理劑，如高粘羧甲基纖維素、高粘聚陰離子纖維素、瓜爾膠，能夠與骨架成膜劑結(jié)合鏈接形成網(wǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)。降濾失劑是一類具有較小分子量的有機(jī)處理劑，多為低粘羧甲基纖維素、低粘聚陰離子纖維素、改性淀粉充填于骨架成膜劑與提粘劑形成的網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙更小，能夠有效阻止自由水和小分子物質(zhì)的透過，減小失水量。流型調(diào)節(jié)劑多為高分子聚合物，如田菁膠、黃原膠等具高效特點(diǎn)，能夠有效改變鉆井液的粘度、切力等參數(shù)。抑制劑為鉀銨鹽類無機(jī)鹽，增加鉆井液中陽離子含量從而抑制敏感性泥頁巖地層分散水化。防水鎖劑多為表面活性劑，如聚合醇、十二烷基二甲基甜菜堿等，能夠降低毛細(xì)管阻力，有利于工作液體的返排。降解劑在本研究中主要指生物酶，通過催化原理能夠使聚合物分子通過斷鏈方式降解為分子量更小的物質(zhì)，使鉆井液粘度大幅降低。酸堿調(diào)節(jié)劑，能夠調(diào)節(jié)和控制鉆井液的酸堿度，進(jìn)而控制生物酶的降解速率和改善地層。

2.2 防傷害原理

生物酶是具有特殊催化功能的蛋白質(zhì)，具有高效性和專一性。生物酶通過破壞有機(jī)物中相應(yīng)的化學(xué)鍵使有機(jī)物分子鏈斷裂，使有機(jī)物分子分為多個(gè)分子量更小的分子。但是，生物酶的反應(yīng)條件較為苛刻，溫度、酸堿度以及底物條件等環(huán)境窗口較為狹窄，超出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件，生物酶可能失去活性，失去催化作用。

基于生物酶能夠催化有機(jī)化合物的原理，利用生物酶在一定的外界條件下來降解鉆井液中的聚合物分子，低鉆井液粘度，使得返排期煤儲(chǔ)層中的污染物易清除，達(dá)到防止儲(chǔ)層傷害的目的。在聚合物鉆井液體系的配方中，主要配料提粘劑、降濾失劑和流型調(diào)節(jié)劑均為聚合物處理劑，聚合物是通過小分子的單體通過化學(xué)鍵重復(fù)連接而成。選擇對應(yīng)的生物酶，控制溫度、pH以及處理劑濃度等因素，鉆井液中相應(yīng)聚合物分子的化學(xué)鍵能夠被破壞，構(gòu)成鉆井液中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也就被拆分打散，形成聚合度較低的分子甚至單體，這樣鉆井液的粘度得到降低。其中，纖維素類聚合物可以被纖維素酶降解，改性淀粉以及田菁膠等多糖類聚合物能夠被多糖酶一類的生物酶降解。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

可降解聚合物鉆井液在山西煤層氣井鉆井過程中已有應(yīng)用，其中不乏現(xiàn)場試驗(yàn)較為成功的案例。在山西壽陽七元煤礦瓦斯治理與煤層氣開發(fā)利用中[3]，先后成功應(yīng)用于6口U型水平井三開煤層水平段，且使用可降解聚合物鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，井下未發(fā)生任何井下復(fù)雜事故，鉆井過程鉆井液漏斗粘度保持不低于40s。潘莊區(qū)塊X-2井鉆取目的煤層為太原組15號(hào)煤層，在三開段鉆至煤層時(shí)使用微固相聚合物鉆井液體系，鉆至三開煤層中段和末段，將淀粉酶、纖維素酶和復(fù)合酶三種酶的混合物，配成水溶液在攪拌狀態(tài)下倒入泥漿罐。同時(shí)取泥漿罐中鉆井液樣品放在室內(nèi)定時(shí)測試其粘度變化。鉆井末段鉆井液樣品表觀粘度從10mPa·s降低到6mPa·s[4]。目前新疆煤層氣開發(fā)過程中，L型井能夠適應(yīng)新疆大傾角煤層，逐漸發(fā)揮越來越重要的作用，考慮到順煤層段要最大程度減小儲(chǔ)層傷害，將擇機(jī)在新疆煤層氣井鉆井中試用可降解聚合物鉆井液。

4 結(jié)束語

（1）鉆井過程中，鉆井液中固相顆粒充填和堵塞煤層裂隙、鉆井液濾液與儲(chǔ)層流體不配伍、水鎖效應(yīng)以及高密度造成的較大壓差都會(huì)造成儲(chǔ)層傷害，使煤儲(chǔ)層滲透性降低。

（2）可降解聚合物鉆井液體系利用生物酶作為降解劑，保證煤層氣順層井安全鉆進(jìn)的同時(shí)，有利于鉆井液殘留物的返排和儲(chǔ)層保護(hù)。

（3）可降解聚合物鉆井液在山西已有試用成功案例，有望擇機(jī)在新疆順煤層井得到應(yīng)用，以期減小儲(chǔ)層傷害，提高產(chǎn)氣量。

參考文獻(xiàn)

[1]呂帥鋒，王生維，烏效鳴，等.沁水盆地煤層氣井鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].中國煤層氣，2016，13（5）：44-47.

[2]岳前升，鄒來方，蔣光忠，等.煤層氣水平井鉆井過程儲(chǔ)層損害機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（1）：91-95.

[3]盧國軍，劉彬，王力，等.中國煤層氣儲(chǔ)層傷害分析及鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)研究現(xiàn)狀[J].煤田地質(zhì)與勘探，2016，44（2）：121-126.

[4]呂帥鋒，王生維，烏效鳴，等.順煤層鉆進(jìn)可降解聚合物鉆井液[J].鉆井液與完井液，2016，33（4）：20-26.

作者簡介：吳員，男，工程師，碩士，主要從事煤層氣開發(fā)地質(zhì)研究。