煤層氣井防傷害鉆井液技術

吳員+呂帥鋒

摘 要：煤層氣井鉆井過程中，鉆井液往往對煤儲層滲透性造成傷害，進而影響產氣量。在安全鉆進的基礎上為了最大程度減小儲層傷害，研發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，有望擇機在新疆順煤層井進行應用，以期減小儲層傷害，提高產氣量。

關鍵詞：煤層氣井；可降解聚合物鉆井液；煤儲層保護；清除污染

引言

近年來順煤層L型井已成為煤層氣開發的主力井型。目前，迫切需要研究和發展相應的L型煤層氣井鉆井液技術，保證大位移的順煤層井安全鉆進，同時減小儲層污染。

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

1 鉆井液對煤儲層的傷害

1.1 煤儲層傷害機理

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

首先，鉆井液中固相顆粒會充填和堵塞煤層大裂隙系統。固相微粒如粘土、堵漏材料等的流動、運移，在煤儲層裂隙通道變窄或流速減低時，單個或多個微粒在孔喉處發生堵塞，造成煤層氣儲層滲透率下降。其次，鉆井液液相或者濾液與儲層巖性、儲層流體不配伍也會對煤儲層造成傷害，包括水敏性傷害、堿敏性傷害和無機垢、有機垢堵塞等。再次，大量研究表明使用常規的鉆井液，液柱與地層之間勢必產生壓差，鉆井液濾液侵入儲層，由于毛細管阻力的存在，濾液很難被較小的儲層壓力驅排開，進而造成水鎖傷害。最后，煤儲層孔隙變形具有塑性變形的特征，儲層裂隙在壓力差下會一定程度的閉合，裂隙閉合后在卸壓過程中不易恢復張開，在較大外力作用下滲透率會大大降低。

1.2 鉆井液基本要求

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

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、流型調節劑、抑制劑、防水鎖劑和酸堿調節劑以及降解劑組成。該體系中，骨架支撐劑多為優質膨潤土、超細碳酸鈣，具有超細粒、穩定分散特點。提粘劑為分子量較大的有機處理劑，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合鏈接形成網鏈狀結構。降濾失劑是一類具有較小分子量的有機處理劑，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鏈結構的內部空間，使網狀結構的孔隙更小，能夠有效阻止自由水和小分子物質的透過，減小失水量。流型調節劑多為高分子聚合物，如田菁膠、黃原膠等具高效特點，能夠有效改變鉆井液的粘度、切力等參數。抑制劑為鉀銨鹽類無機鹽，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，使鉆井液粘度大幅降低。酸堿調節劑，能夠調節和控制鉆井液的酸堿度，進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，具有高效性和專一性。生物酶通過破壞有機物中相應的化學鍵使有機物分子鏈斷裂，使有機物分子分為多個分子量更小的分子。但是，生物酶的反應條件較為苛刻，溫度、酸堿度以及底物條件等環境窗口較為狹窄，超出適當的反應條件，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，使得返排期煤儲層中的污染物易清除，達到防止儲層傷害的目的。在聚合物鉆井液體系的配方中，主要配料提粘劑、降濾失劑和流型調節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鍵重復連接而成。選擇對應的生物酶，控制溫度、pH以及處理劑濃度等因素，鉆井液中相應聚合物分子的化學鍵能夠被破壞，構成鉆井液中的網狀結構也就被拆分打散，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 現場應用

可降解聚合物鉆井液在山西煤層氣井鉆井過程中已有應用，其中不乏現場試驗較為成功的案例。在山西壽陽七元煤礦瓦斯治理與煤層氣開發利用中[3]，先后成功應用于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時，井下未發生任何井下復雜事故，鉆井過程鉆井液漏斗粘度保持不低于40s。潘莊區塊X-2井鉆取目的煤層為太原組15號煤層，在三開段鉆至煤層時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、纖維素酶和復合酶三種酶的混合物，配成水溶液在攪拌狀態下倒入泥漿罐。同時取泥漿罐中鉆井液樣品放在室內定時測試其粘度變化。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過程中，L型井能夠適應新疆大傾角煤層，逐漸發揮越來越重要的作用，考慮到順煤層段要最大程度減小儲層傷害，將擇機在新疆煤層氣井鉆井中試用可降解聚合物鉆井液。

4 結束語

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

（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的同時，有利于鉆井液殘留物的返排和儲層保護。

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

參考文獻

[1]呂帥鋒，王生維，烏效鳴，等.沁水盆地煤層氣井鉆井液技術現狀和發展方向[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層損害機理[J].煤炭學報，2012，37（1）：91-95.

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

[4]呂帥鋒，王生維，烏效鳴，等.順煤層鉆進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地質研究。