無固相保護煤層鉆井液研究及應用

耿學禮 蘇延輝 鄭曉斌 高波

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

無固相保護煤層鉆井液研究及應用

耿學禮 蘇延輝 鄭曉斌 高波

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

針對沁水盆地15#煤層水平井鉆井過程中煤層坍塌失穩和儲層污染的難題，通過研發可降解的稠化劑和低溫氧化破膠劑，開發出一套既能穩定井壁又能保護儲層的無固相保護煤層鉆井液體系。通過鉆井液流變性、濾失性、抑制性、儲層保護性能和破膠性能等實驗對該體系進行了評價。實驗結果表明，該體系性能穩定，抑制性強，煤巖回收率大于96%，煤巖相對膨脹率低于0.3%，與地層流體配伍性良好，30 ℃下破膠率達到93%以上，破膠后煤巖滲透率恢復值達到96%以上。該鉆井液在七元煤礦4口U型水平井現場應用，現場施工順利，未發生任何事故復雜，完鉆后試井表皮因數最低-2.17，達到了穩定井壁和保護儲層的雙重目的。

沁水盆地；煤層氣；可降解稠化劑；無固相鉆井液；低溫破膠；儲層保護

煤層在鉆井過程中，易受外力及外來流體侵入造成煤巖喪失原有穩定性，發生煤層坍塌造成井壁失穩等鉆井事故［1］。與常規油氣藏相比，煤巖儲層普遍存在孔隙及割理，煤層氣以游離、吸附形式存儲在儲層中［2］，煤巖本身具有高吸附性、低孔隙度、低滲透率、低壓等特點，鉆完井過程中煤巖儲層極易受到損害［3-4］，因此解決井壁失穩和儲層損害問題是煤層氣高效開發的關鍵。

目前煤層氣鉆井中采用的鉆井液體系主要有清水/活性水、泡沫鉆井液、絨囊鉆井液、無固相聚合物鉆井液、可降解鉆井液等體系［5-11］，由于各體系對不同煤巖特性的適應性存在差異，且受到配制工藝、成本、性能、儲層保護效果等因素影響，適用范圍均存在一定的局限性［12］。

沁水盆地七元礦區煤層氣開發以15#煤層為主，厚度平均3.77 m，埋深大部分小于800 m，地層壓力系數平均為0.56，地層處于欠壓狀態，儲層溫度30～50 ℃左右；孔隙度平均值在5.8%左右，滲透率平均值為0.045 mD，黏土礦物總量為3.5%～4.6%，其中伊利石含量40%～43%，伊蒙混層比29%～35%。鉆井井型以U型為主［13］，前期采用無固相清潔鹽水鉆井液，但在水平井施工中易出現煤層坍塌掉塊現象，攜巖性能較差，嚴重時引起卡鉆，造成井下復雜或事故。無固相聚合物鉆井液和可降解鉆井液能夠解決井壁失穩問題，后期通過破膠作業可解除部分傷害，但七元礦地層溫度較低，破膠效果并不理想，對儲層仍存在一定傷害。

針對沁水盆地七元礦15#煤層鉆井難點，從穩定井壁、提高攜巖性能、降低失水、提高儲層保護性能等角度出發［14］，研究了一種無固相聚合物鉆井液體系及配套破膠液體系。鉆井液中的稠化劑為大、小分子聚合物復配的新型稠化劑，大、小分子聚合物配合使用同時穩定井壁和降低濾失；破膠液中的低溫破膠劑為在普通氧化破膠劑中加入低溫激活劑，解決了低溫破膠的難題，從而達到了鉆井液穩定井壁和低溫破膠的目的，并在該地區4口U型水平井中成功應用。

1 實驗部分

Experiment

1.1 主要材料與儀器

Main experimental material and apparatus

稠化劑，羧甲基多糖類聚合物和鈉羧基纖維素復配，相對分子量在100萬～200萬左右，粉末狀，自制；低溫氧化破膠劑，低溫破膠激活劑和強氧化劑復配，顆粒狀，自制；酯類水基潤滑劑，防水鎖劑，工業品，荊州長大石油科技有限公司；過硫酸銨，分析純，無錫市亞泰聯合化工有限公司。

無固相保護煤層鉆井液配方：清水+0.8%～1.2%稠化劑+1%～2%水基潤滑劑；破膠液配方：清水+5%低溫氧化破膠劑+0.5%防水鎖劑。

15#煤巖巖屑取自七元礦鉆井現場。15#煤巖巖心取自當地煤礦，煤巖1-1、煤巖1-2，孔隙度13.5%，氣測滲透率0.61 mD。地層水為經過濾后的排采水，水型為NaHCO3型，礦化度為2 976.78 mg/L。

主要儀器：FANN35SA型六速旋轉黏度計，美國FAN公司；FANN21200型極壓潤滑儀，美國FAN公司；JHDS-Ⅱ型高溫高壓動態失水試驗儀，荊州市創聯石油科技發展有限公司；煤巖儲層損害模擬評價系統，山東中石大石儀科技有限公司。

1.2 實驗方法

Experimental method

1.2.1 鉆井液基本性能參數測試 實驗方法參考GB/T 16783.1—2014 《石油天然氣工業 鉆井液現場測試 第 1部分：水基鉆井液》［15］。

1.2.2 鉆井液抑制性能評價 煤巖滾動回收實驗：稱取20 g過6～10目烘干的15#煤巖巖屑置于老化罐中，加入350 mL鉆井液，50 ℃下熱滾16 h；用40目篩回收巖屑，將回收的巖屑105 ℃干燥4 h，稱重后計算回收率。

煤巖在鉆井液中膨脹率測試：參照SY/T 5613—2000 《泥頁巖理化性能試驗方法》，觀察并記錄煤巖在鉆井液中的膨脹量，計算膨脹率［16］。

1.2.3 與地層水配伍性實驗 分別采用鉆井液及其濾液與地層水1∶1混合的方式，在30 ℃水浴中加熱6 h，觀察是否有沉淀發生。

1.2.4 鉆井液破膠實驗 將鉆井液與破膠液按1∶1比例混合，攪拌5 min后分別在30 ℃和50 ℃下恒溫4 h，測初始黏度和各時間段的黏度，計算破膠率。

1.2.5 煤巖儲層滲透率恢復評價實驗 實驗方法參考SY/T 6540—2002 《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》［17］。首先用地層水測試煤巖原始滲透率，然后在3.5 MPa壓差下用無固相保護煤層鉆井液對煤巖進行污染，再測試煤巖傷害后的滲透率，最后用破膠液反向驅替1 PV后，測試破膠后滲透率。

2 結果與討論

Result and discussion

2.1 基本性能參數

Basic performance parameters

無固相保護煤層鉆井液基本性能參數見表1。該體系黏度適中，動切力和動塑比能夠滿足水平井攜巖需要，濾餅較薄且黏附系數能夠滿足水平井施工對潤滑性能的要求，技術指標在鉆井設計范圍內。

表1 無固相保護煤層鉆井液基本性能參數Table 1 Basic performance parameters of solid-free coalbed protection drilling fuid

2.2 抑制性能

Inhibition property

煤巖巖屑滾動回收實驗結果見表2。1#、2#鉆井液體系為2組平行樣，2組實驗巖屑回收率均在96%以上，較清水有極大提高，說明體系對煤巖抑制性較強，煤巖在體系溶液中長時間滾動，沒有發生水化分散現象，煤巖巖屑在滾動后能保證其完整性。

表2 煤巖巖屑回收率實驗結果Table 2 Experimental result of recovery factor of coal rock cuttings

煤巖在清水和鉆井液中的膨脹量實驗結果見圖1。煤巖在無固相保護煤層鉆井液中30 min后開始膨脹，在360 min時，膨脹量趨于穩定，而煤巖在清水中的膨脹量基本處于上升趨勢，說明無固相保護煤層鉆井液體系對煤巖的抑制性較強，且能延緩煤巖初始膨脹的時間，為鉆井施工的安全提供了一定的時間保障。

圖1 不同介質中煤巖相對膨脹率Fig. 1 Relative expansion rate of coal rock in different media

2.3 與地層流體的配伍性

Compatibility with the formation fl uid

鉆井液與地層水混合后，混合液呈現鉆井液原始狀態，未出現沉淀；鉆井液濾液與地層水混合后，溶液清澈，說明無論是鉆井液及其濾液與地層水配伍性良好（圖2）。

圖2 配伍性實驗照片Fig. 2 Picture of compatibility experiment

2.4 破膠效果

Gel breaking effect

實驗對比過硫酸銨和低溫破膠劑在不同溫度下對無固相保護煤層鉆井液的破膠效果，結果見表3。30 ℃下，過硫酸銨4 h破膠率為69.57%，低溫破膠劑4 h破膠率為93.47%；50 ℃下，過硫酸銨4 h破膠率為78.26%，低溫破膠劑4 h破膠率為95.65%。低溫破膠劑破膠效果明顯優于過硫酸銨。低溫破膠劑30 ℃破膠4 h后，鉆井液完全破膠；50 ℃破膠2 h后，鉆井液完全破膠。在現場應用時，可根據儲層溫度適當調整破膠作業時間。

表3 鉆井液破膠率實驗結果Table 3 Gel breaking rate experiment result of drilling fuid

2.5 煤儲層保護效果

Coal reservoir protection effect

煤巖儲層保護性能評價結果見表4。無固相保護煤巖鉆井液體系在不破膠的情況下，對儲層的傷害程度達到30%以上，說明無固相保護煤層鉆井液本身對煤層有一定傷害。在用破膠液反向驅替1 PV后，儲層的滲透率恢復值均達到96%以上，基本上解除了鉆井液對煤巖的污染。

表4 煤巖巖心儲層保護性能評價結果Table 4 Evaluation result of reservoir protection performance on coal rock cores

3 現場應用

Field application

無固相保護煤層鉆井液體系已在七元礦區成功完鉆4口U型水平井。01H、02H、12H井首先采用清潔鹽水在煤層鉆進，鉆進煤層超過3 d，開始出現掉塊，鉆進超過10 d，出現掉塊嚴重、煤層坍塌，導致鉆井施工不能正常進行。轉換為無固相保護煤層鉆井液鉆進后，有效抑制了煤層的坍塌問題，鉆屑規則，攜巖正常，井壁穩定，保證了順利完鉆。08H井在煤層鉆進直接采用無固相保護煤層鉆井液，整個施工過程未出現與鉆井液相關的任何事故。

以12H井為例，使用清潔鹽水鉆井液鉆至井深960 m時發現進尺和巖屑返出量不成比例，經觀察分析，判斷為井下垮塌嚴重，且有掉塊逐漸增加的趨勢，掉塊大小2～3 cm，將鉆井液密度由1.08 g/cm3調整至1.12 g/cm3，發現巖屑返出量基本趨于正常，但掉塊依然沒有減少，鉆具上提下放遇阻嚴重。鉆至井深1 022 m，上提鉆具遇阻，提至400 kN左右，然后活動正常，鉆至井深1 045 m，因為井下掉塊較多，準備短起，在井深1 017m處遇阻卡鉆，開泵憋泵，上提懸重至450 kN左右未能起出，最后啟動頂驅上提下放倒劃眼解卡。隨即改為無固相保護煤層鉆井液體系鉆進，并將鉆井液密度維持在1.05～1.06 g/cm3，有效穩定了井壁，漏斗黏度在40 s左右，避免了煤層滲漏的發生，動切力維持在5～7 Pa，既保證了攜巖，又避免了小井眼施工泵壓易高的問題。在之后的鉆進過程中，無掉塊和井漏問題出現，順利完鉆。完鉆后進行破膠洗井作業，其中12H井煤層厚度4.31 m，日均產水量28.7 m3，井底流壓自2.486 MPa緩慢下降，排水64 d后，完鉆井已有水溶氣產出。

4 結論

Conclusions

（1）開發的無固相保護煤層鉆井液體系性能穩定，潤滑性好、黏切適中、與地層流體配伍性好，能夠滿足七元礦區煤層氣水平井鉆井技術要求。無固相保護煤層鉆井液體系與配套的破膠液使用能夠完全破膠，且破膠后能夠解除鉆井液對煤層的傷害。

（2）無固相保護煤層鉆井液對煤巖抑制性較強，穩定井壁能力強，解決了煤層坍塌造成卡鉆、憋泵問題，現場應用效果良好，可在該區塊推廣應用。

［1］ 楊健，倪元勇，王生維，秦義，劉偉，胡奇. 影響煤層氣水平井井壁穩定性的地質因素分析［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（5）：5-9.YANG Jian, NI Yuanyong, WANG Shengwei, QIN Yi,LIU Wei, HU Qi. Analysis of geologic factors affecting wellbore stability of CBM horizontal wells［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37（5）: 5-9.

［2］ 崔金榜，陳必武，顏生鵬，袁光杰，夏焱，王秀梅. 沁水盆地在用煤層氣鉆井液傷害沁水3#煤巖室內評價［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：47-50.CUI Jinbang, CHEN Biwu, YAN Shengpeng, YUAN Guangjie, XIA Yan, WANG Xiumei. Lab evaluation on formation damage of No. 3 coalbed methane reservoir by drilling fluids in Qinshui basin［J］. Oil Drilling &Production Technology, 2013, 35（4）: 47-50

［3］ 陳志學，樊洪海，史東輝，楊華斌，劉力，南文澤. 巴喀地區防塌鉆井液的研究［J］. 油田化學，2013，30（3）：331-335.CHEN Zhixue, FAN Honghai, SHI Donghui, YANG Huabin, LIU Li, NAN Wenze. Research and test of anticollapase drilling fluid in Baka Block［J］. Oilfield Chemistry, 2013, 30（3）: 331-335.

［4］ 陳在君，劉頂運，李登前. 煤層垮塌機理分析及鉆井液防塌探討［J］. 鉆井液與完井液，2007，24（4）：28-29，36.CHEN Zaijun, LIU Dingyun, LI Dengqian. Mechanism analysis of coalbed caving and discussion about the caving prevention by drilling fuids［J］. Drilling Fluid& Completion Fluid, 2007, 24（4）: 28-29, 36.

［5］ 張振華，孫晗森，喬偉剛. 煤層氣儲層特征及鉆井液選擇［J］. 中國煤層氣，2011，8（2）：24-27.ZHANG Zhenhua, SUN Hansen, QIAO Weigang.Characteristics of CBM reservoir and drilling fluidtechnology［J］. China Coalbed Methane, 2011, 8（2）: 24-27.

［6］ 蔡記華，劉浩，陳宇，肖長波. 煤層氣水平井可降解鉆井液體系研究［J］. 煤炭學報，2011，36（10）：1683-1688.CAI Jihua, LIU Hao, CHEN Yu, XIAO Changbo. Study on degradable drilling fluid system for coalbed methane horizontal drilling［J］. Journal of China Coal Society,2011, 36（10）: 1683-1688.

［7］ 岳前升，陳軍，鄒來方，蔣光忠，田中蘭，楊桓林 . 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，2012，37（增刊 2）：416-419.YUE Qiansheng, Chen Jun, ZHOU Laifang, JIANG Guangzhong, TIAN Zhonglan, YANG Huanlin. Research on coalbed methane drilling fluid for horizontal well based on coal reservoir protection in Qinshui Basin［J］.Journal of China Coal Society, 2012, 37（S2）: 416-419.

［8］ 溫航，陳勉，金衍，等.鉆井液活度對硬脆性頁巖破壞機理的實驗研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：57-59.WEN Hang, CHEN Mian, JIN Yan , WEN Zhaojun , YE Xi’an, YANG Shunhui.Experimental research on brittle shale failure caused by drilling fluid activity［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2014, 36（1）: 57-59.

［9］ 凡帆，鄭玉輝，呂海燕. 寧武盆地煤層氣儲層敏感性研究及鉆井液技術［J］.鉆井液與完井液，2016，33(1）：48-51.FAN Fan, ZHENG Yuhui, LYU Haiyan. Study on coalbed methane reservoir sensitivity in Ningwu Basin and drillin fluid technology［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2016, 33(1): 48-51.

［10］ 張耀元，馬雙政，王冠翔，韓旭，崔杰.抗高溫疏水締合聚合物無固相鉆井液研究及現場試驗［J］.石油鉆探技術，2016，44（6）：60-66.ZHANG Yaoyuan, MA Shuangzheng, WANG Guanxiang, HAN Xu, CUI Jie. A study and field test for solid-free high temperature resistance hydrophobic association polymer drilling fluid［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(6): 60-66.

［11］ 呂帥鋒，王生維，烏效鳴，王道寬，董慶祥，肖宇航，黃河.順煤層鉆進用可降解聚合物鉆井液［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：20-26.LYU Shuaifeng, WANG Shengwei, WU Xiaoming,WANG Daokuan, DONG Qingxiang, XIAO Yuhang,HUANG He. Degradable polymer drilling fuids for inseam drilling［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid,2016, 33（4）: 20-26.

［12］ 鄭力會，孟尚志，曹園，李中鋒. 絨囊鉆井液控制煤層氣儲層傷害室內研究［J］. 煤炭學報，2010，35（3）：439-442.ZHENG Lihui, MENG Shangzhi, CAO Yuan, LI Zhongfeng. Laboratory studies on control coalbed methane formation damage by Fuzzy-Ballbased drilling fuids［J］.Journal of China Coal Society, 2010, 35（3）: 439-442.

［13］ 王棟，趙虎，喬宏實，張鵬宇，郭慶華，吳雙 . 樊試 U1 井組遠端連通關鍵技術［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（4）：23-26.WANG Dong, ZHAO Hu, QIAO Hongshi, ZHANG Pengyu, GUO Qinghua, WU Shuang. Key techniques for far connection of fan U1 test well group U-shaped well- Fanshi U1 well group［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37（4）: 23-26.

［14］ 朱慶忠，劉立軍，陳必武，李佳峰，劉斌，李宗源，葛騰澤.高煤階煤層氣開發工程技術的不適應性及解決思路［J］.石油鉆采工藝，2017，39（1）：92-96.ZHU Qingzhong, LIU Lijun, CHEN Biwu, LI Jiafeng,LIU Bin, LI Zongyuan, GE Tengze. Inadaptability of high-rank CBM development engineering and its solution idea［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017,39(1): 92-96

［15］ 石油天然氣工業 鉆井液現場測試 第1部分：水基鉆井液： GB/T 16783. 1—2014 ［S］.Petroleum and natural gas industries - Field testing of drilling fuids - Part 1: Water-based fuids: GB/T 16783.1—2014 ［S］.

［16］ 泥頁巖理化性能試驗方法：SY/T 5613—2000［S］.Methods for testing shale physics and chemistry properties: SY/T 5613—2000［S］.

［17］ 鉆井液完井液損害油層室內評價方法：SY/T 6540—2002 ［S］.Lab testing method of drilling and completion fluids damaging oil formation: SY/T 6540—2002 ［S］.

（修改稿收到日期 2017-06-23）

〔編輯 朱 偉〕

Study and application of solid-free coalbed protection drilling fl uid

GENG Xueli, SU Yanhui, ZHENG Xiaobin, GAO Bo
Drilling & Production Co., CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300452, China

When a horizontal well is drilling through the No.15 coal seam in the Qinshui Basin, coal seam collapse and instability and reservoir contamination tend to happen. To deal with these problems, degradable thickening agent and low-temperature oxidizing breaker were developed. Then, a set of sold-free drilling fuid system which can guarantee both borehole stability and reservoir protection was prepared. And fnally, this system was evaluated by performing experiments on its rheological property, fltration property, inhibition property, reservoir protection and gel breaking capacity. It is shown that this system is characterized by stable property, strong inhibition and good compatibility with the formation fuid. The recovery ratio of coal rock is higher than 96% and its relative expansion ratio is lower than 0.3%. The gel breaking ratio is 95% at 30 ℃, and the recovery ratio of coal rock permeability after gel breaking is over 96%.This drilling fuid system was applied on site in 4 U-shape horizontal wells in Qiyuan Coal Mine. The drilling operation was smooth and no accident happened. The skin factor of well testing after drilling was the lowest (-2.17). And thus, the double targets of borehole stability and reservoir protection are realized.

Qinshui Basin; coalbed methane; degradable thickening agent; solid-free drilling fuid; low temperature breaking;reservoir protection

耿學禮，蘇延輝，鄭曉斌，高波.無固相保護煤層鉆井液研究及應用［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（4）：455-459.

TE254

B

1000 – 7393（ 2017 ） 04 – 0455 – 05

10.13639/j.odpt.2017.04.011

:GENG Xueli, SU Yanhui, ZHENG Xiaobin, GAO Bo. Study and application of solid-free coalbed protection drilling fuid［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4): 455-459.

中海油能源發展股份有限公司“非常規油氣勘探開發關鍵技術”重大專項子課題“煤層氣儲層傷害評價與保護技術研究”（編號：HFXMLZ-CJFZ1311）。

耿學禮（1983-），2007年畢業于長江大學化學工程與工藝專業，現從事鉆完井液及儲層保護研究等工作，工程師。通訊地址：（300452）天津市塘沽區渤海石油路688號鉆采工藝實驗室。電話：022-25804735。E-mail：gengxl2@cnooc.com.cn