國(guó)內(nèi)煤層氣鉆井液技術(shù)分析

何 松，邢希金，馮桓榰，馬 巖

（中海油研究總院，北京100028）

煤層氣又稱煤層甲烷，是一種優(yōu)質(zhì)高效清潔能源。由于煤層氣的安全效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益與常規(guī)的石油和天然氣相比，具有明顯的優(yōu)越性。因此，隨著非常規(guī)能源勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的逐漸提高和完善，煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)已越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注。我國(guó)煤層氣資源十分豐富，但是目前我國(guó)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)還處于起步階段[1]。

1 中國(guó)煤層氣儲(chǔ)層及煤巖特點(diǎn)

（1）微孔和裂縫發(fā)育。與常規(guī)的石油天然氣儲(chǔ)層不同，煤層氣主要吸附于微孔中，煤層氣主要是通過(guò)割理產(chǎn)出。割理一般分為面割理、端割理和構(gòu)造裂縫。

（2）儲(chǔ)層滲透率極低。常規(guī)油氣資源的“孔滲飽”在一定程度上決定了油氣能否順利從儲(chǔ)層采出。同樣地，煤層滲透率也對(duì)煤層氣能否順利開(kāi)采和開(kāi)采量有較大影響。而我國(guó)90%煤層氣儲(chǔ)層滲透率低于3×10-3μm2，通常情況下為（0.01～0.1）×10-3μm2，屬典型的低滲透、特低滲透儲(chǔ)層[2]。

（3）普遍屬于低壓儲(chǔ)層。我國(guó)的煤層氣儲(chǔ)層壓力大多低于正常靜水壓力，屬于低壓儲(chǔ)層。常規(guī)油氣資源的儲(chǔ)層壓力直接影響儲(chǔ)層的開(kāi)采方式和可開(kāi)采程度，是氣體由儲(chǔ)層流向井筒的能量來(lái)源。同樣地，煤層氣的儲(chǔ)層壓力直接影響儲(chǔ)層的含氣量和煤層氣的存在狀態(tài)，從而影響煤層氣的產(chǎn)量。

（4）煤巖表面帶有電荷。與常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖相比，煤巖表面不同于常規(guī)巖石，煤巖表面一般有較多的電荷，表面電位與所處環(huán)境pH值有較大關(guān)系，它與pH呈反相關(guān)[3]。

（5）富含高煤階氣。就目前來(lái)講，我國(guó)開(kāi)發(fā)的高煤階煤層氣已經(jīng)相對(duì)較多，高煤階煤層氣資源約占全國(guó)資源總量的三分之一。高階煤意味著煤儲(chǔ)層具有低滲和難解吸的特點(diǎn)。

2 煤層氣鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

（1）煤層對(duì)鉆井液的高吸附性。與常規(guī)碳酸鹽等巖石不同，煤能夠吸收各種液體和氣體，具有高吸附性。煤吸收液體和氣體的結(jié)果之一是煤體膨脹，其膨脹程度取決于液體和氣體的化學(xué)性質(zhì)。

（2）固相顆粒對(duì)孔隙和裂隙的堵塞。鉆井液中的固相顆粒按粒徑可劃分為粗顆粒、中粗顆粒、細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒、微顆粒及膠體顆粒。煤的基質(zhì)孔隙按直徑可分為大孔、中孔和微孔。

微孔隙占煤層總孔隙容積的60%以上。從表1可以看出，煤層裂隙和孔隙和鉆井液中的固相顆粒與量值上屬于同一級(jí)別，極易進(jìn)入煤層裂隙和孔隙中造成產(chǎn)氣通道被堵塞[4]。

（3）井壁穩(wěn)定性。煤層既不同于非常規(guī)能源中的其它能源，也不同于碳酸鹽等常規(guī)儲(chǔ)層，它具有自己的地質(zhì)特殊性，進(jìn)入煤層段前，一般會(huì)鉆遇泥巖與煤線、泥巖與細(xì)砂巖的夾層，這些地層的膠結(jié)性能一般較差，鉆井液體系若使用不當(dāng)，容易產(chǎn)生漏失和垮塌；煤層段孔隙裂縫可能較為發(fā)育，可能會(huì)發(fā)生漏失現(xiàn)象。同時(shí)煤層氣的采出一般是采用一口直井加一口水平井的U型井方式，其和常規(guī)油氣儲(chǔ)層的采出也大不相同，這也給井壁穩(wěn)定性增加了一定難度。

（4）水平段鉆井液性能要求高。由于煤層段的水平位移較長(zhǎng)，鉆進(jìn)過(guò)程中煤層容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、巖屑不易攜帶上來(lái)等復(fù)雜情況；煤層段鉆進(jìn)，可能由于產(chǎn)生漏失導(dǎo)致泵壓減小，環(huán)空返速下降，水平段易形成巖屑床，起下鉆易阻卡；而其中主要難點(diǎn)是解決井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)之間的矛盾問(wèn)題。這對(duì)于煤層氣水平井鉆井液而言，是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

表1 鉆井液固相粒徑與煤層孔隙直徑對(duì)照表

3 技術(shù)對(duì)策

針對(duì)上述出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)，在煤層氣鉆井時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)減少鉆井液中任何化學(xué)物質(zhì)對(duì)煤體的接觸，同時(shí)盡量控制巖屑和煤粒等對(duì)煤層的傷害，另外應(yīng)控制煤層鉆井過(guò)程中的井壁穩(wěn)定性。應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)煤層氣具體情況設(shè)計(jì)鉆井液體系，使鉆井液具有較好的流變性，同時(shí)清除井下的掉塊，有效地去除巖屑床；

（2）使鉆井液的密度與地層實(shí)際情況相符合，結(jié)合鉆井液的封堵性能，在保證地層漏失通道暢通的情況下鉆進(jìn)；

（3）在鉆遇泥頁(yè)巖或其夾層前，保證鉆井液具有優(yōu)良的抑制性能；

（4）觀察鉆井液泥漿池及返出液面，發(fā)現(xiàn)非正常情況，分析原因并采取相應(yīng)的處理措施；

（5）在鉆進(jìn)過(guò)程中，要嚴(yán)格執(zhí)行煤層段的鉆進(jìn)操作規(guī)程，做到“早開(kāi)泵、晚停泵”，同時(shí)定時(shí)觀察泥漿池液量變化和振動(dòng)篩的巖屑返出情況；

（6）針對(duì)敏感性地層，要嚴(yán)防地層漏失、垮塌或地層出水等，提前做好預(yù)防，加強(qiáng)觀測(cè)。

4 煤層氣鉆井液體系推薦

在煤層氣的開(kāi)發(fā)中，使用合適的鉆井液體系對(duì)安全、高效的鉆進(jìn)至關(guān)重要，通過(guò)對(duì)煤層氣鉆井液技術(shù)難點(diǎn)的分析，結(jié)合鉆井液技術(shù)對(duì)策，總結(jié)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)使用的煤層氣鉆井液體系，建議根據(jù)煤層氣具體實(shí)際情況，使用以下鉆井液體系開(kāi)發(fā)煤層氣。

（1）無(wú)固相氯化鈉鹽水鉆井液體系。無(wú)固相鉆井液主要處理劑為工業(yè)氯化鈉，考慮到緊急情況，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配制密度1.20g/cm3黃原膠—重晶石泥漿，以備不時(shí)之需。具體加量范圍見(jiàn)表2。

（2）無(wú)固相可循環(huán)微泡鉆井液體系。要求煤層氣微泡鉆井液體系密度0.80～1.0g/cm3；微泡鉆井液抗溫100℃；體系穩(wěn)泡時(shí)間12～72h；破膠24h體系粘度小于5mPa·s；消泡后，油水表面張力小于35mN/m。微泡鉆井液體系推薦配方見(jiàn)表3。

表2 無(wú)固相鉆井液加量范圍

表3 可循環(huán)微泡鉆井液用處理劑推薦加量

需要說(shuō)明的一點(diǎn)，由于微泡鉆井液內(nèi)含有氣體，因此剪切速率對(duì)體系密度及流變性影響較大，不同剪切速率配制出的體系性能可能有微小波動(dòng)，屬正常情況。

（3）SDD無(wú)固相可降解鉆井液體系。SDD鉆井液為無(wú)固相聚合物鉆井液，聚合物對(duì)儲(chǔ)層造成的損害可以通過(guò)生物酶來(lái)進(jìn)行降解，從而達(dá)到保護(hù)煤儲(chǔ)層目的。其配方為清水+0.35%可降解增粘劑+2%KCl，密度調(diào)節(jié)用氯化鈉。從其配方清水+0.35%可降解增粘劑+2%KCl來(lái)看，此類鉆井液為無(wú)固相鉆井液。

（4）中空玻璃微球鉆井液。利用各種處理劑的自身特點(diǎn)對(duì)各種鉆井液處理劑的加量進(jìn)行優(yōu)選，以得到既滿足鉆煤層氣的層位要求，又利于保護(hù)儲(chǔ)層的鉆井液配方。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)選的鉆井液配方及性能見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)選鉆井液配方及性能

由表4可以看出，優(yōu)選鉆井液具有較為適宜的塑性粘度和動(dòng)切力，流變性能較好，濾失性能也滿足要求，泥餅薄而致密，API濾失量小于5mL，高溫高壓濾失量小于15mL。120℃老化16h后鉆井液性能穩(wěn)定，說(shuō)明具有很好的抗溫性。

5 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)本文分析，認(rèn)為煤層氣不同于常規(guī)油氣儲(chǔ)層，需要合理調(diào)整鉆井液性能，減小固相顆粒含量，控制固相顆粒侵入儲(chǔ)層。

（2）針對(duì)煤層氣的水平段，為達(dá)到安全鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定，同時(shí)能夠起到儲(chǔ)層保護(hù)的作用，在兼顧成本的基礎(chǔ)上綜合考慮，可以使用無(wú)固相氯化鈉鉆井液體系或者無(wú)固相可循環(huán)微泡鉆井液體系。

（3）使用低固相和無(wú)固相鉆井液體系能夠有效保護(hù)煤層，減少鉆井復(fù)雜情況發(fā)生，節(jié)約鉆完井成本。