煤系“三氣”共采條件下的井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)

陳書雅， 宋繼偉，2， 石彥平， 彭?yè)P(yáng)東， 蔡記華

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢430074；2 貴州省地礦局一一五地質(zhì)大隊(duì)，貴陽(yáng) 551400）

0 引言

煤系“三氣”通常是指在煤系地層中以共生為特征的煤層氣、頁(yè)巖氣和致密砂巖氣，表現(xiàn)為在同一煤系內(nèi)部垂向上發(fā)育2套或2套以上互相獨(dú)立的含氣系統(tǒng)。煤系“三氣”具有埋層深、儲(chǔ)層類型多樣且滲透率低的特點(diǎn)[1-2]。單一儲(chǔ)層開(kāi)采存在產(chǎn)量低、開(kāi)發(fā)難度大和成本較高等問(wèn)題，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度而言，選擇合層開(kāi)采的方式更為有利[3]。針對(duì)煤系“三氣”共采中煤巖、頁(yè)巖、致密砂巖旋回交替出現(xiàn)的特點(diǎn)，提出一套能夠適應(yīng)幾種復(fù)雜地層的鉆井液體系迫在眉睫。

表面電性和潤(rùn)濕性是巖石的2種表面性質(zhì)[4]。潤(rùn)濕性控制著巖石孔道中毛細(xì)管力的大小和方向、流體的流動(dòng)特性和分布[5-6]，影響著地層顆粒的運(yùn)移[7]。當(dāng)接觸角θ為90°時(shí)，毛細(xì)管力最小[8]，地層中的微粒難以在巖石表面運(yùn)移。改變巖石表面潤(rùn)濕性的方法有：表面活性劑法、二價(jià)陽(yáng)離子法和溫度控制法[9]。蔡記華等、高春寧等和李相臣等分別使用表面活性劑改變了頁(yè)巖、砂巖和煤巖的表面潤(rùn)濕性[10-12]。而在水體系中，煤的表面帶負(fù)電荷[13]，宋永瑋等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤巖表面的Zeta電位接近于零（即等電點(diǎn)）時(shí)，鉆井液的穩(wěn)定性較高，煤粉易聚結(jié)，煤巖表面的憎水性也有所增加[14]。自然界中的黏土礦物絕大多數(shù)帶負(fù)電荷，黏土的分散、膨脹、收縮、坍塌等特性均與鉆井液的Zeta電位大小密切相關(guān)[15]。且Zeta電位的絕對(duì)值越小，礦物顆粒之間的排斥力越小，體系越穩(wěn)定[16]。針對(duì)這一問(wèn)題，蘇長(zhǎng)明[17]等提出了使用有機(jī)正電膠MMH處理劑法、電解質(zhì)處理法、調(diào)整pH值法等以控制黏土礦物和鉆井液的電性。正電膠鉆井液由于其獨(dú)特的觸變性、較好的防塌效果、保持井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)的能力，已被廣泛地應(yīng)用于水平井和定向井中[18]。李相臣[12]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明陽(yáng)離子型表面活性劑能夠?qū)⒚簬r的表面電性由負(fù)轉(zhuǎn)正。

在前期研究的基礎(chǔ)上，從潤(rùn)濕性控制和電性抑制的角度出發(fā)，提出了一套強(qiáng)抑制低傷害水基鉆井液體系，滿足煤系“三氣”共采條件下的井壁穩(wěn)定需要。

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：煤巖，采自貴州省畢節(jié)市大方縣鳳山鄉(xiāng)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（以下簡(jiǎn)稱“龍?zhí)督M煤巖”），頁(yè)巖，采自重慶市秀山縣大田壩村龍馬溪組露頭（以下簡(jiǎn)稱“龍馬溪組頁(yè)巖”）；鈉基膨潤(rùn)土（遼寧省建平縣產(chǎn)，以下簡(jiǎn)稱“建平鈉土”）、無(wú)機(jī)正電膠（干粉，以下簡(jiǎn)稱“MMH-1”）、有機(jī)正電膠（液體，以下簡(jiǎn)稱“MMH-2”）、纖維素類降濾失劑、樹脂類抗高溫處理劑、無(wú)機(jī)鹽抑制劑（KCl）；季銨鹽類表面活性劑-S、兩性離子表面活性劑、陽(yáng)離子型表面活性劑、季銨鹽類表面活性劑-N、季銨鹽類表面活性劑-B、有機(jī)硅表面活性劑、十二烷基苯磺酸鈉（ABS）和十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）。

實(shí)驗(yàn)儀器：X’ Pert D8-FOCUS X射線衍射儀、Ζetasizer Nano ZS90納米粒度和Zeta電位儀、ZNP膨脹量測(cè)定儀、QBZY-2全自動(dòng)表面張力儀、JC2000C接觸角測(cè)量?jī)x、HKY-3壓力傳遞實(shí)驗(yàn)裝置、JHDP氣體滲透測(cè)定儀和電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煤巖與頁(yè)巖的礦物組成分析

對(duì)龍?zhí)督M煤巖和龍馬溪組頁(yè)巖分別進(jìn)行了衍射（XRD）分析，測(cè)試其礦物成分，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 龍?zhí)督M煤巖礦物組成

龍?zhí)督M煤巖外觀呈黑色，光澤度較弱，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，裂隙較為發(fā)育，易破碎。該地區(qū)煤巖白云石和石英等脆性礦物含量較高，硬度較大，屬于硬脆性煤巖。龍馬溪組頁(yè)巖呈暗灰色，較為致密，孔隙度為2%～4%，滲透率為（5～100）×10-5mD，抗壓強(qiáng)度為250～300 MPa[18-20]，頁(yè)巖中石英含量較高，脆性指數(shù)大，黏土礦物含量中等，水化膨脹性中等。

表2 龍馬溪組頁(yè)巖（露頭）礦物組成

2.2 龍?zhí)督M煤巖表面電性分析

使用Zetasizer Nano ZS90納米粒度和Zeta電位儀測(cè)試了龍?zhí)督M煤巖（煤粉）在不同pH值環(huán)境中的表面電性變化情況，發(fā)現(xiàn)煤巖在酸性條件下帶正電，堿性條件下帶負(fù)電，該地區(qū)煤粉等電點(diǎn)為7左右（圖1）。對(duì)不同類型溶劑對(duì)Zeta電位的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果為：煤粉在清水、3%MMH-1、0.8%MMH-2、0.2%ABS、0.2%DTAB中的Zeta電位分別為-3.63、-21.75、19.75、-54.05和 47.25 mV。發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子表面活性劑DTAB和有機(jī)正電膠MMH-2能夠有效地將龍?zhí)督M煤巖表面的電位由負(fù)轉(zhuǎn)正，進(jìn)一步證明了正電膠處理劑的電性中和作用。

圖1 煤粉Zeta電位隨pH值的變化規(guī)律

2.3 表面活性劑對(duì)巖樣表面潤(rùn)濕性的影響

以降低溶液表面張力和增大與巖石（龍?zhí)督M煤巖、龍馬溪組頁(yè)巖）的接觸角為選擇標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)表面活性劑進(jìn)行了復(fù)配和優(yōu)選，得到了一套性能較優(yōu)的表面活性劑復(fù)配配方。

2.3.1 表面活性劑單劑優(yōu)選

在前面實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別選擇了4種陽(yáng)離子型表面活性劑、1種兩性表面活性劑和1種親油型表面活性劑進(jìn)行單劑的優(yōu)選，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，表面活性劑能夠起到有效降低表面張力的作用，并且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，表面張力急劇降低，此后曲線趨于平緩。由此推測(cè)，這些表面活性劑的臨界膠束濃度在0.01%附近。

圖2 表面張力隨表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律

不同頁(yè)巖的接觸角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 巖石接觸角隨表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律

由圖3可優(yōu)選出以下單劑：陽(yáng)離子型表面活性劑、季銨鹽類表面活性劑-N、有機(jī)硅表面活性劑以及季銨鹽類表面活性劑-B，并確定0.01%為最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.3.2 表面活性劑復(fù)配配方優(yōu)選

根據(jù)前面確定3種表面活性劑的復(fù)配配方，分別記為1#（季銨鹽類表面活性劑-N+有機(jī)硅表面活性劑）、2#（季銨鹽類表面活性劑-N+季銨鹽類表面活性劑-B）和3#（陽(yáng)離子型表面活性劑+季銨鹽類表面活性劑-B）。為保證表面活性劑處于臨界膠束濃度，在復(fù)配時(shí)每種表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0.005%。測(cè)試其溶液的表面張力和與巖樣的接觸角[21]，結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)配表面活性劑性能對(duì)比

3種復(fù)配表面活性劑都能降低溶液的表面張力，且頁(yè)巖和煤巖的接觸角在其中都有不同程度的增大，但1#配方（0.005%季銨鹽類表面活性劑-N+0.005%有機(jī)硅表面活性劑）的效果最佳。

2.3.3 復(fù)配表面活性劑對(duì)壓力傳遞的影響

鉆井液靜液柱壓力向地層的傳遞和濾液滲入是頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的首要因素[22]。采用HKY-3壓力傳遞裝置，在圍壓為5.5 MPa、上游壓力為4.5 MPa條件下，評(píng)價(jià)了1#復(fù)配表面活性劑溶液對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖和龍?zhí)督M煤巖壓力傳遞的阻緩效果，結(jié)果如圖5、圖6所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：以清水為介質(zhì)時(shí)，龍馬溪組頁(yè)巖在10 h左右開(kāi)始產(chǎn)生裂隙，30 h左右?guī)r石破碎；采用復(fù)配的表面活性劑溶液為介質(zhì)時(shí)，巖樣完好，未發(fā)生破碎，且頁(yè)巖的滲透率從2.15×10-3mD急劇降到2.79×10-6mD；相似的是，在上流壓力為2 MPa時(shí)，以清水為介質(zhì)，龍?zhí)督M煤巖在0.5 h左右開(kāi)始產(chǎn)生裂縫，而以表面活性劑溶液為介質(zhì)時(shí)，巖樣完好，且煤巖的滲透率由0.61 mD急劇降低到6.87×10-6mD。復(fù)合表面活性劑阻緩煤巖和頁(yè)巖孔隙壓力傳遞的效果顯著。

圖5 復(fù)配表面活性劑對(duì)孔隙壓力傳遞的影響規(guī)律（龍馬溪組頁(yè)巖）

圖6 復(fù)配表面活性劑對(duì)孔隙壓力傳遞的影響規(guī)律（龍?zhí)督M煤巖）

2.4 煤系“三氣”共采井壁穩(wěn)定鉆井液體系

結(jié)合前期研究基礎(chǔ)，在1#配方基礎(chǔ)上復(fù)配3%MMH-1和2種正電膠（0.8%MMH-2），提出2套水基鉆井液體系。鉆井液基礎(chǔ)配方如下。

清水+4%建平鈉土+3%MMH-1+0.005%季銨鹽類表面活性劑-N+0.005%有機(jī)硅表面活性劑+1.5%纖維素類降濾失劑+2%樹脂類抗高溫處理劑+5%KCl

2.4.1 基本性能

如表3所示，MMH-1鉆井液的表觀黏度略低于MMH-2鉆井液，但其API濾失量也比MMH-2鉆井液低3.5 mL，綜合性能相對(duì)較優(yōu)。

表3 鉆井液的基本性能

2.4.2 電性

分別取基漿、MMH-1鉆井液和MMH-2鉆井液的濾液，測(cè)試其Zeta電位分別為-56.8、-30.4和-31.8 mV。與基漿相比，加入了正電膠和表面活性劑后，2套鉆井液的Zeta電位絕對(duì)值分別降低了26.4 mV和25 mV。

2.4.3 潤(rùn)濕性

將龍?zhí)督M煤巖和龍馬溪組頁(yè)巖表面拋光后，在鉆井液中浸泡16 h后洗凈，在100 ℃下烘干2 h，冷卻后用JC2000C型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量鉆井液處理后的巖樣接觸角，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，與未添加表面活性劑的配方相比，MMH-1鉆井液的表面張力降低了17.12%，將頁(yè)巖和煤巖的接觸角分別提高了35.82%和38.29%，效果顯著。

表4 鉆井液表面張力與巖樣潤(rùn)濕性

2.4.4 抑制性

分別稱取50 g 、2.00～5.27 mm的龍?zhí)督M煤巖和龍馬溪組頁(yè)巖樣品，分別加入基漿、MMH-1鉆井液和MMH-2鉆井液中，在80 ℃下在XGRL-4高溫滾子加熱爐中熱滾16 h后取出，冷卻、沖洗、烘干后稱取過(guò)0.45 mm篩孔的巖屑，計(jì)算滾動(dòng)回收率如表5所示。人工壓制煤巖在2種鉆井液中的膨脹量如圖7所示。

表5 不同鉆井液的煤巖/頁(yè)巖滾動(dòng)回收率

綜合對(duì)比2套鉆井液的流變性、濾失性、抑制性、潤(rùn)濕性和電性等，MMH-1的性能優(yōu)于MMH-2鉆井液，因此確定抑制性低傷害鉆井液體系的優(yōu)化配方為MMH-1體系。

圖7 MMH-1和MMH-2鉆井液對(duì)壓制煤巖的抑制性

2.4.5 高溫穩(wěn)定性

如表6所示，即使是經(jīng)過(guò)120 ℃熱滾后，MMH-1鉆井液濾失量仍在10 mL以內(nèi)，黏度和切力略有下降，抗溫性能優(yōu)良。

表6 MMH-1鉆井液熱滾后性能變化

2.4.6 儲(chǔ)層保護(hù)特點(diǎn)

評(píng)價(jià)了基漿和MMH-1鉆井液污染后龍?zhí)督M煤巖前后的氣測(cè)滲透率，結(jié)果如表7所示。MMH-1鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的滲透率傷害率僅為10%，能將基漿煤巖氣測(cè)滲透率降低率降低3.6%。

表7 鉆井液對(duì)煤巖氣測(cè)滲透率影響

2.4.7 抗污染能力

抗污染測(cè)試結(jié)果（表8）表明，在MMH-1鉆井液體系中分別加入3%NaCl、1%CaCl2和5%凹凸棒土（模擬鉆屑）后，鉆井液的黏度和切力略有波動(dòng)，但濾失量并未明顯變化，性能較穩(wěn)定，體現(xiàn)出良好的抗鹽和抗鉆屑污染的能力。

表8 在MMH-1鉆井液中加入不同污染物質(zhì)的性能

2.4.8 生物毒性

用發(fā)光細(xì)菌法評(píng)價(jià)了MMH-1鉆井液的生物毒性[23]，參照生物毒性等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，提出的煤系“三氣”共采水基鉆井液的LC50（96 h發(fā)光細(xì)菌的半數(shù)致死濃度）值為294 000 mg/L，達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)（30 000 mg/L），說(shuō)明該體系生物毒性低、對(duì)環(huán)境友好。

3 結(jié)論

1.龍?zhí)督M煤巖在酸性條件下帶正電荷，在堿性條件下帶負(fù)電荷，等電點(diǎn)在7左右。有機(jī)正電膠MMH-2和陽(yáng)離子型表面活性劑DTAB均能將該煤巖的表面電位由負(fù)轉(zhuǎn)正。

2.季銨鹽類表面活性劑-N和有機(jī)硅表面活性劑能夠分別將龍馬溪組頁(yè)巖和龍?zhí)督M煤巖表面由水潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐?rùn)濕；表面活性劑復(fù)配配方能夠阻緩頁(yè)巖和煤巖的孔隙壓力傳遞。

3.所提出的抑制性低傷害鉆井液體系（MMH-1鉆井液），流變性適宜，濾失量低，抑制性強(qiáng)，儲(chǔ)層保護(hù)效果好，抗污染能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境友好，能滿足煤系“三氣”共采條件下的井壁穩(wěn)定要求。