沁水盆地煤層氣提速鉆井液體系設(shè)計與性能評價

陳 波，和鵬飛，馬志忠，賈 雍，孫永樂

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

20 世紀(jì)60 年代以來，石油行業(yè)更加重視研究泥漿的組成和性能對鉆速的影響。隨著研究的逐漸深入認(rèn)識到：鉆井液的類型、組成和性能是直接影響鉆井速度和成本的重要因素，尤其泥漿中的固相是影響鉆井速度和成本的關(guān)鍵因素。因而近代泥漿工藝中大力發(fā)展了固相控制技術(shù)，并且取得了很好的鉆井效果。近代泥漿工藝中另一件大事是在泥漿中引入了高聚物絮凝劑[1，2]。高聚物絮凝劑可以使泥漿中的鉆屑或劣質(zhì)黏土處于不分散的絮凝狀態(tài)，以便使用機(jī)械固控設(shè)備將其清除，較好的解決了分散泥漿體系存在的鉆屑（劣土）在泥漿中分散、積累的問題。70 年代以來，由于對不分散聚合物體系的優(yōu)異水力特性和防塌作用的進(jìn)一步認(rèn)識，在使用高壓噴射鉆井技術(shù)的同時，充分發(fā)揮不分散聚合物體系的絮凝、剪切稀釋和防塌這三大優(yōu)越性，使鉆井速度顯著提高，鉆井成本不斷降低。總之，不分散無固相、低固相聚合物鉆井液，是在鉆井生產(chǎn)中見到顯著成效的新型、先進(jìn)的鉆井液。

沁南煤層氣田柿莊項目包括柿莊南和柿莊北兩個區(qū)。其中柿莊南工作區(qū)地處太行山西麓，東南部地形平緩，西北部以低山丘陵地形為主，地形呈西高東低、北高南低的特點(diǎn)，相對高差最大400 m。工作區(qū)位于沁水盆地東南部，構(gòu)造簡單，以寬緩褶皺為主。儲層壓力系數(shù)多數(shù)在0.70 以下，實測本區(qū)地應(yīng)力場強(qiáng)度較弱，地應(yīng)力較小，一般為7.9～9.4。

1 沁水盆地已鉆井分析與難鉆地層性能測試

1.1 已鉆井分析

1.1.1 井漏 對晉城沁水盆地12 口已鉆井進(jìn)行資料統(tǒng)計分析，其中井漏現(xiàn)象比較突出，而且全部發(fā)生在煤層上段，即非煤層，煤層中并未發(fā)生過漏失現(xiàn)象，具體情況（見表1）。

1.1.2 機(jī)械鉆速ROP 分析 比較TS80-04 井、TS90-02D2 井與鄰井機(jī)械鉆速（見圖1～圖3），從以上各井不同井段機(jī)械鉆速比較來看，中海油承包井鉆井速度要明顯高于其他鉆井承包商，但總的看來，ROP 不高，應(yīng)進(jìn)一步研究提高ROP 的技術(shù)措施和手段。

1.2 難鉆地層性能測試

對現(xiàn)場露頭巖樣進(jìn)行取樣（SN015-05H 井附近），肉眼觀察為泥質(zhì)粉砂巖，性硬，外觀呈黃-灰白色。露頭礦物特性分析（見表2）。

1.2.1 分散性實驗 稱取3 份50 g 過6～10 目的烘干巖屑，分別裝進(jìn)帶有編號的老化罐中。向每個老化罐中加入350 mL 的自來水，擰緊蓋子，放入到滾子爐中，在50 ℃下熱滾16 h。熱滾完畢，取出老化罐，用40 目篩子回收巖屑。將回收的巖屑轉(zhuǎn)移到已干燥稱重的玻璃片上，在105 ℃的情況下，干燥4 h。干燥完后，待溫度降至室溫，稱重。熱滾回收率為64.84 %，且熱滾回收后，巖屑顆粒規(guī)則，說明該頁巖巖屑水化能力不是很強(qiáng)。

表1 中海油晉城煤層氣井漏情況統(tǒng)計

圖1 TS80-04 井與鄰井12-1/4 井段ROP 比較

圖2 TS80-04 井與鄰井8-1/2 井段ROP 比較

圖3 TS90-02D2 井與鄰井8-1/2 井段ROP 比較

表2 礦物性能分析

1.2.2 膨脹性實驗 稱取3 份10 g 過100 目篩網(wǎng)的頁巖巖粉，放到壓樣機(jī)上，在5 MPa 的條件下壓10 min。壓樣完畢，取下壓樣套筒，安裝到膨脹儀上在1 MPa，30 ℃的條件下進(jìn)行膨脹實驗。結(jié)果顯示，1 h 左右往后，膨脹曲線上升趨勢緩慢，最大膨脹率3.721 %。說明該泥頁巖水化能力不是很強(qiáng)，與前述滾動回收率實驗結(jié)果也比較吻合。

由上述分析可知，晉城沁水盆地地層相對較老，主要目的層3#煤層發(fā)育在山西組。已鉆井復(fù)雜情況表明，該地區(qū)地層普遍存在漏失現(xiàn)象，而且集中于煤層上部，機(jī)械鉆速低。巖樣性能測試結(jié)果表明，泥巖膨脹性較弱，回收率較高，黏土礦物以低膨脹性伊/蒙混層和伊利石為主，蒙皂石混層比較低，總體上比較致密。

2 提速鉆井液體系研究

絮凝劑在超過一定量后均具有較好的絮凝作用，而JFC 除能增強(qiáng)液體的滲透能力外，還具有防泥包作用，具有一劑多效作用[3，4]；抑制劑采用氯化鉀。因絮凝劑種類較多，選用兩種應(yīng)用最廣泛的絮凝劑PLUS 和PAC（聚合氯化鋁），設(shè)計兩種提速鉆井液配方：

1#：0.2 %PLUS+0.5 %JFC+3 %KCl

2#：0.01 %PAC+0.5 %JFC+3 %KCl

2.1 鉆井液性能實驗[5-8]

2.1.1 配伍性 實驗方法：取新配制的1#、2#鉆井液各100 mL，靜置6 h 后，觀察杯底是否有沉淀，并照相。結(jié)果表明，兩種鉆井液在靜置6 h 后，均無沉淀生成，說明所配制的鉆井液各處理劑配伍性良好。

2.1.2 鉆井液流變性和剪切稀釋性 用六速旋轉(zhuǎn)黏度儀對1#、2#鉆井液的流變性進(jìn)行測試，塑性流體和假塑性流體的表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低的特性稱為剪切稀釋性。例如，在鉆頭水眼處，剪切速率高達(dá)10 000 s-1～100 000 s-1，鉆井液變得很稀；而在環(huán)形空間，當(dāng)剪切速率為50 s-1～250 s-1時，鉆井液又變得比較稠。這種剪切稀釋特性是一種優(yōu)質(zhì)鉆井液必須具備的性能，因為它既能充分發(fā)揮鉆頭的水馬力，有利于提高鉆速，而在環(huán)形空間又能很好的攜帶鉆屑。從1#和2#鉆井液流變性來看，2#鉆井液與清水黏度一樣，1#鉆井液雖具有剪切稀釋特性，但其黏度仍高于清水，從發(fā)揮鉆頭水馬力角度來看不及2#鉆井液。

2.1.3 滲透性實驗 實驗結(jié)果表明，現(xiàn)場巖樣強(qiáng)度較高，經(jīng)自來水浸泡后強(qiáng)度大幅下降，但2#鉆井液浸泡后下降更加厲害，這也間接說明了2#鉆井液滲進(jìn)巖樣速度快。

2.1.4 絮凝能力實驗 實驗方法：80 mL 水+5 g 巖粉+20 mL 鉆井液，即將5 g 巖粉加入80 mL 自來水中，再與20 mL 鉆井液混合。實驗結(jié)果表明，1#和2#鉆井液絮凝能力均較強(qiáng)。

2.1.5 滾動回收率 稱取2 份50 g 過6～10 目的烘干巖屑，分別裝進(jìn)帶有編號的老化罐中。向每個老化罐中加入350 mL 的1#、2#鉆井液，擰緊蓋子，放入到滾子爐中，在50 ℃下熱滾16 h。熱滾完畢，取出老化罐，用40 目篩子回收巖屑。將回收的巖屑轉(zhuǎn)移到已干燥稱重的玻璃片上，在105 ℃的情況下，干燥4 h。干燥完后，待溫度降至室溫，稱重。較之于清水回收率64.84 %，1#、2#鉆井液對巖屑的回收率都有很大的提升，說明1#、2#鉆井液都能夠很好的抑制巖屑分散。

2.1.6 潤滑性實驗 用極壓潤滑儀評價了清水、清水+10 %巖粉、1#鉆井液和2#鉆井液潤滑性，實驗結(jié)果可見，1#和2#鉆井液潤滑性均明顯強(qiáng)于清水和清水+10 %巖粉。

通過上述分析可知，煤層氣提速鉆井液組成為絮凝劑、滲透劑、防泥包劑和抑制劑，優(yōu)選出絮凝劑聚丙烯酰胺PLUS 和聚鋁PAC，滲透劑和防泥包劑JFC，抑制劑氯化鉀。這些處理劑之間配伍性良好。設(shè)計兩套鉆井液均具有較強(qiáng)的抑制性和防泥包特性，但在濾液滲透性和高剪切速率黏度上，2#鉆井液更具有優(yōu)勢，而這些性能對提高機(jī)械鉆速至關(guān)重要。因此，推薦煤層氣提速鉆井液配方為：配漿水+0.01 %PAC+0.5 %JFC+2 %～3 %KCl。

3 防漏技術(shù)研究

沁水盆地上部地層由于風(fēng)化作用、破碎帶或古河道等原因，漏失現(xiàn)象非常嚴(yán)重，有些是惡性失返性漏失，嚴(yán)重影響煤層氣正常鉆井作業(yè)，造成鉆井事故和經(jīng)濟(jì)損失。漏失深度多在100 m～500 m。根據(jù)沁水盆地煤層氣鉆井實際情況，選用了不同粒度級配的暫堵劑進(jìn)行暫堵。在室內(nèi)，采用不同粒徑混配的QWY 作為暫堵用的剛性粒子。

由于QWY-1 顆粒的表面積大，表面吸附活性強(qiáng)，所以當(dāng)其隨堵漏液滲入地層后，隨著流動速度的減慢，會與加入的增黏懸浮劑HPV 大分子鏈串產(chǎn)生強(qiáng)烈的親和吸附作用和聚結(jié)作用，加快增黏懸浮劑大分子鏈的纏繞速度，并且形成或封堵墊層的堅實的骨架基礎(chǔ)，從而提高了封堵強(qiáng)度和可靠性，壓差越大，封堵強(qiáng)度也越大。在流動或是攪動的狀態(tài)下，暫堵劑QWY-1 在堵漏液中有較強(qiáng)的分散性，很容易隨堵漏液滲入漏失通道中，對各種尺寸的漏失通道有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

為了評價暫堵劑QWY 的堵漏效果，指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用，室內(nèi)配制堵漏液（自來水+1 %增黏懸浮劑+QWY），調(diào)整暫堵劑QWY 的加量以及漏失地層的狀態(tài)，在API堵漏模擬試驗裝置上（QD 型堵漏材料試驗儀），進(jìn)行了堵漏模擬實驗，實驗封堵壓力0.7 MPa～7.0 MPa。隨著暫堵劑QWY 加量的增加，漏失量逐漸降低，對于滲透性地層，當(dāng)暫堵劑QWY 的加量為2.5 %～4.0 %時，堵漏效果很好。綜合考慮，推薦暫堵劑QWY 的加量為3.0%～5.0 %。

由于暫堵劑在水中分散不均勻，很容易沉降。所以必須在修井液體系中添加一定量的增黏懸浮劑，本項目選用最常用的增黏劑聚丙烯酰胺PLUS。

將堵漏液配制好后，必須在一定的時間內(nèi)暫堵劑不發(fā)生沉降才能滿足配制和泵送的要求。室內(nèi)通過考察HPV 濃度與其懸浮性的關(guān)系，來確定堵漏液中懸浮增黏劑的合適加量。配制加入不同量的PLUS 的堵漏液（清水+懸浮增黏劑PLUS+4 %QWY），放置24 h 后，并觀察其懸浮性能。結(jié)果顯示，當(dāng)PLUS 的加量較少時，很難懸浮住大量的QWY 顆粒，造成QWY 顆粒的大量沉降，隨著PLUS 加量的不斷增加至0.5 %時，基本可以使QWY 在堵漏液中懸浮穩(wěn)定，所以推薦加量為0.5 %。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

針對上述研究結(jié)果，在CLH-07V 和CLY-67 等井進(jìn)行了應(yīng)用。通過提速鉆井液技術(shù)與鉆頭選型等其他技術(shù)的配套使用，最終提速項目成果應(yīng)用前鉆井周期平均為37.71 d，經(jīng)過提速后，現(xiàn)在的平均鉆井周期縮短到了19.34 d，縮短比例48.7 %。

5 結(jié)論

（1）晉城沁水盆地地層相對較老，主要目的層3#煤層發(fā)育在山西組。已鉆井復(fù)雜情況表明，該地區(qū)地層普遍存在漏失現(xiàn)象，而且集中于煤層上部，機(jī)械鉆速低。

（2）巖樣性能測試結(jié)果表明，泥巖膨脹性較弱，回收率較高，黏土礦物以低膨脹性伊/蒙混層和伊利石為主，蒙皂石混層比較低，總體上比較致密。

（3）煤層氣提速鉆井液組成為絮凝劑、滲透劑、防泥包劑和抑制劑，優(yōu)選出絮凝劑聚丙烯酰胺PLUS 和聚鋁PAC，滲透劑和防泥包劑JFC，抑制劑氯化鉀。這些處理劑之間配伍性良好。

（4）設(shè)計兩套鉆井液均具有較強(qiáng)的抑制性和防泥包特性，但在濾液滲透性和高剪切速率黏度上，2#鉆井液更具有優(yōu)勢，而這些性能對提高機(jī)械鉆速至關(guān)重要。因此，推薦煤層氣提速鉆井液配方為：配漿水+0.01 %PAC+0.5 %JFC+2 %～3 %KCl。

（5）針對沁水盆地滲透性漏失，可以采用0.5%PLUS+3 %～5 %QWY 來進(jìn)行堵漏，其中PLUS 為增黏懸浮劑，QWY 為多種粒徑復(fù)合的碳酸鈣。