準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣鉆井液技術(shù)研究

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(1. 中石油煤層氣工程技術(shù)研究院，陜西西安 710082；2. 新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆烏魯木齊 830009；3. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100)

準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣賦存地層不僅具有大傾角、多煤層、大厚度等特點(diǎn)，而且煤巖中的黏土礦物、二氧化硅和有機(jī)質(zhì)，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，遇水會(huì)產(chǎn)生膨脹，造成井壁不穩(wěn)。因此，目前現(xiàn)場(chǎng)主要采用的鉆井液體系(w)為“1%~2%膨潤(rùn)土+0.8%~0.9% KYZ+2.2%~2.3% SS-3”，該鉆井液體系密度處于1.08~2.0 g/cm3的安全鉆井液密度窗口內(nèi)，能滿足該區(qū)塊鉆井要求，能保護(hù)井壁穩(wěn)定，減少煤層污染。但該地區(qū)煤巖對(duì)酸敏感，易于溶解運(yùn)移，造成儲(chǔ)層傷害，對(duì)鉆井過(guò)程中所使用的鉆井液體系提出了較高的要求，在實(shí)際鉆井施工中，應(yīng)選擇配伍性較好的高效低傷害鉆井液體系[1]。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)情況的簡(jiǎn)要分析，明確了在該區(qū)域煤儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定及儲(chǔ)層保護(hù)中存在的難點(diǎn)及鉆井液技術(shù)對(duì)策，有針對(duì)性地研究了一種無(wú)固相低傷害強(qiáng)抑制水基鉆井液體系(HP)，并在該地區(qū)北8-向1井和北8-向2井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用效果表明HP體系穩(wěn)定井壁、保護(hù)儲(chǔ)層和提速效果良好，能夠有力地助推烏魯木齊礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)安全高效開(kāi)發(fā)。

1 煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn)及鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)鉆遇地層為第四系(Q)和侏羅系(J)，由自上而下的地層層序?yàn)榈谒南?Q4)、中統(tǒng)西山窖組上段(J2x3)、中統(tǒng)西山窖組中段(J2x2)及中統(tǒng)西山窯組下段(J2x1)。目的煤層為西山窯組煤層，其中主力煤儲(chǔ)層為八道灣43#煤層，43#煤儲(chǔ)層主要為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層，全層厚42~94 m，平均59 m，巖性多為炭質(zhì)泥巖-粉砂巖[2]。

1.1 井壁穩(wěn)定問(wèn)題

根據(jù)已鉆井地質(zhì)資料，地層在500 m左右存在F2斷層。由于F2斷層傾角和地層傾角相近，且均系高角度，地層有時(shí)倒轉(zhuǎn)致使F2斷層對(duì)45號(hào)及43號(hào)煤層破壞極大，煤層重復(fù)、缺失的現(xiàn)象時(shí)一有發(fā)生。因此，準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤儲(chǔ)層存在煤泥巖互層、傾角大等特點(diǎn)。煤泥巖互層中多以蓋層存在的泥頁(yè)巖極易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，因?yàn)殂@井液濾液侵入泥頁(yè)巖后易引起局部水化，使井壁巖石水化膨脹或分散，導(dǎo)致井徑縮小或因剝落掉塊而擴(kuò)大[3]。而且煤層楊氏模量大、地應(yīng)力小、破裂壓力小、割理和微裂縫發(fā)育，使得其堅(jiān)硬、性脆、易破碎。這在煤層氣鉆進(jìn)過(guò)程中極易引起井下垮塌、卡鉆等復(fù)雜的事故，而較大的地層傾角會(huì)加劇上述事故的發(fā)生[4]。前期鉆井液為保護(hù)煤層要求使用低密度聚合物鉆井液體系，實(shí)際施工過(guò)程中在煤層段發(fā)生了井壁垮塌，測(cè)井之前進(jìn)行多次通井，同時(shí)在通井過(guò)程中造成井徑擴(kuò)大率過(guò)大，使固井水泥環(huán)變大，影響后期射孔和壓裂作業(yè)。

同時(shí)準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)內(nèi)主力煤層厚度大，煤巖體的割理和微裂縫發(fā)育，煤儲(chǔ)層井壁失穩(wěn)原因一方面是入井流體沿割理或微裂縫侵入煤巖體后引起局的黏土礦物水化，消弱了顆粒間聯(lián)接力，另一方面是煤巖體性脆、易破碎，鉆具碰撞引起井下垮塌[5]。

1.2 儲(chǔ)層傷害問(wèn)題

基于準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤儲(chǔ)層發(fā)育類型及特征分析，該類煤層孔隙、裂縫發(fā)育，鉆井液固相和濾液在鉆進(jìn)時(shí)侵入煤儲(chǔ)層，固相顆粒在正壓差的作用下進(jìn)入儲(chǔ)層裂隙和孔隙喉道，堵塞煤層氣流動(dòng)通道，嚴(yán)重影響近井壁地帶的滲透性。鉆井液中固相對(duì)煤巖儲(chǔ)層的損害取決于鉆井液中固相顆粒的性質(zhì)、形狀以及粒徑。固相顆粒的粒徑越小，侵入煤巖儲(chǔ)層的深度越大，對(duì)煤巖儲(chǔ)層的滲透率損害就越嚴(yán)重；同時(shí)，固相含量越高，對(duì)煤巖儲(chǔ)層的損害也就越大[6]。鉆井液濾液會(huì)侵入煤層，使儲(chǔ)層發(fā)生水鎖、潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生化學(xué)沉淀和結(jié)垢。雖然煤層滲透性較差，但此類侵入不可避免。當(dāng)鉆井液濾液與煤層流體不配伍時(shí)，極易產(chǎn)生沉淀物，堵塞煤層孔喉，導(dǎo)致滲透性降低。煤巖中含有大量的無(wú)機(jī)質(zhì)及有機(jī)質(zhì)，當(dāng)鉆井液濾液侵入煤層后，也會(huì)與煤層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致煤層的滲透能力下降，并弱化煤巖力學(xué)性質(zhì)。

2 鉆井液技術(shù)對(duì)策

2.1 鉆井液技術(shù)對(duì)策分析

針對(duì)準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣井鉆遇泥巖混層段較長(zhǎng)，易膨脹縮徑，以及43#煤層段垮塌、井壁失穩(wěn)問(wèn)題，依據(jù)“多元協(xié)同”防塌原理，從加強(qiáng)包被抑制、封堵，有效應(yīng)力支撐等多角度制定防塌鉆井液對(duì)策，優(yōu)選高效包被抑制劑，封堵防塌劑，控制鉆井液密度，形成強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵高效水基鉆井液體系。

基于準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤儲(chǔ)層發(fā)育類型及特征分析得出，鉆井中的固液侵入傷害為導(dǎo)致煤儲(chǔ)層傷害的關(guān)鍵因素，因此可采用以下措施來(lái)降低固液傷害：①采用低固相或無(wú)固相鉆井液；②采用屏蔽暫堵技術(shù)；③加強(qiáng)固相控制技術(shù)。

2.2 無(wú)固相低傷害強(qiáng)抑制水基鉆井液(HP)體系及性能

2.2.1 無(wú)固相低傷害強(qiáng)抑制水基鉆井液體系組成

根據(jù)準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，優(yōu)化形成了適用于在煤儲(chǔ)層的鉆井的性能穩(wěn)定，抗溫能力強(qiáng)(＞130 ℃)，密度調(diào)節(jié)范圍大的無(wú)固相低傷害強(qiáng)抑制水基鉆井液體系(HP)，系配方組成(w)為：清水+0.1% NaOH+0.4%包被抑制劑HPHIB+0.5%流行調(diào)節(jié)劑HP-VIS+0.5%降濾失劑LVCMC+4%暫堵劑HP-ZDJ+3% KCl+0.5%潤(rùn)滑劑[7]。

體系中各單劑的作用如下[8]：流行調(diào)節(jié)劑HPVIS用于提高體系在斜井段的攜巖能力；包被抑制劑 HP-HIB用于提高體系在含泥段的抑制防塌能力；降濾失劑LV-CMC和暫堵劑HP-ZDJ用于提高體系濾失造壁能力，降低由于鉆井液濾液侵入導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)難題；高效環(huán)保潤(rùn)滑劑用于提高體系在斜井段的潤(rùn)滑防卡性能。該體系在130 ℃下16 h熱滾前后流變性變化較小、濾失量較低，體系抗溫能力達(dá)130 ℃，體系基本性能見(jiàn)表1。

表1 HP體系基本性能

2.2.2 無(wú)固相低傷害強(qiáng)抑制水基鉆井液體系性能

2.2.2.1 抗劣土污染性能

為了解HP體系老化及劣土對(duì)性能的影響，采用美國(guó)賽默飛HAAKE MARS旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)其抗劣土性能進(jìn)行了測(cè)試分析，并與現(xiàn)場(chǎng)用鉆井液體系進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鉆井液體系抗劣土性能

由表2可見(jiàn)：當(dāng)劣土加量(w)達(dá)20%時(shí)，HP體系的API濾失量顯著降低，黏度和切力增加明顯，但相比較于低固相聚合物體系而言，HP體系仍具有較好的流變性能和較好的抗劣土侵能力，但仍建議現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)固相控制。

2.2.2.2 潤(rùn)滑性能

采用山東美科儀器的EP-2型極壓潤(rùn)滑儀測(cè)試各種鉆井液體系的潤(rùn)滑系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鉆井液體系潤(rùn)滑性能

由表3可見(jiàn)：相對(duì)于低固相聚合物體系，HP體系本身潤(rùn)滑性較好，潤(rùn)滑系數(shù)低，加入(w)20%劣土后，潤(rùn)滑性能優(yōu)于目前使用的鉆井液，表明HP體系潤(rùn)滑穩(wěn)定性能較好。

2.2.2.3 抑制性能

分別選用西山窖組下段2~5 mm泥頁(yè)巖，通過(guò)泥頁(yè)巖分散試驗(yàn)評(píng)價(jià)HP體系的抑制水化分散性能，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鉆井液體系抑制水化分散性能

由表4可見(jiàn)：HP體系的巖屑回收率高于低固相聚合物體系回收率，表明HP體系具有較強(qiáng)的抑制泥頁(yè)巖水化分散能力。

采用二級(jí)膨潤(rùn)土，通過(guò)頁(yè)巖膨脹試驗(yàn)評(píng)價(jià)HP體系的抑制水化膨脹性能，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)：與去離子水和低固相聚合物體系相比，二級(jí)膨潤(rùn)土在HP體系中的膨脹率僅為5.83%，可見(jiàn)HP體系具有優(yōu)良的抑制黏土水化膨脹的能力。

圖1 鉆井液體系抑制黏土膨脹性能對(duì)比

2.2.2.4 儲(chǔ)層保護(hù)性能

采用西山窯組煤層巖心，通過(guò)巖心流動(dòng)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)HP體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果。污染試驗(yàn)條件為：圍壓3.0 MPa，流速2 mL/min，驅(qū)替液為54 g/L鹽水，污染壓力2.5 MPa[9]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 HP體系儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

由表5可見(jiàn)：煤層巖心經(jīng)HP體系污染后，滲透率回復(fù)率高達(dá)87.17%；切去0.8 cm后，其滲透率恢復(fù)率可達(dá)90.72%，表明HP體系對(duì)煤儲(chǔ)層的損害程度較低，具有優(yōu)良的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

北8-向1井、北8-向2井是位于新疆烏魯木齊市烏東礦后的叢式井組中的2口臺(tái)式定向井，北8-向1井設(shè)計(jì)井深810 m，完鉆井深792 m；北8-向2井設(shè)計(jì)井深735 m，完鉆井深710 m。鉆探目的是完成地質(zhì)目的，獲取43#煤層氣產(chǎn)能。

針對(duì)北8-向1井、北8-向2井的地層特點(diǎn)和井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層傷害等技術(shù)難點(diǎn)，在二開(kāi)前把坂土漿轉(zhuǎn)化為無(wú)固相低傷害強(qiáng)抑制水基鉆井液(HP)體系，通過(guò)使用流行調(diào)節(jié)劑HP-VIS提高體系在斜井段的攜巖能力，通過(guò)使用包被抑制劑 HP-HIB提高體系在含泥段的抑制防塌能力，通過(guò)降濾失劑LV-CMC提高體系濾失造壁能力，降低由于鉆井液濾液侵入導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)難題，并通過(guò)使用高效環(huán)保潤(rùn)滑劑提高體系在斜井段、水平段的潤(rùn)滑防卡性能[10]。在北8-向1井和北8-向2井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，HP體系具有良好的抑制、防塌、攜巖和儲(chǔ)層保護(hù)效果，且能提高機(jī)械鉆速，確保了北8-向1井和北8-向2井在斜井段的安全、順利施工[11]。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能

北8-向1井和北8-向2井二開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)用HP體系性能如表6和表7所示。

由 表6和 表7可 見(jiàn)：北8-向1井 漿 在365~792 m井段，鉆井液性能較穩(wěn)定。從流變性來(lái)看，能滿足現(xiàn)場(chǎng)斜井段攜巖需要；相比較于北8-向1井漿，北8-向2井漿密度、黏度控制的更低，也能滿足現(xiàn)場(chǎng)斜井段攜巖需要。現(xiàn)場(chǎng)井漿API濾失量均小于5 mL，具有良好的濾失造壁性能[12]。

表6 現(xiàn)場(chǎng)北8-向1井漿性能變化

表7 現(xiàn)場(chǎng)北8-向2井漿性能變化

3.2 儲(chǔ)層保護(hù)效果

對(duì)使用HP體系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的北8-向1井、北8-向2井的錄井氣測(cè)值進(jìn)行跟蹤分析，進(jìn)而分析HP體系對(duì)西山窯組煤層的保護(hù)效果[13]。北8-向1井、北8-向2井和北8-向3井的錄井氣測(cè)值見(jiàn)圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2口井與鄰井氣測(cè)對(duì)比

由圖2可見(jiàn)：北8-向1井和北8-向2井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，北8-向1井400~792 m井段平均氣測(cè)值為9.149 mg/L，最大氣測(cè)值為33.850 7 mg/L；北8-向2井460~710 m井段平均氣測(cè)值為7.201 4 mg/L，最大氣測(cè)值為50.103 5 mg/L；鄰井北8-向3井460~766 m井段平均氣測(cè)值為6.291 6 mg/L，最大氣測(cè)值為39.448 1 mg/L。由此可見(jiàn)，HP體系對(duì)準(zhǔn)南煤田煤層具有良好的煤層保護(hù)效果[14]。

3.3 井壁穩(wěn)定效果

準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)西山窯組下部地層有較高含量的泥巖混層段，膨脹縮徑乃至垮塌，導(dǎo)致井眼失穩(wěn)[15]。對(duì)使用無(wú)固相鉆井液HP體系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的北8-向1井和北8-向2井的井徑及井徑擴(kuò)大率進(jìn)行分析，進(jìn)而分析無(wú)固相鉆井液HP體系的井壁穩(wěn)定效果，上述3口井的井徑測(cè)定值如圖3所示。

由圖3并通過(guò)計(jì)算可見(jiàn)：北8-向1井全井段56.48~791.00 m的井徑擴(kuò)大率為6.50%，煤層段95.60~786.30 m井徑擴(kuò)大率為8.64%；北8-向2井測(cè)量井段內(nèi)井徑較規(guī)則，全井段10~705.00 m的井徑擴(kuò)大率為6.25%，部分井段略有擴(kuò)徑或縮徑現(xiàn)象，目的煤層段井徑較好，略有縮徑現(xiàn)象，煤層段井徑擴(kuò)大率6.38%；而臨井(北8-向3井)煤層段(250.8~732.8 m)井徑擴(kuò)大率為9.63%。因此在該區(qū)域，最終形成的無(wú)固相強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵高效水基鉆井液體系在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了較好的效果[16]。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用井與鄰井徑徑對(duì)比

3.4 提高機(jī)械鉆速效果

對(duì)使用無(wú)固相鉆井液HP體系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的北8-向1井、北8-向2井的鉆時(shí)進(jìn)行跟蹤分析，進(jìn)而分析無(wú)固相鉆井液HP體系提高機(jī)械鉆速效果。各井的鉆時(shí)曲線見(jiàn)圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用井與臨井鉆時(shí)對(duì)比

由圖4可見(jiàn)：北8-向1井(井段371~789 m)平均鉆時(shí)為2.65 h/m，北8-向2井(井段406~710 m)平均鉆時(shí)為1.95 h/m，而臨井北8-向3井(井段273~766 m)平均鉆時(shí)為2.55 h/m，東7-L2井(井段755~1 185 m)平均鉆時(shí)為2.24 h/m，而臨井北8-向3井(井段273~766 m)平均鉆時(shí)為2.55 h/m。由此可見(jiàn)，無(wú)固相鉆井液HP體系具有一定的提高機(jī)械鉆速作用[17]。

4 結(jié)論

1)準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤儲(chǔ)層存在煤泥巖互層、傾角大等特點(diǎn)，極易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；煤儲(chǔ)層孔隙、裂縫發(fā)育，存在較嚴(yán)重的鉆井液固液潛在傷害。

2)針對(duì)準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤儲(chǔ)層鉆井難點(diǎn)，研制了1套無(wú)固相低傷害強(qiáng)抑制水基鉆井液(HP)體系，該鉆井液體系具有抗溫能力強(qiáng)、密度范圍可調(diào)、濾失量低、流變參數(shù)合理、較強(qiáng)的抑制防塌能力和潤(rùn)滑防卡能力，是準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤儲(chǔ)層理想的鉆井液體系。

3)在北8-向1井和北8-向2井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，HP體系具有良好的抑制、防塌、攜巖和儲(chǔ)層保護(hù)效果，且能提高機(jī)械鉆速，確保了北8-向1井和北8-向2井在斜井段的安全、順利施工。