煤巖儲層鉆開流體依據研究應用內容分類提高選擇效率

引用格式：陳緣博，鄭力會，苗海龍，壽樂鵬，王超群，郭秦. 煤巖儲層鉆開流體依據研究應用內容分類提高選擇效率［J］. 石油鉆采工藝，2024，46（3）：267-279.

摘要：由于缺乏系統介紹煤巖天然氣儲層鉆開流體的文獻，許多煤層氣開發者選擇鉆開流體時往往遺漏合適的流體，導致研究和應用時選擇的結果針對性不強，效果不理想。以煤巖儲層鉆開流體的研究歷程為主線，以現場需求為依據，在國際范圍內的100 多篇文獻中篩選出直接相關文獻49 篇，按報道內容分為研究型和應用型兩類鉆開流體。只有室內研究沒有現場應用的文獻31 篇，有現場應用案例的文獻18 篇。再將煤巖鉆開流體研究型、應用型的文獻按照報道的內容進一步分為控制井下難題事故的鉆開流體、控制儲層傷害的鉆開流體以及控制井下難題事故并能控制儲層傷害的鉆開流體等三種，文獻分別有17 篇、15 篇和17 篇。三種流體研究型文獻分別有12 篇、10 篇和9 篇，應用型文獻分別有5 篇、5 篇和8 篇。煤巖儲層鉆開流體的重點是如何保證安全鉆進和控制儲層傷害。控制井下難題事故并能控制儲層傷害的鉆開流體文獻數量占34.7%（17/49），應用型文獻更是達到8 篇，更印證了安全作業和最大化資源開采是選擇鉆開流體的關鍵。結果表明，按研究內容分類的研究、應用兩大類以及再細分的三種，為煤層氣特別是深部煤層氣開發提供了理論研究方向和應用體系儲備。

關鍵詞：油氣資源；非常規油氣；煤層氣；工程技術；鉆井；鉆井流體；井壁穩定；儲層傷害

中圖分類號：TE254 文獻標識碼： A

0 引言

巖石是由多種礦物和非礦物組成的有穩定外形的固體。巖石種類很多，分類依據不同，名稱也不一樣。如果巖石中儲藏石油、天然氣、地熱或者其他資源則被稱為儲層。儲層再按巖性進一步分為砂巖儲層、碳酸鹽巖儲層、頁巖儲層和煤巖儲層等。根據儲層中資源類型還可以分為如頁巖油儲層、煤巖儲層等。當然，還有固體儲層如油砂、鹽礦等。所以，用于開采天然氣的煤層，為了與砂巖、頁巖等對等，稱為煤巖儲層，至于是不是真正意義上的巖石并不重要。煤巖儲層與其他巖石儲層相似，但在資源賦存形式、工程作業方面有其自身的特點。煤巖儲層中的天然氣資源主要是甲烷，大多為吸附氣，少量為游離氣，還有一部分為水溶氣。相比之下，砂巖、碳酸鹽巖中的天然氣主要處于游離狀態。

煤的巖性、結構與砂巖也有很大的區別。煤儲層由有機質和無機質組成，有機質為主，還有礦物、黏土等［1］。黏土主要以高嶺石為主，還有綠泥石、蒙脫石和伊利石等。結構上，煤巖有基質孔隙和裂隙孔隙。基質滲透率通常小于1×10?3 μm2，多數情況下低于砂巖儲層的滲透率。當然，作為破碎性儲層，其滲流特征和力學特征，表現出明顯的非均質性，鉆井過程中出現復雜的井下情況或者工程事故，影響正常鉆進，稱為難題事故。同樣，由于煤巖非均質，儲層傷害類型多，傷害程度差異大［2］。

從世界范圍內看，煤巖儲層鉆進過程中坍塌居多［3］，主要是因為煤層的天然流動通道不連通，打開儲層后，煤層氣解吸會造成煤層膨脹，井壁掉塊。但是，割理、層理不連通，一般不會漏失。相反，非儲層井段報道漏失較多，漏失程度因地區而異，同一地區不同深度也不相同。如，中國韓城地區煤層以上有多個典型的鄂爾多斯盆地非儲層漏失層位，發表的相關文獻也很多［4］。再如，鶴崗峻德礦區和興安礦區鉆穿侏羅系上統上部300 m 厚的南嶺礫巖構造裂隙發育的破碎嚴重帶，漏失嚴重［5］，同樣是煤層氣開采井的非儲層。但是，煤巖儲層坍塌，可能會誘發上部地層的泥頁巖無支撐坍塌，此時提高密度可能會連通煤層流體流動通道，導致漏失。煤巖儲層鉆井所用的流體是針對儲層設計的鉆井流體，與非儲層不同的是不僅要完成工程目的，還要完成發現和保護儲層的地質目的。因此，稱之為煤巖儲層鉆進流體或鉆開流體。

煤巖儲層的坍塌和漏失不僅影響工程進度，還會造成后續開采困難，因此無論研究和應用都倍受關注。

有些文獻報道了控制煤巖儲層坍塌的鉆開流體，也有報道了控制漏失的鉆開流體，還有通過室內實驗、現場分析和文獻分析，報道儲層傷害控制的鉆開流體文獻。

這些文獻總體上看，有的沿用以鉆井流體的組分為依據，提出適用于煤層氣儲層的水基、油基和氣基鉆井流體，但因其太寬泛，針對實際科研、應用選擇研究方向和選擇解決現場難題的操作性不強；有的文獻研究視角太狹窄，沒有系統整理造成無法通過一篇文獻獲得更多信息。如針對壓差大造成儲層傷害提出泡沫鉆井流體，針對煤巖易坍塌提出強抑制鉆井流體，室內測試表明鹽敏引起儲層傷害提出清水鉆井流體、水敏提出油基鉆井流體等，只是關注了儲層鉆開液的一種性能而已，無法證明是不是合適解決煤巖儲層在實踐中遇到的難題。

部分文獻介紹煤層氣鉆開流體的現場應用案例，覆蓋了全球范圍內的應用實踐，但因忽視了煤巖儲層的多樣性而只能作為技術了解和開闊視野。由于不同地區的地質條件和儲層特性存在顯著差異，這些案例不能直接應用于其他地區。清水鉆開流體就是典型的實例，世界上很多地區用清水鉆成煤層氣排采井，但在實際操作中，現場井下坍塌、漏失難題很難克服。主要是，文獻中沒有明確清水鉆井的地層適用條件。

目前，需要系統介紹煤巖儲層鉆開流體研究和應用的文獻，特別是針對煤巖力學性質、儲滲空間等，不同于其他巖性儲層的鉆開液的較為完整的文獻。主要是因為總結、提煉難度太大，需要大量的文獻梳理工作，定性分析需要認識深度，定量分析手段不多，影響了研究方向和技術應用選擇的準確性，特別是深層煤層氣開發作為天然氣勘探開發的新領域更需要既宏觀又具體的文獻綜述。

為了幫助煤巖儲層鉆井選擇適合的研究方向和應用技術，使用知網、谷粉學術以及專利等文獻數據庫，調研了國內外煤巖研究應用的鉆開流體文獻100 多篇，篩選出與鉆開流體相關性較高的49 篇，沒有投入現場應用文獻作為研究類文獻，有應用案例的列入應用類文獻。再進一步按照時間順序，整理分類儲層鉆開流體為控制難題事故鉆開流體、控制儲層傷害鉆開流體和既能控制難題事故又能控制儲層傷害鉆開流體，既滿足應用者選擇鉆開流體為工程服務，又為研究者選擇鉆開流體研究方向提供了基礎信息。

1 方法過程

整理依據內容分類的煤巖儲層鉆開流體研究和應用的兩大類49 篇文獻發現，研究類31 篇，應用類18 篇。再進一步根據文獻內容細分控制井下難題事故、控制儲層傷害和控制井下難題事故及儲層傷害的三種文獻，研究類文獻分別有12、10 和9 篇，應用類文獻分別有5、5 和8 篇。

1.1 按研究分類

煤層要開發并實現安全、環保和資源目標，而且要在較短時間內實現產量指標，多數情況下研究完再應用，時間上無法完成，只能不斷在現場試用尋找合適技術。現場常常為清水、有或者無固相聚合物各執一詞，引發了不少理論爭鳴。這些基礎理論或者室內研究在一定程度上支撐了煤巖儲層鉆開流體的應用。但是，就像文獻中有些學者所說，多數研究應用人員是將其他儲層的理論、方法甚至是工藝移植而來，并沒有形成合適的理論。但是，現場確實已經摸索出具備防塌、防漏等防治井下事故難題的鉆開流體、預防事故難題并控制儲層傷害的鉆開流體。通過綜述呈現給讀者，供選擇儲層鉆開流體參考，期望能幫助煤層鉆開流體的應用，并促進新煤巖儲層鉆開流體的開發。

1.1.1 控制井下難題事故的鉆開流體

用于煤巖儲層控制井下事故和難題的鉆開流體，主要是指以解決井塌、井漏等問題的儲層鉆開流體。此類鉆開流體現場很多，能解決當地工程難題。但文獻所提供的則是創新性強，解決井壁穩定難題的鉆開流體。由于方方面面的原因，市場流行的體系未必是最好的體系，但可能是多因素條件下最合適的鉆開流體。從收集到的文獻看，目前沒有應用案例的控制井下難題事故的研究類文獻，占據31 篇中的12 篇。

2005 年，張振華在分析地質特點的基礎上，認為煤巖儲層需要防塌、防漏和控制儲層傷害，推薦使用無膨潤土聚合物鉆開流體［6］。Palmer 等在2005年和2008 年兩次發文認為，煤層井壁穩定依賴于地應力、煤巖強度和煤井眼軌跡，所以盡管水平井是煤巖儲層的首選，但是煤巖儲層不同盆地滲透率不同、埋藏深度不同、產氣速度不同、排采產物不同、儲層傷害類型不同、排采過程滲透率變化也不同，隱藏在整個生命周期的井壁失穩，從鉆完井開始就已存在。鉆開流體密度高可能造成地層破裂，密度低可能引發井壁坍塌［7］。

2014 年，岳前升等測試沁水盆地煤層氣現場煤心，發現水相沿割理侵入煤層后引起黏土礦物水化膨脹，整個煤層強度降低造成井壁失穩。因此，提出提高鉆開流體黏度或成膜能力，通過延緩或阻止水相侵入控制水平井井壁失穩［8］。

2015 年，武星星認為井壁失穩限制煤層氣規模開發，遂從煤層結構和特性入手分析，認為2015 年以前研究煤巖井壁穩定的方法有煤巖機械力學、化學特性等7 種，但國內外使用的煤層鉆開流體，很多借鑒泥頁巖地層穩定井壁結論，不能很好地適應煤層，而且煤層井壁穩定機理目前仍不清楚［9］。

2016 年，宋詠弘解釋井壁失穩機理是煤巖儲層強吸附能力造成水敏、堿敏等現象，導致遇阻、遇卡等井下難題事故，結合國內外煤層氣開發現狀，建議不同地區使用不同的鉆開流體［10］。鄭力會等室內測試3 種煤層氣常用的鉆開流體并結合現場應用案例，指出煤層氣絨囊鉆開流體依靠粘接作用增強煤巖的強度及囊泡有效緩沖鉆具沖擊力，從而實現井壁穩定［11］。閆立飛等利用絨囊鉆開流體防塌、防漏堵漏性能，解決沁水盆地夾層發育、巖性變化快的煤層氣井漏失、坍塌和掉塊等難題［12］。

2017 年，鄭力會等室內研制一種煤層氣絨囊鉆開流體，以解決鉆井作業中煤層坍塌嚴重、鉆開流體漏失量大等問題［13］。

2018 年，李雄等用聚胺和多種封堵劑研制煤層防塌鉆開流體，室內評價認為適用于煤泥巖交互地層穩定井壁［14］。

2021 年，付燕等考慮到煤炭氣化時的狀態，經過分析及試驗提出粉煤層鉆井用廢礦物油作為基礎油的油基鉆開流體，攜巖能力強，機械鉆速更快，井壁有濾餅抗漏失能力增強。油基鉆開流體含水率較低不會誘發水化坍塌［15］。

2023 年，王京光等用高分散纖維堵漏劑，解決了旋轉導向鉆井用水基鉆開流體堵漏低效、易井下坍塌等難題［16］。

1.1.2 控制儲層傷害的鉆開流體

從收集到的文獻看，目前沒有應用案例的控制儲層傷害的鉆開流體的文獻，占據31 篇的10 篇。

控制儲層傷害的鉆開流體是指鉆井過程中不降低煤巖儲層解吸、擴散和滲流能力的儲層鉆開流體。煤巖儲層鉆進通常要求清水取心，但由于井壁穩定難題主要采用無黏土鉆開流體、強抑制鉆開流體或清水。也有人認為，清水或無黏土鉆開流體，由于抑制性能不足，巖屑或煤粉堵塞煤儲層裂縫、孔隙，降低煤層氣產能。

1995 年，賈軍等通過測試不同pH 值鉆開流體濾液對比煤層滲透性傷害程度，發現堿可能造成煤層滲透率降低，中性流體可有效控制煤層滲透率降低［17］。

1998 年，陳江峰通過調研與實驗，認為空氣作為循環介質可以減少煤層接觸固體顆粒和化學添加劑，鉆開流體液柱壓力小，所以建議使用空氣、霧化空氣或地層水近平衡鉆進，控制儲層傷害［18］。

2010 年，黃志強等分析了鉆開流體、鉆井壓力傷害煤巖儲層程度，針對煤儲層的應力敏感、機械強度低、微裂縫發育，推薦泡沫鉆井、氣體鉆井等控制煤巖儲層傷害［19］。汪偉英等通過實驗測試蒸餾水、煤層水和1% 氯化鉀鹽水溶液浸泡后煤樣結垢、膨脹現象發現，結垢量隨pH 值升高而增大。3 種水侵入量越大，煤儲層傷害越嚴重。因此，鉆開流體pH 值應近中性，進入煤層中的水盡量少，才能控制儲層傷害［20］。

2016 年，盧國軍等總結中國煤層氣控制儲層傷害鉆開流體發現，無固相鉆開流體和可降解鉆開流體可以控制煤巖儲層傷害［21］。Cai 等在普通泡沫中加入10～20 nm 的二氧化硅，泡沫體積增加50%，半衰期延長2 倍，研制出密度0.7～1.0 g/cm3 煤巖儲層傷害控制的鉆開流體［22］。

2017 年，鄭力會等通過舉例已有的鉆完井技術，建議采用生物酶解堵鉆開流體、鹽水鉆開流體、絨囊鉆開流體等控制煤巖儲層傷害、完井質量和鉆井成本［23］。

2020 年，李強等利用響應面法開發了親水性納米二氧化硅泡沫煤層氣鉆開流體，漏失量小，能有效抑制泥頁巖水化和膨脹，控制儲層傷害［24］。

2021 年，王相春等通過大數據思想研究煤層氣絨囊鉆開流體的性能參數、排采數據以及鄰井排采數據，表明絨囊鉆開流體對儲層傷害程度低，并提出了性能調整建議［25］。楊剛等利用流量法評價儲層傷害，認為煤層氣絨囊鉆開流體滿足煤巖儲層傷害控制和作業效果，建議展開煤系合采儲層傷害控制評價［26］。

1.1.3 控制井下難題并能控制儲層傷害的鉆開流體

從收集到的文獻看，目前沒有應用案例的控制井下難題并能控制儲層傷害的鉆開流體文獻，占據31 篇的9 篇。

控制井下難題并能控制儲層傷害鉆開流體是指能夠防治事故、難題的鉆開流體，且在鉆井完成后不傷害或者少傷害儲層的鉆開流體。

2003 年，孫建平提出優質鉆開流體應該具備合適的密度形成優質濾餅，擋住固相，提高井下安全，控制儲層傷害［27］。

2010 年，杜鶴等室內測試了多種防塌可降解屏蔽暫堵劑性能，優選出有效防止井壁坍塌、降低儲層傷害程度的煤層氣甲酸鹽鉆開流體［28］。

2011 年，蔡記華等開發了納米微泡沫鉆開流體封堵煤層［29］。同年，室內優選出穩定井壁、控制儲層傷害的松軟煤層水平井鉆進生物酶可降解鉆開流體［30］。

2014 年，閆立飛等實驗表明，針對不同地層需求，可以在空氣鉆井過程中利用地層水獲得絨囊鉆開流體，從而控制井壁失穩和儲層傷害［31］。

2015 年，劉彬等研究煤層氣U 型水平井表明，絨囊鉆開流體可以提高煤層氣鉆井效率和降低成本［32］。閆立飛等討論樊莊煤層氣井使用防塌鉆開流體案例后指出，絨囊流體有助于維持井眼穩定并減少儲層傷害，減少高應力和低滲透率導致井眼坍塌風險［33］。

2016 年，尹邦勇等針對煤巖儲層埋藏較淺、井身結構相對簡單、鉆井周期短等特點，建議使用泡沫、充填輕質材料、非滲透性、超低滲、無固相弱酸性和多功能的鉆開流體［34］。

2017 年，馮建秋等通過室內實驗表明，絨囊鉆開流體可以解決三交區塊地層壓力低，碎裂煤、碎粒煤發育，煤質疏松，易漏失、易坍塌及易儲層傷害等問題［35］。

2020 年，李志勇等合成高效雙子型起泡劑，以此構建煤層氣微泡沫鉆開流體，能維持煤層頂底板井壁穩定性，并易于脫附煤巖儲層表面，解除儲層傷害［36］。

1.2 按應用分類

不同的地區，需要使用不同的方法解決煤巖儲層的鉆井難點。但是，中國作為煤層氣開發技術尚未成熟的地區，常常以產氣量是否滿足管理者心理預期作為儲層是否傷害的標準，也經常用拿來主義的方法使用其他地區獲得高產的技術不加改進地應用，致使煤層氣如何控制儲層傷害和鉆完井高質量成井成為煤層氣兩大技術關鍵。因此，以現場應用目的為依據，結合時間順序將煤巖鉆開流體分為控制井下難題事故的鉆開流體、控制儲層傷害的鉆開流體以及控制井下難題事故并能控制儲層傷害的鉆開流體等三大類。

1.2.1 控制井下難題事故的鉆開流體

從收集到的文獻看，目前有應用案例的控制井下難題事故鉆開流體的文獻，占據18 篇的5 篇。

2010 年，郭本廣等提出煤層氣鉆井用淡水基微泡鉆開流體，解決了低壓易漏煤層鉆井難題［37］。

2016 年，鄭力會等確定絨囊鉆開流體注入量與井壁穩定關系，解決了馬壁區塊煤層氣鉆井中的漏失、井壁失穩和氣侵嚴重等成井難題［38］。第二年，鄭力會將絨囊鉆開流體應用于韓城兩口?178mm 套管完井水平井，解決了上漏下塌側鉆煤層氣井坍塌難題［39］。

2018 年，魏攀峰等針對煤層氣水平井及水平分支井不同層段漏失與坍塌控制需求，利用絨囊流體能夠大范圍封堵漏失通道的特點，暫堵和粘接增強煤層強度，完成5 井次應用［40］。

2019 年，付利等討論了渭北煤層氣老井改造難題，優選可循環微泡沫鉆開流體，控制上部地層漏失和煤層垮塌難題［41］。

2020 年，Wang 等針對軟煤層鉆孔塌孔嚴重，使用黃原膠、羧甲基纖維素鈉、纖維素酶和膨潤土，開發煤層氣抽采鉆孔鉆開流體，與傳統清水相比，鉆開流體有效鉆進距離增加2 倍［42］。

1.2.2 控制儲層傷害的鉆開流體

從收集到的文獻看，目前有應用案例的控制儲層傷害鉆開流體的文獻，占據18 篇的5 篇。

2001 年，邊繼祖等針對三交地區煤氣層上部地層使用低固相聚合物鉆開流體，下部煤氣層使用充氣鉆開流體的經驗，認為充氣鉆開流體無固相、低密度，提高鉆井速度，保證平衡鉆進，減少濾液和固相侵入儲層，控制煤巖儲層傷害［43］。

2012 年，Zheng 等開發了仿生絨囊煤層氣鉆開流體，無需額外設備即可制成，無固相低密度，密度為0.8～1.0 g/cm3。惰性固體或者可溶性鹽可調整到1.0 g/cm3 以上，匹配近平衡/欠平衡鉆井，控制煤巖儲層傷害［44］。左景欒等針對沁南煤層氣示范區研發的中空玻璃微球鉆開流體，密度0.95 g/cm3，用于防止鉆開流體傷害煤巖儲層［45］。

2019 年，Lyu 等開發的低密度可降解聚合物鉆開流體，滿足鉆井常規要求。酶降解鉆開流體中的聚合物，解決儲層傷害控制難題［46］。

2022 年，Yang 等提出利用液壓噴射鉆井、可控沖擊波和氮氣噴射鉆井，提高煤巖儲層單井產量，從120 m3/d 提高至600～700 m3/d［47］。

1.2.3 控制井下難題并能控制儲層傷害的鉆開流體

從收集到的文獻看，目前有應用案例的控制井下難題并能控制儲層傷害鉆開流體的文獻，占據18 篇的9 篇。

2006 年，Baltoiu 等報道北美煤層氣井采用超低滲透鉆開流體，完成150 m 水平井段鉆進，沒有出現漏失和井壁失穩。鉆開流體中的柔性材料通過靜電吸附儲層端面，封堵裂縫，控制儲層傷害。加拿大西部煤層氣水平井應用此鉆開流體，穩定井壁，控制儲層傷害［48］。

2010 年，鄭力會等研發煤層氣絨囊鉆開流體，密度為0.85 g/cm3。用不同目數煤屑填砂管測試表明，能夠封堵煤層，滲透率恢復值較高［49］。

2017 年，許朋琛等研制了清潔鉆開流體，煤層氣水平井、多分支水平井穩定井壁，快速破膠，控制儲層傷害，單井產氣量提高2 倍［50］。鄧均耀等針對鄂爾多斯盆地東緣煤層裂縫性漏失、井壁坍塌和機械鉆速低等難題，研制了保持井壁穩定且降低儲層傷害的絨囊鉆開流體［51］。

2019 年，劉立軍等在山西沁水盆地的研究表明，煤層氣水平井鉆開流體、井身結構、射孔和水力壓裂以及生產應用特征和經濟效益，相互之間都有關系。以此優化出可控水平井鉆井、分段改造、無桿泵排水采氣等方法，提高鉆井成功率和增產改造有效性［52］。朱智超等針對延川南煤巖黏土礦物少的特點，使用氯化鉀聚合物鉆開流體，解決了煤層氣田單井產氣量低、生產成本高和投資回收期長等問題［53］。

2021 年，張天翔等開發了無固相、低傷害、強抑制水基鉆開流體，應用于準南煤田烏魯木齊礦區煤儲層井壁穩定和儲層傷害控制［54］。李宗源等通過室內實驗和室外試驗，成功應用絨囊鉆開流體解決了煤巖儲層多分支清水鉆進事故頻發的問題，實現了井壁穩定，保障了安全快速鉆進，并避免了煤層深部儲層的傷害［55］。

2 現象結果討論

1983 年，中國國民經濟和社會發展“六五”計劃的關鍵時期，國家組織全國瓦斯資源調查。十多年后，1996 年，中聯煤層氣公司成立并取得國務院對外合作授權，煤層氣正式列為能源產業［56］。此后，煤層氣地面抽采高速發展。煤層氣鉆開流體作為成井的關鍵技術之一，相關研究開始出現。

以煤巖儲層鉆開流體文獻發表年份為橫坐標，發表的數量為縱坐標，49 篇文獻分布的年份表征中國煤層氣發展歷程，如圖1 所示。可以看出，煤巖鉆開流體文獻在2016 年發表最多，7 篇。

1991 年，中國公開發表了首篇關于煤巖儲層鉆開流體的文獻，且是介紹國外煤層氣鉆開流體的文獻，看來這段時間中國主要學習先進技術。1992—1994 年、1996—1997 年、1999—2002 年發表量為0。這是因為，中國煤層氣的發展與煤巖儲層鉆開流體的發展基本相同，沒有規模鉆探，沒有連續發表文獻。斷斷續續到2008 年后，連續出現文獻公開。

2008 年國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”開始實施，以及“十三五”期間深地探測、深海探測和深空對地觀測三大戰略促進了淺部煤層氣和深部煤層氣的發展。當然，主體天然氣經營者和地方政府提高支持強度，對煤層氣發展居功至偉。

從具體時間看，2005 年，煤層氣開發利用國家工程研究中心和煤礦瓦斯治理國家工程研究中心的成立，促進了2005 年、2006 年研究型文章各發表1 篇。

2008 年，中國石油成立煤層氣公司，進一步推動了全國煤層氣產業的發展。2009 年和2010 年相關煤巖鉆開流體研究型文章發表數量有所上升，從2008 年的1 篇上升至2009 年的2 篇、2010 年的3 篇。

2014 年，山西省立項的省級煤基低碳重大科技攻關計劃項目“煤層氣鉆井關鍵技術及裝備研發”，改變2012 年、2013 年兩年煤層氣回落狀態。從2013 年的1 篇開始上升，2014 年2 篇、2015 年3 篇；2016 年后，鄂爾多斯盆地深部（層） 煤層氣攻關研究試驗，開始了中國1 500 m 以深煤層氣勘探開發。2016 年和2017 年煤巖儲層鉆開流體的研究和應用達到高峰，發表論文分別達到7 篇和4 篇，共11 篇。

從文獻的數量看，1991 年第1 篇煤巖儲層鉆開流體研究型文章發表，到2001 年第1 篇煤巖儲層鉆開流體應用型文章發表，中間相隔十年，理論研究轉化為應用實踐時間長，特別是利用常規油氣鉆開流體完成的成井工作，當時應用者普遍認為煤層氣鉆開流體利用常規手段即可完成，由于沒有創新性工作，發表論文也較難。

2018 年以前的煤巖儲層鉆開流體文章發表以研究型為主，有41 篇，而應用型僅14 篇。長期持續的研究工作，促使煤巖儲層鉆開流體文獻公開從理論研究轉向實際應用。2018 年，煤巖儲層鉆開流體的研究型文章發表數量下降至每年1～2 篇，而應用型文章從2018 年開始每年都有發表。

文獻數量較其他領域少，似乎煤層氣鉆開流體的難點已經解決或者越來越少。但實際上，現場鉆井的難度有增無減。由于考慮鉆進難度，成井環節前后對井筒質量的要求越來越寬松，在一定程度上促進了成熟鉆開流體在煤巖儲層的應用。但是從數量上看，控制井下難題事故、控制儲層傷害、控制井下難題并能控制儲層傷害的文章分別是17、15 和17 篇，表明儲層鉆開流體所承擔的工作主要是井壁穩定和儲層傷害控制。因此，特別需要提高對研究與應用選擇的支持。

2.1 研究方向選擇的相關率討論

研究方向選擇相關率，是指相關性較強的文獻占搜索文獻的百分比。如果不分類，則發現研究類文章的概率是63.3%（31/49），細分后，尋找3 種研究類文獻概率，由原來的24.5%（12/49）、20.4%（10/49）和18.4%（9/49） 分別提高到100%（12/12、10/10、9/9），如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，經過分類后，研究型各類鉆開流體搜索相關性均變強。控制井下難題事故鉆開流體從24.5% 提升到100%，提升75.5 個百分點；控制儲層傷害鉆開流體從20.4% 提升到100%，提升79.6 個百分點；控制儲層傷害并能控制儲層傷害的多功能鉆開流體從18.4% 提升到100%，提高81.6 個百分點。為讀者搜索相關文獻提高效率，即分類沒有遺漏，提供了信息支持。

目前，勘探開發深部煤巖儲層的天然氣成為熱點，但其井壁穩定難度更大。為了給應用者提供解決煤巖儲層的井下難題、儲層傷害問題、井下難題并儲層傷害的鉆開流體可選擇的技術方向。將此3 類應用型文獻進一步分類，對照在不同年份的發表數量，如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，有記錄的應用型鉆開流體報道始于2001 年，只有1 篇文獻。相對于研究型鉆開流體而言，晚了十年。

解決煤巖儲層傷害問題的鉆開流體應用型文獻， 最早在2001 年就有發表， 2012 年發表2 篇，2019、2022 年各發表1 篇，整體呈先升后降的趨勢；井下難題事故控制的鉆開流體應用型文獻則在2016—2020 年間每年發表1 篇；解決井下難題并能控制儲層傷害的應用型文獻2006、2010 年分別發表1 篇，在2017、2019、2021 年分別上升至2 篇。

隨著煤巖儲層鉆開流體文獻從研究型轉向應用型，煤巖儲層的應用型文章也包含了解決不同問題的鉆開流體。為了探討現有煤巖鉆開流體種類哪一種占主流，供應用者選擇，對煤巖不同種類鉆開流體的占比歸類。從圖4 可看出，控制井下難題事故的鉆開流體、控制井下難題事故并能控制儲層傷害的鉆開流體均占比34.7%（17/49），而控制儲層傷害的鉆開流體文獻偏少，占比30.6%（15/49）。盡管控制井下難題事故并能控制儲層傷害的多功能鉆開流體是解決更深更復雜井開發難題的研究方向，但目前已發表的應用文獻數量仍占較少，未來仍有深入研究的空間。

2.2 應用體系選擇相關率討論

應用體系選擇相關率，是指相關性較強的文獻占搜索文獻的百分比。如果不分類，則發現應用類文章的概率是36.7%（18/49），細分后發現3 種應用類文獻概率，由原來的10.2%（5/49）、10.2%（5/49） 和16.3%（8/49） 分別提高到100%（5/5、5/5、8/8）， 如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，經過分類后，應用型各類鉆開流體搜索相關性均變強。控制井下難題事故鉆開流體從10.2% 提升到100%，提升幅度89.8 個百分點；控制儲層傷害鉆開流體從10.2% 提升到100%，提升幅度89.8 個百分點；控制儲層傷害并能控制儲層傷害鉆開流體從16.3% 提高到100%，提升幅度83.7 個百分點。為讀者搜索相關文獻提高效率，即分類沒有遺漏，提供了信息支持。

為了預測解決井下難題并能控制儲層傷害的煤巖儲層鉆開流體未來發展趨勢，先研究目前煤層氣鉆開流體20 年來的狀況。將解決井下難題與控制儲層傷害文獻的發表數量與發表年份關聯， 如圖6 所示。

從圖6 中可以看出，最早提出解決煤巖儲層井下難題并控制儲層傷害的鉆開流體的文章發表在2006 年，此時正是國務院推動全國煤層氣產業發展的第2 年。此后，相關文章在2010 年又發表1 篇，分別在2017 年、2019 年和2021 年發表2 篇。解決井下難題事故并能控制儲層傷害的應用型鉆開流體自2016 年以來越來越受重視。其中，2006 年起平均每4 年發表一篇相關文獻，但2016 年后平均每兩年發表2 篇相關文獻。預測下一個十年即2026 年起每年3～4 篇相關文獻，可能有助于推動深部煤層氣發展進入高潮。

結合圖1～圖6 綜合分析，解決井下難題事故的鉆開流體2016—2020 年以每年1 篇的數量發表，沒有進一步增長；而控制儲層傷害的鉆開流體整體呈先升后降的趨勢，主要是因為這么多作定者因為儲層改造就不需要儲層傷害控制。兩種鉆開流體共占比煤巖儲層鉆開流體文獻的65.3%，鉆開流體的應用以解決單一問題為主。近幾年，隨著煤巖儲層開發條件的進一步復雜化，能夠在防治事故難題的同時，在鉆井完成后不傷害或者少傷害的儲層鉆開流體仍需得到進一步重視。

黃中偉等也認為多功能鉆開流體是未來的發展方向，而且提出煤層氣絨囊鉆開流體是可選擇的技術之一［57］，高德利等研究結論也提及這一點。看來，無論從整個鉆進工程的角度還是從鉆完井液技術的角度，結論是相似的［58］。

為此，室內用掃描電鏡在不同的放大倍數下，觀察了神府地區8 號煤浸泡清水、絨囊流體等4 種鉆開流體后的微觀形態，獲得的結果也很好地證明了這一點。從圖7 中可以看出，絨囊鉆開流體與其他鉆開流體有諸多不同。粗略對比，干煤樣顆粒和絨囊鉆開流體浸泡的顆粒大小和形狀相似。清水和氯化鉀、聚磺鉆開流體浸泡過的煤巖樣品顆粒則較小。顆粒越大，表明浸泡流體的抑制性越好。

深部煤層物性、力學非均質性強，對鉆開流體、工藝參數等響應敏感且復雜，已有的井壁穩定模型指導工程技術手段很難提出準確的安全鉆井措施。鉆完井坍塌、漏失等井下難題出現頻率高，大幅度降低了地區探井、開發井完井速度，提高了單井作業成本，迫切需要攻關。

以煤巖、碳酸鹽巖等為代表的天然破碎性儲層在巖石組分、滲流能力和巖石力學參數等方面各向異性嚴重。

現有破碎性儲層巖石力學參數是通過室內實驗測量取樣巖心獲得的。但是，能夠取心的儲層都是非破碎性儲層，所以室內測得的巖心力學參數是非破碎性儲層的力學參數，而不能真正反映破碎性儲層力學特征。

煤巖破碎性儲層巖石力學特性，通常考慮流體的滲流作用下力學參數變化。實驗方法主要是用常規巖石力學實驗方法，結合流體作用的力學實驗，分析流體作用前后，巖石力學參數的變化。但此類按標準操作的方法，難以考慮破碎性儲層的各向異性特征及地質工程多因素作用。

目前儲層鉆開流體安全密度窗口，主要考慮巖石力學特性如彈性模量、剪切模量、泊松比等敏感性參數，建立儲層力學本構模型，評價井壁失穩。對于地質儲滲參數、地下流體參數、工程過程參數和工作流體參數考慮較少或者根本沒有考慮。

絨囊鉆開流體產生液柱壓力將絨囊流體中有粘接能力的聚合物和表面活性劑擠入縫隙、層理和割理。囊泡通過封堵使流動的流體靜止或者流動速度降低，粘接材料粘接破碎巖石形成整體，提高巖石黏聚力，煤巖強度增加，漏失壓力提高，坍塌壓力降低，破碎性煤巖既不塌也不漏［59］。

但是，由于深部煤層有夾層等地質特點，需要配套多層合采室內測試評價儀器。鄭力會等利用流量法研制出評價煤層氣及相近儲層封堵和儲層傷害程度的系統評價設備，解決了多層合采過程中單層無法評價傷害程度的難題［60］。同樣，煤巖儲層傷害類型評價也需要評價解吸傷害、擴散傷害和滲流一體化的設備。常啟帆等利用質量守恒定律研制出模擬開采過程中的吸附解吸擴散一體化測試鉆完井液的儲層傷害儀器，解決了煤層氣不能模擬開采過程評價儲層傷害的難題［61］。

3 結論

（1） 收集100 多篇文獻，以文獻內容為依據，結合時間順序將煤巖鉆開流體分為控制井下難題事故的鉆開流體、控制儲層傷害的鉆開流體及控制井下難題事故并能控制儲層傷害的鉆開流體等3 大類，提高了尋找研究方向和應用體系的效率。統計分析還指明煤層氣鉆開流體目前低迷的現狀原因及其發表的大致時間，為深部煤層氣發展以及理論研究和現場應用，提供未來研究方向和可選擇儲備技術。

（2） 由于文章發表是創新性文獻，一般不包括成熟的技術，所以利用統計法研究鉆開流體的現狀，研究的基礎信息有一定的偏差。這需要擴大文獻調研范圍，除公開發表的文章外，還要進一步收集現場的實際鉆井信息，進一步統計分析或許更能反映鉆開流體的研究應用現狀和未來發展方向。

致謝

感謝西安科技大學的陶秀娟博士在稿件初期帶領自己學生所做的前期文獻收集工作，提供煤巖儲層浸泡工作流體的微觀圖片。感謝北京力會瀾博能源技術有限公司的破碎性儲層研究中心提供絨囊流體的相關資料。