深埋藏煤巖氣水平井防塌防卡鉆井液提高鉆井效率

中圖分類號：TE256 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-7393（2025）-02-0150-11

摘要：為了解決鄂爾多斯盆地深部煤層鉆井過程中井壁失穩(wěn)、攜巖困難的難題，對可能鉆遇的巖性開展了巖石組分分析、CT掃描等實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤矸石中黏土礦物含量大于 28% ，主要由伊利石和蒙脫石組成；煤巖孔徑 96% 分布在 0.9～13.5nm ，表明煤塊具有介孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)煤巖特性，通過優(yōu)選封堵劑、抑制劑和流變參數(shù)，在原鹽水鉆井液基礎(chǔ)上形成了多效鉆井液體系，并進(jìn)行了封堵性、抑制性、流變性等綜合評價(jià)，鉆井液砂盤濾失量降低 2.6mL ，煤矸石滾動(dòng)回收率提高 12.70% 、三軸抗壓強(qiáng)度提高了 6.52% 。該鉆井液體系在現(xiàn)場進(jìn)行了2口井的應(yīng)用，煤巖井壁穩(wěn)定，起下鉆及下套管過程順利，施工井三開平均井徑擴(kuò)大率由 28.48% 降為 19.01% ，倒劃眼起鉆速度由 3.93mh 增至 9.41mh 。多效鉆井液體系解決了深層煤巖氣井坍塌與卡鉆難題，可為同類井施工提供借鑒。

Abstract：Toaddressthechallengs ofwellbre instalityanddiultesincktrasportduringdepcoalbeddrillngieOrdo Basin，experimentssuchasrock componentanalysisandCTscaning wereconductedonpotential lithologiesthatmightbe encountered. It was found that the clay mineral content in coal gangue was over 28% ，mainly composed of illite and montmorillonite. 96% of coal rock pores diameters ranged between 0.9 and 13.5nm ，indicating that the coal block has a mesoporous structure. Based ontheharacteristicsofcoalrock，amulti-functional drilingfluidsystemwasdeveloped byoptimizingthe pluggingagents， inhibitors，andrheologicalparametersonthebasisofteoriginalbriedrllingfluid.Comprehensiveevaluationsof pluging， inhibition，and rheology were carried out，and the sand lossofthe drilling fluid in the sand disc was reduced by 2.6mL ， the rolling recovery rate of coal gangue was increased by 12.70% ，and the triaxial compressive strength was increased by 6.52% . The drilling fluid system wasaplied in twowelson-site，confirmingstablecoal welbores，smooth tripping andcasingruns.Theaverage wellbore enlargement rate of the third section in the construction wels decreased from 28.48% to 19.01% ， and the reverse reaming tripping speed increased from 3.93mh to 9.41mh .The multi-functional drilling fluid system has solved the problems such as wellborecolapseand stickingindeepcoalbed methane wellsand providesasolutionforotherwellsfacingsimilarconstruction issues.

Key words：deepcoalbed methane; horizontalwell;wellbore instabilitymechanism; multi-efectdrillngfluid; Ordos basin

0 引言

“十四五”規(guī)劃實(shí)施以來，我國非常規(guī)天然氣資源開發(fā)取得顯著進(jìn)展，其中鄂爾多斯盆地深層煤層氣勘探開發(fā)實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破，已成為保障國家能源安全、提升天然氣產(chǎn)能的重要戰(zhàn)略接替區(qū)[i]。根據(jù)當(dāng)前勘探開發(fā)對鄂爾多斯、四川和準(zhǔn)噶爾等盆地的認(rèn)識，按煤巖埋藏深度分類，將埋深大于2000m以上的煤巖氣，稱為深層煤巖氣［2]。以鄂爾多斯盆地東南部納林區(qū)域?yàn)槔搮^(qū)塊位于陜西省榆林市榆陽區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗交界處，構(gòu)造屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，地理位置位于該盆地東南部，區(qū)內(nèi)地勢平坦，地形起伏較小，屬半沙漠半草地地貌，地面海拔 1120～1350m 。鉆探施工的深層8#煤（以下簡稱8#煤），主要是指上石炭統(tǒng)本溪組普遍發(fā)育的煤層，該煤層發(fā)育連續(xù)，氣測值高，資源豐富。發(fā)育特征以焦煤、瘦煤和貧煤為主，屬于中等煤變質(zhì)程度，整體上微裂縫較為發(fā)育，且互相連通，有利于氣體運(yùn)移[3]。煤層內(nèi)部的內(nèi)生裂隙，包括面裂隙和外部裂縫，均表現(xiàn)出較高的發(fā)育程度，其延伸長度普遍超越 4cm ，這些裂隙的表面特征以平直為主，間或呈現(xiàn)微彎曲形態(tài)。割理結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為矩形網(wǎng)狀排列，偶爾夾雜不規(guī)則割理，而外部裂縫的分布則呈現(xiàn)出樹枝狀或其他雜亂無章的構(gòu)造，顯示出裂隙系統(tǒng)的復(fù)雜性［4]。

鄂爾多斯盆地納林區(qū)塊本溪組8#煤層埋深3100～3200m ，屬于深層煤巖氣，煤層分布廣，煤層厚度為 2～7m ，主體厚度為 1～3m， ，平均為 4.5m ，且均質(zhì)性差，泥質(zhì)含量高［5]。為評價(jià)本區(qū)塊本溪組8#煤層煤灰型儲(chǔ)蓋組合含氣性，落實(shí)水平井產(chǎn)能特征及源內(nèi)非常規(guī)氣藏開發(fā)潛力，2022年率先實(shí)施了水平段為本溪組8#煤先導(dǎo)試驗(yàn)井納林1H井，并喜獲高產(chǎn)氣流［6]。2023年初在該區(qū)塊又部署了兩個(gè)井叢的三開結(jié)構(gòu)煤巖氣井水平井，進(jìn)行擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)，鉆井施工過程中井下復(fù)雜頻發(fā)，A井、B井、C井均發(fā)生煤巖坍塌，鉆具以及定向儀器被埋等井下復(fù)雜現(xiàn)象，導(dǎo)致井眼報(bào)廢或技術(shù)套管內(nèi)重新開窗側(cè)鉆，極大制約區(qū)塊提速。

為解決該類井施工過程中存在的技術(shù)難題，通過系統(tǒng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，梳理了現(xiàn)有研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。馮義等針對吐哈盆地深層煤層氣井巖性進(jìn)行分析，認(rèn)為煤層垮塌是煤層割理發(fā)育、伊蒙混層水化性強(qiáng)導(dǎo)致的，優(yōu)選了胺基鉆井液體系，該體系抑制性強(qiáng)，但缺少具體配方[7]；于文強(qiáng)等針對鄂爾多斯盆地煤層鉆井，形成了一套磺化鉆井液體系，在高溫環(huán)境下性能表現(xiàn)優(yōu)異，但未引入納米封堵材料，且配方中不含鹽，不能有效抑制伊蒙混層水化分散[8]；王在明等對鄂爾多斯東緣本溪組8#煤層進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了復(fù)合鹽水聚合物鉆井液，同時(shí)對煤巖特性與坍塌機(jī)理進(jìn)行了深入研究，但對鉆井液體系評價(jià)較少[9]；任海帆對鄂爾多斯盆地煤層氣開發(fā)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行研究，強(qiáng)調(diào)了鉆井液對井壁的穩(wěn)定作用，并對鉆井液技術(shù)發(fā)展與密度確定提出了方向，但對鉆井液防塌技術(shù)細(xì)節(jié)描述較少［10]；閻榮輝等針對鄂爾多斯盆地本溪組煤巖井壁坍塌與傷害技術(shù)難題，開展了煤巖的物性、理化、力學(xué)性能評價(jià)等研究，但對煤矸石攜帶和起鉆遇阻問題介紹較少，現(xiàn)場應(yīng)用與結(jié)果現(xiàn)象分析少［I]；鮮保安等重點(diǎn)介紹了煤層氣水平井完井技術(shù)3項(xiàng)研究成果，但該方案僅以沁水盆地為參照對象，對深層煤層氣鉆井及鉆井液方面關(guān)鍵問題提及較少，且應(yīng)用效果細(xì)節(jié)較少［12]。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管針對深層煤巖氣鉆井液防塌技術(shù)的研究已取得一定成果，但仍存在諸多不足，難以從根本上解決煤巖中煤矸石坍塌的問題。首先，現(xiàn)有鉆井液體系在抑制性和封堵性方面存在局限，例如胺基鉆井液雖抑制性強(qiáng)，但對微裂縫的封堵效果有限；磺化鉆井液在高溫高壓下表現(xiàn)穩(wěn)定，但對伊蒙混層水化分散的抑制能力不足。其次，復(fù)合鹽水聚合物鉆井液等體系論文，雖對煤巖坍塌機(jī)理進(jìn)行了深入研究，但缺乏系統(tǒng)性的性能評價(jià)，難以全面滿足復(fù)雜地層條件下的防塌需求。此外，現(xiàn)有研究對鉆井液配方的優(yōu)化和應(yīng)用細(xì)節(jié)描述較少，導(dǎo)致現(xiàn)場應(yīng)用效果不理想，例如，“抑制 + 封堵 + 潤滑”理論雖在理論上具有優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中未能有效解決煤矸石攜帶和起鉆遇阻問題。

深層煤巖氣鉆井液防塌技術(shù)是通過“封堵-抑制-攜砂”多維度協(xié)同優(yōu)化解決煤巖坍塌難題。針對納林區(qū)塊因煤巖易失穩(wěn)引發(fā)井下復(fù)雜的現(xiàn)狀，從煤巖物理化學(xué)特性出發(fā)開展技術(shù)攻關(guān)：通過構(gòu)建“納米-微米”多級封堵體系匹配煤巖孔隙與裂縫，形成階梯式封堵網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)鉆井液物理封堵能力；采用有機(jī)鹽與無機(jī)鹽復(fù)配降低鉆井液濾液活度，協(xié)同提升對伊蒙混層等黏土礦物的抑制能力；優(yōu)化塑性黏度與動(dòng)切力參數(shù)，改善鉆井液流變性，強(qiáng)化攜巖能力，提高井筒清潔度。遵循“特性分析-配方設(shè)計(jì)-性能評價(jià)”的邏輯框架，首先基于煤巖組分、黏土礦物及孔喉結(jié)構(gòu)特征等設(shè)計(jì)多效鉆井液體系，從提高封堵性減少濾液侵入、增強(qiáng)抑制性減少煤巖水化膨脹以及提升流變性保障攜巖效率著手，并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明多效鉆井液解決了該區(qū)塊煤巖坍塌難題，為深層煤巖氣安全鉆井提供技術(shù)支撐。

1鉆井液技術(shù)難點(diǎn)及煤巖特性

根據(jù)鄂爾多斯盆地2023年A井的施工情況，施工煤巖氣水平井時(shí)水平段可能會(huì)鉆遇炭質(zhì)泥巖、煤層、夾矸，其在井壁失穩(wěn)方面各有特點(diǎn)：炭質(zhì)泥巖質(zhì)地堅(jiān)硬，微裂縫發(fā)育易造成掉塊；煤層微裂縫發(fā)育，上部結(jié)構(gòu)相對完整，較穩(wěn)定，下部夾矸硬度高，易塌；夾矸質(zhì)地堅(jiān)硬，微裂縫發(fā)育，易造成較大掉塊[13]。因此，煤層水平段安全施工，要保證炭質(zhì)泥巖、煤層、夾矸在鉆完井周期內(nèi)保持穩(wěn)定。鉆井液施工面臨以下技術(shù)難點(diǎn)。

（1）鉆井液密度確定難。通常增加鉆井液密度會(huì)提高井壁的穩(wěn)定性，但鉆井液密度越高濾失量越大，會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力增大，從而改變煤巖的井壁應(yīng)力，又會(huì)對煤巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響［14]

（2）井眼清潔困難，起鉆易卡鉆。煤層鉆進(jìn)過程中，井眼擴(kuò)大率大導(dǎo)致環(huán)空返速低，加之煤矸石和炭質(zhì)泥巖掉塊密度高達(dá) 1.9～2.1g/cm³ 以上，且質(zhì)地堅(jiān)硬，鉆進(jìn)或循環(huán)過程中很難被帶出[15]，在起鉆過程中易拉劃堆積在規(guī)則井眼處導(dǎo)致卡鉆。如何將煤屑攜帶出井筒，保證井眼清潔是鉆井液攜砂性能的重點(diǎn)。

（3）煤巖井壁失穩(wěn)。煤層及煤系泥巖割理、裂隙發(fā)育，造成煤巖破碎程度高、力學(xué)強(qiáng)度低，非連續(xù)性和非均質(zhì)性強(qiáng)，是煤巖力學(xué)失穩(wěn)的根本原因；鉆井液濾液沿割理、裂隙侵入，引起的黏土礦物水化、部分填充物溶解、潤滑弱結(jié)構(gòu)面，是引起煤巖剝落失穩(wěn)的化學(xué)原因［16]。對煤層及煤系泥巖的微裂縫進(jìn)行有效封堵，是鉆井液封堵防塌性能的關(guān)鍵。

根據(jù)8#煤層水平段安全鉆井需要，分別對該區(qū)塊3口井的本溪組煤層進(jìn)行了取心，獲得巖心總長度為 12m; ，整體巖心采取率較低且較破碎，巖性包含煤層、8號夾矸等單元。其中約 0.5m 段巖心尤為破碎，幾乎全為煤渣狀碎塊。對取出的巖心開展了巖石組分分析、CT掃描等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和認(rèn)識開展了鉆井液研究。實(shí)際鉆井施工可能會(huì)鉆遇煤矸石、煤塊及煤屑，選用X射線衍射法對水平段本溪組鉆遇的煤矸石巖樣進(jìn)行全巖礦物分析及黏土礦物分析[17]，結(jié)果表明煤矸石中含有石英、鉀長石、斜長石，其中斜長石含量較低，在7% 左右；8#煤塊中含有石英、鉀長石、斜長石，其中斜長石含量 15% 左右；同時(shí)對樣品提取黏土分析，煤矸石、8#煤塊、8#煤巖屑樣品的黏土含量分別為28.3% 1 22.5% （ 20.4% 。煤矸石中黏土礦物含量較高，在 28% 以上，煤層的黏土礦物含量 20%～23% 黏土礦物組成以伊利石為主、蒙脫石為輔，相對含量分別為 25%～28% 和 14%～16% ，因此煤層鉆井過程要防止黏土膨脹引起煤層結(jié)構(gòu)減弱，避免煤層坍塌的發(fā)生[9]，這就要求鉆井液要有足夠的抑制性，能夠抑制伊利石、蒙脫石水化分散，減少煤巖差異水化出現(xiàn)的井壁剝落坍塌［18」。

由于電鏡掃描只能辨識巖心內(nèi)部情況，表征巖石內(nèi)部微裂縫情況，不能對巖石全貌進(jìn)行辨識，所以運(yùn)用CT掃描對水平段鉆遇的頂板炭質(zhì)泥巖、煤矸、煤層等裂縫分布情況進(jìn)行分析，為鉆井液封堵材料選擇提供依據(jù)。CT掃描基于X射線斷層成像原理，通過材料對射線的衰減差異實(shí)現(xiàn)三維無損檢測。高密度區(qū)域因射線衰減顯著呈現(xiàn)高灰度值，而裂縫、孔隙等低密度區(qū)因衰減較弱顯示為低灰度黑色影像，該技術(shù)尤其適用于識別巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷（如裂縫、氣孔及疏松帶）的空間分布特征[19]。對煤矸石進(jìn)行CT掃描，從CT二維斷層圖像看到內(nèi)部存在明顯裂縫，三維立體圖像中每種顏色代表巖心內(nèi)部裂縫展布的立體樣貌，可以看到巖心的裂縫呈螺旋狀展布，煤巖層基質(zhì)微孔和裂隙發(fā)育，并發(fā)育次生溶孔，具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)，基質(zhì)孔疊加微裂縫儲(chǔ)層物性好。

利用核磁共振技術(shù)對8#煤孔滲透性進(jìn)行分析，馳豫時(shí)間與煤層孔徑呈正相關(guān)，測出弛豫時(shí)間與信號強(qiáng)度關(guān)系后進(jìn)行孔徑轉(zhuǎn)換，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第一峰型孔徑范圍為 0.9～13.5nm ，其峰值出現(xiàn)在4.11nm附近，即為微孔孔隙，占總孔隙的 96% 以上；第二峰型孔徑范圍為 33.7～142.2nm ，其峰值出現(xiàn)在79.5nm 附近，主要為微孔孔隙和小孔孔隙，占總孔隙的 3% 以上；第三峰型孔徑分布為 335.5～960.9 nm，其峰值出現(xiàn)在 670.4nm 附近，主要為中孔，含部分小孔，占比最小，不到總孔隙的 1%[20] 。經(jīng)過煤巖孔徑分析，鉆井液施工過程中封堵顆粒應(yīng)采用多級粒徑復(fù)配，其中以納米封堵材料為主，粒徑在1～10nm 較好。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，表明煤巖易塌層中含有伊蒙混層，易水化坍塌，需加強(qiáng)鉆井液抑制性；同時(shí)煤層微納米裂縫發(fā)育，還需增加納米封堵材料對微裂縫進(jìn)行封堵，形成致密封堵型濾餅；在保證鉆井液抑制性與強(qiáng)化封堵性的前提下，繼續(xù)提高鉆井液攜砂性能，有效解決煤巖坍塌與攜巖困難問題。

2多效鉆井液體系構(gòu)建及性能評價(jià)

針對煤層氣井施工中面臨的煤巖失穩(wěn)坍塌及卡鉆等井下風(fēng)險(xiǎn)，基于煤巖地層特性研究，以“封堵、抑制和清潔”能力為技術(shù)導(dǎo)向開展鉆井液體系優(yōu)化，通過系統(tǒng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和性能綜合評價(jià)，形成的防塌防卡鉆井液顯著改善井壁穩(wěn)定性和井眼清潔度。

2.1鉆井液體系構(gòu)建

原鉆井液配方為： 3% 膨潤土漿 +1.5% 降濾失劑 1+12%～15% 氯化鉀 +0.15% 提黏劑 +10% 重晶石，在此基礎(chǔ)上，針對煤巖的特性進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高鉆井液封堵能力和抑制性，增強(qiáng)攜巖能力。

2.1.1封堵材料優(yōu)選與級配設(shè)計(jì)

煤巖孔徑分布 96% 在 0.9～13.5nm ，對多種封堵劑粒徑進(jìn)行測試，最終確定超細(xì)碳酸鈣為體系剛性粒子支撐劑，瀝青類材料、固壁劑、納米封堵劑等作為配套封堵劑，以確保鉆井液具有優(yōu)異的封堵性。使用激光粒度分布儀測得，1250目超細(xì)碳酸鈣 （超細(xì)鈣 1）D₉₀ 為 11.2μm，2500 目超細(xì)碳酸鈣（超細(xì)鈣 2）D₉₀ 為 7.74μm ，可以滿足煤巖較大孔隙封堵需求，有助于形成光滑致密濾餅。在室內(nèi)進(jìn)行超細(xì)鈣配比優(yōu)選，見表1。

表11250目和2500目超細(xì)碳酸鈣加量配比實(shí)驗(yàn) Table1 Experimental study on the dosage ratio of1250 mesh and25oOmeshultra-finecalciumcarbonate

由表1可以看出，在基槳中加入總量 3% 超細(xì)碳酸鈣，鉆井液塑性黏度提高，初失水時(shí)間加長，F(xiàn)L_API 均有不同程度下降，表明超細(xì)鈣可以提高鉆井液封堵性，降低鉆井液濾失量；2500目和1250目超細(xì)碳酸鈣粒徑不同，測定不同配比后的性能，結(jié)果表明兩種不同目數(shù)超細(xì)碳酸鈣，添加 2.0% 超細(xì)鈣 1+1.0% 超細(xì)鈣2的鉆井液濾失量降低多，初失水時(shí)間長，表明該比例可以更有效提高鉆井液封堵性。分析原因?yàn)椴煌匠?xì)鈣進(jìn)行復(fù)配后，更有利于架橋和封堵填充，形成致密封堵層，使鉆井液濾失量下降，封堵性提高。

為確定其他封堵劑的配方和加量，采用高溫高壓濾失儀進(jìn)行封堵劑優(yōu)選。實(shí)驗(yàn)條件為：溫度100°C ，時(shí)間 30min ，壓力 3.5MPa ，對不同封堵劑加入鉆井液后的高溫高壓濾失量進(jìn)行評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：基漿中加入 5% 乳化瀝青后 FL_HTHP 為 3.6mL 基漿中加入 5% 白瀝青后 FL_HTHP 為 3.4mL ，基漿中加入 2.5% 乳化瀝青 +2.5% 白瀝青后 FL_HTHP 降為2.8mL 。分析原因是乳化瀝青和白瀝青軟化點(diǎn)不同，形成差異性封堵，加之白瀝青中含有油性材料，在濾餅表面形成油膜，使得鉆井液濾失量明顯減小［21]，所以優(yōu)選配方為基漿 +2.5% 乳化瀝青 + 2.5% 白瀝青。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)加入納米封堵劑，讓瀝青微米級顆粒和納米封堵劑納米級顆粒形成良好復(fù)配，對煤層微裂縫形成更加有效的封堵。測定不同加量納米封堵劑對濾失量的影響，優(yōu)選出封堵劑最優(yōu)配方為：基漿 +2.5% 乳化瀝青 +2.5% 白瀝青 +1% 固壁劑 1+2% 納米封堵劑。

2.1.2抑制劑復(fù)配優(yōu)化

煤巖中均含有黏土礦物，在鉆井液作用下容易水化分散導(dǎo)致井壁坍塌，需采用有效抑制劑盡可能減弱黏土礦物水化作用[22]。通過滾動(dòng)分散實(shí)驗(yàn)評價(jià)鉆井液抑制性，優(yōu)選抑制劑加量。選取一定質(zhì)量6～10目煤矸石巖屑，在 100° 鉆井液中滾動(dòng) 12h 后，測定通過40目標(biāo)準(zhǔn)篩后的剩余鉆屑質(zhì)量，計(jì)算鉆屑滾動(dòng)回收率，將第1次滾動(dòng)后的鉆屑按照以上步驟進(jìn)行第2次滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)，計(jì)算二次滾動(dòng)回收率［23]，滾動(dòng)回收率見表2。

表2不同抑制劑中煤矸石滾動(dòng)回收率 Table 2Rolling recovery rate of middling coal gangue with differentinhibitors

由表2可以看出，單獨(dú)使用 15% 的KClNaCl_? 有機(jī)鹽WeighII，煤矸石巖屑滾動(dòng)回收率在70.48%～75.32% 之間，因此考慮將多種鹽進(jìn)行復(fù)配，并提高鹽含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 15%KCl+ 15% WeighII復(fù)配的巖屑滾動(dòng)回收率最高，分析原因，一方面有機(jī)鹽在鉆井液中可以電離出鉀離子、銨離子等，通過靜電引力進(jìn)入黏土晶格中抑制黏土水化分散，另一方面，有機(jī)鹽陰離子可以吸附在帶負(fù)電的黏土表面，提高鉆井液抑制性[24]，加之氯化鉀抑制性強(qiáng)于氯化鈉，且鉀離子可以鑲嵌在黏土晶格上，提高防塌性能，因此優(yōu)選 15%KCl+15% 有機(jī)鹽WeighII作為鉆井液抑制劑。

2.1.3流變參數(shù)的調(diào)控

在煤層鉆井過程中，鉆時(shí) 1～2min/m ，短時(shí)間內(nèi)大量煤屑需要攜帶出井筒，要求鉆井液具有良好的攜砂能力，同時(shí)煤層中含有大量巖屑?xì)饧坝坞x氣，要保證攜帶出井筒后及時(shí)清除，防止氣侵造成鉆井液密度急劇降低，無法有效支撐井壁，發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，這就要求鉆井液具有良好的流動(dòng)性，流動(dòng)性越好脫氣性就越好。鉆井液攜砂性與鉆井液流動(dòng)形態(tài)有較大關(guān)系，通常來講，平板型層流攜砂能力較好。

鄢捷年等對鉆井液流型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)平板型層流居中區(qū)域攜砂效果好，常稱作流核，該區(qū)域面積越大，攜砂效果越好，流核區(qū)的直徑與鉆井液塑性黏度、動(dòng)切力關(guān)系密切，鉆井液動(dòng)切力和塑性黏度比值越大，則流核區(qū)直徑越大，對井筒清潔越有利。因此要盡可能增大鉆井液的動(dòng)切力，減少塑性黏度。同時(shí)，為保證流動(dòng)性，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選鉆井液動(dòng)塑比范圍為 0.30～0.35Pa/（mPa?s） ，既可保證鉆井液攜砂性，同時(shí)鉆井液流動(dòng)性好，利于脫氣。

綜合考慮以上性能要求，通過對比實(shí)驗(yàn)，從“封堵防塌、抑制分散、流變參數(shù)”三個(gè)方面，對鉆井液的配方進(jìn)行了優(yōu)選，確定最終多效鉆井液配方為： 3% 膨潤土漿 +1.5% 降濾失劑 +12%～15% 氯化鉀 +15% 有機(jī)鹽 +4% 潤滑劑 +0.15% 提黏劑 +2.5% 乳化瀝青 +2.5% 白瀝青 +4% 超細(xì)碳酸鈣（1250目） + 2% 超細(xì)碳酸鈣（2500目） 1+1% 固壁劑 +2% 納米封堵劑 + 重晶石，調(diào)整鉆井液密度為 1.45～1.55g/cm³ 。

2.2鉆井液性能評價(jià)

根據(jù)優(yōu)選鉆井液配方配制密度 1.51g/cm³ 鉆井液進(jìn)行室內(nèi)評價(jià)，研究該配方對巖樣的封堵性和抑制性，并與該區(qū)塊常用的CQSP-4鉆井液體系性能進(jìn)行對比。CQSP-4鉆井液體系配方為：清水 +3% 膨潤土漿 +1.5% 降濾失劑 +30% 氯化鉀 +4% 潤滑劑 + 0.15% 提黏劑 +6% 超細(xì)碳酸鈣（1250目） +4% 乳化瀝青 + 重晶石，密度 1.51g/cm³ CQSP-4鉆井液漏斗黏度 66s ，API濾失量 2.4mL 。從鉆井液砂盤濾失量、對巖樣的抑制性、巖心的抗壓強(qiáng)度變化進(jìn)行鉆井液性能評價(jià)。

2.2.1 基本性能

對密度 1.51g/cm³ 的多效鉆井液性能進(jìn)行測定，并模擬井下情況在 100° 老化 16h （該區(qū)塊井底溫度 ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3多效鉆井液的基本性能 Table 3Performance comparison of multi-effect drilling fluid

從表3可看出，高溫老化后，該鉆井液各項(xiàng)性能依然保持穩(wěn)定狀態(tài)，API濾失量和高溫高壓濾失量僅表現(xiàn)出輕微的上升趨勢，流變參數(shù)穩(wěn)定，這一現(xiàn)象說明該多效鉆井液具備出色的抗溫性能以及優(yōu)異的流變特性；動(dòng)塑比由 0.33Pa/（mPa?s） 上升到0.35Pa/（mPa?s） ，表明在高溫老化之后，鉆井液依然能夠保持良好的攜砂性能；此外，老化前后鉆井液的中壓濾失量和高溫高壓濾失量幾乎保持不變，反映出該配方具有極高的穩(wěn)定性，且抗溫能力強(qiáng)，因此，該鉆井液可以滿足該區(qū)塊井下施工要求。

2.2.2 封堵性評價(jià)

將CQSP-4鉆井液和多效鉆井液在 100°C 做老化實(shí)驗(yàn) 16h 后，使用滲透性封堵儀測定鉆井液封堵性能，實(shí)驗(yàn)采用 400mD 砂盤，壓力選取 3.5MPa 溫度選取 100° ，記錄兩種鉆井液砂盤濾失量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果測得， 30s 時(shí)，多效鉆井液瞬時(shí)濾失量為0.6mL，CQSP-4鉆井液瞬時(shí)濾失量為 1.8mL ，表明多效鉆井液瞬時(shí)封堵能力遠(yuǎn)高于CQSP-4鉆井液；測試 30min 后砂盤濾失量，多效鉆井液累計(jì)濾失量為 4.2mL ，普通鉆井液累計(jì)濾失量為 6.8mL ，表明多效鉆井液對 400mD 砂盤封堵效果好，在鉆遇微裂縫后，可以迅速有效地對裂縫進(jìn)行封堵，降低濾液對泥巖的侵入，減少井壁垮塌掉塊。對兩種鉆井液濾餅進(jìn)行分析，CQSP-4鉆井液形成的濾餅厚度為 3.5mm ，厚度偏厚；多效鉆井液中多種封堵劑復(fù)配，形成的濾餅厚度為 2.0mm ，濾餅薄、堅(jiān)韌且致密，證明多效鉆井液封堵性顯著提高。

2.2.3 抑制性評價(jià)

將泥巖、煤矸石和煤巖制成直徑 50mm ，高度20mm 的圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)巖樣，使用常溫膨脹儀測定CQSP-4鉆井液和多效鉆井液浸泡 2h 后巖心膨脹率，結(jié)果見圖1。

圖1巖心膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig.1Evaluation ofCore Swelling Rate

從圖1可看出，在兩種不同鉆井液的浸泡下，泥巖、煤矸石和煤巖的巖心膨脹率各不相同，在多效鉆井液體系中3種巖樣的巖心膨脹率普遍較低，相比之下，相同巖樣在CQSP-4鉆井液體系中的巖心膨脹率高，表明多效鉆井液體系在抑制巖心膨脹方面有顯著優(yōu)勢，尤其是泥巖巖心的膨脹率遠(yuǎn)低于CQSP-4鉆井液體系；在兩種鉆井液體系中煤研石和煤巖的巖心膨脹率相對較低，尤其是煤巖，這與煤巖中黏土礦物含量少有關(guān)。高抑制性有助于減少黏土礦物水化膨脹，減少鉆井過程中的復(fù)雜情況。

將 2.0～3.2mm 的泥巖、煤矸石和煤巖分別在多效鉆井液體系和CQSP-4鉆井液中 100° 老化16h，當(dāng)使用多效鉆井液體系時(shí)泥巖的滾動(dòng)回收率為97.85% ，煤矸石的滾動(dòng)回收率為 96.45% ，煤巖的滾動(dòng)回收率為 97.75% ；而當(dāng)使用CQSP-4鉆井液體系時(shí)，泥巖的滾動(dòng)回收率下降到了 86.1% ，煤矸石的滾動(dòng)回收率為 83.75% ，煤巖的滾動(dòng)回收率則更低，為80.5% 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在多效鉆井液體系和

CQSP-4鉆井液體系中，泥巖、煤矸石和煤巖的滾動(dòng)回收率表現(xiàn)出顯著差異，三種巖樣在多效鉆井液體系中的滾動(dòng)回收率均較高，在CQSP-4鉆井液體系中滾動(dòng)回收率相對較低。巖樣在鉆井液中滾動(dòng)回收率低，在鉆井作業(yè)時(shí)，部分會(huì)水化分散在鉆井液中，影響鉆井液性能，鉆井液中有害固相含量增加，出現(xiàn)滑動(dòng)黏托，鉆井液濾失量控制困難等問題。在多效鉆井液中模擬井下環(huán)境滾動(dòng) 16h ，滾動(dòng)后巖屑棱角分明，回收率高，說明多效鉆井液具有良好的抑制效果。

2.2.4巖心抗壓強(qiáng)度

在室內(nèi)對納林區(qū)塊8#煤巖心進(jìn)行了三軸抗壓強(qiáng)度測定，參照GB/T23561.7—2009《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法第7部分：單軸抗壓強(qiáng)度測定及軟化系數(shù)計(jì)算方法》將泥巖、煤矸石和煤巖制成直徑 25mm 、高度 50mm 的圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)巖樣，在清水、CQSP-4鉆井液、多效鉆井液中浸泡 16h 后，圍壓 10MPa 條件下，以 0.5MPa/s 的速度對樣品施壓，至樣品破壞記錄破壞載荷，測量三軸抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看出，未浸泡的泥巖三軸抗壓強(qiáng)度最高，可達(dá) 213.6MPa ，煤巖抗壓強(qiáng)度最低，未浸泡時(shí)88.6MPa ；相比CQSP-4鉆井液，多效鉆井液體系浸泡后的泥巖、煤矸石和煤巖的抗壓強(qiáng)度高 4.47% 6.52% 和 13.79% 。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，泥巖、煤矸石、煤巖浸泡后，抗壓強(qiáng)度均有明顯下降，清水浸泡抗壓強(qiáng)度下降最多，在多效鉆井液中浸泡抗壓強(qiáng)度相比最高，證明多效鉆井液體系封堵效果好，能有效提高煤巖的抗壓能力，對井壁的穩(wěn)定作用明顯。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

D井、E井均位于鄂爾多斯盆地納林河區(qū)塊，為三開深層煤巖氣水平井。D井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)為：一開 θ444.5mm 鉆頭鉆至 套管下深 529m ；二開 δ311.2mm 鉆頭鉆至 3 270m θ244.5mm 套管下深 3267m ；三開 δ0215.9mm 鉆頭鉆至 4900m，0139.7mm 套管下入深度 4895m 。鉆探目的為評價(jià)本溪組煤巖水平井產(chǎn)能，技術(shù)套管下至入窗點(diǎn)，目的層為本溪8#煤，根據(jù)地震、地質(zhì)綜合論證，綜合預(yù)測該井本溪組8#煤層厚度 7.0m ，目的層埋深在 3199～3243m ，預(yù)測該井產(chǎn)氣無阻流量可達(dá) （50～80）×10⁴m³/d. 。D井水平段長度 1246m 水平段施工周期 20.46d ，為目前納林河區(qū)域本溪組深層8#煤層水平井長度最高記錄。

D井三開使用清水新配制的多效鉆井液進(jìn)行施工。下鉆掃水泥塞和套管附件時(shí)，使用聚合物鉆井液單罐循環(huán)，掃塞完成后用多效鉆井液替換聚合物鉆井液，待鉆井液充分循環(huán)均勻后進(jìn)行三開施工。

在鉆進(jìn)過程中，鉆井液密度無自然增長現(xiàn)象，返出鉆屑棱角分明，離心機(jī)每天開啟 3～4h. ，去除有害固相，維持濾餅質(zhì)量致密光滑，濾失量穩(wěn)定，不受井深及水平段長度影響，整體鉆井液性能穩(wěn)定且維護(hù)簡單。但為了確保施工的高效與安全，在應(yīng)用多效鉆井液體系的同時(shí)，使用以下措施強(qiáng)化井眼的清潔度和井壁的穩(wěn)定性。

（1）重視井筒清潔，每鉆進(jìn) 300～400m 短程起下鉆一次，破壞井壁巖屑床，井下出現(xiàn)復(fù)雜或完井起鉆前使用 1.5‰ 雷特纖維清掃井筒，確保井筒清潔。

（2）減少氣侵對鉆井液密度的影響。三開全程應(yīng)用多效鉆井液，該體系鉆井液流動(dòng)性強(qiáng)，脫氣效果好，能夠有效減少氣侵對鉆井液的影響，同時(shí)施工過程中配合使用大功率真空除氣器，處理量達(dá)到600m³/h ，使得返出鉆井液得到全面有效的除氣處理。

（③）強(qiáng)化鉆井液封堵性能。鉆遇的地層黏土礦物主要為非膨脹性的伊利石和蒙脫石，鉆井過程每班2次測定鉆井液膨潤土含量并保持在28～35g/L 之間，封堵材料按照配方的比例配成膠液維護(hù)，確保鉆井液有足夠的封堵能力。

（4）重視鉆井液抑制性。施工過程中，維持鉆井液中鹽含量在 30% 以上，氯根含量在 10×10⁴mg/L 以上，鉆井液可以有效抑制地層中黏土礦物分散，防止出現(xiàn)井壁坍塌。

（5）保證濾餅質(zhì)量。濾餅應(yīng)具有良好的韌性，薄而致密，高溫高壓下濾餅無虛厚現(xiàn)象，晾干后無裂紋，強(qiáng)度高，證明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密、強(qiáng)度高，能夠承受較大的外力作用而不發(fā)生破壞，對井壁的護(hù)壁性強(qiáng)。

（6控制好鉆井液濾失量。按照配方的要求及時(shí)補(bǔ)充降濾失劑和封堵材料。

在現(xiàn)場施工過程中，D井、E井水平段鉆井液密度均在 1.48～1.53g/cm³ 之間，鉆井液密度隨著井深、水平段煤矸石長度增加逐步提高，施工過程中振動(dòng)篩返砂顆粒均勻，無明顯掉塊，表明鉆井液性能可以有效穩(wěn)定井壁；動(dòng)塑比在 0.30～0.35Pa/（mPa?s） 之間，既滿足了攜帶煤屑的需要，也滿足了迅速脫氣要求；初切 3Pa. 、終切總體保持在 8～9Pa 之間，具有較好的懸浮煤屑的能力；API濾失量在 1.6～2.0 mL，高溫高壓濾失量為 5.6～7.4mL ，鉆井液濾失量低，封堵性能優(yōu)異；黏滯系數(shù)保持在0.0699的較低水平，可以反映出鉆井液與鉆具黏附力以及摩擦阻力小，表明該鉆井液具有良好的潤滑性。另外，相較于前期施工的A井、B井、C井，D井、E井平均井徑擴(kuò)大率減少了 33.25% ，倒劃眼起鉆速度提高139.44% 。綜上所述，應(yīng)用多效鉆井液體系后，D井、E井水平段鉆井液性能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異性。

4應(yīng)用效果分析

針對深埋藏煤巖氣井研發(fā)的多效鉆井液在D井、E井進(jìn)行了成功應(yīng)用，全井段井壁穩(wěn)定，未發(fā)生井壁垮塌及卡鉆等井下復(fù)雜。為系統(tǒng)驗(yàn)證該鉆井液配方性能優(yōu)勢，從施工過程中井徑擴(kuò)大值和倒劃眼起鉆速度兩項(xiàng)指標(biāo)與前期施工井開展對比分析，驗(yàn)證該鉆井液的防塌防卡協(xié)同作用。

4.1井徑擴(kuò)大率與井壁穩(wěn)定性討論

從并徑擴(kuò)大情況對鉆井液防塌性能進(jìn)行評價(jià)，防塌效果越好，井徑越規(guī)則、擴(kuò)大值越小。A井、B井、C井使用常規(guī)鉆井液體系，D井、E井使用多效鉆井液體系，未使用多效防塌鉆井液施工前，施工井的井徑擴(kuò)大率在 27.45%～29.32% ，數(shù)據(jù)反映出未應(yīng)用多效鉆井液體系井壁的穩(wěn)定性低，井徑擴(kuò)大率較高；應(yīng)用多效防塌鉆井液后，井徑擴(kuò)大率降低至 18.60%～19.41% ，井眼規(guī)則度提高。計(jì)算未使用多效鉆井液前3口井平均井徑擴(kuò)大率為 28.48% 使用后平均井徑擴(kuò)大率為 19.01% ，相比減少了9.47個(gè)百分點(diǎn)，證明多效鉆井液體系能有效防止井壁坍塌，井徑擴(kuò)大率小，不僅提高了鉆井效率，還降低了因井壁不穩(wěn)定導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)和成本損失。

煤巖氣井水平段煤層易剝落，導(dǎo)致井徑擴(kuò)大率高，分析原因是因?yàn)槊簩拥目箟簭?qiáng)度較低，在受到鉆具如旋轉(zhuǎn)沖擊、軸向振動(dòng)及側(cè)向刮擦等機(jī)械作用下易發(fā)生破壞，導(dǎo)致煤體發(fā)生塑性變形或脆性破裂；另外，煤層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致煤層剝落的產(chǎn)生，煤層中存在微裂隙、割理網(wǎng)絡(luò)及構(gòu)造節(jié)理等結(jié)構(gòu)弱面，這些弱面會(huì)成為煤層剝落破壞的優(yōu)先擴(kuò)展路徑，降低煤層的整體穩(wěn)定性；加之煤層中黏土礦物差異水化，膨脹性礦物遇水后產(chǎn)生層間膨脹應(yīng)力，而非膨脹性礦物則保持剛性支撐，這種非協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致礦物顆粒間膠結(jié)失效，形成微裂縫發(fā)育帶，導(dǎo)致煤巖結(jié)構(gòu)性減弱，更易產(chǎn)生剝落[25]。煤層剝落引發(fā)的工程效應(yīng)具有鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特征：首先，掉塊尺寸增大會(huì)導(dǎo)致機(jī)械鉆速下降；其次，井徑不規(guī)則擴(kuò)大造成環(huán)空返速降低，而巖屑床大量堆積會(huì)導(dǎo)致循環(huán)壓力升高，同時(shí)，掉塊之間的二次破碎以及與井壁摩擦擠壓，會(huì)加速井壁失穩(wěn)進(jìn)程。

B井煤層段鉆進(jìn)至 3937m 時(shí)，出現(xiàn)扭矩異常升高 3kN?m ，泵壓上升 1.5MPa ，短起鉆驗(yàn)證后繼續(xù)鉆進(jìn)至 4230m 時(shí)扭矩驟增 3.0～4.0kN?m ，泵壓上升 2MPa 。后續(xù)起鉆過程中連續(xù)出現(xiàn)頂驅(qū)憋停現(xiàn)象：在 3935m 井段扭矩由 12kN?m 突增至25kN?m ，泵壓上升 3MPa ，降排量后出現(xiàn) 16MPa 憋壓，循環(huán)返出 10mm 煤塊；在 3764m 和 3682m 井段分別出現(xiàn) 23kN?m 扭矩憋停，返出 50～55mm 煤矸石和碳泥掉塊，斷面呈現(xiàn)光澤特征，判斷井壁出現(xiàn)垮塌，井下情況復(fù)雜，對比D、E井采用多效鉆井液后，未出現(xiàn)類似現(xiàn)象，驗(yàn)證了多效鉆井液的防塌能力。

鉆井液性能是維持井筒穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。優(yōu)質(zhì)鉆井液可在井壁表面形成致密保護(hù)膜，抑制水力-化學(xué)侵蝕及應(yīng)力破壞，表現(xiàn)為振動(dòng)篩返出鉆屑粒徑均勻且井壁完整性好。當(dāng)鉆井液性能不滿足防塌要求時(shí)，井壁失穩(wěn)呈現(xiàn)漸進(jìn)特征：初期返出鉆屑中出現(xiàn)不規(guī)則剝落體，隨著時(shí)間推移，返屑粒徑顯著增大至厘米級，反映煤層結(jié)構(gòu)弱面擴(kuò)展引發(fā)非均勻剝落；最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)出現(xiàn)連鎖反應(yīng)，出現(xiàn)環(huán)空堵塞引發(fā)泵壓異常升高、鉆具上提下放受阻等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)因大尺度掉塊堆積可能誘發(fā)卡鉆事故。

多效鉆井液通過多重協(xié)同作用有效防止井徑坍塌擴(kuò)大，其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在4個(gè)方面：一是優(yōu)異的抑制性，有機(jī)鹽與無機(jī)鹽協(xié)同降低鉆井液活度，抑制黏土礦物水化膨脹，從源頭上減少井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；

二是多級封堵性能，采用超細(xì)碳酸鈣 （5～10μm） 、固壁劑 （0.1～5μm） 、水化膨潤土 （1～5μm） 及納米封堵劑 （0～100nm） 多級配封堵體系，覆蓋煤巖納米級至微米級裂縫，大幅降低濾液侵入量；三是形成優(yōu)質(zhì)濾餅，這也是防止井眼垮塌的重要手段之一，納米材料在井壁形成致密光滑的濾餅屏障，兼具抑制濾液滲透與物理護(hù)壁功能，不僅能夠有效減少鉆井液濾液的侵入，還能夠防止井壁進(jìn)一步剝落［26]；四是良好的攜砂性能，優(yōu)化的流變參數(shù)確保及時(shí)攜帶剝落巖屑，避免鉆屑在井內(nèi)堆積引發(fā)的二次破壞。四者協(xié)同作用顯著提升井壁穩(wěn)定性，為復(fù)雜煤層安全鉆進(jìn)提供保障。

綜上所述，多效鉆井液通過其優(yōu)異的抑制性、封堵性、濾餅質(zhì)量和攜砂能力等多方面的性能優(yōu)勢，成功地防止了井徑擴(kuò)大，為鉆井作業(yè)的安全性和效率提供了有力保障。同時(shí)，為了降低井徑擴(kuò)大率，保證井下安全，在應(yīng)用多效鉆井液的同時(shí)，還需要精細(xì)化應(yīng)用工程措施，減少復(fù)雜發(fā)生幾率，首先是保持穩(wěn)定的鉆井液柱壓力，起鉆時(shí)泵入重漿補(bǔ)償抽吸壓力，按要求連續(xù)灌漿；其次是減少壓力激動(dòng)，在起下鉆過程中，控制起鉆速度，下鉆和接立柱開泵過程中開泵平穩(wěn)掛泵，待泵壓正常后再逐步增加至正常排量，盡量保持壓力穩(wěn)定減少井眼垮塌。

4.2起鉆速度與井眼清潔度討論

煤巖氣水平井在起鉆作業(yè)中風(fēng)險(xiǎn)較大，這與井筒中巖屑堆積有關(guān)，從起鉆速度可以側(cè)面驗(yàn)證井筒清潔情況，一定程度上評價(jià)鉆井液防塌攜砂性能。統(tǒng)計(jì)2023年與2024年施工井水平段長度，除以起鉆過程中平均倒劃眼時(shí)間，得到施工井平均起鉆速度。A井、B井、C井的水平段起鉆速度分別為5.25、3.59、 2.94m/h ，平均 3.93m/h ；使用多效鉆井液體系后，D、E井起鉆速度增加為 8.85，9.97m 平均起鉆速度為 9.41mh ，倒劃眼時(shí)間相較提高5.48mh 。倒劃眼時(shí)間的減少，分析與井筒內(nèi)巖屑濃度、巖屑直徑大小呈正相關(guān)關(guān)系，巖屑濃度越高，起鉆越困難；巖屑直徑越大，倒劃眼時(shí)憋扭矩越頻繁，倒劃眼速度越慢；倒劃眼時(shí)間的明顯減少，說明該鉆井液體系攜砂性能與防塌性能優(yōu)異，井壁輕微坍塌形成的掉塊直徑小，鉆井液攜砂性能強(qiáng)，井筒清潔度高，所以倒劃眼起鉆順利。

深層煤層氣水平井施工完成后，起鉆比較困難，一方面是因?yàn)槊喉肥⒚簬r發(fā)生坍塌導(dǎo)致，8#煤內(nèi)部含有夾矸礦物，同時(shí)存在原生裂紋，夾矸礦物與煤巖之間的交界處以及原生裂紋處為應(yīng)力薄弱區(qū)，此處會(huì)引發(fā)應(yīng)變集中造成井壁失穩(wěn)；相較于8#煤，煤矸石內(nèi)部存在高密度礦物，使煤樣整體形成一個(gè)很強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)和力鏈網(wǎng)絡(luò)，破碎后巖樣較為完整，形成大塊掉塊；另一方面是因?yàn)樵诿簩鱼@進(jìn)過程中鉆時(shí)較快，在控制鉆壓 20～30kN 前提下，鉆時(shí) 1～2min/m ，新鉆出井眼井徑比較規(guī)則，井壁還未開始剝落鉆頭已鉆穿，鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深起鉆過程中，鉆頭與扶正器回到發(fā)生剝落的井眼，該處井壁經(jīng)過鉆井液長期浸泡和鉆具擾動(dòng)，井壁剝落以及坍塌巖屑堆積，且剝落后的掉塊因?yàn)槊芏鹊停@井液浮力大，在鉆井液中漂浮起來，懸浮在不規(guī)則井筒中上井壁位置，起鉆過程發(fā)生堆積、聚積，導(dǎo)致起鉆遇阻[27]，若是鉆頭和扶正器不旋轉(zhuǎn)，煤屑大量堆積起鉆必然遇阻，因此必須倒劃眼將煤塊粉碎后方可正常起出；另外，煤矸石坍塌后，大量沉積在井壁下沿，鉆井過程中不能攜帶出井筒，起鉆時(shí)鉆頭與扶正器起到類似活塞作用，將井壁坍塌煤矸石推拉堆積，堆積到一定高度后必然要出現(xiàn)起鉆遇阻，需要倒劃眼破壞煤矸石的堆積，將堆積物粉碎到可以被鉆井液沖散、鉆頭正常起出程度。

煤巖氣井完鉆后常采用倒劃眼起鉆方式，其必要性體現(xiàn)在兩方面：一是硬脆性煤層易因停泵停轉(zhuǎn)盤導(dǎo)致巖屑堆積，引發(fā)開泵困難或卡鉆事故；二是通過監(jiān)測工程參數(shù)可判斷井下狀態(tài)，扭矩突增反映大尺寸掉塊堆積，泵壓升高指示井筒清潔不足，負(fù)鉆壓則提示起鉆遇阻風(fēng)險(xiǎn)。倒劃眼時(shí)需結(jié)合參數(shù)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整起鉆策略，輔以循環(huán)清掃確保作業(yè)安全。平均起鉆時(shí)間可直觀反映井筒清潔度與井壁穩(wěn)定性，時(shí)間越短說明鉆井液攜砂性能越好，井筒越清潔。

以C井為例，該井煤層埋深 3156～3181m ，鉆進(jìn)過程中鉆遇 244m 高伽馬含泥煤巖，完鉆起鉆過程中遇阻嚴(yán)重，開頂驅(qū)倒劃眼起鉆。整個(gè)起鉆過程中在4個(gè)井段倒劃眼困難： 4336～4238m 伽馬值在100～260API，起鉆耗時(shí) 27h;4160～4107m 伽馬值在100～200API，起鉆耗時(shí) 33h;4025～3992m 伽馬值在 100～120API ，出現(xiàn)泵壓波動(dòng)并返出大量炭質(zhì)泥巖，采用寸提倒劃逐步起鉆； 3870～3800m 伽馬值在90～110API，起鉆耗時(shí) ^106h， 其中3868m處因持續(xù)憋泵耗時(shí) 76h， 經(jīng)兩次 2.0g/cm³ 重漿舉砂及停泵倒劃處理方通過。全井累計(jì)起鉆時(shí)間達(dá)218h， ，分析表明井壁坍塌系直接誘因，鉆井液攜砂性能不足為深層誘因。后續(xù)應(yīng)用多效鉆井液體系后，平均起鉆時(shí)效提升 5.48m/h， ，驗(yàn)證了多效鉆井液配方改進(jìn)的有效性。

鉆井液的攜巖能力直接影響井眼凈化效果，返出巖屑直徑是評價(jià)該性能的關(guān)鍵指標(biāo)。理想狀態(tài)下，攜巖能力強(qiáng)的鉆井液可快速運(yùn)移鉆屑，使其保持較大尺寸和清晰棱角（運(yùn)動(dòng)速度快、碰撞磨損少且水化分散弱）；反之則易導(dǎo)致巖屑破碎、棱角磨圓甚至形成濾餅［28]。現(xiàn)場需定期監(jiān)測返出巖屑的粒徑分布與形態(tài)特征：大尺寸棱角狀巖屑反映良好攜巖能力，而細(xì)小圓潤顆粒則提示需優(yōu)化鉆井液配方或鉆井參數(shù)。

煤巖氣水平井相對于常規(guī)水平井，更加強(qiáng)調(diào)攜砂性能，這與煤巖特性有關(guān)。煤巖與灰?guī)r、泥巖相比，抗壓強(qiáng)度、彈性模量相對較小，泊松比大且離散性強(qiáng)，易沿著裂縫發(fā)生劈裂式破壞，煤巖的力學(xué)性質(zhì)受裂紋發(fā)育影響極大，從而極易造成煤巖井壁剝落掉塊［29]。深層煤層氣井在正常鉆進(jìn)過程中，振動(dòng)篩返出地層剝落掉塊少，分析原因主要有：（1）鉆進(jìn)過程中鉆具旋轉(zhuǎn)，地層剝落掉塊在鉆具軸向力作用下破碎變小，隨著鉆井液上返至地面，且在上返至井口過程中，鉆井液不斷沖蝕，剝落掉塊變小，與鉆屑混合后很難分清；（2）部分井徑擴(kuò)大率高達(dá)29.32% ，井眼直徑大，鉆井排量有限導(dǎo)致環(huán)空返速達(dá)不到攜砂最低要求，另外鉆屑藏在大肚子處，鉆井液流型不合理的情況下，很難清掃攜帶出井筒；（③）煤矸石剝落后直徑大、密度高，沉降在井眼內(nèi)，在原水力參數(shù)和鉆井液性能條件下很難到達(dá)地面，必須在扶正器、鉆頭的機(jī)械破壞下，將煤矸石掉塊破碎到鉆井液水力參數(shù)可以攜帶的程度方可正常帶出井筒，所以地面返出煤矸石棱角圓滑，這與鉆井液長期沖蝕、掉塊在井眼環(huán)空中反復(fù)翻轉(zhuǎn)等有關(guān)。應(yīng)用多效鉆井液后，返出鉆屑棱角分明，鉆頭切削痕跡明顯，且起鉆速度大幅提升，證明多效鉆井液的優(yōu)異防塌攜砂性能。

5結(jié)論

（1）多效鉆井液體系從“封堵、抑制、清潔協(xié)同優(yōu)化”角度出發(fā)，在現(xiàn)場常用配方基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，優(yōu)選出多尺度顆粒級配封堵材料填充煤巖微納米裂縫，有機(jī)鹽和無機(jī)鹽協(xié)同強(qiáng)化抑制性，動(dòng)塑比范圍優(yōu)選保證攜砂性能，形成的鉆井液體系封堵性強(qiáng)，抑制性佳，能有效攜帶井筒內(nèi)巖屑。現(xiàn)場應(yīng)用表明，該體系解決了深埋藏煤巖氣水平井施工過程中出現(xiàn)的煤巖坍塌、起鉆遇阻難題，促進(jìn)了深層煤巖氣井開發(fā)進(jìn)程。針對井壁坍塌導(dǎo)致卡鉆的同類施工井的鉆井液處理，提出“防塌-清潔”雙效協(xié)同控制策略，改變傳統(tǒng)鉆井液單一功能強(qiáng)化模式，為同類型施工井安全高效施工提供了工藝優(yōu)化方向。

（2）針對深層煤巖特性研究的多效防塌鉆井液配方，是立足在鄂爾多斯盆地納林區(qū)塊煤巖特性下進(jìn)行的，該區(qū)域儲(chǔ)層埋深 3100～3200m ，井下溫度95^°C 。在儲(chǔ)層埋深進(jìn)一步增加，煤巖特性發(fā)生改變的情況下，多效防塌鉆井液性能是否滿足還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）多效鉆井液體系是在現(xiàn)場常用鉆井液體系基礎(chǔ)上升級而成，鉆井液密度高達(dá) 1.45～1.55g/cm³ 對儲(chǔ)層的傷害可能導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降，且鉆井設(shè)備負(fù)荷重泵壓高，鉆井成本高，后期還需繼續(xù)研究低密度條件下的煤巖防塌鉆井技術(shù)。

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[編輯朱偉]