白杨河矿区煤层气井示范工程钻井液的选用

汤建江

(新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队,新疆 830009)

白杨河矿区煤层气井示范工程钻井液的选用

汤建江

(新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队,新疆 830009)

新疆阜康市白杨河矿区煤层气开发利用先导性示范工程是新疆维吾尔自治区的第一个煤层气示范工程项目。该示范区煤层气开发井型以丛式井为主，以U型井、L型井、空气动力井等多种井型为辅；示范区总体构造为一南倾的单斜构造，地层倾角大，煤层厚、多且间距大。为了防止钻井液对煤层的污染，伤害煤层的渗透性，并达到防止煤层垮塌、快速成井的目的，针对示范区井型多、煤质软、顺煤层U型井、L型井等成井难度大的特点，进行多种钻井液体系对比分析、选用，实践初步形成了一套适合该地区煤层气开发的钻井液使用体系。

煤层气 丛式井 大倾角 厚煤层 钻井液

新疆煤层气资源丰富，预测煤层气资源量达9.5万亿m3(与天然气资源量相当)，占全国煤层气预测资源量的26%。新疆阜康白杨河矿区煤层气示范工程是新疆第一个以低阶煤、多厚煤层、大倾角地质条件为开发对象的大规模煤层气开发基地，为了找到适合示范区煤层多、厚度大、倾角大等地质特点的煤层气开发方法，示范区设计井型多，钻井工艺复杂。钻井液不仅要满足常规钻井的需要，还必须符合煤层气的开发特点，是煤层气开发过程中极为关键的环节。

1 示范区钻井液选用难点分析

钻井液服务于钻井工程，它直接关系着钻井质量的优劣，钻进效率的高低，煤层伤害污染程度，井身安全，甚至钻井工程的成功与失败，因此被誉为钻井的“血液”。

(1)煤系地层需防止钻井液污染

煤层及煤层顶底板的渗透性是煤层气开发的重要指标之一，煤层是双重介质，既是生气层又是储气层，煤层的空隙和割理较发育，储层压力低，破碎，机械强度低，具有压力敏感性，从而导致井壁稳定性差，易发生井内事故，储层易伤害，保护困难。煤层气开发过程中钻井液对煤层的污染主要是降低煤层的渗透性，堵塞了煤层气产出的微通道。因此要求钻井液比重低，固相含量少，不污染伤害煤层，为了减少污染，钻井液选用要满足以下条件：①钻井液比重低，粘度较高，保证井内较小的液柱压力，减小钻井液的滤失量；②钻井液与煤系地层不发生明显的化学、物理反应，产生沉淀，堵塞渗流通道；③pH值保持在中性偏碱性，与煤系地层相近。示范区是以低阶煤为主，渗透率低，煤层多，厚度大，地层倾角大，易坍塌，对钻井液性能要求也较高，因此示范区钻井液选用参考《煤层气钻井作业规范》(DZ/T 0250—2010)，并通过实践对钻井液性能进行优化。

(2)煤层厚、煤质软，煤层容易垮塌，不利于钻井液的选用

示范区储层压力低、破碎，其物理力学性质决定了机械强度低，具有压力敏感性，从而导致井壁稳定性差，易发生坍塌掉块，夹矸的存在易导致卡钻，同时煤层垮塌后井径扩大率过大会造成固井质量差、录井、测井数据失真。为了防止以上钻井事故，要求钻井液比重适当提高，以平衡地层压力及坍塌压力，保证井内安全，提高粘度降低失水量，提高环空携砂能力和井壁稳定能力。

(3)钻遇地层复杂，机械钻速低

示范区钻遇地层为下侏罗统八道湾组、三工河组和新生界第四系。根据区块内地质条件，中生界黄山街组含菱铁矿结核，下侏罗统八道湾组中段含砂砾岩，地层可钻性差。为了提高钻井速度，保证钻进安全，保护储层，示范区采取非含煤地层与含煤地层采用不同钻井液标准，很好地满足了钻进速度和保护煤系地层的需要。

2 示范区钻井液体系的选用

通过对各种钻井液体系特点的分析，在煤层气钻井施工中，各井型、各阶段选择不同钻井液，有利于保护煤层渗透性和快速完成钻井施工作业，有利于减少煤层垮塌和钻井事故的发生。钻井液体系主要分为液体钻井液(水基钻井液、油基钻井液、合成基钻井液)，气、液混合物(泡沫钻井液、充气泥浆钻井液)以及气体(空气、天然气)。对于防止煤层污染来讲，气体钻井液最优，但示范区考虑到煤系地层含水层较多，地层漏失，并且煤质软，煤层厚度大，破碎，埋藏深，采用气体钻井施工难度大、施工工期长，施工成本高，而水基钻井液稳定，护壁性好，能较好平衡地层压力及坍塌压力，携砂效果好，工艺成熟，成本较低，因此钻井液综合考虑示范区主要以四低(低固相、低粘度、低密度、低失水量)水基钻井液为主、泡沫钻井液为辅。

2.1 水基钻井液的选用及其特点

示范区水基钻井液主要包括坂土浆和低固相聚合物钻井液。

2.1.1 坂土浆

一开钻井时使用，其主要成分是清水、膨润土和各种粘土，其特点是可容纳较多的固相，密度高，携砂能力强，容易在井壁上形成较致密的泥饼，失水较低，适合一开地层成岩性差、渗透性好、易坍塌且机械钻速低的特点，使用井段为0～50m。

2.1.2 低固相聚合物钻井液

二开及三开钻井时使用，其成分主要为清水、膨润土和高分子聚合物处理剂。高分子聚合物能有效地包裹各种固相颗粒，并携带至井口，在振动筛作用下容易与钻井液分离，保证了钻井液的携砂能力和低密度、低固相。有利于提高钻井速度，减少地层造浆率，提高井壁稳定性。

2.2 泡沫钻井液使用及其特点

泡沫钻井液是气、水混合体。其特点是密度低，有利于降低井内压力；钻井液循环快，携带岩屑能力较强；钻出的岩屑十分清晰，便于分析；对煤层气开发较为有利，但示范区储层坍塌压力低，破碎，其物理力学性质决定了机械强度低，具有压力敏感性，上述特点容易导致井壁垮塌，不利于正常完井，同时钻井液中液体的非连续性会导致井下定向设备脉冲信号传输困难，导致施工困难。在73井实验中，进入煤层前50m密度降至0.99～1.02g/cm3粘度50s,钻进过程发生卡钻情况，经倒划眼短提解决，但在钻进42号煤过程中，打完单根上提划眼时发生卡钻事故，钻头距离井底6m左右，钻具卡死转盘不能活动。当时泥浆性能为密度1.0g/cm3、粘度为58s、失水5mL。立即循环处理复杂。未能解决卡钻事故后随即转换泥浆体系为聚磺泥浆体系后继续处理卡钻后解卡，处理成功后提钻。泥浆密度为1.17g/cm3，粘度55s。通过对73井微泡泥浆使用分析，下一步应系统地对示范区使用微泡泥浆体系进行设备仪器适应性分析和地层适应性分析，包括煤岩物理性质、力学性质、煤层水敏性、储层压力、地层压力系数、破裂压力和坍塌压力，通过综合分析后再确定是否使用微泡泥浆。

3 钻井液参数的参数研究

因为示范区煤层气井钻井液主要以水基钻井液为主，泡沫钻井液为辅，因此研究和控制钻井液的主要参数有钻井液的流变性、密度、含砂量、失水性和 pH值，现分述如下。

3.1 流变性

流变性是钻井液的一个综合指标，在煤系地层中，流变性好的钻井液密度低而不影响钻井液携带岩、煤屑的能力；井内液柱压力低而不造成井壁严重垮塌；能有效的保证较高的钻进速度和井下安全。根据钻进的实际需求，采取相应方法可以获得满足煤层气井需要的流变性，控制的主要参数为粘度、塑性粘度和触变性。

3.1.1 粘度、塑性粘度

通过试验和钻井证明，示范区煤系地层钻井施工中，保持钻井液粘度40～50s、塑性粘度15～20MPa·s能有效的携带岩屑、保证较高的钻进速度和井内安全。钻井过程中，通过钻井技术员每班记录，监督每天巡检，及时调整粘土含量，高分子聚结含量(结构粘度)，保证振动筛的使用，使钻井液的粘度始终保持在最优状态。

3.1.2 触变性

触变性指标不涉及对煤系地层的污染，示范区对钻井液的触变性没有明确的规定，各钻井队根据钻井施工中遇见的实际施工情况进行调整。总体原则是进入煤层顶板以上50m取芯钻进井段后，提高触变性指数，保证钻井液停止循环时，钻井液切力能较快地增大，井内悬浮钻屑不会快速沉淀；开钻后，钻井液切力较快下降，不致于静置后开泵泵压过高。

3.2 钻井液的密度和含砂量

煤层气储层对钻井液的敏感性较高，钻井液密度及含沙量在保证安全钻进的前提下宜维持在下限水平，以此减小储层污染，保证合格的井径扩大率。

3.2.1 钻井液的密度

示范区非煤系地层三工河组砂砾岩较厚，以防漏为主，钻井液密度过大会导致地层压力失衡，压漏地层；含煤地层八道湾组岩性为细砂岩、砂砾岩与粉砂岩为主。地层造浆不严重，实现近平衡快速钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速；减少钻井液对煤层的浸泡时间，能有效减少钻井液对煤层的伤害，根据本区施工实际情况，钻井液密度在1.05g/cm3以下时易发生井壁坍塌掉块，井径扩大率超标，钻井事故多发等情况，煤系地层钻井液密度范围在1.10～1.15g/cm3能很好的平衡地层坍塌压力，保证钻井施工安全，安全快速完井可降低储层浸泡时间，减少储层污染，保护煤层渗透性。

3.2.2 钻井液的含砂量

根据示范区八道湾组岩性和钻井实际情况，示范区要求钻井液的含砂量小于0.4%。取得了较好钻井的效果，有效的减小了泥饼的渗透性和固相体积含量百分比≤6%，减小了钻井液的失水性，保护了煤层渗透性。

3.3 失水性

在煤系地层中，钻井液的失水过大会严重的污染近井地带煤层，煤层中的泥质成分发生膨胀减小了煤层的渗流通道，影响最终产气效果，因此示范区对钻井液的失水性有严格的要求，液滤失量不大于2mL。除此之外，钻井液失水严重还会导致煤系地层泥岩垮塌和缩径。控制好钻井的失水，对于快速钻井和保护煤层渗透性有重要的意义。

静失水的公式为

式中：Vf—滤失量，cm3;K—泥饼渗透性，mD;ΔP—压差，MPa; Cc—泥饼固相体积含量,%;Cm—钻井液固相体积含量,%;A—滤失面积，cm2;t—滤失时间，s;μ—滤液粘度，mPa·s；

由上式可知，在钻井液粘度、密度、压差、滤失面积一定的情况下(粘度40～50s、密度1.10～1.15g/cm3)，提高钻井速度、减少泥饼的渗透性、泥饼中的固相体积含量与钻井液中固相含量的比值是控制钻井液虑失量的关键参数。

通过示范区钻井液模拟实验发现、钻井液形成的泥饼薄而致密，则失水小；厚而酥松，则失水大，因此控制钻井液的失水，就要保证井壁泥饼薄、致密、韧性好。通过选用专用厂家膨润土，保证质量稳定性；动态调整有机分散剂用量和CMC的含量，保证粘土颗粒的适宜的分散度和保护粘土颗粒；加入极细的胶体粒子可以达到较好的效果。

3.4 钻井液的pH值

对于煤层气开发利用，钻井液的pH值范围的控制至关重要，钻井液的酸碱性必须与煤层的酸碱性相适应，否则会发生煤层酸碱性伤害，发生化学生成固体堵塞煤层微裂隙而降低渗透性，示范区开发煤层多为偏碱性，钻井液pH值都控制在7.5～8.5，既能满足保护煤层渗透性的需要，又能保证钻井液的性能达到最优。

4 示范区钻井液的应用效果

在前期施工的第一批11口井，按规范要求泥浆密度控制在1.05以下，均不同程度的发生了煤层坍塌掉块现象，个别煤层段井径扩大率达到50%以上，特别是42号煤破碎，松软，更容易发生井内事故，如8、34、38井在钻遇42号煤时发生卡钻事故。通过及时提高泥浆比重及粘度，并加入解卡剂，8井成功处理复杂；34井井内钻具卡死，经倒扣、打捞等事故处理，20日后成功完井；38井卡钻处理失败报废填井，直接经济损失100万元。

经过第一批钻井施工结束后总结，通过对示范区钻井液的参数及示范区钻井液选用的难点分析。在含煤层段，泥浆比重在1.05g/cm3以下，无法平衡地层坍塌压力，煤层及顶底板易发生坍塌掉块，井径扩大率超标，钻井事故多发。

为保证施工安全，应适当提高钻井液比重，钻遇易坍塌的42号煤层时，要尤其注意泥浆性能的维护。合理的泥浆性能对钻井安全，钻进效率，减少储层污染十分重要。快速成井减少钻井液对储层的浸泡污染时间是示范区煤层气钻井的重要手段。示范区钻井液应针对不同地层选用不同性能的钻井液，一开采用板土浆，控制失水，二开在非煤地层泥浆比重控制在1.15左右，粘度50s左右，在漏失地层可适当提高粘度，加入核桃核等惰性材料堵漏，如在示范区西部多数井内都发生漏失现象，采用此堵漏方法很好地抑制漏失。在进入煤层前逐步降低泥浆比重，控制在1.10～1.15g/cm3，粘度40～50s。

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(责任编辑 韩甲业)

Selection of Drilling Fluid for CBM Well Demonstration Engineering Project in Baiyanghe Mining Area

TANG Jianjiang

(No.156 Geological Exploring and Surveying Team, Xinjiang Bureau of Coal Field Geology, Xinjiang 830009)

The CBM development and utilization pilot demonstration project of Fukang Baiyanghe Mining Area is the first CBM demonstration project in the Xinjiang Uygur Autonomous Region. The wells type for CBM development in the demonstration zone is mainly cluster wells, with a variety of supplemented wells, including U-type well, L-type well, aerodynamic well, etc. The overall structure of the demonstration zone is south-dipping monoclinic structure, with large formation dip angle, thick and multiple coal seams, and large spacing of coal seams. To prevent the contamination of drilling fluid to the coal seam as well as damage to coal seam permeability, and to achieve the purpose of preventing coal seam collapse and rapid well-forming, the paper compares, analyzes and select different types of drilling fluid based on the characteristics of the demonstration zone, such as multiple well types, soft coal, difficulty to form well of U-type well and L-type well along the coal seam, and preliminarily establishes a utilization system of drilling fluid suitable for the CBM development in this area.

CBM; cluster wells; large angle; thick seam; drilling fluid

新疆地质勘查基金项目“新疆阜康市白杨河矿区煤层气开发利用先导性示范工程”.

汤建江，男，钻探工程师，本科，获全国五一劳动奖章。