沁水盆地煤层气井钻井液技术现状和发展方向

吕帅锋 王生维，3 乌效鸣 李 瑞 王道宽

(1.中国地质大学( 武汉)资源学院，湖北 430074；2.中国地质大学( 武汉) 工程学院，湖北 430074；3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室，山西 048006)

沁水盆地煤层气井钻井液技术现状和发展方向

吕帅锋1王生维1，3乌效鸣2李 瑞1王道宽2

(1.中国地质大学( 武汉)资源学院，湖北 430074；2.中国地质大学( 武汉) 工程学院，湖北 430074；3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室，山西 048006)

沁水盆地目前以清水钻井液为主体，兼用优质钻井液，同时尝试了聚合物钻井液、绒囊钻井液和中空玻璃球钻井液等低密度新型钻井液，但是这些类型钻井液只是针对特定煤层，没有形成成熟的煤层气井钻井液技术体系。可降解钻井液能够通过生物酶解除污染，微固相聚合物钻井液能够有效地成膜护壁，两者结合具有良好的应用前景，可能是未来煤层气井钻井液的一个主要发展方向。此外，建议加强对煤层损害解除方法的研究，尽快制定煤层气钻井相关室内实验评价方法和矿场评价方法的行业标准，形成一套适于煤层气钻采的煤层气井专用钻井液体系。

沁水盆地 煤层气井钻井液 可降解 微固相

煤层气井钻井质量严重制约着后期煤层气排采和产气量的提高。煤储层为裂隙型储层，具有空裂隙双重空隙结构，同时沁水盆地由于经历印支、燕山、喜马拉雅等构造运动，发生升降、褶皱、断裂和变形，煤储层受了不同程度的破坏，碎裂煤等构造煤较为发育。沁水盆地煤储层地层压力普遍较低，煤体松软易垮塌，敏感性强，储层容易受到外来流体伤害和污染。因此，煤层气钻井在井壁稳定和储层保护方面具有很大的挑战。

钻井液是煤层气钻井中的循环介质，直接与煤储层接触，沁水盆地煤层气钻井裸眼井段较长，钻井难度大。钻井液能够悬浮煤屑，保证钻孔中煤屑被排除干净；在有效悬浮钻屑同时，可加强对松软井壁的胶结作用，这样可以有效保护井壁；通过强降失水剂和成膜骨架的作用可以大大降低煤层气钻井液向地层渗透的作用；通过抑制剂来抑制地层的水化膨胀、坍塌缩径等，保护煤层井壁；在一定条件下通过调整钻井液中的成膜骨架加量来调整其密度，从而平衡地层中正常压力和异常压力，保证安全钻进。因此可以通过改进煤层气井钻井液技术提高钻井质量，减少钻井事故和对煤储层的污染。

沁水盆地煤层气生产井主要采用清水、无粘土钻井液或优质钻井液施工。利用清水或者无粘土钻井液钻进时井孔内容易出现掉块、坍塌，甚至难以形成井眼而导致报废，优质钻井液能够有效降低钻井施工风险，但是难以控制钻井液固相物对煤储层裂隙的堵塞，导致煤层气产能降低。因此沁水盆地煤层气钻井在钻井液的使用上进行了积极的探索，并进行了现场试验，取得了较好的效果。

1 煤层气井井壁失稳机理

煤储层孔裂隙发育，煤体结构破碎，为钻井液滤失和侵入煤储层提供了良好的通道和贮存空间，同时煤岩中含有大量粘土矿物，其中不乏膨胀性粘土矿物，如伊蒙混层粘土，极易水化膨胀，致使井眼周围煤岩更加松散，胶结强度下降。钻井液对煤层气井井壁长时间的浸泡和冲洗，增加了井壁的不稳定性。从力学方面来讲，当钻井液密度大于地层破裂压力当量密度或者小于地层坍塌压力当量密度，井壁岩石就会失去平衡，造成井壁的崩裂或者垮塌。沁水盆地煤系地层普遍埋深较浅，地层压力系数较小，属于低压-常压的地层，钻井液密度通常高于地层破裂压力，同时由于钻进时钻井动压影响，钻井施工容易发生井壁破裂，引起钻井液进一步漏失，增加堵漏难度。

因此，煤层气井井壁失稳是内因和外因两方面共同导致的。内因为煤储层机械结构松软破碎且含有易水化的粘土矿物等自身地质条件。外因是钻井液安全密度窗口决定的，即钻井液密度要限制在地层破裂和地层垮塌当量密度的范围内。

很多学者对关于井壁失稳机理做了深入研究。唐立强等根据力学原理，确定钻井液密度范围，地层破裂压力当量密度为：

式中：K=tan(40°+φ/2)；φ为摩擦角，°；H为井眼垂深，m；ρm为钻井液密度，kg/L；C为岩石粘聚力，MPa；η为应力非线性修正系数；a为有效应力修正系数；σH1和σH2为水平地应力，MPa；p0为孔隙压力，MPa。

地层破裂压力当量密度为：

式中：ρf为钻井液密度，kg/L；st为岩石抗拉强度，MPa。

2 钻井液污染和伤害煤储层机理

造成储层污染的因素也包括内因和外因，内因为煤储层具有裂隙性和敏感性，机械强度弱，外因主要为钻井液液柱压力以及钻井液与煤层流体的不匹配性。

关于钻井液污染和伤害煤储层机理，可以归纳为三个方面。第一，钻井液固相颗粒粒径在量值上非常接近或者小于煤层裂隙和孔隙,极易进人煤层裂隙和孔隙中造成产气通道被堵塞。同时，钻井液处理剂高分子聚合物吸附在煤基质表面，形成凝胶层，不仅堵塞裂隙，还会诱发煤基质膨胀，使有效裂缝受挤压变窄。第二，由于煤储层往往为欠压地层，如果钻井液液柱压力过大，特别是上下钻具时引起压力激动，也可能造成煤储层裂隙闭合。煤岩经多次加压和卸压过程后，加压会使渗透率降低，而卸压时渗透率只能得到一定程度的恢复，从而造成渗透率的损失。第三，钻井液滤液由于与煤储层中流体物理化学性质不匹配，可使煤基质膨胀，从而减小孔隙度，降低煤岩渗透率；同时煤岩中化学物质或者矿物发生聚集沉降，也能堵塞孔隙；滤液被压入煤岩孔隙后，由于毛细效应和水锁效应等，堵塞咽喉，很难出来，从而造成煤岩孔隙通道的堵塞。

3 煤层气钻井液技术应用现状

目前清水钻井液在沁水盆地煤层气井钻井中被普遍使用。蓝焰煤层气公司几乎所有煤层气垂直井都使用清水钻进。清水钻井液是在清水中添加少许处理剂，如抑制剂、絮凝剂等，使之与煤储层具有更好的伍配性，从而降低对煤储层的水敏性伤害。但是由于清水钻井液粘度小，悬渣能力较弱，同时在裂隙发育煤层漏失量较大，容易发生井壁坍塌掉块，钻井事故频发。清水钻井液适合在煤层气竖直井中使用，对于长距离顺层煤层井或者水平井无济于事。同时为了加快钻速，在浅层地表也通过空压机和增压机使用空气钻进，大大缩短钻井工期。沁水盆地同时尝试了一些低密度新型钻井液，并取得了一定的效果。下面简单介绍中空玻璃球钻井液、聚合物钻井液和绒囊钻井液以及可降解钻井液。

3.1 中空玻璃微球钻井液

中空玻璃微球钻井液具有密度小的特点，适合欠平衡钻井和高效快速钻进，还可以有效的保护煤储层，降低储层伤害。该钻井液在柿庄南区块的SX-177、SX-181井组钻进山西组3号煤层时得到了现场应用，在低密度的基础上，增加提粘剂和降滤失剂，有效控制切力和失水量等性能，提高了机械钻速，缩短了钻井周期。但是该钻井液对注入设备以及煤体结构要求较高，在破碎易垮煤层难以发挥作用。

3.2 聚合物钻井液

聚合物钻井液最大的优点在于利用其低固相、低失水量和强絮凝性等特点在井壁周围形成薄而致密的泥皮，从而能够有效稳定并且保护井壁，阻止钻井液进一步侵入煤层。优质钻井液实质上为聚合物钻井液，调整其性能在固相含量、携砂性、润滑性和滤失性等方面满足煤层气钻井要求。煤层气开发井Z-004用清水在煤层中钻进时，发生井壁垮塌和卡钻事故，在钻井液中加入适量的粘土粉和聚合物处理剂后，提高了携屑能力，井眼稳定，顺利钻至靶点。在柿庄地区，所选聚合物钻井液现场使用很成功，起到了较好的护壁效果，同时节约了工程成本，缩短了工期。聚合物钻井液需要严格控制其密度和固相含量，才能够在安全钻进的基础上最小限度地减小对煤储层的污染和伤害。

3.3 绒囊钻井液

国内学者对绒囊钻井液的物质结构和作用机理进行了系统研究，该钻井液具有低密度和高效封堵、自动解堵的特点，能够降低滤失量，有效保护煤储层不受污染。“绒囊”由内部的“气核”、中间的表面活性剂和外围的高分子聚合物构成，钻遇不同规模裂隙的地层时，根据囊粒与裂隙尺寸的关系，分别可以对裂隙进行分压封堵、耗压封堵和撑压封堵，因此能够封堵和控制各种尺寸的滤失通道。山西柳林县的CLY-A井二开使用绒囊钻井液，验证了其良好的封堵效果。

3.4 可降解钻井液

可降解钻井液是在无固相聚合物钻井液基础上加入生物酶，能够人为控制降解时间，理论上可以有效清除钻井液对煤层气储层的伤害，从而恢复煤储层的渗透率(图1)。但是该钻井液缺乏现场应用，其解堵性有待工程实践的验证。

图1 不同处理阶段煤岩平均气体渗透率变化情况

4 问题和建议

沁水盆地煤层气井钻井中，清水钻井液、聚合物钻井液和气体泡沫钻井液只有针对具体特定的煤储层条件，才具有良好的适用效果，同时还需要对钻井液材料成本、循环设备要求等综合考虑。学者对钻井液成膜护壁研究较多，对于后期定时降解和返排却研究较少，也很少同时考虑两者。钻井液对煤储层的伤害评价大多局限于渗透率恢复实验、膨胀量测定、镜下观测和数值模拟等手段，缺少现场或者井下解剖分析，也没有能够和工程因素相结合研究。

在现有技术条件基础上，需要通过加强基础研究，筛选钻井液材料和处理剂，配制出针对不同地质条件煤储层的煤层气井钻井液。微固相聚合物钻井液能够有效地形成泥饼保护井壁，可降解钻井液能够通过生物酶解除污染，二者结合具有良好的应用前景。因此，建议加强对煤层损害解除方法的研究，研制出同时具有成膜护壁和定时降解性能的钻井液体系，形成一套煤层气井专用钻井液体系。同时建立钻井液对裂隙性煤储层伤害的评价体系，健全煤层气钻井相关室内实验评价方法，并且制定出矿场评价方法的行业标准，使煤层气产业健康快速发展。

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(责任编辑 刘 馨)

Current Situation and Development Direction of Drilling Fluid Technology for CBM Wells in Qinshui Basin

LV Shuaifeng1，WANG Shengwei1，3，WU Xiaoming2，LI Rui1，WANG Daokuan2

(1.Faculty of Earth Resourceses, China University of Geosciences(Wuhan), Hubei 430074;2.Faculty of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan), Hubei 430074;3.National Energy Key Lab of Coal and Coalbed Methane Co-Mining Technology, Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Corporation Limited, Shanxi 048006)

Water drilling fluids act as the main body currently in Qinshui basin, high quality drilling fluids are followed. Some new and low density drilling fluids such as polymer, velvet pouch and hollow glass spheres drilling fluids were tried to make the application. But these types of drilling fluids are just for a particular coal seam, and there is not mature drilling fluid technology system. Degradable drilling fluids can relieve pollution through biological enzyme, and micro solid drilling fluids could build a protective film, so they both have good application prospects which may be a major development direction in the future. In addition, it is recommended to strengthen the research of lifting coal damage, and as soon as possible to develop the industry standard including laboratory experiments and field evaluation method, and form a set of suitable for CBM wells special drilling fluid system.

Qinshui Basin; drilling fluids of CBM well; iodegradable; micro solid phase

吕帅锋,中国地质大学(武汉)资源学院,研究方向为煤层气勘探与开发。