山西石楼西煤层气煤泥防塌钻井液技术

杜海涛

（胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司钻井三公司，山东东营257091）

长期以来，井壁稳定问题，尤其是泥页岩地层井眼稳定问题一直是钻井工程中经常遇到的井下复杂情况。特别是石楼西天然气项目钻遇的煤、泥、炭质泥岩地层，井壁稳定问题特别严重，重点集中在二叠系的石千峰、石盒子和山西组，由于该地层所造成的井壁不稳定，既影响钻井速度，所以，为保证石楼西天然气顺利开发，研究该地层的井壁稳定性是志在必行。

1 煤储层简介

煤气层以吸附和储集方式存在于煤层孔隙中，是新兴潜在能源。中国的煤层气资源量约为（30～35）×1012m3，与常规天然气资源量相当。煤层气不仅热值高，而且不污染环境，具有广阔的应用前景。

石楼西目的层地层特点，石楼西区块山23气藏为低孔、低渗、低压定容弹性驱动岩性气藏。有效储层分布受砂体展布和物性控制，无明显边、底水。山西组煤层发育，单层厚1～10m，易坍塌，注意在钻开该层之后防塌。石盒子组、山西组为区域性气层，注意防井涌、井喷。马家沟组局部区域发育膏岩层，注意调整钻井液体系配方，防止污染。

虽然我们目的不是开发煤层，但是在钻遇到这样的储层时，由于煤岩性质的特殊，不可避免的问题是大段煤层及炭质泥岩的地层稳定性问题。所以在对大段煤层及炭质泥岩防塌问题上，必须有一套切实可行操作方法和钻井液方案。

2 煤层井壁稳定机理分析

该区块煤层呈条带状、线状（树枝状），节理微裂缝发育，胶结疏松，脆性大。当钻开煤层时，钻井液滤液沿裂缝进入，降低了煤层之间的胶结力，在外力作用下易发生破裂，造成坍塌。

首先，煤系地层中夹含大量的泥岩，而井塌主要发生在泥岩地层，钻井液与泥岩地层发生物理化学作用引起水化膨胀和分散，水化应力改变了泥页岩中的应力状态，最终导致了井壁的不稳定。确定出钻井液的液柱压力，提供确保井壁力学稳定的最低使用密度是先决条件。

其次，钻井液在井壁上形成的泥饼能阻挡其它颗粒的侵入但是如果煤层气井钻井液的性能差，在井壁上形成的泥饼疏松，泥饼的阻挡力小；煤层属于低压储层，如果钻井过程中平衡压力大，一些危害颗粒进入地层，堵塞孔隙和喉道造成煤储层的永久堵塞。

钻井液滤液更容易进入地层，而且滤液对煤储层的伤害比常规的储层更严重得多。原因有：（1）钻井液密度小、性能差时，在井壁上形成的泥饼比较疏松阻挡力小。（2）煤储层的孔隙压力小，钻井过程中平衡压力过大，加大了钻井液的失水量。即使钻井液中加入降失水剂，但是泥浆很容易向地层失水。含有各种粒子和高碱性滤液进入煤层后，加速了粘土矿物的水化、分散，就导致井下复杂情况的发生。所以，我们致力于研究了钻井液抑制性、防塌性、失水和泥饼质量与流变性的良好统一。

由于地层存在煤、泥、砂岩互层，如果上覆岩层为泥岩下夹层煤，煤层极易受外力破碎坍塌（包括活动钻具碰撞），上部泥岩层失去支撑力，产生应力失稳，需要提高应力稳定，减少井壁的机械碰撞。

3 煤储层防塌钻井液体系选择及参数调整

3.1 KCl选择原理

3.1.1 氯化钾性能

氯化钾分子式为KCl，外观为白色立方晶体，常温下密度为1.98g/cm3，熔点为776℃。易溶于水，且溶解度随温度升高而增加。KCl是一种常用的无机盐类页岩抑制剂，具有较强的抑制页岩渗透水化的能力。若与聚合物配合使用，可配制成具有强抑制性的钾盐聚合物防塌钻井液。

3.1.2 K+离子的防塌机理：

（1）水化能力低，K+和NH+4水化能分别为393kJ/mol和364kJ/mol，均低于Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子。由于粘土对阳离子吸附具有选择性，它优先吸附水化能较低的阳离子，因而K+和 NH+4往往比Ca2+、Mg2+、Na+优先被粘土吸附，再由于其水化能力较低，被吸附后会促使晶层间脱水，使晶层受到压缩形成紧密构造，从而能有效抑制粘土水化。

（2）K+和 NH+4的直径分别是2.66Å和2.86Å，其大小刚好进入2个六角环之间的空间。由于水化后K+和NH+4离子半径仍小于伊利石的层间间隙（10.6Å），因而能够进入伊利石的层间，其它离子的水化半径都大于10.6Å，因而不能进入。当失去吸附水化膜时，稍微变小，相邻晶层的四面体晶片互相靠近，收缩作用使K+进入裸露的自由空间，它立刻被牢固的保留在适当的位置，由于K+形成键合，从而限制了相邻硅酸盐晶片的膨胀和分离，K+的这种作用称为K+的晶格固定作用。正是由于这种作用，使K+尽量靠近相邻晶层的负电荷中心，形成的致密构造不会在发生较强的水化。

（3）由于K+必须进入到粘土晶层间才能起到晶格镶嵌作用，而进入到粘土晶层间必须是粘土水化到一定程度，晶层间出现自由水才能进行离子交换，因此在K+进入晶层间起抑制作用时，粘土已发生了充分的晶层膨胀。在粘土晶层膨胀阶段，层间阳离子受束缚而不能进行离子交换，因此K+不能有效抑制Na-MMT和Ca-MMT的晶层膨胀。但K+能有效抑制粘土的渗透膨胀和分散，控制地层造浆。

3.2 KCl钻井液体系配伍

（1）KCl+K-PAM防塌钻井液体系。钻井液配方：1.5%坂土浆+1.5%LV-CMC+0.25%DSP-1+2%～3%WFL-1+2%～3%SMP-1+0.5%～1%K-PAM+2%～3%SPNH+5%～8%KCl+5%～8%润滑剂+0.2%～0.6%XC。

（2）钻井液性能：漏斗粘度56～62s，FL：4.5mL，PV：26mPa·s，YP:4～6Pa，G：2.5Pa/15Pa。

（3）处理剂使用：WFL-1、SMP-1、AP-1、SPNH、XC、KCl、K-PAM、DSP-1、CMC。

（4）体系转化：三开前，在套管内将原井浆充分净化后一次性转化成KCl-KPAM钻井液，坂土含量10～15g/L，密度1.16g/cm3，粘度45s，为了提高钻井液的抗高温、抗盐、抗污染能力和防塌能力，加入0.5%～1%KPAM、0.4%～0.6%LV-CMC、2%～3%WFL-1、2%～3%SPNH、2%～3%SMP-2、5%～8%KCl、NaOH调节pH，钻井液性能达到设计要求。

3.3 确定合理的钻井液密度

根据井壁力学稳定机理及井壁稳定的关联因素，依据所钻煤层地应力、孔隙压力、坍塌压力、破裂压力来确定合理的钻井液密度。保持煤层地层的力学平衡，防止地层坍塌；在确定地层坍塌压力时应该考虑钻井液滤液对地层的水化作用、应力分布、孔隙压力、岩石力学性能的影响。此外，还应考虑钻井液造壁性影响，钻井液液柱压力对井壁的支撑作用，尤其是我们所要钻到的裂缝发育或破碎地层。由于煤层井壁岩石处于强硬力作用下而且面对着应力释放而造成跨塌掉块时，如果钻井液密度过低不能平衡煤层的坍塌压力，解决这样的问题只有提高钻井液密度来平衡地层应力。所以，选用合适的钻井液密度，使它高于地层坍塌压力的当量密度，保持井壁稳定是防止井壁坍塌的先决条件。

3.4 pH值的影响

通过大量的实验证明OH-明显促进泥页岩中粘土水化分散。当时水溶液pH值低于9时，pH值对泥页岩水化影响不大，pH值继续增加，泥页岩水化加剧，促使泥页岩坍塌。所以控制钻井液的pH值低于9左右，而在使用KCl体系时则pH不作为考虑重点，因为KCl体系本身对井壁稳定能力效果十分好。

3.5 钻井液滤失量的控制

对于煤层裂缝发育的坍塌层，封堵裂隙，在井壁周围形成渗透率接近零的封堵带，将井筒中钻井液同井壁地层隔绝为两个系统，控制和减少钻井液失水沿微裂缝侵入地层，通过实验证明，可以定期补充降失水剂降低失水，加入极易酸溶的微细颗粒，颗粒直径根据地层孔隙大小确定，达到良好的架桥原理，保持API中压失水小于5.0mL，降低泥饼渗透性，从而达到稳定井壁的目的。

3.6 抑制、防塌及流变性要求

通过室内实验优选了多种处理剂，主要是为了提高钻井液体系的抑制性能和封堵性能以及降失水效果。在室内优选和完善了几套体系，筛选出的钻井液体系主要是既能有效抑制泥页岩的水化分散，又能抑制膨胀，并能有效封堵效果根据携岩效果，尽量保持低坂含、低固相，流动性能好，保持合理的动塑比值，在低坂含条件下，合理使用部分生物聚合物，达到良好的切力携带钻屑。

3.7 钻井液稳定性

该体系关键是增强钻井液本身的稳定性，钻井液稳定性，反映了钻井液在污染和高温下钻井液中胶体的稳定性，这里取决于合适的粘土含量和足够有效的护胶材料，如果钻井液中的MBT含量和低密度固相含量太高，会造成钻井液性能失控，粘切很难控制；钻井液中的MBT含量和低密度固相含量太低，致使钻井液悬浮能力降低，钻井液稳定性差，所以，控制好钻井液中的坂土含量至关重要，应选择适当的坂土含量，钻进过程中保持坂土含量18～22g/L之间。

4 现场使用情况

根据以上钻井液性能要求，分别在YH45-15-14S2H4井、YH45-15-14S2H4井、YH45-15-8S2H2井3口井水平段使用了KCl-K-PAM钻井液体系，有效遏制了地层坍塌，起下钻顺利井下情况正常，水平段长1000～1300m左右。

2号台YH45-15-14S2H4井钻井液性能：密度1.21g/cm3，粘度84s，5/15，六速：84、56、47、34、15、15r/min，PV28mPa·s，YP14Pa，中压失水4.9mL。

9号台YH45-11-8S2H3井钻井液性能：密度1.21g/cm3，粘度 61s，失水 3.8mL，pH11，摩阻系数0.2962，六速：55、30、21、12、0.5、0r/min，PV25mPa·s，YP2.5Pa，G0.5Pa/2.5Pa。

4号台YH45-15-8S2H2井钻井液性能：密度1.20g/cm3，粘度68s，失水3.8mL，六速：60、43、30、19、17、4r/min，PV23mPa·s，YP10Pa。

通过3口井施工，钻井液性能略有差异，但是都满足了携岩、井壁稳定要求，起下钻顺利，综合分析，该区块钻进在二叠系地层，钻井液性能指标满足以下条件即能保证正常顺利施工：密度1.18～1.22g/cm3，粘度55～75s，切 力 （1～5Pa）/（5～15Pa） ， PV20～35mPa·s，YP3～15Pa，中压失水小于5mL。

5 结论

（1）KCl-K-PAM钻井液体系，具有良好抑制性、携带悬浮能力、封堵防塌能力，光滑坚韧致密的泥饼。

（2）合理的密度，并按气井0.07～0.15kg/L进行附加，确保平衡地层压力，防止井下复杂。

（3）钻井液性能稳定，严格控制含砂和滤失。

（4）钻井液pH值控制在9.5以上。

（5）体系的稳定能力强。

（6）体系润滑性能好，由于甲方禁止使用固体石墨粉润滑剂，所以需要优选高质高效润滑剂，以及塑料球或玻璃微珠等，保证钻井液良好的润滑性能。

（7）降低钻井液中的低密度固相含量，适当的控制钻井液中的坂土含量，保证钻井液中有一定自由水份的同时，以提高钻井液的滤液粘度来增强钻井液本身的结构力，防止因固相含量过高而造成的性能不稳定。

（8）及时检测分析钻井液中的离子，防止有害离子侵入造成污染，避免污染后性能大幅度变化，对污染后的钻井液应及时调整处理。

（9）使用抗盐能力强的降失水剂和聚合物，保证钻井液中适当的聚合物含量和足够的降失水剂和防塌剂，降低钻井液的高温高压失水，改善和提高泥饼质量，增强钻井液的稳定性。

（10）由于该区域目的层高低变化，钻进中需要不断调整水平段垂深，井斜上下调整，保证在目的层钻进，所以井眼轨迹变化较大，水平段长达1300m，所以完井后，为保证完井管串顺利，必须模拟完井管串钢性强度的钻具结构通井。

（11）石盒子组和山西组的岩性为炭质泥岩和煤层互层，如果钻井液滤失量过大，抑制性不够，地层中含有的多段煤层和炭质泥岩的交互层，易水化膨胀，井壁失稳。所以，在进入石盒子地层前，应及时调整钻井液性能，加入降滤失剂材料，降低FLAPI小于5mL，根据井眼承压能力适当提高钻井液密度，以提供较大的物理支撑，防止井壁垮塌。