沁水盆地煤层气提速钻井液体系设计与性能评价

陈 波，和鹏飞，马志忠，贾 雍，孙永乐

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

20 世纪60 年代以来，石油行业更加重视研究泥浆的组成和性能对钻速的影响。随着研究的逐渐深入认识到：钻井液的类型、组成和性能是直接影响钻井速度和成本的重要因素，尤其泥浆中的固相是影响钻井速度和成本的关键因素。因而近代泥浆工艺中大力发展了固相控制技术，并且取得了很好的钻井效果。近代泥浆工艺中另一件大事是在泥浆中引入了高聚物絮凝剂[1，2]。高聚物絮凝剂可以使泥浆中的钻屑或劣质黏土处于不分散的絮凝状态，以便使用机械固控设备将其清除，较好的解决了分散泥浆体系存在的钻屑（劣土）在泥浆中分散、积累的问题。70 年代以来，由于对不分散聚合物体系的优异水力特性和防塌作用的进一步认识，在使用高压喷射钻井技术的同时，充分发挥不分散聚合物体系的絮凝、剪切稀释和防塌这三大优越性，使钻井速度显著提高，钻井成本不断降低。总之，不分散无固相、低固相聚合物钻井液，是在钻井生产中见到显著成效的新型、先进的钻井液。

沁南煤层气田柿庄项目包括柿庄南和柿庄北两个区。其中柿庄南工作区地处太行山西麓，东南部地形平缓，西北部以低山丘陵地形为主，地形呈西高东低、北高南低的特点，相对高差最大400 m。工作区位于沁水盆地东南部，构造简单，以宽缓褶皱为主。储层压力系数多数在0.70 以下，实测本区地应力场强度较弱，地应力较小，一般为7.9～9.4。

1 沁水盆地已钻井分析与难钻地层性能测试

1.1 已钻井分析

1.1.1 井漏 对晋城沁水盆地12 口已钻井进行资料统计分析，其中井漏现象比较突出，而且全部发生在煤层上段，即非煤层，煤层中并未发生过漏失现象，具体情况（见表1）。

1.1.2 机械钻速ROP 分析 比较TS80-04 井、TS90-02D2 井与邻井机械钻速（见图1～图3），从以上各井不同井段机械钻速比较来看，中海油承包井钻井速度要明显高于其他钻井承包商，但总的看来，ROP 不高，应进一步研究提高ROP 的技术措施和手段。

1.2 难钻地层性能测试

对现场露头岩样进行取样（SN015-05H 井附近），肉眼观察为泥质粉砂岩，性硬，外观呈黄-灰白色。露头矿物特性分析（见表2）。

1.2.1 分散性实验 称取3 份50 g 过6～10 目的烘干岩屑，分别装进带有编号的老化罐中。向每个老化罐中加入350 mL 的自来水，拧紧盖子，放入到滚子炉中，在50 ℃下热滚16 h。热滚完毕，取出老化罐，用40 目筛子回收岩屑。将回收的岩屑转移到已干燥称重的玻璃片上，在105 ℃的情况下，干燥4 h。干燥完后，待温度降至室温，称重。热滚回收率为64.84 %，且热滚回收后，岩屑颗粒规则，说明该页岩岩屑水化能力不是很强。

表1 中海油晋城煤层气井漏情况统计

图1 TS80-04 井与邻井12-1/4 井段ROP 比较

图2 TS80-04 井与邻井8-1/2 井段ROP 比较

图3 TS90-02D2 井与邻井8-1/2 井段ROP 比较

表2 矿物性能分析

1.2.2 膨胀性实验 称取3 份10 g 过100 目筛网的页岩岩粉，放到压样机上，在5 MPa 的条件下压10 min。压样完毕，取下压样套筒，安装到膨胀仪上在1 MPa，30 ℃的条件下进行膨胀实验。结果显示，1 h 左右往后，膨胀曲线上升趋势缓慢，最大膨胀率3.721 %。说明该泥页岩水化能力不是很强，与前述滚动回收率实验结果也比较吻合。

由上述分析可知，晋城沁水盆地地层相对较老，主要目的层3#煤层发育在山西组。已钻井复杂情况表明，该地区地层普遍存在漏失现象，而且集中于煤层上部，机械钻速低。岩样性能测试结果表明，泥岩膨胀性较弱，回收率较高，黏土矿物以低膨胀性伊/蒙混层和伊利石为主，蒙皂石混层比较低，总体上比较致密。

2 提速钻井液体系研究

絮凝剂在超过一定量后均具有较好的絮凝作用，而JFC 除能增强液体的渗透能力外，还具有防泥包作用，具有一剂多效作用[3，4]；抑制剂采用氯化钾。因絮凝剂种类较多，选用两种应用最广泛的絮凝剂PLUS 和PAC（聚合氯化铝），设计两种提速钻井液配方：

1#：0.2 %PLUS+0.5 %JFC+3 %KCl

2#：0.01 %PAC+0.5 %JFC+3 %KCl

2.1 钻井液性能实验[5-8]

2.1.1 配伍性 实验方法：取新配制的1#、2#钻井液各100 mL，静置6 h 后，观察杯底是否有沉淀，并照相。结果表明，两种钻井液在静置6 h 后，均无沉淀生成，说明所配制的钻井液各处理剂配伍性良好。

2.1.2 钻井液流变性和剪切稀释性 用六速旋转黏度仪对1#、2#钻井液的流变性进行测试，塑性流体和假塑性流体的表观黏度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。例如，在钻头水眼处，剪切速率高达10 000 s-1～100 000 s-1，钻井液变得很稀；而在环形空间，当剪切速率为50 s-1～250 s-1时，钻井液又变得比较稠。这种剪切稀释特性是一种优质钻井液必须具备的性能，因为它既能充分发挥钻头的水马力，有利于提高钻速，而在环形空间又能很好的携带钻屑。从1#和2#钻井液流变性来看，2#钻井液与清水黏度一样，1#钻井液虽具有剪切稀释特性，但其黏度仍高于清水，从发挥钻头水马力角度来看不及2#钻井液。

2.1.3 渗透性实验 实验结果表明，现场岩样强度较高，经自来水浸泡后强度大幅下降，但2#钻井液浸泡后下降更加厉害，这也间接说明了2#钻井液渗进岩样速度快。

2.1.4 絮凝能力实验 实验方法：80 mL 水+5 g 岩粉+20 mL 钻井液，即将5 g 岩粉加入80 mL 自来水中，再与20 mL 钻井液混合。实验结果表明，1#和2#钻井液絮凝能力均较强。

2.1.5 滚动回收率 称取2 份50 g 过6～10 目的烘干岩屑，分别装进带有编号的老化罐中。向每个老化罐中加入350 mL 的1#、2#钻井液，拧紧盖子，放入到滚子炉中，在50 ℃下热滚16 h。热滚完毕，取出老化罐，用40 目筛子回收岩屑。将回收的岩屑转移到已干燥称重的玻璃片上，在105 ℃的情况下，干燥4 h。干燥完后，待温度降至室温，称重。较之于清水回收率64.84 %，1#、2#钻井液对岩屑的回收率都有很大的提升，说明1#、2#钻井液都能够很好的抑制岩屑分散。

2.1.6 润滑性实验 用极压润滑仪评价了清水、清水+10 %岩粉、1#钻井液和2#钻井液润滑性，实验结果可见，1#和2#钻井液润滑性均明显强于清水和清水+10 %岩粉。

通过上述分析可知，煤层气提速钻井液组成为絮凝剂、渗透剂、防泥包剂和抑制剂，优选出絮凝剂聚丙烯酰胺PLUS 和聚铝PAC，渗透剂和防泥包剂JFC，抑制剂氯化钾。这些处理剂之间配伍性良好。设计两套钻井液均具有较强的抑制性和防泥包特性，但在滤液渗透性和高剪切速率黏度上，2#钻井液更具有优势，而这些性能对提高机械钻速至关重要。因此，推荐煤层气提速钻井液配方为：配浆水+0.01 %PAC+0.5 %JFC+2 %～3 %KCl。

3 防漏技术研究

沁水盆地上部地层由于风化作用、破碎带或古河道等原因，漏失现象非常严重，有些是恶性失返性漏失，严重影响煤层气正常钻井作业，造成钻井事故和经济损失。漏失深度多在100 m～500 m。根据沁水盆地煤层气钻井实际情况，选用了不同粒度级配的暂堵剂进行暂堵。在室内，采用不同粒径混配的QWY 作为暂堵用的刚性粒子。

由于QWY-1 颗粒的表面积大，表面吸附活性强，所以当其随堵漏液渗入地层后，随着流动速度的减慢，会与加入的增黏悬浮剂HPV 大分子链串产生强烈的亲和吸附作用和聚结作用，加快增黏悬浮剂大分子链的缠绕速度，并且形成或封堵垫层的坚实的骨架基础，从而提高了封堵强度和可靠性，压差越大，封堵强度也越大。在流动或是搅动的状态下，暂堵剂QWY-1 在堵漏液中有较强的分散性，很容易随堵漏液渗入漏失通道中，对各种尺寸的漏失通道有较强的适应性。

为了评价暂堵剂QWY 的堵漏效果，指导现场应用，室内配制堵漏液（自来水+1 %增黏悬浮剂+QWY），调整暂堵剂QWY 的加量以及漏失地层的状态，在API堵漏模拟试验装置上（QD 型堵漏材料试验仪），进行了堵漏模拟实验，实验封堵压力0.7 MPa～7.0 MPa。随着暂堵剂QWY 加量的增加，漏失量逐渐降低，对于渗透性地层，当暂堵剂QWY 的加量为2.5 %～4.0 %时，堵漏效果很好。综合考虑，推荐暂堵剂QWY 的加量为3.0%～5.0 %。

由于暂堵剂在水中分散不均匀，很容易沉降。所以必须在修井液体系中添加一定量的增黏悬浮剂，本项目选用最常用的增黏剂聚丙烯酰胺PLUS。

将堵漏液配制好后，必须在一定的时间内暂堵剂不发生沉降才能满足配制和泵送的要求。室内通过考察HPV 浓度与其悬浮性的关系，来确定堵漏液中悬浮增黏剂的合适加量。配制加入不同量的PLUS 的堵漏液（清水+悬浮增黏剂PLUS+4 %QWY），放置24 h 后，并观察其悬浮性能。结果显示，当PLUS 的加量较少时，很难悬浮住大量的QWY 颗粒，造成QWY 颗粒的大量沉降，随着PLUS 加量的不断增加至0.5 %时，基本可以使QWY 在堵漏液中悬浮稳定，所以推荐加量为0.5 %。

4 现场应用

针对上述研究结果，在CLH-07V 和CLY-67 等井进行了应用。通过提速钻井液技术与钻头选型等其他技术的配套使用，最终提速项目成果应用前钻井周期平均为37.71 d，经过提速后，现在的平均钻井周期缩短到了19.34 d，缩短比例48.7 %。

5 结论

（1）晋城沁水盆地地层相对较老，主要目的层3#煤层发育在山西组。已钻井复杂情况表明，该地区地层普遍存在漏失现象，而且集中于煤层上部，机械钻速低。

（2）岩样性能测试结果表明，泥岩膨胀性较弱，回收率较高，黏土矿物以低膨胀性伊/蒙混层和伊利石为主，蒙皂石混层比较低，总体上比较致密。

（3）煤层气提速钻井液组成为絮凝剂、渗透剂、防泥包剂和抑制剂，优选出絮凝剂聚丙烯酰胺PLUS 和聚铝PAC，渗透剂和防泥包剂JFC，抑制剂氯化钾。这些处理剂之间配伍性良好。

（4）设计两套钻井液均具有较强的抑制性和防泥包特性，但在滤液渗透性和高剪切速率黏度上，2#钻井液更具有优势，而这些性能对提高机械钻速至关重要。因此，推荐煤层气提速钻井液配方为：配浆水+0.01 %PAC+0.5 %JFC+2 %～3 %KCl。

（5）针对沁水盆地渗透性漏失，可以采用0.5%PLUS+3 %～5 %QWY 来进行堵漏，其中PLUS 为增黏悬浮剂，QWY 为多种粒径复合的碳酸钙。