柿莊南區塊煤層氣低密度玻璃微球鉆井液現場應用

侯巖波 劉 彬 王 力 柳永博

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

柿莊南區塊煤層氣低密度玻璃微球鉆井液現場應用

侯巖波 劉 彬 王 力 柳永博

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

柿莊南區塊位于沁水盆地東南部，沁水復向斜東翼南部轉折端，目的層位是山西組3號煤層。該井一開采用清水鉆井液，二開至下是盒子段采用聚合物鉆井液，山西組為保護煤層采用中空玻璃微球鉆井液。現場應用過程中，密度0.92～0.95g/cm3，漏斗黏度35～45s，利用玻璃微球降密度、增粘劑提粘切、降濾失劑降失水，保證鉆井液低密度、強粘切和低失水的特點，漏失速率控制在0.5m3/h以內。現場應用 SX-177、SX-181井組十余口井，平均機械鉆速18.4m/h，平均建井周期20.18d，比設計周期 (30d) 縮短了9.82d。

柿莊南 玻璃微球 欠平衡鉆井 煤層氣井 防漏堵漏

SX-177、SX-181井組位于沁水盆地東南部，沁水復向斜東翼南部轉折端，該區塊井自上而下依次鉆遇第四系、三疊系、二疊系和石炭系，其中二疊系山西組為主要含煤層，由砂巖、粉砂及泥巖組成，含煤四層，3號煤較厚，為目的煤層，厚度約6m，該層漏失嚴重，易坍塌掉塊。該井一開φ244.5mm 鉆頭，采 用清 水 鉆井 液;二 開φ139.7mm鉆頭，從劉家溝組至下是盒子段采用聚合物鉆井液，山西組為保護煤層采用中空玻璃微球鉆井液，克服了臨井漏失嚴重的難題，順利完井。

1 技術難點

(1)山西組3號煤層裂縫發育，目的層由砂巖、粉砂及泥巖組成，易發生漏失。一般粒度越細的砂巖，裂縫越發育，導致該層位產生大量原生性裂縫，加上煤層自身地層壓力較低，鉆進過程中漏失嚴重。

(2)鉆井過程中，鉆井液浸泡井壁導致井壁失穩問題。煤巖的彈性模量較低，抗壓和抗拉強度小，脆性大，膠結差。定向井鉆進過程，在煤層段，由于受上覆巖層壓力、靜液柱壓力和較低的孔隙壓力的作用下，煤巖完全失去了原有的力學平衡，稍加一點外力作用就會引起坍塌。二開鉆進過程中，地層長期浸泡在鉆井液中，井壁易坍塌失穩。

(3)井眼的高效攜巖問題。采用清水鉆井液和聚合物能夠充分發揮水馬力作用，但是攜巖能力差。如何保證鉆井液鉆井液的攜巖能力將成為鉆井能否順利進行的重要問題。

(4)裸眼井段的潤滑降摩阻問題。目標層屬易漏失、坍塌井段，為防止發生卡鉆事故，頻繁起下鉆，破壞了均質井壁的形成，導致鉆進過程不易形成泥餅，造成潤滑性差，摩阻增大，不利于井下安全。

(5)現場設備簡陋的問題。鉆井過程中，對地下情況預測不準，出現惡性漏失地層時，由于缺少儲存鉆井液的泥漿罐，很難及時判斷地層漏失情況;同時，高速鉆進過程，固控設備不能及時控制泥漿中固相含量，使鉆井液密度升高，液柱壓力增加，容易壓漏地層。

2 問題解決思路和方案

針對現場施工難點，結合低密度玻璃微球鉆井液特點，對SX-177、SX-181井組等十余口井采用低密度玻璃微球鉆井液欠平衡鉆進。

2.1 利用低密度玻璃微球鉆井液的防漏堵漏能力控制地層漏失

低密度玻璃微球鉆井液由聚合物彈性微球、超低滲透處理劑、降濾失劑、增粘降失水劑、表面活性劑等組成。體系主要通過玻璃微球降密度和大分子降濾失劑減少鉆井液的地層漏失。

(1)中空玻璃微球是一種單胞堿石灰硅酸硼類材料，外觀為白色粉末，呈化學惰性，抗高溫高壓，形成的鉆井液密度低，可降至0.6～1.0 g/cm3之間，工藝簡單，風險小，儲層保護效果好，完全能滿足低壓煤層氣井及欠平衡鉆、完井施工。實驗室選擇密度為0.37～0.45 g/cm3的玻璃微球，在膨潤土漿 (400mL水+3%膨潤土+0.015%純堿)中進行實驗鉆井液流變性及失水量見表1。

表1鉆井液隨玻璃微球加量性能變化情況

通過表1可以看出隨著玻璃微球加量的增加密度、失水量、塑性黏度和動切力的降幅逐漸減少，通過加入玻璃微球密度可以控制在0.90～0.93 g/cm3之間，塑性黏度33～45 mPa·s，動切力3.2～3.9 Pa。玻璃微球在加入到膨潤土中后，密度控制在0.90～0.93 g/cm3，明顯降低了鉆井液的密度，實現了欠平衡鉆井，降低鉆井液進入地層。同時，對裂縫地層，玻璃微珠通過自身的結構作為骨架，實現剛性封堵裂縫，為順利形成泥餅提供條件。

(2)低密度玻璃微球鉆井液由多種大分子構成，其中超低滲透處理劑和增粘降失水劑主要起調節流型和降失水的作用;降濾失劑起降失水作用;這些處理劑以大分子之間的連接作用，配合膨潤土形成致密、光滑的泥餅，很好的降低了鉆井液進入地層的可能性。

2.2 利用高分子處理劑提高鉆井液性能

低密度玻璃微球鉆井液中含有部分高分子處理劑，通過高分子處理劑的連接作用增強鉆井液的黏度，改善鉆井液的流變性，增強懸浮巖屑能力;表面活性劑，改善潤滑性，降低摩阻。

(1)玻璃微珠不止能夠降低鉆井液密度，同時對鉆井液的黏度增長也起到一定作用。如表1所示，隨著玻璃微珠加量不斷增加，鉆井液的黏度和動切力都有不同程度的增長，由此可見，玻璃微珠的加入有利于鉆井液懸浮巖屑。

(2)增粘降濾失劑作為一種大分子，除了能夠起到降低濾失量的作用外，由于自身大分子結構，本身能夠相互連接，配合膨潤土及其他處理劑，形成網狀結構，改善了流變性，很大程度上提高了動塑比，有效攜巖能力，及時除去有害固相，保證井眼清潔。

(3)表面活性劑在體系中一方面可以降低鉆井液密度，另一方面可以作為潤滑劑在鉆柱和井壁之間形成一層吸附膜，形成光滑泥餅，有效降低摩擦阻力，具有良好的潤滑性。

3 現場應用情況

低密度玻璃微球鉆井液，現場應用SX-177、SX-181井組十余口井，平均機械鉆速18.4m/h，平均建井周期20.18d，比設計周期 (30d)縮短了9.82d。下面以SX-177X1井為例，介紹鉆井液在現場應用情況。

3.1 低密度玻璃微球鉆井液配方

該區塊煤層氣井平均井深1000m左右，進入下石盒子組后，距離煤層100m開始配置使用低密度玻璃微球鉆井液，配方如下:

聚合物鉆井液 +0.2% ～0.3%純堿 +0.6% ～0.8%降失水劑+0.5% ～0.7%增粘降失水劑+1%～2%超低滲透處理劑+4% ～10%聚合物彈性微球+0.4% ～1%表面活性劑

二開順利鉆進，進入下石盒子組 (1130m)后，開始轉換泥漿，逐漸提高黏度、切力和懸浮能力，降失水，加入土粉2t，純堿120kg，降失水劑400kg，增粘降失水劑300kg，超低滲透處理劑1t，聚合物彈性微球 2.1t，密度 1.03g/cm3，粘度 39s，失水 9.0ml，泥餅 0.4mm，PH 為 8.5，動切力 6s，塑性粘度18mPa·s。

表2 低密度玻璃微球鉆井液應用井段性能情況

3.2 現場施工及維護

在發現“桃花泥巖”層位后，大約距頂板100m處，進一步調節泥漿性能，1180m開始加400kg表面活性劑，2t中空玻璃微球，后在1247.20m 進入煤層，密度為 0.95 g/cm3，粘度39s，失水5.0mL，泥餅0.4mm，PH 為8，動切力6s，塑性粘度17mPa·s，煤層厚度為6.9m。由于本井130m左右有水侵現象，為順利鉆進，對鉆井液不斷維護，加入土粉0.5t，純堿40kg，降失水劑100kg，增粘降失水劑200kg，保持粘度、切力和懸浮能力，降低失水，井深1300m。完井泥漿性能:密度0.98 g/cm3，粘度 36s，失水 9.0mL，泥餅0.4mm，動切力6s，塑性粘度18mPa·s。

3.3 現場存在問題

(1)玻璃微球作為減輕劑在鉆進過程中，在管柱、鉆頭和井筒循環過程，玻璃微球容易破碎，導致鉆井液密度變高，體系穩定性變差，影響了鉆井液實現低密度鉆進的目的。

(2)目標井在130m處有水侵現象，鉆井過程導致低密度鉆井液密度上升，濾失量增大，嚴重影響鉆井液性能的穩定性。

(3)煤層氣鉆井現場設備簡陋，缺少儲層泥漿的泥漿罐，對于地層漏失及地層出水判斷缺乏準確的認識，導致鉆井液性能性能控制不準確。

［1］冀濤，楊德義.沁水盆地煤層氣地質條件評價［J］.煤炭工程，2007，(10):83-86.

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［3］張高波，史沛謙，何國軍，等.高溫抗鹽濾失劑SPX樹枝 ［J］.鉆井液與完井液，2001，2(18):1-5.

［4］車現紅，徐妙俠，王樹坤，等.一種可循環泡沫鉆井液體系研究［J］.西南石油大學學報 (自然科學版)，2010，5(32):141-145.

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Application of Low Density Glass Microspheres Fluid for CBM Well in Shizhuangnan Block

HOU Yanbo，LIU Bin，WANG Li，LIU Yongbo
(Shanxi Branch of China United Coalbed Methane Co，Ltd.，Shanxi 048000)

The Shizhuangnan block is located in the southeast of Qinshui basin，the juncture of the Qinshui synclinorium，with the pay zones of No.3 coal seam of Shanxi Formation.In the first interval，fresh water is applied，in the second interval，first of all，polymer drilling fluid is used，and then，hollow glass microsphere drilling fluid is applied.By using the drilling fluid in the well，the density covers from 0.92/cm3to 0.95 g/cm3，the viscosity is from 35s to 45s.The fluid can keep the hole mechanics stability by using hollow glass microsphere reducing density，controlling rheology behavior by thickening agent，developing filter cake by raising filtrate reducer agent.All of those agents can keep the fluid low density，strong shear force and the loss rate can be controlled within 0.5m3/h.The fluid is applied in more ten wells such as SX-177，SX-181.The average ROP is 18.4m/h，and the average completed well construction cycle is 20.18d，which is shorter 9.82d than the design cycle.

Shizhuangnan;glass microsphere;unbalanced drilling;CBM well;mud loss control

侯巖波，男，碩士研究生，工程師，主要從事煤層氣勘探開發管理工作。

(責任編輯 黃 嵐)