煤層氣井防傷害鉆井液技術(shù)

吳員+呂帥鋒

摘 要：煤層氣井鉆井過(guò)程中，鉆井液往往對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性造成傷害，進(jìn)而影響產(chǎn)氣量。在安全鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上為了最大程度減小儲(chǔ)層傷害，研發(fā)了生物酶可降解鉆井液體系。可降解聚合物鉆井液在山西的U型井和L型井已有試用成功案例，有望擇機(jī)在新疆順煤層井進(jìn)行應(yīng)用，以期減小儲(chǔ)層傷害，提高產(chǎn)氣量。

關(guān)鍵詞：煤層氣井；可降解聚合物鉆井液；煤儲(chǔ)層保護(hù)；清除污染

引言

近年來(lái)順煤層L型井已成為煤層氣開(kāi)發(fā)的主力井型。目前，迫切需要研究和發(fā)展相應(yīng)的L型煤層氣井鉆井液技術(shù)，保證大位移的順煤層井安全鉆進(jìn)，同時(shí)減小儲(chǔ)層污染。

可降解聚合物鉆井液，在煤層中鉆進(jìn)時(shí)能夠形成薄而堅(jiān)韌的泥皮，鉆井前期起成膜護(hù)壁作用，同時(shí)能夠有效懸浮鉆屑，后期采取一定的降解措施，能夠降低聚合物對(duì)煤儲(chǔ)層的污染，解除泥皮的堵塞作用，保護(hù)儲(chǔ)層。

1 鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害

1.1 煤儲(chǔ)層傷害機(jī)理

鉆井過(guò)程中鉆井液對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害是多方面的[1-2]，但煤儲(chǔ)層自身性質(zhì)是主要因素，而煤儲(chǔ)層被鉆井液污染結(jié)果直觀體現(xiàn)在煤儲(chǔ)層滲透性的降低。

首先，鉆井液中固相顆粒會(huì)充填和堵塞煤層大裂隙系統(tǒng)。固相微粒如粘土、堵漏材料等的流動(dòng)、運(yùn)移，在煤儲(chǔ)層裂隙通道變窄或流速減低時(shí)，單個(gè)或多個(gè)微粒在孔喉處發(fā)生堵塞，造成煤層氣儲(chǔ)層滲透率下降。其次，鉆井液液相或者濾液與儲(chǔ)層巖性、儲(chǔ)層流體不配伍也會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害，包括水敏性傷害、堿敏性傷害和無(wú)機(jī)垢、有機(jī)垢堵塞等。再次，大量研究表明使用常規(guī)的鉆井液，液柱與地層之間勢(shì)必產(chǎn)生壓差，鉆井液濾液侵入儲(chǔ)層，由于毛細(xì)管阻力的存在，濾液很難被較小的儲(chǔ)層壓力驅(qū)排開(kāi)，進(jìn)而造成水鎖傷害。最后，煤儲(chǔ)層孔隙變形具有塑性變形的特征，儲(chǔ)層裂隙在壓力差下會(huì)一定程度的閉合，裂隙閉合后在卸壓過(guò)程中不易恢復(fù)張開(kāi)，在較大外力作用下滲透率會(huì)大大降低。

1.2 鉆井液基本要求

降低對(duì)煤儲(chǔ)層的損害，對(duì)裂隙發(fā)育且較敏感的煤儲(chǔ)層，要將鉆井液的傷害降至最低，保證產(chǎn)氣通道順暢。可見(jiàn)，在煤層氣水平井鉆進(jìn)時(shí)，要求鉆井液具有一定的粘度和切力，在前期能夠成膜護(hù)壁和排出鉆屑，同時(shí)鉆井液密度低、易降解，在后期能夠有效解堵，清除儲(chǔ)層污染。

2 可降解鉆井液防傷害原理

2.1 可降解鉆井液組成

可降解鉆井液主要由骨架支撐劑、提粘劑、降失水劑、流型調(diào)節(jié)劑、抑制劑、防水鎖劑和酸堿調(diào)節(jié)劑以及降解劑組成。該體系中，骨架支撐劑多為優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土、超細(xì)碳酸鈣，具有超細(xì)粒、穩(wěn)定分散特點(diǎn)。提粘劑為分子量較大的有機(jī)處理劑，如高粘羧甲基纖維素、高粘聚陰離子纖維素、瓜爾膠，能夠與骨架成膜劑結(jié)合鏈接形成網(wǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)。降濾失劑是一類(lèi)具有較小分子量的有機(jī)處理劑，多為低粘羧甲基纖維素、低粘聚陰離子纖維素、改性淀粉充填于骨架成膜劑與提粘劑形成的網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙更小，能夠有效阻止自由水和小分子物質(zhì)的透過(guò)，減小失水量。流型調(diào)節(jié)劑多為高分子聚合物，如田菁膠、黃原膠等具高效特點(diǎn)，能夠有效改變鉆井液的粘度、切力等參數(shù)。抑制劑為鉀銨鹽類(lèi)無(wú)機(jī)鹽，增加鉆井液中陽(yáng)離子含量從而抑制敏感性泥頁(yè)巖地層分散水化。防水鎖劑多為表面活性劑，如聚合醇、十二烷基二甲基甜菜堿等，能夠降低毛細(xì)管阻力，有利于工作液體的返排。降解劑在本研究中主要指生物酶，通過(guò)催化原理能夠使聚合物分子通過(guò)斷鏈方式降解為分子量更小的物質(zhì)，使鉆井液粘度大幅降低。酸堿調(diào)節(jié)劑，能夠調(diào)節(jié)和控制鉆井液的酸堿度，進(jìn)而控制生物酶的降解速率和改善地層。

2.2 防傷害原理

生物酶是具有特殊催化功能的蛋白質(zhì)，具有高效性和專(zhuān)一性。生物酶通過(guò)破壞有機(jī)物中相應(yīng)的化學(xué)鍵使有機(jī)物分子鏈斷裂，使有機(jī)物分子分為多個(gè)分子量更小的分子。但是，生物酶的反應(yīng)條件較為苛刻，溫度、酸堿度以及底物條件等環(huán)境窗口較為狹窄，超出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件，生物酶可能失去活性，失去催化作用。

基于生物酶能夠催化有機(jī)化合物的原理，利用生物酶在一定的外界條件下來(lái)降解鉆井液中的聚合物分子，低鉆井液粘度，使得返排期煤儲(chǔ)層中的污染物易清除，達(dá)到防止儲(chǔ)層傷害的目的。在聚合物鉆井液體系的配方中，主要配料提粘劑、降濾失劑和流型調(diào)節(jié)劑均為聚合物處理劑，聚合物是通過(guò)小分子的單體通過(guò)化學(xué)鍵重復(fù)連接而成。選擇對(duì)應(yīng)的生物酶，控制溫度、pH以及處理劑濃度等因素，鉆井液中相應(yīng)聚合物分子的化學(xué)鍵能夠被破壞，構(gòu)成鉆井液中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也就被拆分打散，形成聚合度較低的分子甚至單體，這樣鉆井液的粘度得到降低。其中，纖維素類(lèi)聚合物可以被纖維素酶降解，改性淀粉以及田菁膠等多糖類(lèi)聚合物能夠被多糖酶一類(lèi)的生物酶降解。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

可降解聚合物鉆井液在山西煤層氣井鉆井過(guò)程中已有應(yīng)用，其中不乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)較為成功的案例。在山西壽陽(yáng)七元煤礦瓦斯治理與煤層氣開(kāi)發(fā)利用中[3]，先后成功應(yīng)用于6口U型水平井三開(kāi)煤層水平段，且使用可降解聚合物鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，井下未發(fā)生任何井下復(fù)雜事故，鉆井過(guò)程鉆井液漏斗粘度保持不低于40s。潘莊區(qū)塊X-2井鉆取目的煤層為太原組15號(hào)煤層，在三開(kāi)段鉆至煤層時(shí)使用微固相聚合物鉆井液體系，鉆至三開(kāi)煤層中段和末段，將淀粉酶、纖維素酶和復(fù)合酶三種酶的混合物，配成水溶液在攪拌狀態(tài)下倒入泥漿罐。同時(shí)取泥漿罐中鉆井液樣品放在室內(nèi)定時(shí)測(cè)試其粘度變化。鉆井末段鉆井液樣品表觀粘度從10mPa·s降低到6mPa·s[4]。目前新疆煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，L型井能夠適應(yīng)新疆大傾角煤層，逐漸發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，考慮到順煤層段要最大程度減小儲(chǔ)層傷害，將擇機(jī)在新疆煤層氣井鉆井中試用可降解聚合物鉆井液。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）鉆井過(guò)程中，鉆井液中固相顆粒充填和堵塞煤層裂隙、鉆井液濾液與儲(chǔ)層流體不配伍、水鎖效應(yīng)以及高密度造成的較大壓差都會(huì)造成儲(chǔ)層傷害，使煤儲(chǔ)層滲透性降低。

（2）可降解聚合物鉆井液體系利用生物酶作為降解劑，保證煤層氣順層井安全鉆進(jìn)的同時(shí)，有利于鉆井液殘留物的返排和儲(chǔ)層保護(hù)。

（3）可降解聚合物鉆井液在山西已有試用成功案例，有望擇機(jī)在新疆順煤層井得到應(yīng)用，以期減小儲(chǔ)層傷害，提高產(chǎn)氣量。

參考文獻(xiàn)

[1]呂帥鋒，王生維，烏效鳴，等.沁水盆地煤層氣井鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].中國(guó)煤層氣，2016，13（5）：44-47.

[2]岳前升，鄒來(lái)方，蔣光忠，等.煤層氣水平井鉆井過(guò)程儲(chǔ)層損害機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（1）：91-95.

[3]盧國(guó)軍，劉彬，王力，等.中國(guó)煤層氣儲(chǔ)層傷害分析及鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)研究現(xiàn)狀[J].煤田地質(zhì)與勘探，2016，44（2）：121-126.

[4]呂帥鋒，王生維，烏效鳴，等.順煤層鉆進(jìn)可降解聚合物鉆井液[J].鉆井液與完井液，2016，33（4）：20-26.

作者簡(jiǎn)介：吳員，男，工程師，碩士，主要從事煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)研究。