可降解清潔鉆井液的研究及現場應用

許朋琛， 陳寧， 胡景東， 陳必武， 王麗麗， 滑志超， 桑軍元（.中國石油集團渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘0655；. 中國石油華北油田煤層氣分公司，山西晉城048000）

可降解清潔鉆井液的研究及現場應用

許朋琛1， 陳寧1， 胡景東1， 陳必武2， 王麗麗1， 滑志超1， 桑軍元1
（1.中國石油集團渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘062552；2. 中國石油華北油田煤層氣分公司，山西晉城048000）

許朋琛，陳寧，胡景東，等.可降解清潔鉆井液的研究及現場應用[J].鉆井液與完井液，2017，34（3）：27-32.

XU Pengchen，CHEN Ning，HU Jingdong，et al.Study and field application of degradable clear drilling fluid[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（3）：27-32.

針對煤層氣井鉆井過程中鉆井安全和煤層保護之間的矛盾問題，研制了鉆井液用提切劑BZ-2和固膜劑GMJ，并以此為核心開發了可降解清潔鉆井液體系。對BZ-2和GMJ的抑制性、流變性、殘渣量及對巖心強度的影響等性能進行了評價。實驗結果表明，該體系的頁巖回收率為93.5%；流變性好，動塑比達到0.93 Pa/mPas，初切、終切、動切力分別為2.5、3.0、20.5 Pa；API濾失量控制在12 mL以內，殘渣量為4.5 mg/L，巖心強度增加了16.7%。該體系已在山西沁水盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區塊4口井進行試驗。試驗效果表明，其解決了該區塊多分支水平井的鉆井安全和煤層保護問題，日產氣量較鄰井提高了2倍以上，測算穩定產氣量在3 000～5 000 m3/d，具有較好的推廣應用前景。

煤層氣井鉆井液；防止地層損害；無固相鉆井液；可降解；封堵造壁性

煤層膠結疏松、結構不強、易破碎是煤層氣鉆井中的難點問題[1]，其鉆井方式、工藝、鉆井液和完井方式的選用都與常規油氣井明顯不同[2-3]。其井眼穩定和煤層保護之間的矛盾仍十分突出[4-6]，傳統的煤層氣井鉆井液均含有膨潤土等固相顆粒或聚合物類處理劑，而聚合物類處理劑通過吸附、機

械捕集及物理堵塞等方式對儲層造成損害[7-9]，并且聚合物不易破膠，與膨潤土黏著，形成大顆粒膨潤土膠粒。加之膨潤土與膨潤土膠團水化膨脹后，其粒徑遠大于煤層氣儲層的裂縫和孔喉直徑，極易引起堵塞，對儲層造成傷害，導致后期排采困難，目前，還無法徹底地解決現有煤層鉆井液的破膠問題。針對煤層井壁失穩[10-13]和煤層損害[14-15]的問題，開發了一種可降解清潔鉆井液體系。該體系不含固相，僅由清水和低分子量聚合物組成，具有低密度、無固相、可降解的特點；在少量破膠劑的作用下，體系中低分子量聚合物處理劑，被降解為小分子化合物，不會對煤層裂隙和孔喉造成堵塞，有利于保護儲層[16-17]；降解后的鉆井液易于返排，能夠滿足煤層安全、清潔高效鉆井的需要。

1 核心處理劑性能評價

提切劑和固膜劑是可降解清潔鉆井液中的核心處理劑。通過與國外同類煤層氣鉆井液提切劑產品的室內對比實驗，評價了提切劑BZ-2的提切性能、殘渣量和抑制性；通過單軸強度破壞實驗，評價了固膜劑GMJ對巖心強度的影響[18-21]。

1.1 BZ-2的提切性能

選用國外具有代表性的煤層鉆井液處理劑QJ-12 ，與BZ-2進行提切能力對比實驗，測試了BZ-2與QJ-12在清水及2%膨潤土基漿中的提切效果，結果見表1和表2。

表1 0.7%不同提切劑在清水中的提切效果

表2 0.7%不同提切劑在2%膨潤土基漿中的提切效果

由表1可知，雖然在常溫清水中BZ-2的加量只有0.7%，但動切力、靜切力提升非常明顯，與QJ-12相當；動塑比高于QJ-12；表觀黏度和塑性黏度均低于QJ-12，表現出更好的流動性；在120 ℃下熱滾16 h后，QJ-12和BZ-2均發生降解，無提切作用。由表2可知，常溫下，在2%基漿中BZ-2的表觀黏度和塑性黏度均低于QJ-12，說明BZ-2的流變性優于QJ-12；120 ℃熱滾16 h后，在2%基漿中BZ-2的初切為3.0 Pa、終切為4.5 Pa，而QJ-12的初切為2.5 Pa、終切為3.0 Pa，說明在2%基漿中BZ-2形成了比較好的結構。

1.2 BZ-2的殘渣含量

配制0.6%BZ-2、0.6%瓜膠各400 mL，分別加入0.1 g過硫酸銨，在60 ℃水浴中破膠1 h，取3次破膠液殘渣含量的平均值。由實驗結果可知，BZ-2的殘渣平均值為4.5 mg/L，瓜膠的殘渣平均值為302.6 mg/L。參照SY/T 5358—2010和SY/T 5107—2005的行業標準可知，與后期壓裂所使用的瓜膠壓裂液對比，BZ-2降解后的殘渣不會對煤層氣儲層造成堵塞傷害。

圖1 不同提切劑破膠后殘渣含量

1.3 BZ-2的抑制性

煤層氣井所鉆遇巖層膠結強度低，并且具有一定的水化膨脹性[21-23]。提切劑BZ-2通過多個極性基團吸附在頁巖上，形成保護膜，防止鉆井液濾液侵入，阻止泥頁巖的水化膨脹，保護煤層氣儲層。使用山西鄭莊區塊的頁巖，稱取10g粒徑為0.145 mm巖屑，進行頁巖膨脹率實驗，結果見圖2。由圖2可知，前50 min，3組頁巖膨脹速率增速均較快，清水增速最快，QJ-12略高于BZ-2；在50～100 min的時間段里，清水的膨脹高度明顯高于QJ-12和BZ-2；隨著膨脹時間的增加，100 min以后，QJ-12的膨脹增幅速率仍大于BZ-2，但2者膨脹高度增量明顯放緩并趨于穩定，說明QJ-12和BZ-2對頁巖起到有效的抑制膨脹作用。但BZ-2的頁巖膨脹抑制效果優于QJ-12。

圖2 提切劑BZ-2與QJ-12的抑制頁巖膨脹性能

1.4 固膜劑GMJ對巖心強度的影響

取各項指標基本相同的2塊人造巖心（巖心中含20%膨潤土），一塊浸入0.5%的固膜劑溶液中，并在120 ℃下熱滾16 h，另一塊不作處理，作為空白對比，對2塊巖心進行單軸破壞實驗，考察固膜劑對巖心力學參數的影響，結果見表3。由表3可以看出，固膜劑形成的保護膜，使巖心強度提高了16.7%。這是因為固膜劑在泥頁巖近表面吸附固化，形成一層致密、光滑、韌性良好的“保護膜”，該膜具有一定的強度，通過隔離水分子與泥巖表面，從而起到防止泥巖水化的作用。

表3 固膜劑GMJ對巖心力學參數的影響

2 可降解清潔鉆井液性能評價

以提切劑BZ-2和固膜劑GMJ為核心處理劑，優選成膜劑CMJ-1、強膜劑QMJ-Ⅱ和降濾失劑JL-1等配伍處理劑，對可降解清潔鉆井液體系的流變性、抑制性和破膠能力進行實驗評價。

2.1 基本性能

可降解清潔鉆井液體系基本性能見表4，其中壓濾餅見圖3。由表4和圖3可知，體系經過50 ℃，16 h老化，熱滾前后的黏度、動切力等參數均保持穩定，動塑比在老化前后都在0.9 mPas以上，說明該體系具有良好的流變穩定性；同時體系在老化前后的濾失量均在12 mL以下，具有良好的造壁性。鉆井液配方如下。

清水+2%GMJ+2%CMJ-1+2%QMJ-Ⅱ+1%JL-1+ 0.7%BZ-2

表4 可降解無固相清潔聚膜鉆井液的基本性能

圖3 可降解清潔鉆井液濾餅熱滾前后的中壓濾餅圖

2.2 抑制性能

選用鄭試76-1-3井的鉆屑，依據SY/T 6335—1997進行滾動回收率實驗。在120 ℃熱滾16 h，測得清水的滾動回收率為4.0%，可降解清潔鉆井液的滾動回收率為93.5%。頁巖線性膨脹實驗見圖4。由圖4可知，頁巖在該鉆井液中滾動回收后的巖屑斷面和棱角都清晰可見，說明該體系能抑制頁巖的水化膨脹，有利于井眼穩定和儲層保護。

圖4 清水和可降解清潔鉆井液滾動回收后的巖屑外觀

2.3 破膠性能

將破膠劑配制成30%溶液，按照鉆井液膠液總體積的5%加入破膠劑溶液，然后在45 ℃水浴中放置，觀察體系的破膠情況，結果見表5和圖5。

表5 可降解無固相清潔聚膜鉆井液的破膠率

圖5 可降解清潔鉆井液體系破膠不同時間后的狀態

由表5和圖5可知，加入破膠劑溶液后0.5 h體系開始破膠，體系膠液和水開始分層；0.5 h后出現絮狀沉淀；1 h后絮狀沉淀大量減少；隨時間延長至3 h后，破膠液顏色變清、可見微量絮狀沉淀；16 h后絮狀沉淀不可見，破膠液顏色清亮、透明。

3 現場應用

3.1 鉆井液維護工藝

1） 鉆進至煤層著陸點后，徹底清洗地面循環罐，按設計配方配制膠液，充分攪拌均勻，替出井眼內原鉆井液，一次性轉化成可降解清潔鉆井液體系，配方如下。

清水+2%GMJ+2%CMJ-1+2%QMJ-Ⅱ+1%JL-1+ 0.7%BZ-2

2）鉆進過程中采用等濃度法維護處理，保持各種處理劑的有效含量，加強固控設備的使用，有效清除有害固相，保證鉆井液具有合理的動塑比，有利于提高攜砂能力。

3）分支破膠。每鉆完一個分支，充分循環可降解清潔鉆井液至井眼干凈，用2 m3前置液（清水）、2.5%破膠劑溶液、2 m3后置液（清水）頂替破膠液到目標井段。

4）主支破膠。鉆穿分級箍以后，將孔徑為0.125 mm的振動篩篩布更換為孔徑為0.076 mm的振動篩篩布，徹底清洗泥漿池、循環泵、上水系統，用清水將井筒內鉆井液頂替干凈并循環6 h；然后用2.5%破膠劑溶液頂替出井眼的清水。

3.2 現場應用效果

山西省沁水盆地鄭莊區塊的煤層整體較破碎，構造裂隙發育[16-17]，施工難度大。采用可降解清潔鉆井液體系在鄭莊區塊的鄭試34平1、鄭試34平2、鄭試79平1和鄭試79平2井進行了現場試驗。這4口井均為六分支水平井，主支水平段長1 000 m，每個分支長約200～300 m，單口井合計煤層水平段平均長2 500 m左右，實際完成煤層鉆井進尺103 110 m。

鉆井過程中無復雜事故，鉆井液具有良好的流變性和造壁性，動塑比達到0.6 Pa/mPas以上，具有良好的井眼清潔能力。振動篩返砂正常，無掉塊垮塌現象，井眼清潔，短程起下鉆順利，井眼穩定性強；脫氣快，泥漿泵上水好，不影響定向作業信號且定向容易，鉆井液潤滑性好，鉆井速度快，鉆進期間鉆井液性能參數如表6所示。

表6 可降解清潔鉆井液體系在鄭試區塊的應用性能

應用可降解清潔鉆井液，減少了固相和外來流體對儲層的損害，在完井后對鉆井液進行破膠降解，體系黏度迅速下降，經過充分循環洗井與破膠液浸泡，疏通近井壁輸氣通道，破膠后殘渣量低，有利于返排[18-25]。各施工井的日產氣量對比見表7。由表7可知，應用可降解清潔鉆井液體系的4口井產氣量均超過了應用常規鉆井液體系井的產氣量，達到產氣量在1 000 m3/d左右，較鄰井提高了2倍以上，并且產水量也小于對比井。目前還保持較高的套壓，據測算穩定的產氣量在3 000～5 000 m3/d。

表7 鄭試區塊施工井日產氣統計與對比表

4 結論

1. 提切劑BZ-2溶液流變參數與國外代表性煤層處理劑QJ-12溶液相當，而BZ-2抑制頁巖水化膨脹的能力和低殘渣含量均優于QJ-12，更有利于保護儲層。

2. 固膜劑GMJ可提高泥頁巖被水浸泡后的膠結強度，有利于煤層鉆井施工的安全。

3. 可降解清潔鉆井液體系的配制維護工藝簡單，能很好地滿足煤層氣水平井及多分支水平井對井眼穩定、潤滑和攜巖性能的要求。

4. 可降解清潔鉆井液體系能實現快速有效地破膠，對儲層損害小，破膠降解后，應用井產氣量較常規鉆井液施工井提高2倍以上。

[1]張衛東， 孟慶春， 魏韋. 煤層氣勘探開發技術進展與展望[J]. 中國煤層氣， 2009，6（05）：11-13. ZHANG Weidong， MENG Qingchun， WEI Wei. Prospect of technology for exploration and development of CBM[J].China Coalbed Methane，2009，6（05）：11-13.

[2]岳前升， 鄒來方， 蔣光忠，等. 基于煤層氣可降解的羽狀水平井鉆井液室內研究[J]. 煤炭學報， 2010，35（10）：1692-1695. YUE Qiansheng， ZOU Laifang， JIANG Guangzhong，et al. Laboratory research on degradable drilling fluid for pinnate horizontal well based on coalbed methane [J]. Journal of China Coal Society， 2010，35（10）：1692-1695.

[3]蔡記華， 劉浩， 陳宇，等. 煤層氣水平井可降解鉆井液體系研究[J]. 煤炭學報， 2011，36（ 10） ：1683-1688. CAI Jihua， LIU Hao， CHEN Yu， et al. Study on degradable drilling fluid system for coalbed methane horizontal drilling [J]. Journal of China Coal Society，2011， 36（ 10） ：1683-1688.

[4]杜鶴， 張遂安， 徐代才，等. 煤層氣多分支水平井防塌可降解屏蔽暫堵鉆井液研究[J]. 中國煤層氣， 2010， 7（1）： 30-33， 41. DU He， ZHANG Suian， XU Daicai， et al. Study on antisloughing，degradable and temporary plugging drilling fluid in CBM multi-laterals horizontal well[J]. China Coalbed Methane， 2010， 7（1）： 30-33， 41.

[5]鄭力會，孟尚志，曹園，等. 絨囊鉆井液控制煤層氣儲層傷害室內研究[J]. 煤炭學報， 2010， 35（ 3）：339-442. ZHENG Lihui， MENG Shangzhi， CAO Yuan， et al. Laboratory studies on control coal bed methane formation damage by Fuzzy-Ball based drilling fluids [J].Journal of China Coal， 2010， 35（ 3）：339-442.

[6]凡帆 ，鄭玉輝， 呂海燕，等. 寧武盆地煤層氣儲層敏感性研究及鉆井液技術[J]. 鉆井液與完井液， 2016， 33（1）： 48-51. FAN Fan，ZHENG Yuhui ，LYU Haiyan，et al. Study on coalbed methane reservoir sensitivity in ningwu basin and drill-in fluid technology[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2016， 33（1）： 48-51.

[7]胡祖彪，王清臣，陳廷廷. 基于現有固控設備的廢鉆井液處理及利用技術[J].鉆井液與完井液，2017，34（1）： 92-95. HU Zubiao， WANG Qingchen，CHEN Tingting. The treatment and utilization of waste drilling fluid based on existing solid control equipment[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017 ，34（ 1）：92-95.

[8]黃維安， 邱正松， 王彥祺，等. 煤層氣儲層損害機理與保護鉆井液的研究[J].煤炭學報， 2012， 37（10）：1717-1721. HUANG Weian， QIU Zhengsong， WANG Yanqi， et al. Study on damage mechanism and protection drilling fluid for coalbed methane [J].Journal of China Coal Society，2012， 37（10）：1717-1721.

[9]張崇，任冠龍，曾春珉，等.文昌氣田抗170 ℃無固相鉆井液技術[J].鉆井液與完井液，2015，32（ 1）：22-25，29. ZHANG Chong， REN Guanlong， ZENG Chunmin，et al. Resistance to 170 ℃ solid free drilling fluid technology applied in wenchang gas field[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（ 1）：22-25，29.

[10]黃維安， 邱正松，楊力，等. 煤層氣鉆井井壁失穩機理及防塌鉆井液技術[J]. 煤田地質與勘探， 2013， 41（2）：37-41. HUANG Weian， QIU Zhengsong，YANG Li， et al. Instability mechanism of sidewall and anti-sloughing drilling fluid techniquefor coalbed methane well drilling [J]. Coal Geology & Exploration， 2013， 41（2）：37-41.

[11]QU Ping， SHEN Ruichen， FU Li， et al. Time delay effect due to pore pressure changes and existence of cleats on borehole stability in coal seam [J]. International Journal of Coal Geology， 2011，85（2）：212-218.

[12]劉建軍，劉曉棟，馬學勤，等.抗高溫耐鹽增黏劑及其無固相鉆井液體系研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（ 2）： 5-11. LIU Jianjun， LIU Xiaodong， MA Xueqin，et al. The study of anti-high temperature salt- resisting adhesion agent and its non-solid-phase drilling fluid system[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2016，33（ 2）：5-11. [13]PUSPITASARI R，GAN T，PALLIKATHEKATHIL Z J，et al. Wellbore stability modelling for horizontal and multi-branch lateral wells in cbm: practical solution to better understand the uncertainty in rock strength and coal heterogeneity[C]//SPE Asia Pacific Oil & Gas Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers，2014.

[14]汪偉英， 肖娜， 黃磊， 等. 鉆井液侵入引起煤巖膨脹煤儲層的傷害[J]. 鉆井液與完井液， 2010， 27（3）：20-22. WANG Weiying， XIAO Na， HUANG Lei， et al. Damage in coal reservoir caused by swelling after drilling fluid invasion[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2010， 27（3）： 20-22.

[15]孟尚志， 張志珩， 趙軍. 絨囊鉆井液在煤層氣水平井穩定井壁技術的應用[J]. 鉆井液與完井液， 2014， 31（3）：35-38. MENG Shangzhi， ZHANG Zhihang， ZHAO Jun. Application of chorionicdrilling fluid in stabilizing borehole wall in horizontal coal bedmethane drilling [J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2014， 31（3）：35-38.

[16]崔金榜， 陳必武， 顏生鵬. 沁水盆地在用煤層氣鉆井液傷害沁水3#煤巖室內評價[J]. 石油鉆采工藝， 2013，35（4）： 47-50. CUI Jinbang， CHEN Biwu， YAN Shengpeng， et al. Lab evaluation on formation damage of No.3 coalbed methane reservoir by drilling fluids in Qinshui Basin [J]. Oil Drilling and Production Technology， 2013， 35（4）：47-50.

[17]岳前升， 陳軍， 鄒來方，等. 沁水盆地基于儲層保護的煤層氣水平井鉆井液的研究[J]. 煤炭學報， 2012， 37（S2）： 416-419. YUE Qiansheng， CHEN Jun， ZOU Laifang， et al. Research on coalbed methane drilling fluid for horizontal well based on coal reservoir protection in Qinshui basin [J]. Journal of China Coal Society， 2012， 37（S2）：416-419.

[18]徐厚英，吳軍康，孫睿，等.生物聚醇鹽鉆井液體系的研究與應用[J].鉆井液與完井液， 2014， 31（ 5）：6-9. XU Houying，WU Junkang，SUN Rui，et al. Research and application of biological polyol salt drilling fluid system[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2014， 31（5）： 6-9.

[19]ADEL AL-ANSARI， AMR M ABUHAMED，MOUSTAFA EL BIALY，et al. Enhance drilling performance using an optimized mud fluid system through extensive laboratory testing[R]. Dammam， Saudi Arabia: Society of Petroleum Engineers， 2016.

[20]NELSON MCMILLAN D，ODD HALVARD LUNDE，RENATE MIKALSEN.Development and field application of an innovative, minimally damaging， low-ecd invert emulsion fluid for enhanced drilling and completion of hp/ ht wells[R]. Budapest， Hungary： Society of Petroleum Engineers，2015.

[21]MAHATO P K ， PRITHVI RAJ，BAHUGUNA V K . Development of non-damaging solid free polymer pill for controlling fluid loss in mumbai offshore[R]. Mumbai，India: Society of Petroleum Engineers，2017.

[22] PETER J BOUL ，SUHAIB ABDULQUDDOS ，CARL J THAEMLITZ. High performance brine viscosifiers for high temperatures.Manama[R]. Kingdom of bahrain: society of petroleum engineers ，2017.

[23] MOHAMED F，EL-AMIN，TAYEB BRAHIMI. Numerical modeling of magnetic nanoparticles transport in a two-phase flow in porous media[R]. Abu Dhabi, UAE: Society of Petroleum Engineers，2017.

[24]王曉軍.抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液研制與現場應用[J].石油鉆探技術，2016，44（2）：58-64. WANG Xiaojun. The development and application of solid-free micro-foam drilling fluid with temperature resistance and salt tolerance[J]. Petroleum Drilling Techniques，2016，44（2）：58-64.

[25]藍強. 疏水暫堵劑HTPA-1的研制及其性能評價[J].石油鉆采工藝，2016，38（4）：456-460. LAN Qiang. Development of hydrophobic temporary plugging agent HTPA-1 and its performance evaluation[J]. Oil Drilling & Production Technology，2016，38（4）：456-460.（收稿日期2017-03-01；HGF=1703C5；編輯 王超）

Study and Field Application of Degradable Clear Drilling Fluid

XU Pengchen1, CHEN Ning1, HU Jingdong1, CHEN Biwu2, WANG Lili1, HUA Zhichao1, SANG Junyuan1
(1. The Fourth Drilling Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Renqiu, Hebei 062552; 2. CBM Division of PetroChina Huabei Oilfield Company, Jincheng, Shanxi 048000)

A degradable clear drilling fluid has been developed with a gel enhancer BZ-2 and a film fixating agent GMJ to resolve the contradiction between the safety of drilling operation and the protection of coal beds in coal-bed methane drilling. Laboratory experiments were done to evaluate BZ-2 and GMJ for their inhibitive capacity, rheology, residue contents, and their influences on the strengths of formation cores. The experimental results showed that the clear drilling fluid had percent shale recovery of 93.5%, YP/PV ratio of 0.93 Pa/mPas, gel strengths of 2.5 Pa/3.0 Pa, yield point of 20.5 Pa, API filter loss of less than 12 mL, and residue content of 4.5 mg/L. The strength of the cores tested increased by 16.7%. This drilling fluid has been tested on 4 wells in the Zhengzhuang block, south of Qinshui basin in Shanxi Province. The test has successfully resolved the problems of drilling safety and coalbed protection in multilateral well drilling. Daily gas production rate has been increased by 2 times more than that of the wells nearby, and the calculated constant rate of gas production was between 3,000-5,000 m3/d, suggesting a good prospect of promotion.

Drilling fluid for CBM drilling; Formation damage prevention; Solids-free drilling fluid; Degradable; Plugging and wallbuilding capability

TE254.3

A

1001-5620（2017）03-0027-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.03.005

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司項目“新型低熒光、環保型鉆井液體系研究與現場應用”（2017Z48K）；中國石油集團渤海鉆探工程有限公司項目“超分子化學堵漏技術研究”（2016Z61Y）；“十三五”國家科技重大專項“復雜結構井、叢式井安全環保型鉆井液新技術”（2017ZX05009-003）。

許朋琛，工程師，現在主要從事鉆井液體系研究與應用的工作。電話18631779601；E-mail：xpc-111@163.com。