煤系“三氣”共采條件下的井壁穩定鉆井液技術

陳書雅， 宋繼偉，2， 石彥平， 彭揚東， 蔡記華

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢430074；2 貴州省地礦局一一五地質大隊，貴陽 551400）

0 引言

煤系“三氣”通常是指在煤系地層中以共生為特征的煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣，表現為在同一煤系內部垂向上發育2套或2套以上互相獨立的含氣系統。煤系“三氣”具有埋層深、儲層類型多樣且滲透率低的特點[1-2]。單一儲層開采存在產量低、開發難度大和成本較高等問題，從技術經濟性角度而言，選擇合層開采的方式更為有利[3]。針對煤系“三氣”共采中煤巖、頁巖、致密砂巖旋回交替出現的特點，提出一套能夠適應幾種復雜地層的鉆井液體系迫在眉睫。

表面電性和潤濕性是巖石的2種表面性質[4]。潤濕性控制著巖石孔道中毛細管力的大小和方向、流體的流動特性和分布[5-6]，影響著地層顆粒的運移[7]。當接觸角θ為90°時，毛細管力最小[8]，地層中的微粒難以在巖石表面運移。改變巖石表面潤濕性的方法有：表面活性劑法、二價陽離子法和溫度控制法[9]。蔡記華等、高春寧等和李相臣等分別使用表面活性劑改變了頁巖、砂巖和煤巖的表面潤濕性[10-12]。而在水體系中，煤的表面帶負電荷[13]，宋永瑋等人發現，當煤巖表面的Zeta電位接近于零（即等電點）時，鉆井液的穩定性較高，煤粉易聚結，煤巖表面的憎水性也有所增加[14]。自然界中的黏土礦物絕大多數帶負電荷，黏土的分散、膨脹、收縮、坍塌等特性均與鉆井液的Zeta電位大小密切相關[15]。且Zeta電位的絕對值越小，礦物顆粒之間的排斥力越小，體系越穩定[16]。針對這一問題，蘇長明[17]等提出了使用有機正電膠MMH處理劑法、電解質處理法、調整pH值法等以控制黏土礦物和鉆井液的電性。正電膠鉆井液由于其獨特的觸變性、較好的防塌效果、保持井壁穩定和儲層保護的能力，已被廣泛地應用于水平井和定向井中[18]。李相臣[12]等人通過實驗證明陽離子型表面活性劑能夠將煤巖的表面電性由負轉正。

在前期研究的基礎上，從潤濕性控制和電性抑制的角度出發，提出了一套強抑制低傷害水基鉆井液體系，滿足煤系“三氣”共采條件下的井壁穩定需要。

1 實驗材料與儀器

實驗材料：煤巖，采自貴州省畢節市大方縣鳳山鄉二疊系上統龍潭組（以下簡稱“龍潭組煤巖”），頁巖，采自重慶市秀山縣大田壩村龍馬溪組露頭（以下簡稱“龍馬溪組頁巖”）；鈉基膨潤土（遼寧省建平縣產，以下簡稱“建平鈉土”）、無機正電膠（干粉，以下簡稱“MMH-1”）、有機正電膠（液體，以下簡稱“MMH-2”）、纖維素類降濾失劑、樹脂類抗高溫處理劑、無機鹽抑制劑（KCl）；季銨鹽類表面活性劑-S、兩性離子表面活性劑、陽離子型表面活性劑、季銨鹽類表面活性劑-N、季銨鹽類表面活性劑-B、有機硅表面活性劑、十二烷基苯磺酸鈉（ABS）和十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）。

實驗儀器：X’ Pert D8-FOCUS X射線衍射儀、Ζetasizer Nano ZS90納米粒度和Zeta電位儀、ZNP膨脹量測定儀、QBZY-2全自動表面張力儀、JC2000C接觸角測量儀、HKY-3壓力傳遞實驗裝置、JHDP氣體滲透測定儀和電熱鼓風恒溫干燥箱等。

2 實驗結果與討論

2.1 煤巖與頁巖的礦物組成分析

對龍潭組煤巖和龍馬溪組頁巖分別進行了衍射（XRD）分析，測試其礦物成分，結果如表1和表2所示。

表1 龍潭組煤巖礦物組成

龍潭組煤巖外觀呈黑色，光澤度較弱，具有明顯的層狀結構，裂隙較為發育，易破碎。該地區煤巖白云石和石英等脆性礦物含量較高，硬度較大，屬于硬脆性煤巖。龍馬溪組頁巖呈暗灰色，較為致密，孔隙度為2%～4%，滲透率為（5～100）×10-5mD，抗壓強度為250～300 MPa[18-20]，頁巖中石英含量較高，脆性指數大，黏土礦物含量中等，水化膨脹性中等。

表2 龍馬溪組頁巖（露頭）礦物組成

2.2 龍潭組煤巖表面電性分析

使用Zetasizer Nano ZS90納米粒度和Zeta電位儀測試了龍潭組煤巖（煤粉）在不同pH值環境中的表面電性變化情況，發現煤巖在酸性條件下帶正電，堿性條件下帶負電，該地區煤粉等電點為7左右（圖1）。對不同類型溶劑對Zeta電位的影響進行了評價，結果為：煤粉在清水、3%MMH-1、0.8%MMH-2、0.2%ABS、0.2%DTAB中的Zeta電位分別為-3.63、-21.75、19.75、-54.05和 47.25 mV。發現陽離子表面活性劑DTAB和有機正電膠MMH-2能夠有效地將龍潭組煤巖表面的電位由負轉正，進一步證明了正電膠處理劑的電性中和作用。

圖1 煤粉Zeta電位隨pH值的變化規律

2.3 表面活性劑對巖樣表面潤濕性的影響

以降低溶液表面張力和增大與巖石（龍潭組煤巖、龍馬溪組頁巖）的接觸角為選擇標準，對表面活性劑進行了復配和優選，得到了一套性能較優的表面活性劑復配配方。

2.3.1 表面活性劑單劑優選

在前面實驗基礎上，分別選擇了4種陽離子型表面活性劑、1種兩性表面活性劑和1種親油型表面活性劑進行單劑的優選，結果如圖2所示。從圖2可知，表面活性劑能夠起到有效降低表面張力的作用，并且在質量分數為0.01%時，表面張力急劇降低，此后曲線趨于平緩。由此推測，這些表面活性劑的臨界膠束濃度在0.01%附近。

圖2 表面張力隨表面活性劑質量分數的變化規律

不同頁巖的接觸角測試結果見圖3。

圖3 巖石接觸角隨表面活性劑質量分數的變化規律

由圖3可優選出以下單劑：陽離子型表面活性劑、季銨鹽類表面活性劑-N、有機硅表面活性劑以及季銨鹽類表面活性劑-B，并確定0.01%為最佳質量分數。

2.3.2 表面活性劑復配配方優選

根據前面確定3種表面活性劑的復配配方，分別記為1#（季銨鹽類表面活性劑-N+有機硅表面活性劑）、2#（季銨鹽類表面活性劑-N+季銨鹽類表面活性劑-B）和3#（陽離子型表面活性劑+季銨鹽類表面活性劑-B）。為保證表面活性劑處于臨界膠束濃度，在復配時每種表面活性劑質量分數降為0.005%。測試其溶液的表面張力和與巖樣的接觸角[21]，結果如圖4所示。

圖4 復配表面活性劑性能對比

3種復配表面活性劑都能降低溶液的表面張力，且頁巖和煤巖的接觸角在其中都有不同程度的增大，但1#配方（0.005%季銨鹽類表面活性劑-N+0.005%有機硅表面活性劑）的效果最佳。

2.3.3 復配表面活性劑對壓力傳遞的影響

鉆井液靜液柱壓力向地層的傳遞和濾液滲入是頁巖井壁失穩的首要因素[22]。采用HKY-3壓力傳遞裝置，在圍壓為5.5 MPa、上游壓力為4.5 MPa條件下，評價了1#復配表面活性劑溶液對龍馬溪組頁巖和龍潭組煤巖壓力傳遞的阻緩效果，結果如圖5、圖6所示。實驗發現：以清水為介質時，龍馬溪組頁巖在10 h左右開始產生裂隙，30 h左右巖石破碎；采用復配的表面活性劑溶液為介質時，巖樣完好，未發生破碎，且頁巖的滲透率從2.15×10-3mD急劇降到2.79×10-6mD；相似的是，在上流壓力為2 MPa時，以清水為介質，龍潭組煤巖在0.5 h左右開始產生裂縫，而以表面活性劑溶液為介質時，巖樣完好，且煤巖的滲透率由0.61 mD急劇降低到6.87×10-6mD。復合表面活性劑阻緩煤巖和頁巖孔隙壓力傳遞的效果顯著。

圖5 復配表面活性劑對孔隙壓力傳遞的影響規律（龍馬溪組頁巖）

圖6 復配表面活性劑對孔隙壓力傳遞的影響規律（龍潭組煤巖）

2.4 煤系“三氣”共采井壁穩定鉆井液體系

結合前期研究基礎，在1#配方基礎上復配3%MMH-1和2種正電膠（0.8%MMH-2），提出2套水基鉆井液體系。鉆井液基礎配方如下。

清水+4%建平鈉土+3%MMH-1+0.005%季銨鹽類表面活性劑-N+0.005%有機硅表面活性劑+1.5%纖維素類降濾失劑+2%樹脂類抗高溫處理劑+5%KCl

2.4.1 基本性能

如表3所示，MMH-1鉆井液的表觀黏度略低于MMH-2鉆井液，但其API濾失量也比MMH-2鉆井液低3.5 mL，綜合性能相對較優。

表3 鉆井液的基本性能

2.4.2 電性

分別取基漿、MMH-1鉆井液和MMH-2鉆井液的濾液，測試其Zeta電位分別為-56.8、-30.4和-31.8 mV。與基漿相比，加入了正電膠和表面活性劑后，2套鉆井液的Zeta電位絕對值分別降低了26.4 mV和25 mV。

2.4.3 潤濕性

將龍潭組煤巖和龍馬溪組頁巖表面拋光后，在鉆井液中浸泡16 h后洗凈，在100 ℃下烘干2 h，冷卻后用JC2000C型接觸角測量儀測量鉆井液處理后的巖樣接觸角，結果如表4所示。由表4可以看出，與未添加表面活性劑的配方相比，MMH-1鉆井液的表面張力降低了17.12%，將頁巖和煤巖的接觸角分別提高了35.82%和38.29%，效果顯著。

表4 鉆井液表面張力與巖樣潤濕性

2.4.4 抑制性

分別稱取50 g 、2.00～5.27 mm的龍潭組煤巖和龍馬溪組頁巖樣品，分別加入基漿、MMH-1鉆井液和MMH-2鉆井液中，在80 ℃下在XGRL-4高溫滾子加熱爐中熱滾16 h后取出，冷卻、沖洗、烘干后稱取過0.45 mm篩孔的巖屑，計算滾動回收率如表5所示。人工壓制煤巖在2種鉆井液中的膨脹量如圖7所示。

表5 不同鉆井液的煤巖/頁巖滾動回收率

綜合對比2套鉆井液的流變性、濾失性、抑制性、潤濕性和電性等，MMH-1的性能優于MMH-2鉆井液，因此確定抑制性低傷害鉆井液體系的優化配方為MMH-1體系。

圖7 MMH-1和MMH-2鉆井液對壓制煤巖的抑制性

2.4.5 高溫穩定性

如表6所示，即使是經過120 ℃熱滾后，MMH-1鉆井液濾失量仍在10 mL以內，黏度和切力略有下降，抗溫性能優良。

表6 MMH-1鉆井液熱滾后性能變化

2.4.6 儲層保護特點

評價了基漿和MMH-1鉆井液污染后龍潭組煤巖前后的氣測滲透率，結果如表7所示。MMH-1鉆井液對煤儲層的滲透率傷害率僅為10%，能將基漿煤巖氣測滲透率降低率降低3.6%。

表7 鉆井液對煤巖氣測滲透率影響

2.4.7 抗污染能力

抗污染測試結果（表8）表明，在MMH-1鉆井液體系中分別加入3%NaCl、1%CaCl2和5%凹凸棒土（模擬鉆屑）后，鉆井液的黏度和切力略有波動，但濾失量并未明顯變化，性能較穩定，體現出良好的抗鹽和抗鉆屑污染的能力。

表8 在MMH-1鉆井液中加入不同污染物質的性能

2.4.8 生物毒性

用發光細菌法評價了MMH-1鉆井液的生物毒性[23]，參照生物毒性等級分類標準，提出的煤系“三氣”共采水基鉆井液的LC50（96 h發光細菌的半數致死濃度）值為294 000 mg/L，達到了排放標準（30 000 mg/L），說明該體系生物毒性低、對環境友好。

3 結論

1.龍潭組煤巖在酸性條件下帶正電荷，在堿性條件下帶負電荷，等電點在7左右。有機正電膠MMH-2和陽離子型表面活性劑DTAB均能將該煤巖的表面電位由負轉正。

2.季銨鹽類表面活性劑-N和有機硅表面活性劑能夠分別將龍馬溪組頁巖和龍潭組煤巖表面由水潤濕轉變為油潤濕；表面活性劑復配配方能夠阻緩頁巖和煤巖的孔隙壓力傳遞。

3.所提出的抑制性低傷害鉆井液體系（MMH-1鉆井液），流變性適宜，濾失量低，抑制性強，儲層保護效果好，抗污染能力強，對環境友好，能滿足煤系“三氣”共采條件下的井壁穩定要求。