新型低固相硅酸鹽體系在煤層氣鉆井中的應用

岳秋艷

摘要：在煤層氣鉆井中，煤巖坍塌造成接單根困難、起下鉆遇阻遇卡、憋泵等井下復雜情況的發生。通過對煤巖力學性能測試和結構構造特征分析，分析了煤巖失穩的特殊性，有針對性的提出鉆井液技術對策，優選出鉆井液體系及配方，應用表明新型低固相硅酸鹽鉆井液能有效防止煤巖井壁失穩和保護儲層。

引言

貴州六盤水地區具有豐富的煤層氣資源，鉆遇的地層有三疊系飛仙關組合二疊系的人龍潭組，鉆遇的主要巖性為石灰巖、泥巖、砂巖和煤層。井壁失穩主要發生在煤層，曾多次發生煤巖垮塌造成接單根困難、起下鉆遇阻遇卡等井下復雜情況。鉆進過程中煤巖坍塌造成三方面危害：（1）影響鉆井安全，降低鉆井速度和效率；（2）井徑擴大率超標，井身質量差，局部形成“大肚子”和“糖葫蘆”井眼。同時由于環空間隙變化大，嚴重影響攜巖效果，而且難以保證固井質量，影響后期的壓裂施工；（3）由于井眼擴大使環空水泥環增厚，降低射孔彈穿煤層的厚度，影響增產措施效果。

1 煤巖地層坍塌的特殊性

煤系地層鉆井井眼不穩定是較為普遍的現象。其主要的問題是割理、裂隙發育，巖石脆性大、強度低，在地層應力作用或其他外界因素影響下很不穩定。

1.1煤巖的結構構造特征

試驗區煤巖煤化程度較高，鏡質組含量高，次為絲質組，殼質組含量低。

1.2煤巖力學性能

與常規砂巖、泥巖相比，煤巖的彈性模量較低，泊松比較高，抗壓及抗拉強度均較低，脆性大，易破碎，易受壓縮。

2 穩定煤巖井壁鉆井液技術對策

（1）合理的鉆井液密度

煤巖強度低，受鉆井液及其濾液浸泡后強度進一步下降，所以鉆井液的密度不要過大，大了會壓裂煤層；也不要過小，小了會造成應力釋放，使煤層沿節理和裂縫崩裂坍塌。合理鉆井液密度要根據煤巖物理力學參數、煤層壓力、煤層地應力等參數綜合分析計算后確定，同時要考慮泥頁巖夾層的穩定問題。

（2）鉆井液具有強封堵能力及優良造壁性

良好的封堵能力是液柱壓力有效支撐、減少濾液進入煤層的先決條件。所以必須加強鉆井液封堵能力，阻止鉆井液濾液進入地層。

（3）優化鉆井液流變參數

鉆井液粘切不宜太低，粘切太低，在井眼內形成紊流，對井壁的沖刷能力增強，容易造成煤層坍塌，同時鉆井液攜砂能力減弱；粘切太高，鉆井液結構太強，活動鉆具或起下鉆時波動壓力增大，容易引起井壁煤塊的松動，也不利于井壁穩定。

（4）良好抑制性

煤巖中粘土礦物含量雖然很低，但泥頁巖夾層粘土礦物含量高，抑制性差的鉆井液濾液進入泥頁巖會產生水化膨脹壓，誘發或加劇井壁失穩，泥頁巖坍塌會導致煤巖坍塌，二者相互影響、相互促進。因此，要求鉆井液具有良好的抑制性。

（5）良好潤滑性

保證鉆井液良好潤滑性，減少鉆具與泥餅之間的摩擦力，能減少起下鉆阻卡的可能，防止井下復雜發生。

3 鉆井液體系選擇

根據貴州六盤水地區地質資料和工程設計，參考鄰井實鉆資料分析，結合地層特點，要求鉆井液要具備以下特點：①良好的流變性；②良好的懸浮攜帶能力；③強抑制能力；④良好的潤滑性；⑤較強的穩定性；⑥良好的造壁能力。根據該井的地層特點和對鉆井液的要求，結合以往成功經驗，使用低固相硅酸鹽鉆井液體系。

根據煤巖失穩機理及其影響因素研究，通過大量室內配方優選試驗，確定使用低固相硅酸鹽鉆井液體系。其基本配方如下：

5%硅酸鈉+0.2%KPAM+1.0%LV-CMC +1-2%NPAN+2%QS-2+ 0.5%其它添加劑

在該配方中，KPAM和NPAN共同作用使體系具有好的流變性和一定的抑制性，LV-CMC主要起改善失水造壁性和封堵作用，該體系的主要特點是：有較好的抑制水化作用，造壁性優良，潤滑性較好，能有效地控制煤巖坍塌。同時，該體系固相含量較低、密度較低，有利于煤層的鉆進，有利于保護煤層氣儲層。

4 應用效果

比1井組共完成了4口水平井，4口井的鉆井液全部使用新型低固相硅酸鹽鉆井液體系。在保證井下安全的前提下鉆井液密度和濾失量均控制在要求范圍內，并且井壁穩定，潤滑效果好，滿足了鉆井工藝的要求；新型低固相硅酸鹽鉆井液體系，攜巖能力強，潤滑性好，鉆井液整體性能穩定，不僅保證了鉆井施工的安全、快速、高效、環保，還滿足了地質錄井的需要，比設計周期縮短的了三分之一，節約了鉆井成本。對比同一區塊使用聚合物鉆井液體系的井，從以下幾方面分析評價該井組鉆井液體系。

（1）穩定井壁方面。比1井組使用新型低固相硅酸鹽鉆井液體系后，井壁失穩現象得到明顯改善。電測數據顯示，井徑擴大率明顯小于使用聚合物體系的井。

（2）固相控制。新型低固相硅酸鹽鉆井液體系具有高動速比的特性，使得鉆井液中的有害固相易于被固控設備清除。

（3）斜井段滑動機械鉆速明顯提高。新型低固相硅酸鹽鉆井液體系有較強固相控制性能，有利于鉆井機械鉆速的提高，特別是有利于提高斜井段滑動鉆進時的機械鉆速。

（4）攜砂能力與潤滑防卡。從比1井組鉆井液使用效果來看，新型低固相硅酸鹽鉆井液體系具備安全鉆井所需的攜砂能力和潤滑防卡性能。

（5）儲層保護。比1-4井作為井組第一口井，全井鉆井液密度低，在完井時為1.08g/cm3，含砂量小于0.3%，這說明該鉆井液的應用對于儲層的保護很有利。

（6）對比電測。該井組4口井電測均一次成功，說明電測時鉆井液性能能夠同時滿足攜帶鉆屑和潤滑井壁的要求。

5 結論

1）與常規砂巖、泥巖相比，煤巖的彈性模量較低，泊松比較高，抗壓及抗拉強度均較低，脆性大，易破碎。

2）新型低固相硅酸鹽鉆井液具有很強鉆井液的抑制性、較強的抗鹽、抗劣土污染能力和較好的保護儲層性能；形成的無滲透泥餅能顯著提高地層的承壓能力。

3）新型低固相硅酸鹽鉆井液體系具有較強的抑制防塌能力，能夠有效保持長裸眼段的井壁穩定性。該體系能有效清除鉆井液中的有害固相，加強體系固相含量控制，鉆井液剪切稀釋性強等都有利于提高機械鉆速。

4）新型低固相硅酸鹽鉆井液濾液與地層水相遇后，生成三維網狀凝膠以及與二價離子生成沉淀，堵塞泥頁巖孔隙和微裂縫，阻止濾液進入地層，同時減少了壓力傳遞。

5）完井液的低密度和低濾失，能夠有效地保護油層，提高水平井開發效益。鉆井液處理劑均選用無毒的無機處理劑和可生物降解的有機處理劑，有利于降低鉆井液對環境的影響。

（作者單位：中石化勝利石油工程公司黃河鉆井總公司）