如何破解破碎性煤層氣儲層鉆井液安全密度窗口擴大的難題

1.目的

為了破解破碎性煤層氣儲層鉆井液安全密度窗口擴大的難題，筆者研發了粘接提高煤巖強度的相關技術。其主要原理為：鉆完井流體的液柱壓力會使得具有粘接能力的鉆完井流體進入破碎性地層的單元縫隙或者層理、割理，在封堵材料的作用下，鉆完井流體靜止或者流動速度降低，有可能將原來破碎的單元變成一個整體，增大了煤顆粒之間的摩擦力和黏聚力，進而提高了煤巖強度和漏失壓力、降低了坍塌壓力，從而達到破碎性煤層鉆井不塌不漏的目的。

2.方法

1）利用掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀定性、半定量、定量分析煤結構、組分和化學性質，確定組分的分布比或者粘接效率比。

2）建立煤表面結構模型，分析處理劑分子與煤表面分子的擴散吸附效應、處理劑分子間的粘接效應以及原始非破碎地層粘接效應，確定合適的安全密度窗口強度需要的粘接處理劑的構型和基團數量，分析不同類型、不同分子量、不同的基團及空間構型以及流—固—化作用機制，確定粘接處理劑的分子量。

3）建立處理劑分子量與煤縫內表面組分間粘接力關系方程，以及粘接力與煤巖強度定量關系，結合粘接效率比確定處理劑分子量與煤巖強度之間的數學關系，即只要知道煤巖組分和原始破碎煤巖強度，就可以調節粘接分子所需要的分子量。

4）優化粘接處理劑分子空間構型和活性基團，靶向設計并開發粘接處理劑分子，加工粘接材料，配合鉆井流體需要的功能處理劑，完成鉆井流體配方構建及優化，其流程如圖1所示。

圖1 破碎性煤層氣儲層鉆井流體研制流程圖

5）根據現場機泵條件，用原生信息再現技術，設計鉆井流體性能，現場施工，完成破碎性煤層氣儲層建井任務。

3.效果

破碎性煤層氣儲層采用粘接提高煤巖強度技術，有效解決了破碎性煤層易塌易漏成井困難的問題。現場應用上百口井，成功率達100%，刷新了多項行業、地區紀錄，打破了漏失坍塌不能調和的技術壁壘。研究和應用過程中，所提出的粘接提高地層自身強度的理論、開發粘接處理劑的方法以及剝繭算法優化的現場施工工藝，可以推廣至其他如碳酸鹽巖、疏松砂巖等破碎性儲層鉆井施工中，也可以通過提強增韌輔助壓裂液、酸壓液及酸化液實現縫間或者縫內轉向。需要說明的是，地層強度可以改變的技術思路，雖已初見成效，但許多細節仍有較大的改進空間。