高性能水基鉆井液在貴州瓦斯（煤層氣）抽采水平井施工中的應用

摘" 要：貴州省瓦斯（煤層氣）資源十分豐富，在鉆井勘探施工過程中，受到地層應力、施工條件、巖石性質(zhì)等因素的影響，容易發(fā)生卡鉆、井壁坍塌等井下復雜情況。通過應用高性能水基鉆井液性能維護技術，能夠降低井下復雜幾率。本文對瓦斯（煤層氣）鉆井液施工技術難點及技術對策進行介紹，對鉆井液的性質(zhì)、應用要點和效果進行詳細探究，以期為提高水平井井壁穩(wěn)定提供借鑒性方案。以貴州戴家田礦區(qū)瓦斯（煤層氣）抽采井為例，介紹了高性能水基鉆井液在貴州煤層氣水平井施工中的應用及取得的經(jīng)驗，希望可以對貴州瓦斯（煤層氣）開發(fā)鉆井工程技術提供一定的借鑒及思考。

關鍵詞：貴州煤層氣井；水平井；鉆井技術；高性能水基鉆井液

戴家田煤礦是一處基建礦井，位于貴州省織金縣以北，根據(jù)《貴州省織金縣戴家田煤礦煤炭勘探報告》瓦斯測試評價，井田內(nèi)斷層較發(fā)育，瓦斯含量變化較為復雜，各煤層瓦斯含量最小為4.21m3/t，最高為32.52m3/t，平均為13.70m3/t，為富甲烷井田。在這樣的背景下，戴家田井田地面瓦斯（煤層氣）抽采工程試驗項目以煤礦治災為首要任務，依據(jù)地面瓦斯抽采地質(zhì)條件，充分發(fā)揮地面工程手段優(yōu)勢，結合礦井開采規(guī)劃，部署施工2個叢式井組，每個井組由2口水平井組成，即4口對向水平井組成，水平井設計軌跡為16號煤層中部。主要施工目的是通過地面瓦斯抽采井工程進行煤巷條帶超前區(qū)域瓦斯治理、條帶消突，為下步煤巷掘進提前抽采條帶瓦斯，以期達到快速降低工作面區(qū)域噸煤含氣量，保證煤礦安全生產(chǎn)，為礦井安全治理井下瓦斯試點新方法。

1.區(qū)域地質(zhì)特征及工程概況

1.1地質(zhì)特征

戴家田礦區(qū)位于織納煤田內(nèi)，區(qū)域出露地層自上震旦統(tǒng)至第四系，除缺失中、上奧陶統(tǒng)，志留系，中、下泥盆統(tǒng)外，其他各時代地層均有分布，由崩積物、坡積物、殘積物組成，分布于河流兩岸、山坡等地。二疊系、三疊系分布最廣，發(fā)育最好，其余地層零星分布，晚二疊世早期有巖漿噴發(fā)[1]。三疊系以灰色石灰?guī)r為主，夾薄層灰色泥灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r，受地表水影響，巖溶、溶蝕現(xiàn)象發(fā)育。二疊系長興、大隆組巖性以燧石灰?guī)r為主，上部為細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，下部為燧石灰?guī)r。礦區(qū)內(nèi)含煤地層為龍?zhí)督M，底部與峨眉山玄武巖組或茅口組假整合接觸，頂部與長興組整合接觸，含煤地層內(nèi)部均為連續(xù)沉積，地層厚度247.52～290.00m，一般厚262.19m，為一套海陸交互相的含煤沉積。巖性主要由泥巖、炭質(zhì)泥巖、細-粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、石灰?guī)r、煤層等組成。

1.2工程概況

戴家田礦區(qū)首采面共實施4口水平井，根據(jù)本區(qū)域地層特點、壓力預測及目前鉆井工藝技術現(xiàn)狀、參考相鄰構造已鉆井實鉆井身結構，采用導管+二開制井身結構有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井和油氣層保護。導管鉆井設計井段0～50m，表層均采用空氣鉆模式鉆進。一開使用Ф311.2mm鉆頭鉆至井深800m左右著陸，下入Ф244.5mm套管至A靶點，以封固上部漏層和水層，為下開次安全鉆井提供條件，固井水泥返至地面。二開使用Ф215.9mm鉆頭鉆至設計井深1600m左右，設計水平段長約800m，下入Ф139.7mm生產(chǎn)套管完井，固井水泥返至地面。

2.鉆井液技術難點與對策

2.1施工難點

（1）飛仙關組、長興組易漏，需控制好鉆井液的密度和封堵能力，防止井漏。

（2）龍?zhí)督M海陸交互相含煤沉積地層，巖性由細砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰?guī)r、煤層等組成，鉆遇煤層位地層易應力釋放造成垮塌，同時形成大肚子井段。

（3）井身軌跡狗腿度大引起鉆桿彎曲，降低了鉆桿的自由度和泵效。狗腿度過大會引起鉆柱與井壁嚴重摩擦，過大摩阻增加定向托壓和起下鉆的困難。

2.2 鉆井液體系優(yōu)選與論證

鉆井液體系選擇原則以本著快速、安全鉆井，有利于復雜情況的預防和處理為前提。一開采用低固相、低失水、抗污染能力強、穩(wěn)定性好、抑制性強、流變性好的聚合物低固相鉆井液體系。二開井段為目的層井段，長水平段施工周期長，儲層頂?shù)装迳澳鄮r含量高，泥巖抑制劑是決定井壁穩(wěn)定的核心處理劑之一[2]。針對地層易垮塌、地層變化快、井壁穩(wěn)固性較差、水平段長的特點，使用聚合物防塌鉆井液流變性更穩(wěn)定，粘度和切力更容易控制[3]。

3.鉆井液配置與性能維護

3.1鉆井液配置

一開井段：基漿+（0.3～0.5）%聚丙烯酰胺鉀鹽+（0.5～1）%低黏聚陰離子纖維素+（0.5～1）%水解聚丙烯腈銨鹽+（1.5～2）%防塌降黏降濾失劑+（2～3）%極壓潤滑劑。

其它：工業(yè)用氫氧化鈉、堵漏劑等。

二開使用KCl低固相鉆井液：（4～6）% 膨潤土+（0.3～0.5）%聚丙烯酰胺鉀鹽+（0.5～1.0）%磺酸鹽共聚物降濾失劑+（1～1.5）%低黏聚陰離子纖維素+（5～7）%氯化鉀+（0.5～1）%防水鎖劑+（2～3）%乳化石蠟+（2～4）%多級配填充封堵劑+（1.5～2.5）%納米封堵劑+（0.5～1.5）%有機胺+（4～8）%極壓潤滑劑。

其它：工業(yè)用氫氧化鈉、堵漏劑、固體潤滑劑、塑料小球等。

3.2 水平段鉆井液性能

煤層上段砂泥巖段造漿嚴重，鉆井液粘度上升較快，通過加入高強度的潤滑劑，使其在巖屑表面通過吸附作用成膜，從而降低了巖屑自身存在的粘聚力，有利于防止泥包，增強鉆井液的潤滑效果，明顯減少了井下復雜事件的發(fā)生。KCl低固相鉆井液通過加入封堵劑和降濾失劑使其具備高封堵性和強抑制性，良好的剪切稀釋性使懸浮攜巖效果明顯，較好地解決了二開水平段鉆井過程中的井壁失穩(wěn)和易卡鉆等問題，大幅度縮短了鉆井周期，提高了綜合經(jīng)濟效益。通過對比該體系鉆井液各項性能均優(yōu)于設計指標。

3.3性能維護

（1）一開性能維護

①鉆進過程中及時補充降濾失劑和防塌抑制劑，保持井壁穩(wěn)定。在定向前提前加入潤滑劑防止定向托壓。

②鉆時快，需要做好井眼凈化工作，保證井下干凈，巖屑可以及時返出，同時，需要充分利用固控設備，保證泥漿干凈，防止有害固相過多影響性能。由于鉆進過程中，排量一般在40-50L/s，選擇合理的振動篩目數(shù)，利于現(xiàn)場施工。

③控制API失水在5ml以內(nèi)，在鉆進過程中，按要求及時檢測鉆井液性能，對鉆井液及時做出調(diào)整，確保鉆井液性能穩(wěn)定。

④鉆遇下段粘土巖段，適當加大兩性離子聚合物包被劑的加量以增加護壁能力，控制鉆井液密度小于1.08～1.10g/cm3，粘度在35～40s左右，保證此段快速穿過，減少井壁浸泡、沖刷時間，從而有效地保護井壁。

（2）二開性能維護

①鉆進期間，以補充膠液為主，盡量把所有藥品都配制成膠液【基礎配方：20m3水+1-2.5%NaOH+0.5-1%PAC-LV+0.5-1%FA-367+0.5-1%陽離子乳化瀝青-2+0.5-0.75%QS-3+KPAM（PH調(diào)節(jié)劑單獨配成水溶液線流入上水罐）】，然后均勻入井，保持鉆井液性能的穩(wěn)定；通過補充PAC-LV、FA-367、超細碳酸鈣增加鉆井液的懸浮攜帶能力，調(diào)整鉆井液的粘度和切力，以井下情況為依據(jù)，保持較高的動切力和動塑比，保證鉆井液具有良好的攜巖性和懸浮性，防止巖屑床的形成；補充降失水劑PAC-LV，降低鉆井液濾失量，防止井壁坍塌，同時井眼規(guī)則和井壁穩(wěn)定，補充FA-367的膠液抑制巖屑分散和增加鉆井液粘度使巖屑通過震動篩及時清除，保證粘切相對穩(wěn)定。

②水平段鉆進過程中，鉆井液的潤滑性能尤為重要，保證石墨潤滑劑的有效含量，使摩擦系數(shù)達到設計要求，防止粘卡。

③鉆進過程中根據(jù)振動篩上的返砂情況，及時發(fā)現(xiàn)地層巖性變化，調(diào)整鉆井液性能，保證井壁的穩(wěn)定性和井下安全；嚴密觀察循環(huán)罐液面，及時監(jiān)測鉆井液性能，做好預防工作。

④鉆進過程中，嚴格控制鉆井液的pH值在8～9范圍內(nèi)。

⑤施工中要及時防粉質(zhì)砂泥巖小化高分散，防煤層垮塌，及時調(diào)整鉆井液性能配合工程措施，及時進行短起下鉆，防止巖屑床的形成，保證井眼暢通，起下鉆及開泵時操作要平穩(wěn)，防止因壓力激動而造成井漏事故[4]。

⑥完鉆前調(diào)整好鉆井液性能，徹底清洗井眼，保證井眼清潔，確保完井作業(yè)安全順利進行。

（3）固控設備及使用情況

配備四級固控設備（振動篩、除砂器、除泥器、離心機）加強固控設備的使用，使用200目以上的振動篩，同時勤撈砂、清沉砂罐，及時清除鉆井液中的有害固相，降低鉆井液密度并防止形成厚泥餅；合理使用離心機，清除鉆井液中無用固相含量，并保證含砂不超過0.25%。

4.復雜情況處理

4.1井漏處理

對于飛仙關組、長興組等海相地層施工井段發(fā)生的井漏采取“搶一段，封一段”的技術措施，并按1.15g/cm3鉆井液密度進行承壓試驗。若鉆進期間漏層較多、較密，根據(jù)漏失特點和地層特性，選擇每鉆進200～300m進行整體堵漏、承壓，滿足后期鉆井所需地層承壓能力進行承壓。轉漿后進行整體試壓，若承壓能力滿足不了后期作業(yè)需求，則進行承壓堵漏，確保該套地層整體承壓能力滿足大排量循環(huán)時不漏的要求[5]。

4.2井壁垮塌的處理

首先要將坍塌物從井眼中帶出，提高鉆井液的攜砂能力，一是適當提高鉆井液的密度（但必須確保不發(fā)生井漏）；二是適當提高鉆井液的粘切和屈服值；三是配制足夠量的高粘切鉆井液作為清掃液進行洗井等多種措施，進一步提高鉆井液的防塌能力，提高井壁的穩(wěn)定性。降低鉆井液高溫高壓失水和改善濾餅質(zhì)量，提高鉆井液對地層的抑制能力和有效封堵能力，提高對井壁周圍的支持力；認真分析其坍塌的真實原因，采取相應措施加以解決。4口井在實鉆施工中均沒有岀現(xiàn)井壁垮塌現(xiàn)象。

5.結論及經(jīng)驗總結

（1）高性能水基鉆井液具有優(yōu)異的抑制能力、封堵性能和潤滑性能，滿足水平井對鉆井液體系的技術要求，且對煤層的傷害較低，既保證了工程順利施工，又達到了不傷害煤層原生結構的目的。

（2）KCl低固相鉆井液現(xiàn)場水平段施工中起下鉆順利，鉆頭無泥包現(xiàn)象，其中DJT-2-1H井水平段長1007m，首次突破貴州省煤層氣鉆井水平段千米以上長度。通過提高處理劑和鉆井液的性能，采用適當?shù)拇胧咝阅芩@井液具備在貴州煤層氣井長水平段的基礎上進一步完成更長水平段施工的技術能力。

（3）高性能水基鉆井液環(huán)保優(yōu)勢突出，降低了使用油基鉆井液或其他體系鉆井液條件下鉆屑處理的成本和環(huán)境風險，經(jīng)濟效益和社會效益明顯，推廣前景良好。

參考文獻

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