深埋藏煤巖氣水平井防塌防卡鉆井液提高鉆井效率

中圖分類號：TE256 文獻標志碼：A 文章編號：1000-7393（2025）-02-0150-11

摘要：為了解決鄂爾多斯盆地深部煤層鉆井過程中井壁失穩、攜巖困難的難題，對可能鉆遇的巖性開展了巖石組分分析、CT掃描等實驗，發現煤矸石中黏土礦物含量大于 28% ，主要由伊利石和蒙脫石組成；煤巖孔徑 96% 分布在 0.9～13.5nm ，表明煤塊具有介孔結構。根據煤巖特性，通過優選封堵劑、抑制劑和流變參數，在原鹽水鉆井液基礎上形成了多效鉆井液體系，并進行了封堵性、抑制性、流變性等綜合評價，鉆井液砂盤濾失量降低 2.6mL ，煤矸石滾動回收率提高 12.70% 、三軸抗壓強度提高了 6.52% 。該鉆井液體系在現場進行了2口井的應用，煤巖井壁穩定，起下鉆及下套管過程順利，施工井三開平均井徑擴大率由 28.48% 降為 19.01% ，倒劃眼起鉆速度由 3.93mh 增至 9.41mh 。多效鉆井液體系解決了深層煤巖氣井坍塌與卡鉆難題，可為同類井施工提供借鑒。

Abstract：Toaddressthechallengs ofwellbre instalityanddiultesincktrasportduringdepcoalbeddrillngieOrdo Basin，experimentssuchasrock componentanalysisandCTscaning wereconductedonpotential lithologiesthatmightbe encountered. It was found that the clay mineral content in coal gangue was over 28% ，mainly composed of illite and montmorillonite. 96% of coal rock pores diameters ranged between 0.9 and 13.5nm ，indicating that the coal block has a mesoporous structure. Based ontheharacteristicsofcoalrock，amulti-functional drilingfluidsystemwasdeveloped byoptimizingthe pluggingagents， inhibitors，andrheologicalparametersonthebasisofteoriginalbriedrllingfluid.Comprehensiveevaluationsof pluging， inhibition，and rheology were carried out，and the sand lossofthe drilling fluid in the sand disc was reduced by 2.6mL ， the rolling recovery rate of coal gangue was increased by 12.70% ，and the triaxial compressive strength was increased by 6.52% . The drilling fluid system wasaplied in twowelson-site，confirmingstablecoal welbores，smooth tripping andcasingruns.Theaverage wellbore enlargement rate of the third section in the construction wels decreased from 28.48% to 19.01% ， and the reverse reaming tripping speed increased from 3.93mh to 9.41mh .The multi-functional drilling fluid system has solved the problems such as wellborecolapseand stickingindeepcoalbed methane wellsand providesasolutionforotherwellsfacingsimilarconstruction issues.

Key words：deepcoalbed methane; horizontalwell;wellbore instabilitymechanism; multi-efectdrillngfluid; Ordos basin

0 引言

“十四五”規劃實施以來，我國非常規天然氣資源開發取得顯著進展，其中鄂爾多斯盆地深層煤層氣勘探開發實現重大技術突破，已成為保障國家能源安全、提升天然氣產能的重要戰略接替區[i]。根據當前勘探開發對鄂爾多斯、四川和準噶爾等盆地的認識，按煤巖埋藏深度分類，將埋深大于2000m以上的煤巖氣，稱為深層煤巖氣［2]。以鄂爾多斯盆地東南部納林區域為例，該區塊位于陜西省榆林市榆陽區和內蒙古自治區烏審旗交界處，構造屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，地理位置位于該盆地東南部，區內地勢平坦，地形起伏較小，屬半沙漠半草地地貌，地面海拔 1120～1350m 。鉆探施工的深層8#煤（以下簡稱8#煤），主要是指上石炭統本溪組普遍發育的煤層，該煤層發育連續，氣測值高，資源豐富。發育特征以焦煤、瘦煤和貧煤為主，屬于中等煤變質程度，整體上微裂縫較為發育，且互相連通，有利于氣體運移[3]。煤層內部的內生裂隙，包括面裂隙和外部裂縫，均表現出較高的發育程度，其延伸長度普遍超越 4cm ，這些裂隙的表面特征以平直為主，間或呈現微彎曲形態。割理結構主要表現為矩形網狀排列，偶爾夾雜不規則割理，而外部裂縫的分布則呈現出樹枝狀或其他雜亂無章的構造，顯示出裂隙系統的復雜性［4]。

鄂爾多斯盆地納林區塊本溪組8#煤層埋深3100～3200m ，屬于深層煤巖氣，煤層分布廣，煤層厚度為 2～7m ，主體厚度為 1～3m， ，平均為 4.5m ，且均質性差，泥質含量高［5]。為評價本區塊本溪組8#煤層煤灰型儲蓋組合含氣性，落實水平井產能特征及源內非常規氣藏開發潛力，2022年率先實施了水平段為本溪組8#煤先導試驗井納林1H井，并喜獲高產氣流［6]。2023年初在該區塊又部署了兩個井叢的三開結構煤巖氣井水平井，進行擴大實驗，鉆井施工過程中井下復雜頻發，A井、B井、C井均發生煤巖坍塌，鉆具以及定向儀器被埋等井下復雜現象，導致井眼報廢或技術套管內重新開窗側鉆，極大制約區塊提速。

為解決該類井施工過程中存在的技術難題，通過系統查閱相關文獻，梳理了現有研究成果和實踐經驗。馮義等針對吐哈盆地深層煤層氣井巖性進行分析，認為煤層垮塌是煤層割理發育、伊蒙混層水化性強導致的，優選了胺基鉆井液體系，該體系抑制性強，但缺少具體配方[7]；于文強等針對鄂爾多斯盆地煤層鉆井，形成了一套磺化鉆井液體系，在高溫環境下性能表現優異，但未引入納米封堵材料，且配方中不含鹽，不能有效抑制伊蒙混層水化分散[8]；王在明等對鄂爾多斯東緣本溪組8#煤層進行了研究，設計了復合鹽水聚合物鉆井液，同時對煤巖特性與坍塌機理進行了深入研究，但對鉆井液體系評價較少[9]；任海帆對鄂爾多斯盆地煤層氣開發井壁穩定性進行研究，強調了鉆井液對井壁的穩定作用，并對鉆井液技術發展與密度確定提出了方向，但對鉆井液防塌技術細節描述較少［10]；閻榮輝等針對鄂爾多斯盆地本溪組煤巖井壁坍塌與傷害技術難題，開展了煤巖的物性、理化、力學性能評價等研究，但對煤矸石攜帶和起鉆遇阻問題介紹較少，現場應用與結果現象分析少［I]；鮮保安等重點介紹了煤層氣水平井完井技術3項研究成果，但該方案僅以沁水盆地為參照對象，對深層煤層氣鉆井及鉆井液方面關鍵問題提及較少，且應用效果細節較少［12]。

通過調研發現，盡管針對深層煤巖氣鉆井液防塌技術的研究已取得一定成果，但仍存在諸多不足，難以從根本上解決煤巖中煤矸石坍塌的問題。首先，現有鉆井液體系在抑制性和封堵性方面存在局限，例如胺基鉆井液雖抑制性強，但對微裂縫的封堵效果有限；磺化鉆井液在高溫高壓下表現穩定，但對伊蒙混層水化分散的抑制能力不足。其次，復合鹽水聚合物鉆井液等體系論文，雖對煤巖坍塌機理進行了深入研究，但缺乏系統性的性能評價，難以全面滿足復雜地層條件下的防塌需求。此外，現有研究對鉆井液配方的優化和應用細節描述較少，導致現場應用效果不理想，例如，“抑制 + 封堵 + 潤滑”理論雖在理論上具有優勢，但在實際應用中未能有效解決煤矸石攜帶和起鉆遇阻問題。

深層煤巖氣鉆井液防塌技術是通過“封堵-抑制-攜砂”多維度協同優化解決煤巖坍塌難題。針對納林區塊因煤巖易失穩引發井下復雜的現狀，從煤巖物理化學特性出發開展技術攻關：通過構建“納米-微米”多級封堵體系匹配煤巖孔隙與裂縫，形成階梯式封堵網絡增強鉆井液物理封堵能力；采用有機鹽與無機鹽復配降低鉆井液濾液活度，協同提升對伊蒙混層等黏土礦物的抑制能力；優化塑性黏度與動切力參數，改善鉆井液流變性，強化攜巖能力，提高井筒清潔度。遵循“特性分析-配方設計-性能評價”的邏輯框架，首先基于煤巖組分、黏土礦物及孔喉結構特征等設計多效鉆井液體系，從提高封堵性減少濾液侵入、增強抑制性減少煤巖水化膨脹以及提升流變性保障攜巖效率著手，并在現場進行了應用驗證，結果表明多效鉆井液解決了該區塊煤巖坍塌難題，為深層煤巖氣安全鉆井提供技術支撐。

1鉆井液技術難點及煤巖特性

根據鄂爾多斯盆地2023年A井的施工情況，施工煤巖氣水平井時水平段可能會鉆遇炭質泥巖、煤層、夾矸，其在井壁失穩方面各有特點：炭質泥巖質地堅硬，微裂縫發育易造成掉塊；煤層微裂縫發育，上部結構相對完整，較穩定，下部夾矸硬度高，易塌；夾矸質地堅硬，微裂縫發育，易造成較大掉塊[13]。因此，煤層水平段安全施工，要保證炭質泥巖、煤層、夾矸在鉆完井周期內保持穩定。鉆井液施工面臨以下技術難點。

（1）鉆井液密度確定難。通常增加鉆井液密度會提高井壁的穩定性，但鉆井液密度越高濾失量越大，會導致孔隙壓力增大，從而改變煤巖的井壁應力，又會對煤巖的穩定性產生較大的影響［14]

（2）井眼清潔困難，起鉆易卡鉆。煤層鉆進過程中，井眼擴大率大導致環空返速低，加之煤矸石和炭質泥巖掉塊密度高達 1.9～2.1g/cm³ 以上，且質地堅硬，鉆進或循環過程中很難被帶出[15]，在起鉆過程中易拉劃堆積在規則井眼處導致卡鉆。如何將煤屑攜帶出井筒，保證井眼清潔是鉆井液攜砂性能的重點。

（3）煤巖井壁失穩。煤層及煤系泥巖割理、裂隙發育，造成煤巖破碎程度高、力學強度低，非連續性和非均質性強，是煤巖力學失穩的根本原因；鉆井液濾液沿割理、裂隙侵入，引起的黏土礦物水化、部分填充物溶解、潤滑弱結構面，是引起煤巖剝落失穩的化學原因［16]。對煤層及煤系泥巖的微裂縫進行有效封堵，是鉆井液封堵防塌性能的關鍵。

根據8#煤層水平段安全鉆井需要，分別對該區塊3口井的本溪組煤層進行了取心，獲得巖心總長度為 12m; ，整體巖心采取率較低且較破碎，巖性包含煤層、8號夾矸等單元。其中約 0.5m 段巖心尤為破碎，幾乎全為煤渣狀碎塊。對取出的巖心開展了巖石組分分析、CT掃描等相關實驗，并根據實驗結果和認識開展了鉆井液研究。實際鉆井施工可能會鉆遇煤矸石、煤塊及煤屑，選用X射線衍射法對水平段本溪組鉆遇的煤矸石巖樣進行全巖礦物分析及黏土礦物分析[17]，結果表明煤矸石中含有石英、鉀長石、斜長石，其中斜長石含量較低，在7% 左右；8#煤塊中含有石英、鉀長石、斜長石，其中斜長石含量 15% 左右；同時對樣品提取黏土分析，煤矸石、8#煤塊、8#煤巖屑樣品的黏土含量分別為28.3% 1 22.5% （ 20.4% 。煤矸石中黏土礦物含量較高，在 28% 以上，煤層的黏土礦物含量 20%～23% 黏土礦物組成以伊利石為主、蒙脫石為輔，相對含量分別為 25%～28% 和 14%～16% ，因此煤層鉆井過程要防止黏土膨脹引起煤層結構減弱，避免煤層坍塌的發生[9]，這就要求鉆井液要有足夠的抑制性，能夠抑制伊利石、蒙脫石水化分散，減少煤巖差異水化出現的井壁剝落坍塌［18」。

由于電鏡掃描只能辨識巖心內部情況，表征巖石內部微裂縫情況，不能對巖石全貌進行辨識，所以運用CT掃描對水平段鉆遇的頂板炭質泥巖、煤矸、煤層等裂縫分布情況進行分析，為鉆井液封堵材料選擇提供依據。CT掃描基于X射線斷層成像原理，通過材料對射線的衰減差異實現三維無損檢測。高密度區域因射線衰減顯著呈現高灰度值，而裂縫、孔隙等低密度區因衰減較弱顯示為低灰度黑色影像，該技術尤其適用于識別巖心內部結構缺陷（如裂縫、氣孔及疏松帶）的空間分布特征[19]。對煤矸石進行CT掃描，從CT二維斷層圖像看到內部存在明顯裂縫，三維立體圖像中每種顏色代表巖心內部裂縫展布的立體樣貌，可以看到巖心的裂縫呈螺旋狀展布，煤巖層基質微孔和裂隙發育，并發育次生溶孔，具有雙重孔隙結構，基質孔疊加微裂縫儲層物性好。

利用核磁共振技術對8#煤孔滲透性進行分析，馳豫時間與煤層孔徑呈正相關，測出弛豫時間與信號強度關系后進行孔徑轉換，測量結果發現，第一峰型孔徑范圍為 0.9～13.5nm ，其峰值出現在4.11nm附近，即為微孔孔隙，占總孔隙的 96% 以上；第二峰型孔徑范圍為 33.7～142.2nm ，其峰值出現在79.5nm 附近，主要為微孔孔隙和小孔孔隙，占總孔隙的 3% 以上；第三峰型孔徑分布為 335.5～960.9 nm，其峰值出現在 670.4nm 附近，主要為中孔，含部分小孔，占比最小，不到總孔隙的 1%[20] 。經過煤巖孔徑分析，鉆井液施工過程中封堵顆粒應采用多級粒徑復配，其中以納米封堵材料為主，粒徑在1～10nm 較好。

根據調研結果，表明煤巖易塌層中含有伊蒙混層，易水化坍塌，需加強鉆井液抑制性；同時煤層微納米裂縫發育，還需增加納米封堵材料對微裂縫進行封堵，形成致密封堵型濾餅；在保證鉆井液抑制性與強化封堵性的前提下，繼續提高鉆井液攜砂性能，有效解決煤巖坍塌與攜巖困難問題。

2多效鉆井液體系構建及性能評價

針對煤層氣井施工中面臨的煤巖失穩坍塌及卡鉆等井下風險，基于煤巖地層特性研究，以“封堵、抑制和清潔”能力為技術導向開展鉆井液體系優化，通過系統的室內實驗和性能綜合評價，形成的防塌防卡鉆井液顯著改善井壁穩定性和井眼清潔度。

2.1鉆井液體系構建

原鉆井液配方為： 3% 膨潤土漿 +1.5% 降濾失劑 1+12%～15% 氯化鉀 +0.15% 提黏劑 +10% 重晶石，在此基礎上，針對煤巖的特性進行優化和改進，提高鉆井液封堵能力和抑制性，增強攜巖能力。

2.1.1封堵材料優選與級配設計

煤巖孔徑分布 96% 在 0.9～13.5nm ，對多種封堵劑粒徑進行測試，最終確定超細碳酸鈣為體系剛性粒子支撐劑，瀝青類材料、固壁劑、納米封堵劑等作為配套封堵劑，以確保鉆井液具有優異的封堵性。使用激光粒度分布儀測得，1250目超細碳酸鈣 （超細鈣 1）D₉₀ 為 11.2μm，2500 目超細碳酸鈣（超細鈣 2）D₉₀ 為 7.74μm ，可以滿足煤巖較大孔隙封堵需求，有助于形成光滑致密濾餅。在室內進行超細鈣配比優選，見表1。

表11250目和2500目超細碳酸鈣加量配比實驗 Table1 Experimental study on the dosage ratio of1250 mesh and25oOmeshultra-finecalciumcarbonate

由表1可以看出，在基槳中加入總量 3% 超細碳酸鈣，鉆井液塑性黏度提高，初失水時間加長，FL_API 均有不同程度下降，表明超細鈣可以提高鉆井液封堵性，降低鉆井液濾失量；2500目和1250目超細碳酸鈣粒徑不同，測定不同配比后的性能，結果表明兩種不同目數超細碳酸鈣，添加 2.0% 超細鈣 1+1.0% 超細鈣2的鉆井液濾失量降低多，初失水時間長，表明該比例可以更有效提高鉆井液封堵性。分析原因為不同粒徑超細鈣進行復配后，更有利于架橋和封堵填充，形成致密封堵層，使鉆井液濾失量下降，封堵性提高。

為確定其他封堵劑的配方和加量，采用高溫高壓濾失儀進行封堵劑優選。實驗條件為：溫度100°C ，時間 30min ，壓力 3.5MPa ，對不同封堵劑加入鉆井液后的高溫高壓濾失量進行評價。實驗結果為：基漿中加入 5% 乳化瀝青后 FL_HTHP 為 3.6mL 基漿中加入 5% 白瀝青后 FL_HTHP 為 3.4mL ，基漿中加入 2.5% 乳化瀝青 +2.5% 白瀝青后 FL_HTHP 降為2.8mL 。分析原因是乳化瀝青和白瀝青軟化點不同，形成差異性封堵，加之白瀝青中含有油性材料，在濾餅表面形成油膜，使得鉆井液濾失量明顯減小［21]，所以優選配方為基漿 +2.5% 乳化瀝青 + 2.5% 白瀝青。在此基礎上，繼續加入納米封堵劑，讓瀝青微米級顆粒和納米封堵劑納米級顆粒形成良好復配，對煤層微裂縫形成更加有效的封堵。測定不同加量納米封堵劑對濾失量的影響，優選出封堵劑最優配方為：基漿 +2.5% 乳化瀝青 +2.5% 白瀝青 +1% 固壁劑 1+2% 納米封堵劑。

2.1.2抑制劑復配優化

煤巖中均含有黏土礦物，在鉆井液作用下容易水化分散導致井壁坍塌，需采用有效抑制劑盡可能減弱黏土礦物水化作用[22]。通過滾動分散實驗評價鉆井液抑制性，優選抑制劑加量。選取一定質量6～10目煤矸石巖屑，在 100° 鉆井液中滾動 12h 后，測定通過40目標準篩后的剩余鉆屑質量，計算鉆屑滾動回收率，將第1次滾動后的鉆屑按照以上步驟進行第2次滾動回收實驗，計算二次滾動回收率［23]，滾動回收率見表2。

表2不同抑制劑中煤矸石滾動回收率 Table 2Rolling recovery rate of middling coal gangue with differentinhibitors

由表2可以看出，單獨使用 15% 的KClNaCl_? 有機鹽WeighII，煤矸石巖屑滾動回收率在70.48%～75.32% 之間，因此考慮將多種鹽進行復配，并提高鹽含量。實驗結果表明， 15%KCl+ 15% WeighII復配的巖屑滾動回收率最高，分析原因，一方面有機鹽在鉆井液中可以電離出鉀離子、銨離子等，通過靜電引力進入黏土晶格中抑制黏土水化分散，另一方面，有機鹽陰離子可以吸附在帶負電的黏土表面，提高鉆井液抑制性[24]，加之氯化鉀抑制性強于氯化鈉，且鉀離子可以鑲嵌在黏土晶格上，提高防塌性能，因此優選 15%KCl+15% 有機鹽WeighII作為鉆井液抑制劑。

2.1.3流變參數的調控

在煤層鉆井過程中，鉆時 1～2min/m ，短時間內大量煤屑需要攜帶出井筒，要求鉆井液具有良好的攜砂能力，同時煤層中含有大量巖屑氣及游離氣，要保證攜帶出井筒后及時清除，防止氣侵造成鉆井液密度急劇降低，無法有效支撐井壁，發生井壁失穩現象，因此，這就要求鉆井液具有良好的流動性，流動性越好脫氣性就越好。鉆井液攜砂性與鉆井液流動形態有較大關系，通常來講，平板型層流攜砂能力較好。

鄢捷年等對鉆井液流型進行研究，發現平板型層流居中區域攜砂效果好，常稱作流核，該區域面積越大，攜砂效果越好，流核區的直徑與鉆井液塑性黏度、動切力關系密切，鉆井液動切力和塑性黏度比值越大，則流核區直徑越大，對井筒清潔越有利。因此要盡可能增大鉆井液的動切力，減少塑性黏度。同時，為保證流動性，根據現場經驗，優選鉆井液動塑比范圍為 0.30～0.35Pa/（mPa?s） ，既可保證鉆井液攜砂性，同時鉆井液流動性好，利于脫氣。

綜合考慮以上性能要求，通過對比實驗，從“封堵防塌、抑制分散、流變參數”三個方面，對鉆井液的配方進行了優選，確定最終多效鉆井液配方為： 3% 膨潤土漿 +1.5% 降濾失劑 +12%～15% 氯化鉀 +15% 有機鹽 +4% 潤滑劑 +0.15% 提黏劑 +2.5% 乳化瀝青 +2.5% 白瀝青 +4% 超細碳酸鈣（1250目） + 2% 超細碳酸鈣（2500目） 1+1% 固壁劑 +2% 納米封堵劑 + 重晶石，調整鉆井液密度為 1.45～1.55g/cm³ 。

2.2鉆井液性能評價

根據優選鉆井液配方配制密度 1.51g/cm³ 鉆井液進行室內評價，研究該配方對巖樣的封堵性和抑制性，并與該區塊常用的CQSP-4鉆井液體系性能進行對比。CQSP-4鉆井液體系配方為：清水 +3% 膨潤土漿 +1.5% 降濾失劑 +30% 氯化鉀 +4% 潤滑劑 + 0.15% 提黏劑 +6% 超細碳酸鈣（1250目） +4% 乳化瀝青 + 重晶石，密度 1.51g/cm³ CQSP-4鉆井液漏斗黏度 66s ，API濾失量 2.4mL 。從鉆井液砂盤濾失量、對巖樣的抑制性、巖心的抗壓強度變化進行鉆井液性能評價。

2.2.1 基本性能

對密度 1.51g/cm³ 的多效鉆井液性能進行測定，并模擬井下情況在 100° 老化 16h （該區塊井底溫度 ，實驗結果見表3。

表3多效鉆井液的基本性能 Table 3Performance comparison of multi-effect drilling fluid

從表3可看出，高溫老化后，該鉆井液各項性能依然保持穩定狀態，API濾失量和高溫高壓濾失量僅表現出輕微的上升趨勢，流變參數穩定，這一現象說明該多效鉆井液具備出色的抗溫性能以及優異的流變特性；動塑比由 0.33Pa/（mPa?s） 上升到0.35Pa/（mPa?s） ，表明在高溫老化之后，鉆井液依然能夠保持良好的攜砂性能；此外，老化前后鉆井液的中壓濾失量和高溫高壓濾失量幾乎保持不變，反映出該配方具有極高的穩定性，且抗溫能力強，因此，該鉆井液可以滿足該區塊井下施工要求。

2.2.2 封堵性評價

將CQSP-4鉆井液和多效鉆井液在 100°C 做老化實驗 16h 后，使用滲透性封堵儀測定鉆井液封堵性能，實驗采用 400mD 砂盤，壓力選取 3.5MPa 溫度選取 100° ，記錄兩種鉆井液砂盤濾失量。實驗結果測得， 30s 時，多效鉆井液瞬時濾失量為0.6mL，CQSP-4鉆井液瞬時濾失量為 1.8mL ，表明多效鉆井液瞬時封堵能力遠高于CQSP-4鉆井液；測試 30min 后砂盤濾失量，多效鉆井液累計濾失量為 4.2mL ，普通鉆井液累計濾失量為 6.8mL ，表明多效鉆井液對 400mD 砂盤封堵效果好，在鉆遇微裂縫后，可以迅速有效地對裂縫進行封堵，降低濾液對泥巖的侵入，減少井壁垮塌掉塊。對兩種鉆井液濾餅進行分析，CQSP-4鉆井液形成的濾餅厚度為 3.5mm ，厚度偏厚；多效鉆井液中多種封堵劑復配，形成的濾餅厚度為 2.0mm ，濾餅薄、堅韌且致密，證明多效鉆井液封堵性顯著提高。

2.2.3 抑制性評價

將泥巖、煤矸石和煤巖制成直徑 50mm ，高度20mm 的圓柱狀標準巖樣，使用常溫膨脹儀測定CQSP-4鉆井液和多效鉆井液浸泡 2h 后巖心膨脹率，結果見圖1。

圖1巖心膨脹率實驗結果

Fig.1Evaluation ofCore Swelling Rate

從圖1可看出，在兩種不同鉆井液的浸泡下，泥巖、煤矸石和煤巖的巖心膨脹率各不相同，在多效鉆井液體系中3種巖樣的巖心膨脹率普遍較低，相比之下，相同巖樣在CQSP-4鉆井液體系中的巖心膨脹率高，表明多效鉆井液體系在抑制巖心膨脹方面有顯著優勢，尤其是泥巖巖心的膨脹率遠低于CQSP-4鉆井液體系；在兩種鉆井液體系中煤研石和煤巖的巖心膨脹率相對較低，尤其是煤巖，這與煤巖中黏土礦物含量少有關。高抑制性有助于減少黏土礦物水化膨脹，減少鉆井過程中的復雜情況。

將 2.0～3.2mm 的泥巖、煤矸石和煤巖分別在多效鉆井液體系和CQSP-4鉆井液中 100° 老化16h，當使用多效鉆井液體系時泥巖的滾動回收率為97.85% ，煤矸石的滾動回收率為 96.45% ，煤巖的滾動回收率為 97.75% ；而當使用CQSP-4鉆井液體系時，泥巖的滾動回收率下降到了 86.1% ，煤矸石的滾動回收率為 83.75% ，煤巖的滾動回收率則更低，為80.5% 。實驗結果可以看出，在多效鉆井液體系和

CQSP-4鉆井液體系中，泥巖、煤矸石和煤巖的滾動回收率表現出顯著差異，三種巖樣在多效鉆井液體系中的滾動回收率均較高，在CQSP-4鉆井液體系中滾動回收率相對較低。巖樣在鉆井液中滾動回收率低，在鉆井作業時，部分會水化分散在鉆井液中，影響鉆井液性能，鉆井液中有害固相含量增加，出現滑動黏托，鉆井液濾失量控制困難等問題。在多效鉆井液中模擬井下環境滾動 16h ，滾動后巖屑棱角分明，回收率高，說明多效鉆井液具有良好的抑制效果。

2.2.4巖心抗壓強度

在室內對納林區塊8#煤巖心進行了三軸抗壓強度測定，參照GB/T23561.7—2009《煤和巖石物理力學性質測定方法第7部分：單軸抗壓強度測定及軟化系數計算方法》將泥巖、煤矸石和煤巖制成直徑 25mm 、高度 50mm 的圓柱狀標準巖樣，在清水、CQSP-4鉆井液、多效鉆井液中浸泡 16h 后，圍壓 10MPa 條件下，以 0.5MPa/s 的速度對樣品施壓，至樣品破壞記錄破壞載荷，測量三軸抗壓強度，實驗結果如圖2所示。

從圖2可看出，未浸泡的泥巖三軸抗壓強度最高，可達 213.6MPa ，煤巖抗壓強度最低，未浸泡時88.6MPa ；相比CQSP-4鉆井液，多效鉆井液體系浸泡后的泥巖、煤矸石和煤巖的抗壓強度高 4.47% 6.52% 和 13.79% 。由實驗結果可得，泥巖、煤矸石、煤巖浸泡后，抗壓強度均有明顯下降，清水浸泡抗壓強度下降最多，在多效鉆井液中浸泡抗壓強度相比最高，證明多效鉆井液體系封堵效果好，能有效提高煤巖的抗壓能力，對井壁的穩定作用明顯。

3 現場應用

D井、E井均位于鄂爾多斯盆地納林河區塊，為三開深層煤巖氣水平井。D井設計井身結構為：一開 θ444.5mm 鉆頭鉆至 套管下深 529m ；二開 δ311.2mm 鉆頭鉆至 3 270m θ244.5mm 套管下深 3267m ；三開 δ0215.9mm 鉆頭鉆至 4900m，0139.7mm 套管下入深度 4895m 。鉆探目的為評價本溪組煤巖水平井產能，技術套管下至入窗點，目的層為本溪8#煤，根據地震、地質綜合論證，綜合預測該井本溪組8#煤層厚度 7.0m ，目的層埋深在 3199～3243m ，預測該井產氣無阻流量可達 （50～80）×10⁴m³/d. 。D井水平段長度 1246m 水平段施工周期 20.46d ，為目前納林河區域本溪組深層8#煤層水平井長度最高記錄。

D井三開使用清水新配制的多效鉆井液進行施工。下鉆掃水泥塞和套管附件時，使用聚合物鉆井液單罐循環，掃塞完成后用多效鉆井液替換聚合物鉆井液，待鉆井液充分循環均勻后進行三開施工。

在鉆進過程中，鉆井液密度無自然增長現象，返出鉆屑棱角分明，離心機每天開啟 3～4h. ，去除有害固相，維持濾餅質量致密光滑，濾失量穩定，不受井深及水平段長度影響，整體鉆井液性能穩定且維護簡單。但為了確保施工的高效與安全，在應用多效鉆井液體系的同時，使用以下措施強化井眼的清潔度和井壁的穩定性。

（1）重視井筒清潔，每鉆進 300～400m 短程起下鉆一次，破壞井壁巖屑床，井下出現復雜或完井起鉆前使用 1.5‰ 雷特纖維清掃井筒，確保井筒清潔。

（2）減少氣侵對鉆井液密度的影響。三開全程應用多效鉆井液，該體系鉆井液流動性強，脫氣效果好，能夠有效減少氣侵對鉆井液的影響，同時施工過程中配合使用大功率真空除氣器，處理量達到600m³/h ，使得返出鉆井液得到全面有效的除氣處理。

（③）強化鉆井液封堵性能。鉆遇的地層黏土礦物主要為非膨脹性的伊利石和蒙脫石，鉆井過程每班2次測定鉆井液膨潤土含量并保持在28～35g/L 之間，封堵材料按照配方的比例配成膠液維護，確保鉆井液有足夠的封堵能力。

（4）重視鉆井液抑制性。施工過程中，維持鉆井液中鹽含量在 30% 以上，氯根含量在 10×10⁴mg/L 以上，鉆井液可以有效抑制地層中黏土礦物分散，防止出現井壁坍塌。

（5）保證濾餅質量。濾餅應具有良好的韌性，薄而致密，高溫高壓下濾餅無虛厚現象，晾干后無裂紋，強度高，證明其內部結構緊密、強度高，能夠承受較大的外力作用而不發生破壞，對井壁的護壁性強。

（6控制好鉆井液濾失量。按照配方的要求及時補充降濾失劑和封堵材料。

在現場施工過程中，D井、E井水平段鉆井液密度均在 1.48～1.53g/cm³ 之間，鉆井液密度隨著井深、水平段煤矸石長度增加逐步提高，施工過程中振動篩返砂顆粒均勻，無明顯掉塊，表明鉆井液性能可以有效穩定井壁；動塑比在 0.30～0.35Pa/（mPa?s） 之間，既滿足了攜帶煤屑的需要，也滿足了迅速脫氣要求；初切 3Pa. 、終切總體保持在 8～9Pa 之間，具有較好的懸浮煤屑的能力；API濾失量在 1.6～2.0 mL，高溫高壓濾失量為 5.6～7.4mL ，鉆井液濾失量低，封堵性能優異；黏滯系數保持在0.0699的較低水平，可以反映出鉆井液與鉆具黏附力以及摩擦阻力小，表明該鉆井液具有良好的潤滑性。另外，相較于前期施工的A井、B井、C井，D井、E井平均井徑擴大率減少了 33.25% ，倒劃眼起鉆速度提高139.44% 。綜上所述，應用多效鉆井液體系后，D井、E井水平段鉆井液性能表現出良好的穩定性和優異性。

4應用效果分析

針對深埋藏煤巖氣井研發的多效鉆井液在D井、E井進行了成功應用，全井段井壁穩定，未發生井壁垮塌及卡鉆等井下復雜。為系統驗證該鉆井液配方性能優勢，從施工過程中井徑擴大值和倒劃眼起鉆速度兩項指標與前期施工井開展對比分析，驗證該鉆井液的防塌防卡協同作用。

4.1井徑擴大率與井壁穩定性討論

從并徑擴大情況對鉆井液防塌性能進行評價，防塌效果越好，井徑越規則、擴大值越小。A井、B井、C井使用常規鉆井液體系，D井、E井使用多效鉆井液體系，未使用多效防塌鉆井液施工前，施工井的井徑擴大率在 27.45%～29.32% ，數據反映出未應用多效鉆井液體系井壁的穩定性低，井徑擴大率較高；應用多效防塌鉆井液后，井徑擴大率降低至 18.60%～19.41% ，井眼規則度提高。計算未使用多效鉆井液前3口井平均井徑擴大率為 28.48% 使用后平均井徑擴大率為 19.01% ，相比減少了9.47個百分點，證明多效鉆井液體系能有效防止井壁坍塌，井徑擴大率小，不僅提高了鉆井效率，還降低了因井壁不穩定導致的潛在風險和成本損失。

煤巖氣井水平段煤層易剝落，導致井徑擴大率高，分析原因是因為煤層的抗壓強度較低，在受到鉆具如旋轉沖擊、軸向振動及側向刮擦等機械作用下易發生破壞，導致煤體發生塑性變形或脆性破裂；另外，煤層的內部結構也會導致煤層剝落的產生，煤層中存在微裂隙、割理網絡及構造節理等結構弱面，這些弱面會成為煤層剝落破壞的優先擴展路徑，降低煤層的整體穩定性；加之煤層中黏土礦物差異水化，膨脹性礦物遇水后產生層間膨脹應力，而非膨脹性礦物則保持剛性支撐，這種非協調變形導致礦物顆粒間膠結失效，形成微裂縫發育帶，導致煤巖結構性減弱，更易產生剝落[25]。煤層剝落引發的工程效應具有鏈式反應的特征：首先，掉塊尺寸增大會導致機械鉆速下降；其次，井徑不規則擴大造成環空返速降低，而巖屑床大量堆積會導致循環壓力升高，同時，掉塊之間的二次破碎以及與井壁摩擦擠壓，會加速井壁失穩進程。

B井煤層段鉆進至 3937m 時，出現扭矩異常升高 3kN?m ，泵壓上升 1.5MPa ，短起鉆驗證后繼續鉆進至 4230m 時扭矩驟增 3.0～4.0kN?m ，泵壓上升 2MPa 。后續起鉆過程中連續出現頂驅憋停現象：在 3935m 井段扭矩由 12kN?m 突增至25kN?m ，泵壓上升 3MPa ，降排量后出現 16MPa 憋壓，循環返出 10mm 煤塊；在 3764m 和 3682m 井段分別出現 23kN?m 扭矩憋停，返出 50～55mm 煤矸石和碳泥掉塊，斷面呈現光澤特征，判斷井壁出現垮塌，井下情況復雜，對比D、E井采用多效鉆井液后，未出現類似現象，驗證了多效鉆井液的防塌能力。

鉆井液性能是維持井筒穩定的關鍵因素之一。優質鉆井液可在井壁表面形成致密保護膜，抑制水力-化學侵蝕及應力破壞，表現為振動篩返出鉆屑粒徑均勻且井壁完整性好。當鉆井液性能不滿足防塌要求時，井壁失穩呈現漸進特征：初期返出鉆屑中出現不規則剝落體，隨著時間推移，返屑粒徑顯著增大至厘米級，反映煤層結構弱面擴展引發非均勻剝落；最終導致井壁失穩出現連鎖反應，出現環空堵塞引發泵壓異常升高、鉆具上提下放受阻等現象，嚴重時因大尺度掉塊堆積可能誘發卡鉆事故。

多效鉆井液通過多重協同作用有效防止井徑坍塌擴大，其核心優勢體現在4個方面：一是優異的抑制性，有機鹽與無機鹽協同降低鉆井液活度，抑制黏土礦物水化膨脹，從源頭上減少井壁失穩風險；

二是多級封堵性能，采用超細碳酸鈣 （5～10μm） 、固壁劑 （0.1～5μm） 、水化膨潤土 （1～5μm） 及納米封堵劑 （0～100nm） 多級配封堵體系，覆蓋煤巖納米級至微米級裂縫，大幅降低濾液侵入量；三是形成優質濾餅，這也是防止井眼垮塌的重要手段之一，納米材料在井壁形成致密光滑的濾餅屏障，兼具抑制濾液滲透與物理護壁功能，不僅能夠有效減少鉆井液濾液的侵入，還能夠防止井壁進一步剝落［26]；四是良好的攜砂性能，優化的流變參數確保及時攜帶剝落巖屑，避免鉆屑在井內堆積引發的二次破壞。四者協同作用顯著提升井壁穩定性，為復雜煤層安全鉆進提供保障。

綜上所述，多效鉆井液通過其優異的抑制性、封堵性、濾餅質量和攜砂能力等多方面的性能優勢，成功地防止了井徑擴大，為鉆井作業的安全性和效率提供了有力保障。同時，為了降低井徑擴大率，保證井下安全，在應用多效鉆井液的同時，還需要精細化應用工程措施，減少復雜發生幾率，首先是保持穩定的鉆井液柱壓力，起鉆時泵入重漿補償抽吸壓力，按要求連續灌漿；其次是減少壓力激動，在起下鉆過程中，控制起鉆速度，下鉆和接立柱開泵過程中開泵平穩掛泵，待泵壓正常后再逐步增加至正常排量，盡量保持壓力穩定減少井眼垮塌。

4.2起鉆速度與井眼清潔度討論

煤巖氣水平井在起鉆作業中風險較大，這與井筒中巖屑堆積有關，從起鉆速度可以側面驗證井筒清潔情況，一定程度上評價鉆井液防塌攜砂性能。統計2023年與2024年施工井水平段長度，除以起鉆過程中平均倒劃眼時間，得到施工井平均起鉆速度。A井、B井、C井的水平段起鉆速度分別為5.25、3.59、 2.94m/h ，平均 3.93m/h ；使用多效鉆井液體系后，D、E井起鉆速度增加為 8.85，9.97m 平均起鉆速度為 9.41mh ，倒劃眼時間相較提高5.48mh 。倒劃眼時間的減少，分析與井筒內巖屑濃度、巖屑直徑大小呈正相關關系，巖屑濃度越高，起鉆越困難；巖屑直徑越大，倒劃眼時憋扭矩越頻繁，倒劃眼速度越慢；倒劃眼時間的明顯減少，說明該鉆井液體系攜砂性能與防塌性能優異，井壁輕微坍塌形成的掉塊直徑小，鉆井液攜砂性能強，井筒清潔度高，所以倒劃眼起鉆順利。

深層煤層氣水平井施工完成后，起鉆比較困難，一方面是因為煤矸石、煤巖發生坍塌導致，8#煤內部含有夾矸礦物，同時存在原生裂紋，夾矸礦物與煤巖之間的交界處以及原生裂紋處為應力薄弱區，此處會引發應變集中造成井壁失穩；相較于8#煤，煤矸石內部存在高密度礦物，使煤樣整體形成一個很強的骨架結構和力鏈網絡，破碎后巖樣較為完整，形成大塊掉塊；另一方面是因為在煤層鉆進過程中鉆時較快，在控制鉆壓 20～30kN 前提下，鉆時 1～2min/m ，新鉆出井眼井徑比較規則，井壁還未開始剝落鉆頭已鉆穿，鉆達設計井深起鉆過程中，鉆頭與扶正器回到發生剝落的井眼，該處井壁經過鉆井液長期浸泡和鉆具擾動，井壁剝落以及坍塌巖屑堆積，且剝落后的掉塊因為密度低，鉆井液浮力大，在鉆井液中漂浮起來，懸浮在不規則井筒中上井壁位置，起鉆過程發生堆積、聚積，導致起鉆遇阻[27]，若是鉆頭和扶正器不旋轉，煤屑大量堆積起鉆必然遇阻，因此必須倒劃眼將煤塊粉碎后方可正常起出；另外，煤矸石坍塌后，大量沉積在井壁下沿，鉆井過程中不能攜帶出井筒，起鉆時鉆頭與扶正器起到類似活塞作用，將井壁坍塌煤矸石推拉堆積，堆積到一定高度后必然要出現起鉆遇阻，需要倒劃眼破壞煤矸石的堆積，將堆積物粉碎到可以被鉆井液沖散、鉆頭正常起出程度。

煤巖氣井完鉆后常采用倒劃眼起鉆方式，其必要性體現在兩方面：一是硬脆性煤層易因停泵停轉盤導致巖屑堆積，引發開泵困難或卡鉆事故；二是通過監測工程參數可判斷井下狀態，扭矩突增反映大尺寸掉塊堆積，泵壓升高指示井筒清潔不足，負鉆壓則提示起鉆遇阻風險。倒劃眼時需結合參數變化動態調整起鉆策略，輔以循環清掃確保作業安全。平均起鉆時間可直觀反映井筒清潔度與井壁穩定性，時間越短說明鉆井液攜砂性能越好，井筒越清潔。

以C井為例，該井煤層埋深 3156～3181m ，鉆進過程中鉆遇 244m 高伽馬含泥煤巖，完鉆起鉆過程中遇阻嚴重，開頂驅倒劃眼起鉆。整個起鉆過程中在4個井段倒劃眼困難： 4336～4238m 伽馬值在100～260API，起鉆耗時 27h;4160～4107m 伽馬值在100～200API，起鉆耗時 33h;4025～3992m 伽馬值在 100～120API ，出現泵壓波動并返出大量炭質泥巖，采用寸提倒劃逐步起鉆； 3870～3800m 伽馬值在90～110API，起鉆耗時 ^106h， 其中3868m處因持續憋泵耗時 76h， 經兩次 2.0g/cm³ 重漿舉砂及停泵倒劃處理方通過。全井累計起鉆時間達218h， ，分析表明井壁坍塌系直接誘因，鉆井液攜砂性能不足為深層誘因。后續應用多效鉆井液體系后，平均起鉆時效提升 5.48m/h， ，驗證了多效鉆井液配方改進的有效性。

鉆井液的攜巖能力直接影響井眼凈化效果，返出巖屑直徑是評價該性能的關鍵指標。理想狀態下，攜巖能力強的鉆井液可快速運移鉆屑，使其保持較大尺寸和清晰棱角（運動速度快、碰撞磨損少且水化分散弱）；反之則易導致巖屑破碎、棱角磨圓甚至形成濾餅［28]。現場需定期監測返出巖屑的粒徑分布與形態特征：大尺寸棱角狀巖屑反映良好攜巖能力，而細小圓潤顆粒則提示需優化鉆井液配方或鉆井參數。

煤巖氣水平井相對于常規水平井，更加強調攜砂性能，這與煤巖特性有關。煤巖與灰巖、泥巖相比，抗壓強度、彈性模量相對較小，泊松比大且離散性強，易沿著裂縫發生劈裂式破壞，煤巖的力學性質受裂紋發育影響極大，從而極易造成煤巖井壁剝落掉塊［29]。深層煤層氣井在正常鉆進過程中，振動篩返出地層剝落掉塊少，分析原因主要有：（1）鉆進過程中鉆具旋轉，地層剝落掉塊在鉆具軸向力作用下破碎變小，隨著鉆井液上返至地面，且在上返至井口過程中，鉆井液不斷沖蝕，剝落掉塊變小，與鉆屑混合后很難分清；（2）部分井徑擴大率高達29.32% ，井眼直徑大，鉆井排量有限導致環空返速達不到攜砂最低要求，另外鉆屑藏在大肚子處，鉆井液流型不合理的情況下，很難清掃攜帶出井筒；（③）煤矸石剝落后直徑大、密度高，沉降在井眼內，在原水力參數和鉆井液性能條件下很難到達地面，必須在扶正器、鉆頭的機械破壞下，將煤矸石掉塊破碎到鉆井液水力參數可以攜帶的程度方可正常帶出井筒，所以地面返出煤矸石棱角圓滑，這與鉆井液長期沖蝕、掉塊在井眼環空中反復翻轉等有關。應用多效鉆井液后，返出鉆屑棱角分明，鉆頭切削痕跡明顯，且起鉆速度大幅提升，證明多效鉆井液的優異防塌攜砂性能。

5結論

（1）多效鉆井液體系從“封堵、抑制、清潔協同優化”角度出發，在現場常用配方基礎上進行升級，優選出多尺度顆粒級配封堵材料填充煤巖微納米裂縫，有機鹽和無機鹽協同強化抑制性，動塑比范圍優選保證攜砂性能，形成的鉆井液體系封堵性強，抑制性佳，能有效攜帶井筒內巖屑。現場應用表明，該體系解決了深埋藏煤巖氣水平井施工過程中出現的煤巖坍塌、起鉆遇阻難題，促進了深層煤巖氣井開發進程。針對井壁坍塌導致卡鉆的同類施工井的鉆井液處理，提出“防塌-清潔”雙效協同控制策略，改變傳統鉆井液單一功能強化模式，為同類型施工井安全高效施工提供了工藝優化方向。

（2）針對深層煤巖特性研究的多效防塌鉆井液配方，是立足在鄂爾多斯盆地納林區塊煤巖特性下進行的，該區域儲層埋深 3100～3200m ，井下溫度95^°C 。在儲層埋深進一步增加，煤巖特性發生改變的情況下，多效防塌鉆井液性能是否滿足還需進一步驗證。

（3）多效鉆井液體系是在現場常用鉆井液體系基礎上升級而成，鉆井液密度高達 1.45～1.55g/cm³ 對儲層的傷害可能導致產氣量下降，且鉆井設備負荷重泵壓高，鉆井成本高，后期還需繼續研究低密度條件下的煤巖防塌鉆井技術。

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[編輯朱偉]