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順煤層鉆進用可降解聚合物鉆井液

文檔作者：呂帥鋒1 王生維1 烏效鳴2 王道寬3 董慶祥1 肖宇航1 黃河2 文檔來源： 1．中國地質大學(武漢)資源學院 2．中國地質大學(武漢)工程學院 3．湖北省電力勘測設計院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月26日
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第33卷第4期
2016年7月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
Vbl_33 No．4
July 2016
doi：10．36968．issn．1001-5620．2016．04．004
順煤層鉆進用可降解聚合物鉆井液
呂帥鋒1， 王生維1， 烏效鳴2， 王道寬3， 董慶祥1， 肖宇航1， 黃河2
(1．中國地質大學(武漢)資源學院，武漢430074；
2．中國地質大學(武漢)工程學院，武漢430074；3．湖北省電力勘測設計院，武漢430040)
呂帥鋒等．順煤層鉆進可降解聚合物鉆井液[J】-鉆井液與完井液，2016，33(4)：20．26．
摘要沁水盆地南部寺河礦區(qū)15號煤含氣量高，埋深較淺，具有良好的煤層氣開發(fā)潛力。針對15號煤煤體結構復雜和
頂?shù)装鍨楦缓畬拥幕規(guī)r，在順煤層鉆進時主要存在的攜屑困難、井壁失穩(wěn)、容易漏失和儲層污染難題，研發(fā)了微固相可降
解聚合物鉆井液體系。通過煤粉懸浮、煤巖取心模擬護壁、黏度衰減和滲透率恢復實驗評價了該體系的基本性能。實驗結
果表明，該體系攜帶巖屑效果好，抑制作用強，能夠減小井眼擴徑，同時配合生物酶的降解作用，儲層滲透率傷害率可以
從50％降低到25％。該鉆井液在中國首個煤層氣工廠化鉆井平臺X．2井進行現(xiàn)場試用，鉆井液密度為1．0l～1．03 g／cm3，漏
斗黏度為35～40 S，API濾失量小于15 mL，pH值為8～10，加入生物酶后黏度降低40％，順煤層段成功鉆進900 m。
關鍵詞順煤層鉆進；可降解聚合物鉆井液；生物酶；井壁穩(wěn)定；防止地層損害
中圖分類號：TE254．3 文獻標識碼：A 文章編號：1001—5620(2016)04．0020．07
Degradable Polymer Drilling Fluids for In—seam Drilling
LYU Shuaifen91，WANG Shengweil，WU Xiaomin92，WANG Daokuan3，DONG Qingxian91，XIAO Yuhan91，HUANG He2
(1．Faculty of面舶Resources，China University ofGeosciences(Wuhan)，Wuhan，Hubei 430074；
2．Faculty ofEngineering,China University ofGeosciences(Wuhan)，Wuhan，Hubei 430074；
3．Hubei Electric Power Survey and Design Institute，Wuhan，Hubei 430040)
Abstract The#15 coal seam buried shallow in the Sihe coal mine in the south ofQinshui Basin has hi【gh content ofcoal bed methane
(CBM)and is thus prospective in CBM mining．The#15 coal seam has a complex structure and its top and bottom are both limestone
rich in water．In-seam drilling in the#15 coal seam has been encountering problems such as difficulty in cuttings carrying，borehole
wall collapse，lost circulation and drilling fluid contamination to the coal seam．A degradable polymer drilling fluid has been developed
to deal with these problems．The polymer drilling fluid was evaluated in laboratory through suspension of coal fines，simulation of
borehole wall stabilizing with coting，viscosity attenuation and test on permeability return．The results have proved that the polymer
drilling fluid has good cuttings carrying capacity and strong inhibitive capacity,mitigating borehole washout．Using bio·enzyme，
formation permeability impairment ofthe target zones by drilling fluid can be reduced from 50％to 25％．This polymer drilling fluid has
been tried in the platform X一2，the first industrial CBM drilling platform，with its properties as these：density 1．01—1．03 rdcm3，F(xiàn)V 35—40
sec，API FI lessthan 15 mL，andpH 8-10．Addition ofbio—enzyme reducedthe viscosity ofthe drillingfluidby40％．900 mfootage in
the coal bed has been successfully drilled with this degradable polymer drilling fluid．
Key words In--seam drilling；Degradable polymer drilling fluid；Bio--enzyme；Borehole stability；Formation damage prevention
煤層氣順煤層井也稱作L型井，對于單井及
井組產(chǎn)量均有顯著優(yōu)勢，適用于不同傾角煤層的煤
層氣開發(fā)，已逐漸成為煤層氣開發(fā)的主力井型[1-2]。
鉆井液是煤層氣鉆井中的循環(huán)介質p41，直接與煤
基金項目：國家科技重大專項資助項目“山西重點煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調開發(fā)示范工程”(2016ZX05067)；山西省
煤基重點科技攻關項目“煤層氣鉆井關鍵技術及裝備研發(fā)”(MQ2014—04 o
第一作者簡介：呂帥鋒，1990年生，男，碩士研究生，研究方向為煤層氣勘探與開發(fā)。電話13343407981；E．mail：
4995 1 7353@qq．corn。
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第4期呂帥鋒等：順煤層鉆進可降解聚合物鉆井液21
儲層接觸，順煤層井裸眼井段較長，鉆井難度大。
目前中國煤層氣鉆井過程中，為防止鉆井液中固相
顆粒對儲層的污染[6-131，在煤層段常使用清水鉆進。
但是由于清水鉆井液黏度小，懸渣能力較弱，容易
在水平段產(chǎn)生煤屑沉積，形成巖屑床，造成埋鉆卡
鉆等事故發(fā)生；清水的濾失量大，不具備造壁性，
在煤體結構破碎、裂隙發(fā)育煤層漏失量較大，容易
發(fā)生井壁坍塌掉塊，使鉆井事故頻發(fā)。在順煤層井
中使用清水鉆井液，不利于安全鉆進。而聚合物鉆
井液體系不僅能夠懸排鉆屑，前期起成膜護壁作用，
而且后期采取一定的降解措施，能夠降低聚合物對
煤儲層的污染，能夠滿足順煤層井鉆進要求。一些
學者[14-181對可降解鉆井液進行了研究，通過破膠
實驗、濾餅清除實驗、膨脹量測試和鉆井液侵入速
度測試以及滲透率恢復等實驗評價了其I生能以及分
析了聚合物鉆井液的降解機理，但多數(shù)是局限于室
內(nèi)實驗研究，對于鉆井液對煤儲層的影響和現(xiàn)場應
用及其效果報道較少。
2015年中國首個煤層氣工廠化鉆井平臺在中
國最大的煤層氣井田——沁水煤層氣井田晉城寺河
區(qū)塊投入使用。目前，該煤層氣鉆井平臺在晉城
寺河區(qū)塊共設計有5口單分支L型井，機組采用3
號煤層、15號煤層2類煤層交叉作業(yè)的方式，年
底已完成2口L型井的鉆完井工作?？山到饩酆?
物鉆井液在第二口井鉆進15號煤層得到了現(xiàn)場應
用[19-221。
1 L型煤層氣井鉆井液技術難點與性
能要求
1．1鉆井液技術難點
寺河區(qū)塊整體上為一向北傾斜的單斜構造，發(fā)
育一系列起伏平緩的NNE、NE和SN向次級褶曲。
區(qū)內(nèi)主力煤層為3號煤層和15號煤層，15號煤工
業(yè)分析和元素分析如表1所示。從灰分產(chǎn)率來看，
15號煤屬于低中灰煤，無機礦物含量少，黏土礦
物含量較低，水敏性較弱。
表1寺河區(qū)塊主力煤層15號煤樣品
工業(yè)分析和元素分析(％)
水分灰分揮發(fā)分硫分磷C H O N
1．85 17．6 8．3 3．82 0．005 92．19 2．99 1．79 0．86
在采煤巷道中采集煤層水，測得煤層水為碳酸
氫根型，其pH略大于7，呈弱堿性(見表2)。
表2寺河區(qū)塊主力煤層樣品水質分析(水型為NaHCO，) 嚳_=__：i塑罷生可pH 品Na++K+Mg“Ca2+ Cl—SO一2一Hco，一CO，2一：；i三釜1
1 978 7 14 196 430 1 79l 0 3 416 7．2
2 l 439 8 16 1 600 22 1 123 0 4 208 7．1
15號煤的另一大特征是煤的機械強度較高，
屬于中等強度以上的煤，通過實驗室測得寺河區(qū)塊
15號煤的堅固性系數(shù)大于1．0；但是局部發(fā)育構造
煤，堅固性系數(shù)只有0．52，如表3所示。這種機械
強度的煤層在煤層氣開采時，不易垮塌，但是對于
難以預測的構造帶，煤粉量大。15號煤煤體結構
復雜，從原生結構煤到糜棱煤均有發(fā)育，且難以預
測，給鉆井作業(yè)帶來了極大的困難。
表3煤巖堅固性系數(shù)測定
①巖屑上返困難。由于煤層壓力系數(shù)較小，力
學性質不穩(wěn)定，構造煤較發(fā)育，井壁經(jīng)常出現(xiàn)掉塊
和垮塌，煤屑體積過大影響上返速度甚至無法攜帶
出井眼。②鉆井液滲漏較嚴重。15號煤層厚度小，
厚度為0．3～6．17 m，煤層的直接頂板和間接地板
為灰?guī)r含水層，煤層中的構造節(jié)理裂隙以及與灰?guī)r
層溝通的裂隙難以預測，井眼軌跡稍有偏斜就會造
成鉆井液的大量漏失。③儲層污染。15號煤大裂
隙系統(tǒng)發(fā)育，鉆井液密度大、固相含量高、聚合物
不能有效降解、流體不相匹配等都會造成儲層污染，
污染范圍擴大會造成嚴重后果，直接影響后期煤層
氣的采收率。
1．2鉆井液性能要求
針對煤儲層松軟、破碎、易被污染的特點，L
型井鉆井液要求不僅具有良好的化學聚凝能力，能
夠懸浮煤屑，保證鉆孔中煤屑被排除干凈，而且在
萬方數(shù)據(jù)
22 鉆井液與完井液2016年7月
有效懸浮鉆屑同時，加強對松軟井壁的膠結作用，
從而可以有效保護井壁；通過引人強降濾失劑和骨
架成膜劑，可以很大程度地降低煤層氣鉆井液向地
層的滲透；具有良好的封堵裂縫能力，減少鉆井液
通過大裂隙系統(tǒng)漏失；同時鉆井液泥餅后期易清除，
聚合物分子容易降解，降低對煤儲層傷害。因此，
要求鉆井液具備高黏度、低固相、低密度，低濾失
量以及可降解性能。此外，鉆井液的流變性、抑制
性、潤滑性、pH值等都應在合適的范圍內(nèi)。
2 可降解聚合物鉆井液技術研究
2．1鉆井液降解原理
可降解聚合物鉆井液是一種新型環(huán)保型鉆井
液，主要由骨架成膜劑、強降濾失劑、提黏劑、流
型調節(jié)劑和分散劑以及降解劑組成。其中骨架成膜
劑為超細膨潤土粉，含量極低，能夠水化分散，作
為大分子鏈的中心骨架。強降濾失劑為改性淀粉和
低黏聚陰離子纖維素，分子量較小，能夠充填在大
分子形成的網(wǎng)狀鏈條空間內(nèi)，使網(wǎng)鏈結構更加密實
牢固。提黏劑為分子量較大的高黏聚陰離子纖維素，
通過與骨架成膜劑相互架橋，形成大分子網(wǎng)鏈結構。
流型調節(jié)劑為田菁膠和黃原膠，同時能夠起到提黏
作用。分散劑為碳酸鈉，促進骨架成膜劑的充分分
散和水化，維持分子結構間距。降解劑為生物酶，
能夠使聚合物分子通過斷鏈方式降解為分子量更小
的物質，黏度大幅降低。
前期這些聚合物分子網(wǎng)鏈在井壁上形成“凝膠
套管”的隔膜，阻止自由水向儲層裂隙中滲漏，起
到成膜護壁作用，同時隔膜具有良好的潤滑性，可
以減小鉆具與井壁間的摩擦阻力。后期在生物酶的
催化作用下，附著在煤儲層表面以及裂隙中的聚合
物分子能夠有效降解，從長鏈變?yōu)槎替湥到猱a(chǎn)物
易于返排，如圖1所示。
2．2鉆井液性能評價
2．2．1鉆井液配方
經(jīng)過大量實驗，優(yōu)選的可降解鉆井液配方為：
0．5％骨架成膜劑+2％強降濾失劑+0．05％高效提
黏劑+O．05％流型調節(jié)劑+0．02％分散劑，其性能
見表4。從表4可以看出，該聚合物鉆井液體系在
加入骨架成膜劑基礎上，通過少量的聚合物處理劑
就能形成大分子網(wǎng)狀結構，黏度和切力較高，濾失
量小于10 mL，能夠形成薄而致密的泥餅，阻止鉆
井液進一步侵入煤儲層。
圖l 聚臺物刈“吐餅的降解小總圖
表4可降解聚合物鉆井液性能
2．2．2懸浮鉆屑能力
鉆井液的攜砂能力是保證順利鉆進的前提條件
之一。通過室內(nèi)實驗，5種不同粒徑(0．45～0．90
mnq、0．18～0．45 mm、0．154～0．180 rnffl、0．076～
0．154 mill和<0．076 mm)的煤粉在清水和優(yōu)選聚
合物鉆井液(表觀黏度為46 mPa·S)中的懸浮分
散情況如圖2所示。同時選用721型可見分光光度
計對鉆井液的沉降穩(wěn)定性，進行測試和評價。
實驗結果表明，煤粉在清水中攪拌后會出現(xiàn)
分層現(xiàn)象，而且煤粉顆粒越小，分層越明顯，上浮
顆粒越多。這與煤的產(chǎn)狀、聚集狀態(tài)等物理性質有
關。煤粉在清水中沉降較快，其中粒徑為0．45～O．90
ITffn煤粉在5 min之內(nèi)全部沉淀，其他粒徑的煤粉
也在短時間內(nèi)完成沉降，且之后處于穩(wěn)定狀態(tài)。煤
粉在聚合物鉆井液中懸浮較穩(wěn)定，分層現(xiàn)象不明
顯，煤粉顆粒越小，下沉速度越慢，懸浮12h之后，
粒徑小于0．076 mm煤粉仍然分散均勻。
被測樣品在測試過程中，鉆井液中的煤粉顆粒
隨著時間的增加逐漸發(fā)生沉降，則光路中的固相顆
粒越來越少，整個光路的透射比增大。隨著煤粉顆
粒粒度的逐漸增大，煤粉沉降速度加快，粒徑小于
0．076 mm的煤粉在聚合物鉆井液中1 h內(nèi)基本不
發(fā)生沉降(圖3)。透光性結果和煤粉在量筒中的
表現(xiàn)是一致的。
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第4期呂帥鋒等：順煤層鉆進可降解聚合物鉆井液23
煤粉在鉆井液中懸浮效果(12 h)
圖2煤粉在清水和鉆井液中懸浮效果對比
t／rain
圖3煤粉在鉆井液中透光率隨時間變化規(guī)律
2．2．3 護壁能力
利用巖心鉆取機在一定的下壓壓力和旋轉鉆速
下對不同堅固性系數(shù)的煤巖以清水和鉆井液作為循
環(huán)介質進行模擬鉆進實驗，結果見圖4和表5。
煤樣1 煤樣2 煤樣3
圖4 3種不同堅固性系數(shù)的煤樣
實驗用鉆頭直徑為2．950 cm，鉆進的下壓壓力
為34 N，鉆進時間為20 S，鉆頭旋轉速度為l 800
r／min，清水和鉆井液從鉆頭內(nèi)部流入，經(jīng)鉆頭外
壁和鉆孔壁間的環(huán)空流出。鉆后將鉆孔清洗干凈并
測量鉆孑L直徑的長度。
由表5可知，鉆孔直徑和煤巖堅固性系數(shù)呈負
相關關系，堅固性系數(shù)越大，煤巖機械強度越大，
鉆孑L越規(guī)則，越不容易造成擴孔現(xiàn)象，對井壁的破
壞程度越小。鉆進介質在鉆井過程中容易進入煤巖
裂隙，一方面造成煤中黏土礦物水化膨脹，另一方
面由于流體侵入使煤巖膠結強度降低，從而導致煤
巖松散部分脫落，出現(xiàn)擴孔現(xiàn)象。聚合物鉆井液具
有強的抑制作用，能夠防止黏土礦物水化，因此鉆
孑L的擴徑率比使用清水要小，起到抑制和護壁作用。
表5模擬煤巖鉆進實驗數(shù)據(jù)
2．2．4黏度衰減實驗評價
為了對比不同生物酶對聚合物鉆井液的降解效
果，室內(nèi)按以下2種配方配制聚合物鉆井液，鉆井
液初始黏度較高。室溫(25℃)下，在2種配方
中分別加入0．01％的纖維素酶、中性蛋白酶、淀
粉酶、葡聚糖酶和B一甘露聚糖酶5種生物酶，進
行黏度衰減實驗。每隔一定時間測鉆井液的表觀黏
度，直至黏度不再有明顯變化為止，實驗結果如圖
5所示。
18 1％鈉膨潤土+2％DFD+1％LV-PAC+0．1％
HV-PAC+0．1％純堿+0．I％XC
24 l％鈉膨潤土+2％DFD+1％LV二PAC+0．1％
HV-PAC+0．1％純堿+0．1％田菁膠
實驗顯示，14配方在96 h后表觀黏度降至最低，
其中纖維素酶和淀粉酶降解速率較快，在幾個小時
內(nèi)聚合物鉆井液黏度大幅降低至40 mPa·S，最終
黏度可降至1l mPa·S。2“配方在144 h后表觀黏
度降至最低，降解速度在前96 h較快，之后比較
平緩。纖維素酶和蛋白酶的降解速度比其他酶要快，
萬方數(shù)據(jù)
24 鉆井液與完并液2016年7月
最低值達4 mPa·S，為初始黏度的16％。由于1”
配方中XC這種聚合物比較穩(wěn)定，生物酶對它幾乎
不起作用，因此14配方?jīng)]有24配方降解得徹底。
由于24配方中纖維素類處理劑含量較多，因此纖
維素酶的降解效果最為明顯。
t／h
a)1“配力
rm
b)24配方
圖5 l”配方和24配方黏度衰減曲線
2．2．5儲層保護性能評價
1)實驗采用人工煤心作為實驗對象。人工煤
心是利用煤層氣開發(fā)區(qū)具有代表性的煤巖，模擬天
然煤心，將煤樣粉碎成一定粒度，并添加一些膠
結物，在一定壓力下通過巖心壓制機制作而成的。
將人工煤心抽空飽和煤層水，以氮氣為介質，用
JHGP氣體滲透率儀在圍壓1．5 MPa、軸壓0．3 MPa
條件下測其氣體滲透率，記為K。
2)取出人工煤心，用可降解聚合物鉆井液作
為介質，在圍壓3 MPa、軸壓1 MPa條件下對煤樣
驅替30 min，使鉆井液侵人人工煤心裂隙，用步驟1
的方法測試可降解聚合物鉆井液污染后人工煤心的
氣體滲透率，記為民。局和K的差值與K的比
值作為鉆井液對煤心污染后的滲透率傷害率D，。
3)按照步驟(2)的方法，用生物酶液作為驅
替介質，對人工煤心中侵入的鉆井液進行降解，驅
替時間為2 h，測試人工煤心的的氣體滲透率，記
為K，d。K，d和K的差值與K的比值作為鉆井液酶
解后對煤心的滲透率傷害率D，。
用上述方法進行14～44人工煤心的測試，實
驗結果見表6。人工煤心污染前氣體滲透率為
7．8×10一～8×10。3 gm2，經(jīng)過可降解聚合物鉆井液
污染后，煤心進口端附近的孔隙裂隙被堵塞，導致
氣體滲透率下降，其傷害率高達56．84％。用生物
酶溶液解堵后，氣體滲流通道中一部分污染物被清
除，仍有少許鉆井液殘留，盡管滲透率不會完全恢
復，但是氣體滲透率傷害率降至24．18％～33．80％。
表6人工煤心滲透率實驗數(shù)據(jù)
注：D，為鉆井液對煤心污染后的滲透率傷害率，D：為
鉆井液酶解后對煤心的滲透率傷害率。
3現(xiàn)場試驗
晉城寺河區(qū)塊的煤層氣工廠化鉆井平臺共設計
有5口單分支L型井，其中在鉆進15號煤層的x．1
井的順煤層段，使用了可降解聚合物鉆井液。
x．1井采用三開的井身結構，一開為豎直段，
鉆開地表風化帶，二開為造斜段，三開為穩(wěn)斜段，
順煤層鉆進。煤層小角度傾斜，井斜角略大于90。。
順煤層段從井深500m開始，到井深1 401 m完鉆。
三開開鉆時聚合物鉆井液中加人了2％的鈉膨潤土
作為骨架成膜劑，之后整個鉆進過程中均未加入鈉
膨潤土，由于鉆井液中不可避免地混入0．3％～0．5％
的煤粉顆粒，因此聚合物鉆井液的固相含量相當?shù)汀?
現(xiàn)場鉆井液密度為1．01～1．03 g／cm3，漏斗黏度為
35～40 S，API濾失量小于15 mL，pH為8～10。
在固控系統(tǒng)振動篩上觀察，煤屑上返總量和上返速
度正常，煤屑聚集呈球狀均勻排出(見圖6)。
將生物酶預先溶解在清水中，在接近完鉆時，
緩緩加入到泥漿罐中，配制成生物酶濃度為0．05％
的聚合物鉆井液，使之泵入井眼中循環(huán)。在室內(nèi)測
得加人生物酶的聚合物鉆井液表觀黏度先增后降。
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第4期呂帥鋒等：順煤層鉆進可降解聚合物鉆井液25
前24 h聚合物預溶，效果達到最佳，因此黏度比
剛剛加料時稍微有所增大。之后在生物酶催化作
用下，表觀黏度逐漸降低，從10 mPa·s降低到6
mPa·s，為初始黏度的60％，其中在l～3 d降解
速度最快(見圖7)。實驗表明，生物酶能夠有效
降解聚合物鉆井液，后期侵入煤巖裂隙中的聚合物
在一定程度上由大分子變?yōu)樾》肿?，起到解堵作用?
有利于降低鉆井液對煤儲層的傷害。
O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Io
t／d
圖7加入生物酶的聚合物鉆井液表觀黏度變化
4 結論
1．微固相可降解聚合物鉆井液由骨架成膜劑、
強降濾失劑、提黏劑、流行調節(jié)劑和分散劑組成，
固相含量極低，在生物酶降解劑作用下能夠有效降
解，在96 h內(nèi)黏度可降低至原來的16％，是一種
新型環(huán)保型鉆井液體系。
2．通過室內(nèi)評價實驗，微固相可降解聚合物鉆
井液能夠有效懸浮鉆屑，同時抑制作用強，能夠防
止井壁坍塌，減小井眼擴徑。在保護儲層方面，通
過生物酶解堵，儲層滲透率傷害率可以從50％降
低到25％。
3．現(xiàn)場實驗表明，微固相可降解聚合物鉆井液
在鉆進過程中能夠成膜護壁，有效攜帶鉆屑，保證
井眼清潔，接近完鉆時加人生物酶鉆井液，黏度可
以降低40％，有利于后期鉆井液返排，減小儲層污染。
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