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煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術

文檔作者：黃維安邱正松楊力王彥祺馬永樂王宗敏文檔來源： 1．中國石油大學石油工程學院 2．華東石油局工程技術設計研究院 3．天津中油渤星工程科技有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月24日
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第41卷第2期
2013年4月
煤田地質(zhì)與勘探
COALGB0]L()GY&amp;amp;嘲0 1oN
V01．41 NO．2
Apr．2013
文章編號：1001-1986(2013)02—0037—05
煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術
黃維安 ，邱正松 ，楊 力 ，王彥祺 ，馬永樂 一，王宗敏
(1．中國石油大學石油工程學院，山東青島266580；
2．華東石油局工程技術設計研究院，江蘇南京21003l；
3．天津中油渤星工程科技有限公司，天津塘沽300451)
摘要：針對沁水盆地煤層氣鉆井中存在的井壁穩(wěn)定技術難題，采用x射線衍射、掃描電鏡、泥頁
巖膨脹實驗、頁巖分散實驗測試了泥頁巖和煤巖體的組構(gòu)及理化性能，分析了井壁失穩(wěn)機理。依
據(jù)“多元協(xié)同” 防塌原理，研選出了高效包被抑制劑、封堵防塌劑和活度平衡劑，構(gòu)建了泥頁巖
地層防塌鉆井液體系QSFT和煤層鉆開液QSMZ。評價結(jié)果表明，QSFT體系的粘度、切力適中，
濾失量低、泥餅薄，對200¨m裂縫的封堵承壓能力達3．0 MPa；QSFT和QSMZ具有較強的抑制
水化能力，并能顯著增加巖樣單向抗壓強度，對煤巖體巖心濕測滲透率的損害均低于30％，干測
滲透率恢復值達到95％以上，可作為沁水盆地煤層氣井的鉆井液和儲層鉆開液。
關鍵詞：煤層氣；井壁失穩(wěn)機理；抑制性；鉆井液；儲層保護
中圖分類號：TE254 文獻標識碼：A DOI：10．3969~．issn．1001—1986．2013．02．009
Instability mechanism of sidewall and anti—sloughing drilling fluid technique
f0r coalbed methane well drilling
HUANG Weian ，QIU Zhengsong ，YANG L ，WANG Yanqiz，MAYongle ，W：ANG Zongmin~
(1．School ofPetroleum Engineering,China University ofPetroleum，Qingdao 266580，China；
2．Research Institute ofEngineering Techniqrues andDesign，Petroleum Bureau ofEast China，Nanjing 210031，China；
3．TianjinBo-XingEngineeringScience&amp;amp; TechnologyCo．Ltd．，CNPC,I~anjin 30045l，China)
Abstract：Aimed at the technological problem of sidewall instability in Qinshui basin，the fabric and physical
chemical properties of mud shale and ingredient were tested by X—ray diffraction(XRD)，Scanning Electron Microscope(
SEM)，liner swelling test and hot rolling dispersion experiments，and the instability mechanism was
analyzed．According to the multivariate cooperation principle for wellbore stabilization，the high performance
coating inhibitor，plugging anti·sloughing agent and activity equalizer were pertinently selected， and the
anti-sloughing drilling fluid system (QSFT)for mud shale stratum and drilling fluid for coal seams(QSMZ)were
formed．Evaluation results show that the QSFT system has excellent viscosity，low fluid loose，thin mud cake，
plugging and bearing capacity was up to 3．0 MPa for fissures of 200 Ixm；QSFT and QSMZ have strong hydrate inhibition，
can increase uniaxial compressive strength of rocks，perm eability loss ratios of wet ingredient cores are
lower than 30％ ，and permeability recovery ratios of dry cores are higher than 95％ ．They can be used as coalbed
methane well drilling fluid and drilling fluid for reservoir in Qinshui basin．
Key words：coalbed methane；instability mechanism of well bore；inhibition；drilling fluid；reservoir protection
煤層氣是以吸附和游離狀態(tài)儲集在煤層孔隙中
的天然氣[1川。我國煤層氣資源量預計達31．46萬億irl ，
相當于450億t標煤、350億t標油，與陸上常規(guī)天
然氣資源量相當[5 】。我國煤層普遍埋藏較深，1 000 nl
以內(nèi)煤層氣資源總量不到50％，意味著我國煤層氣井
較深、裸眼井段較長、鉆井難度較大【1 引。煤層上面
蓋層以泥頁巖為主，鉆井液濾液侵入泥頁巖后易引起
局部水化，使井壁巖石水化膨脹或分散，導致井徑縮
小或因剝落掉塊而擴大[9。們。煤層楊氏模量大、地應
力小、破裂壓力小、割理和微裂縫發(fā)育，使得其堅硬、
性脆、易破碎，這在煤層氣鉆進過程中極易引起井下
垮塌、卡鉆等復雜的事故，甚至井眼報廢[11-13]。為此，
筆者針對山西沁水盆地煤層氣井鉆遇上部泥頁巖和
下部煤層時存在的井壁不穩(wěn)定問題，從復雜地層的礦
收稿日期：2012—02．12
基金項目：國家自然科學基金項~(41072094)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項I~l(10CX04010A)
作者簡介：黃維安(1976一)，男，四川中江人，博士，副教授，從事油氣井化學工程領域的研究．
· 38· 煤田地質(zhì)與勘探 第41卷
物組成、微觀構(gòu)造和理化性能角度分析煤層氣鉆井中
的井壁失穩(wěn)機理，并依據(jù)“多元協(xié)同”防塌原理【14-15]，
研制了匹配的鉆井液體系。
1 井壁失穩(wěn)機理分析
1．1 地層組構(gòu)分析
1．1．1 組成分析
利用D／max．IIIA X．射線衍射儀分析了沁水盆地
煤層氣井二疊系泥頁巖和煤巖體的礦物組成。從表1
看出，巖樣中粘土礦物總含量普遍較高，其中Y1井
931．38 m巖樣的粘土礦物總含量達45％，H2井、H3
井巖樣的粘土礦物總含量也均在25％以上，除粘土礦
物外主要為石英，其含量均很高。沁水盆地地層上部
泥頁巖中，伊／蒙混層及其混層中間層比差異較大，
強水化膨脹型粘土礦物(伊／蒙混層及其間層比)含量
較少，而弱水化的伊利石和高嶺石含量較高。
從表2看出，煤巖體中主要成分為炭，均含有一
定量的粘土礦物，其他依次為石英、方解石、粘土礦
物和黃鐵礦；其中粘土礦物以高嶺石和綠泥石為主，
H3井708．73 m巖樣中含有伊／蒙混層。
表1 沁水盆地煤層氣井二疊系泥頁巖礦物組成分析結(jié)果
Table 1 XRD analysis for mineral content of mud shale in Qinshui basin
巖樣來源 全巖中各礦物質(zhì)量分數(shù)／％ 粘土礦物中各礦物相對質(zhì)量分數(shù)／％
炭 石英 方解石 菱鐵礦 黃鐵礦 粘土礦物 高嶺石 綠泥石 伊利石 伊蒙混層 混層比
1
4
6
1
14 85
5 62
8 l3
0
20
0
32
0
20
1．1．2 微觀構(gòu)造分析
利用掃描電子顯微鏡分析沁水盆地煤層氣井泥
頁巖地層和煤巖體礦物組成，沁水盆地泥頁巖樣趨向
性較好，發(fā)育有微裂縫或溶蝕孔隙，粘土礦物含量較
高，主要為伊利石和高嶺石；煤層中夾有石英和粘土
礦物。
1．2 理化性能分析
理化分析表明(圖1)，沁水盆地煤層氣井泥頁巖
的膨脹率均高于煤巖體，泥頁巖具有一定的水化膨脹
性能，而煤巖膨脹率均很小，屬弱儺水化膨脹性巖石。
綜合地層組構(gòu)和理化性能分析結(jié)果表明，泥頁巖
地層井壁失穩(wěn)原因是入井流體沿微裂縫侵入泥頁巖
后引起局部水化，導致剝落掉快；煤巖體中含有一定
的粘土礦物，同時煤巖體的割理和微裂縫發(fā)育，井壁
失穩(wěn)原因一方面是入井流體沿割理或微裂縫侵入煤
巖體后引起局的粘土礦物水化，消弱了顆粒問聯(lián)接
力，另一方面是煤巖體性脆、易破碎，鉆具碰撞引起
井下垮塌。
暑
宕
惶
渣
O 6O 120 l8O 240 300 360 420 480
時間／rain
圖1 沁水盆地泥頁巖及煤巖體水化膨脹性能測試結(jié)果
Fig．1 Results of hydrating swelling property test of
mud shale and coal rock in Qinshui basin
2 防塌鉆井液體系及其性能
2．1 防塌鉆井液體系
針對沁水盆地煤層氣井鉆遇泥頁巖及煤巖體地
層井壁失穩(wěn)機理，依據(jù)“多元協(xié)同”防塌原理，從加強
井 n 井 Ⅱ 井 H
Ⅵ m
C 5 7
第2期 黃維安等：煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術 ·39·
包被抑制、封堵，有效應力支撐和活度平衡多角度制
定防塌鉆井液對策，并優(yōu)選出高效包被抑制劑CPM，
封堵防塌劑FT-2和活度平衡劑MBJ，最終構(gòu)建了適
合沁水盆地煤層氣井泥頁巖段的QSFT防塌鉆井液
體系和煤層段的QSMZ 鉆開液(1．5％MBJ溶液)。
QSFT 防塌鉆井液體系組成為：4．0％膨潤土漿+
0．3％CPM +0．8％改性淀粉CMS+2．O％FT-2+1．O％
水基潤滑劑SD．506。其90℃／16h老化前后流變性和
濾失性測試結(jié)果表明(表3)，與現(xiàn)場井漿相比，該體
系的粘度、切力適中，既能滿足攜巖需要，又有利于
提高機械鉆速，濾失量低、泥餅薄，有利于保護井壁
和減少濾液侵入地層。
表3 QSFT防塌鉆井液老化前后的性能
Table 3 Performance of QSFT anti—sloughing drilling fluid before and after aging
2．2 抑制水化膨脹性能評價
從圖2看出，QSFT防塌鉆井液濾液能顯著降低
Y1井931．38 m處泥頁巖的水化膨脹性能，其效果優(yōu)
于現(xiàn)場H2—9井井漿濾液；現(xiàn)場Y10井鉆開液(清水)
對H3井702．78 m處煤巖體基本沒有抑制水化膨脹作
用，QSMZ鉆開液通過降低濾液活度，具有使煤巖“收
縮”的作用，膨脹高度為負增長。
O_88
0 78
O．68
暑0 58
榍 O．48
蔞0．38
爸0
．28
0 18
O．O8
- 0．02
圖2 QSFT防塌鉆井液體系和QSMZ鉆開液的水化膨脹
抑制性
Fig．2 Inhibition of QSFT anti—sloughing drilling fluid
and QSMZ drilling fluid to hydrating swelling
2．3 抑制水化分散性能評價
從圖3看出，QSFT防塌鉆井液和H2．9井井漿
均能提高H2井537．6 m泥頁巖回收率，抑制其水化
分散。相對地，QSFT防塌鉆井液抑制水化分散效果
更好；YIO井鉆開液(清水)對H3井708．73 m煤巖體
的回收率基本沒有提高，而QSMZ鉆開液能夠較明
顯提高H3井708．73 m煤巖體的回收率，起到抑制其
水化分散的作用。
2．4 封堵承壓能力評價
針對沁水盆地煤層氣井泥頁巖段微裂縫發(fā)育情
垂莖
況，并基于裂縫漏失的有效開度，設計了縫寬為200岬
的模塊，評價QSFT防塌鉆井液對200 gm裂縫模塊
的封堵作用。結(jié)果表明(表4)，QSFT防塌鉆井液體和
H2．9井井漿對200gm裂縫模塊均有封堵作用，但在
相同壓差作用下QSFT防塌鉆井液通過200 gm裂縫
模塊的濾失量較H2。9井井漿低，并且其對200 gm裂
縫模塊的承壓能力達到3．0 MPa，遠高于H2．9井井
漿的1．0 MPa，封堵承壓能力優(yōu)于現(xiàn)場H2—9井井漿。
2．5 對巖樣單向抗壓強度的影響
從圖4看出，經(jīng)H2．9井井漿浸泡24 h后H2井
537．6 m泥頁巖的破壞壓力顯著下降，單向抗壓強度
降低；而經(jīng)QSFT鉆井液浸泡24 h后H2井537．6 m
泥頁巖的破壞壓力大幅度增大，單向抗壓強度增加，
有利于泥頁巖地層井壁穩(wěn)定。從圖5看出，H3井
708．73 m煤巖體經(jīng)Y10井鉆開液(清水)浸泡24 h后，
破壞壓力大幅度降低；而經(jīng)QSMZ鉆開液浸泡24 h
后的破壞壓力顯著增大，單向抗壓強度明顯增加，有
利于煤巖體段井壁的穩(wěn)定。
· 40· 煤田地質(zhì)與勘探 第41卷
表4 QSFT防塌鉆井液體系封堵承壓能力評價結(jié)果
Table 4 Evaluation results of plugging and bearing capacity of QSFT anti-sloughing drilling fluid
矗
曼
＼
出
一
叟
＼
位移／ram
(a)
45
40
磚35
皇30
15
l0
0
0．4 0．8 1-2 1 6
位移／mm
(C)
圖4 QSFT防塌鉆井液體系對H2井537．6m泥頁巖單向
抗壓強度的影響
Fig．4 Effect of QSFT anti—sloughing drilling fluid on uniaxial
compressive strength of mud shale at 537．6 m in well H2
a～ 原始狀態(tài)．b—H2-9井井漿浸泡24h；c—QsFT鉆井液浸泡24h
2．6 儲層保護性能
采用99．99％的高純氮氣作為滲流流體，進行巖
心流動實驗，評價外來流體對煤巖滲透率的傷害性[16-17】。
測試外來流體作用前，巖心對高純氮氣滲透率為Ko；
外來流體作用后，高純氮氣通過濕巖心的滲透率為
重
位移／mm
(a】
圖5 QSMZ鉆開液對H3井708．73 m煤巖體單向
抗壓強度的影響
Fig．5 Efect of QSMZ drilling·in fluid on uniaxial
compressive strength of coal rock at 708．73 m in well H3
a一原始狀態(tài)；b—Y1O井鉆開液(清水)浸泡24 h；
c—OsMz鉆開液浸泡24 h
Ko1；以及外來流體作用后高純氮氣通過干巖一G(60"C
干燥)的滲透率為楊z。從表5結(jié)果看出，各種外來流
第2期 黃維安等：煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術 ·41·
體都對巖心滲透率有不同程度的損害，其中0．05％的
XC溶液對煤巖巖心濕測滲透率的損害達到100％；
現(xiàn)場Y2．9井井漿和Y10井鉆開液(清水)對煤巖巖心
濕測滲透率的損害均達到85％以上；而QSFT防塌鉆
井液和QSMZ鉆開液對煤巖巖心濕測滲透率的損害
均低于30％；干測滲透率恢復值達到95％以上，甚
至QSMZ鉆開液由于能使煤巖“收縮”，還能改善巖
心滲流通道，干測滲透率恢復值大于100％。
表5 外來流體對煤巖體滲透率傷害性評價結(jié)果
Table 5 Evaluation results of dam age of external fluid to permeability of coal rock
3 結(jié)論
a．沁水盆地煤層氣井中泥頁巖地層粘土礦物含
量較高，且趨向性較好，發(fā)育有微裂縫，人井流體沿
微裂縫侵入泥頁巖后引起局部水化，導致剝落掉快；
煤巖割理和微裂縫發(fā)育，含有粘土礦物，人井流體沿
割理或微裂縫侵入煤巖后引起局的粘土礦物水化，消
弱顆粒間聯(lián)接力，同時煤巖體性脆、易破碎，鉆具碰
撞引起井下垮塌。
b．QSFT防塌鉆井液體系和QSMZ鉆開液具有
較強的抑制水化能力，并能顯著增加巖樣破壞壓力和
單向抗壓強度，有利于井壁穩(wěn)定。而且QSFT體系的
粘度、切力適中，濾失量低、泥餅薄，對200岬裂
縫的封堵承壓能力達到3．0 MPa，具有優(yōu)良的隨鉆封
堵防塌性能。
c．QSFT防塌鉆井液體系和QSMZ鉆開液對煤巖
體巖心濕測滲透率的損害均低于30％，干測滲透率恢
復值達到95％以上，可作為沁水盆地煤層氣儲層的鉆
開液。
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