耿学礼 苏延辉 郑晓斌 高波

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

无固相保护煤层钻井液研究及应用

耿学礼 苏延辉 郑晓斌 高波

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

针对沁水盆地15#煤层水平井钻井过程中煤层坍塌失稳和储层污染的难题，通过研发可降解的稠化剂和低温氧化破胶剂，开发出一套既能稳定井壁又能保护储层的无固相保护煤层钻井液体系。通过钻井液流变性、滤失性、抑制性、储层保护性能和破胶性能等实验对该体系进行了评价。实验结果表明，该体系性能稳定，抑制性强，煤岩回收率大于96%，煤岩相对膨胀率低于0.3%，与地层流体配伍性良好，30 ℃下破胶率达到93%以上，破胶后煤岩渗透率恢复值达到96%以上。该钻井液在七元煤矿4口U型水平井现场应用，现场施工顺利，未发生任何事故复杂，完钻后试井表皮因数最低-2.17，达到了稳定井壁和保护储层的双重目的。

沁水盆地；煤层气；可降解稠化剂；无固相钻井液；低温破胶；储层保护

煤层在钻井过程中，易受外力及外来流体侵入造成煤岩丧失原有稳定性，发生煤层坍塌造成井壁失稳等钻井事故［1］。与常规油气藏相比，煤岩储层普遍存在孔隙及割理，煤层气以游离、吸附形式存储在储层中［2］，煤岩本身具有高吸附性、低孔隙度、低渗透率、低压等特点，钻完井过程中煤岩储层极易受到损害［3-4］，因此解决井壁失稳和储层损害问题是煤层气高效开发的关键。

目前煤层气钻井中采用的钻井液体系主要有清水/活性水、泡沫钻井液、绒囊钻井液、无固相聚合物钻井液、可降解钻井液等体系［5-11］，由于各体系对不同煤岩特性的适应性存在差异，且受到配制工艺、成本、性能、储层保护效果等因素影响，适用范围均存在一定的局限性［12］。

沁水盆地七元矿区煤层气开发以15#煤层为主，厚度平均3.77 m，埋深大部分小于800 m，地层压力系数平均为0.56，地层处于欠压状态，储层温度30～50 ℃左右；孔隙度平均值在5.8%左右，渗透率平均值为0.045 mD，黏土矿物总量为3.5%～4.6%，其中伊利石含量40%～43%，伊蒙混层比29%～35%。钻井井型以U型为主［13］，前期采用无固相清洁盐水钻井液，但在水平井施工中易出现煤层坍塌掉块现象，携岩性能较差，严重时引起卡钻，造成井下复杂或事故。无固相聚合物钻井液和可降解钻井液能够解决井壁失稳问题，后期通过破胶作业可解除部分伤害，但七元矿地层温度较低，破胶效果并不理想，对储层仍存在一定伤害。

针对沁水盆地七元矿15#煤层钻井难点，从稳定井壁、提高携岩性能、降低失水、提高储层保护性能等角度出发［14］，研究了一种无固相聚合物钻井液体系及配套破胶液体系。钻井液中的稠化剂为大、小分子聚合物复配的新型稠化剂，大、小分子聚合物配合使用同时稳定井壁和降低滤失；破胶液中的低温破胶剂为在普通氧化破胶剂中加入低温激活剂，解决了低温破胶的难题，从而达到了钻井液稳定井壁和低温破胶的目的，并在该地区4口U型水平井中成功应用。

1 实验部分

Experiment

1.1 主要材料与仪器

Main experimental material and apparatus

稠化剂，羧甲基多糖类聚合物和钠羧基纤维素复配，相对分子量在100万～200万左右，粉末状，自制；低温氧化破胶剂，低温破胶激活剂和强氧化剂复配，颗粒状，自制；酯类水基润滑剂，防水锁剂，工业品，荆州长大石油科技有限公司；过硫酸铵，分析纯，无锡市亚泰联合化工有限公司。

无固相保护煤层钻井液配方：清水+0.8%～1.2%稠化剂+1%～2%水基润滑剂；破胶液配方：清水+5%低温氧化破胶剂+0.5%防水锁剂。

15#煤岩岩屑取自七元矿钻井现场。15#煤岩岩心取自当地煤矿，煤岩1-1、煤岩1-2，孔隙度13.5%，气测渗透率0.61 mD。地层水为经过滤后的排采水，水型为NaHCO3型，矿化度为2 976.78 mg/L。

主要仪器：FANN35SA型六速旋转黏度计，美国FAN公司；FANN21200型极压润滑仪，美国FAN公司；JHDS-Ⅱ型高温高压动态失水试验仪，荆州市创联石油科技发展有限公司；煤岩储层损害模拟评价系统，山东中石大石仪科技有限公司。

1.2 实验方法

Experimental method

1.2.1 钻井液基本性能参数测试 实验方法参考GB/T 16783.1—2014 《石油天然气工业 钻井液现场测试 第 1部分：水基钻井液》［15］。

1.2.2 钻井液抑制性能评价 煤岩滚动回收实验：称取20 g过6～10目烘干的15#煤岩岩屑置于老化罐中，加入350 mL钻井液，50 ℃下热滚16 h；用40目筛回收岩屑，将回收的岩屑105 ℃干燥4 h，称重后计算回收率。

煤岩在钻井液中膨胀率测试：参照SY/T 5613—2000 《泥页岩理化性能试验方法》，观察并记录煤岩在钻井液中的膨胀量，计算膨胀率［16］。

1.2.3 与地层水配伍性实验 分别采用钻井液及其滤液与地层水1∶1混合的方式，在30 ℃水浴中加热6 h，观察是否有沉淀发生。

1.2.4 钻井液破胶实验 将钻井液与破胶液按1∶1比例混合，搅拌5 min后分别在30 ℃和50 ℃下恒温4 h，测初始黏度和各时间段的黏度，计算破胶率。

1.2.5 煤岩储层渗透率恢复评价实验 实验方法参考SY/T 6540—2002 《钻井液完井液损害油层室内评价方法》［17］。首先用地层水测试煤岩原始渗透率，然后在3.5 MPa压差下用无固相保护煤层钻井液对煤岩进行污染，再测试煤岩伤害后的渗透率，最后用破胶液反向驱替1 PV后，测试破胶后渗透率。

2 结果与讨论

Result and discussion

2.1 基本性能参数

Basic performance parameters

无固相保护煤层钻井液基本性能参数见表1。该体系黏度适中，动切力和动塑比能够满足水平井携岩需要，滤饼较薄且黏附系数能够满足水平井施工对润滑性能的要求，技术指标在钻井设计范围内。

表1 无固相保护煤层钻井液基本性能参数Table 1 Basic performance parameters of solid-free coalbed protection drilling fuid

2.2 抑制性能

Inhibition property

煤岩岩屑滚动回收实验结果见表2。1#、2#钻井液体系为2组平行样，2组实验岩屑回收率均在96%以上，较清水有极大提高，说明体系对煤岩抑制性较强，煤岩在体系溶液中长时间滚动，没有发生水化分散现象，煤岩岩屑在滚动后能保证其完整性。

表2 煤岩岩屑回收率实验结果Table 2 Experimental result of recovery factor of coal rock cuttings

煤岩在清水和钻井液中的膨胀量实验结果见图1。煤岩在无固相保护煤层钻井液中30 min后开始膨胀，在360 min时，膨胀量趋于稳定，而煤岩在清水中的膨胀量基本处于上升趋势，说明无固相保护煤层钻井液体系对煤岩的抑制性较强，且能延缓煤岩初始膨胀的时间，为钻井施工的安全提供了一定的时间保障。

图1 不同介质中煤岩相对膨胀率Fig. 1 Relative expansion rate of coal rock in different media

2.3 与地层流体的配伍性

Compatibility with the formation fl uid

钻井液与地层水混合后，混合液呈现钻井液原始状态，未出现沉淀；钻井液滤液与地层水混合后，溶液清澈，说明无论是钻井液及其滤液与地层水配伍性良好（图2）。

图2 配伍性实验照片Fig. 2 Picture of compatibility experiment

2.4 破胶效果

Gel breaking effect

实验对比过硫酸铵和低温破胶剂在不同温度下对无固相保护煤层钻井液的破胶效果，结果见表3。30 ℃下，过硫酸铵4 h破胶率为69.57%，低温破胶剂4 h破胶率为93.47%；50 ℃下，过硫酸铵4 h破胶率为78.26%，低温破胶剂4 h破胶率为95.65%。低温破胶剂破胶效果明显优于过硫酸铵。低温破胶剂30 ℃破胶4 h后，钻井液完全破胶；50 ℃破胶2 h后，钻井液完全破胶。在现场应用时，可根据储层温度适当调整破胶作业时间。

表3 钻井液破胶率实验结果Table 3 Gel breaking rate experiment result of drilling fuid

2.5 煤储层保护效果

Coal reservoir protection effect

煤岩储层保护性能评价结果见表4。无固相保护煤岩钻井液体系在不破胶的情况下，对储层的伤害程度达到30%以上，说明无固相保护煤层钻井液本身对煤层有一定伤害。在用破胶液反向驱替1 PV后，储层的渗透率恢复值均达到96%以上，基本上解除了钻井液对煤岩的污染。

表4 煤岩岩心储层保护性能评价结果Table 4 Evaluation result of reservoir protection performance on coal rock cores

3 现场应用

Field application

无固相保护煤层钻井液体系已在七元矿区成功完钻4口U型水平井。01H、02H、12H井首先采用清洁盐水在煤层钻进，钻进煤层超过3 d，开始出现掉块，钻进超过10 d，出现掉块严重、煤层坍塌，导致钻井施工不能正常进行。转换为无固相保护煤层钻井液钻进后，有效抑制了煤层的坍塌问题，钻屑规则，携岩正常，井壁稳定，保证了顺利完钻。08H井在煤层钻进直接采用无固相保护煤层钻井液，整个施工过程未出现与钻井液相关的任何事故。

以12H井为例，使用清洁盐水钻井液钻至井深960 m时发现进尺和岩屑返出量不成比例，经观察分析，判断为井下垮塌严重，且有掉块逐渐增加的趋势，掉块大小2～3 cm，将钻井液密度由1.08 g/cm3调整至1.12 g/cm3，发现岩屑返出量基本趋于正常，但掉块依然没有减少，钻具上提下放遇阻严重。钻至井深1 022 m，上提钻具遇阻，提至400 kN左右，然后活动正常，钻至井深1 045 m，因为井下掉块较多，准备短起，在井深1 017m处遇阻卡钻，开泵憋泵，上提悬重至450 kN左右未能起出，最后启动顶驱上提下放倒划眼解卡。随即改为无固相保护煤层钻井液体系钻进，并将钻井液密度维持在1.05～1.06 g/cm3，有效稳定了井壁，漏斗黏度在40 s左右，避免了煤层渗漏的发生，动切力维持在5～7 Pa，既保证了携岩，又避免了小井眼施工泵压易高的问题。在之后的钻进过程中，无掉块和井漏问题出现，顺利完钻。完钻后进行破胶洗井作业，其中12H井煤层厚度4.31 m，日均产水量28.7 m3，井底流压自2.486 MPa缓慢下降，排水64 d后，完钻井已有水溶气产出。

4 结论

Conclusions

（1）开发的无固相保护煤层钻井液体系性能稳定，润滑性好、黏切适中、与地层流体配伍性好，能够满足七元矿区煤层气水平井钻井技术要求。无固相保护煤层钻井液体系与配套的破胶液使用能够完全破胶，且破胶后能够解除钻井液对煤层的伤害。

（2）无固相保护煤层钻井液对煤岩抑制性较强，稳定井壁能力强，解决了煤层坍塌造成卡钻、憋泵问题，现场应用效果良好，可在该区块推广应用。

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（修改稿收到日期 2017-06-23）

〔编辑 朱 伟〕

Study and application of solid-free coalbed protection drilling fl uid

GENG Xueli, SU Yanhui, ZHENG Xiaobin, GAO Bo
Drilling & Production Co., CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300452, China

When a horizontal well is drilling through the No.15 coal seam in the Qinshui Basin, coal seam collapse and instability and reservoir contamination tend to happen. To deal with these problems, degradable thickening agent and low-temperature oxidizing breaker were developed. Then, a set of sold-free drilling fuid system which can guarantee both borehole stability and reservoir protection was prepared. And fnally, this system was evaluated by performing experiments on its rheological property, fltration property, inhibition property, reservoir protection and gel breaking capacity. It is shown that this system is characterized by stable property, strong inhibition and good compatibility with the formation fuid. The recovery ratio of coal rock is higher than 96% and its relative expansion ratio is lower than 0.3%. The gel breaking ratio is 95% at 30 ℃, and the recovery ratio of coal rock permeability after gel breaking is over 96%.This drilling fuid system was applied on site in 4 U-shape horizontal wells in Qiyuan Coal Mine. The drilling operation was smooth and no accident happened. The skin factor of well testing after drilling was the lowest (-2.17). And thus, the double targets of borehole stability and reservoir protection are realized.

Qinshui Basin; coalbed methane; degradable thickening agent; solid-free drilling fuid; low temperature breaking;reservoir protection

耿学礼，苏延辉，郑晓斌，高波.无固相保护煤层钻井液研究及应用［J］ .石油钻采工艺，2017，39（4）：455-459.

TE254

B

1000 – 7393（ 2017 ） 04 – 0455 – 05

10.13639/j.odpt.2017.04.011

:GENG Xueli, SU Yanhui, ZHENG Xiaobin, GAO Bo. Study and application of solid-free coalbed protection drilling fuid［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4): 455-459.

中海油能源发展股份有限公司“非常规油气勘探开发关键技术”重大专项子课题“煤层气储层伤害评价与保护技术研究”（编号：HFXMLZ-CJFZ1311）。

耿学礼（1983-），2007年毕业于长江大学化学工程与工艺专业，现从事钻完井液及储层保护研究等工作，工程师。通讯地址：（300452）天津市塘沽区渤海石油路688号钻采工艺实验室。电话：022-25804735。E-mail：gengxl2@cnooc.com.cn