呂帥鋒，　王生維，　烏效鳴，　王道寬，　董慶祥，　肖宇航，　黃河

順煤層鉆進(jìn)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(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢430074；3.湖北省電力勘測設(shè)計院，武漢430040）

呂帥鋒等.順煤層鉆進(jìn)可降解聚合物鉆井液［J］.鉆井液與完井液，2016，33（4）：20-26.

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(jié)構(gòu)復(fù)雜和頂?shù)装鍨楦缓畬拥幕規(guī)r，在順煤層鉆進(jìn)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(hù)壁、黏度衰減和滲透率恢復(fù)實驗評價了該體系的基本性能。實驗結(jié)果表明，該體系攜帶巖屑效果好，抑制作用強(qiáng)，能夠減小井眼擴(kuò)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(jìn)行現(xiàn)場試用，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值為8～10，加入生物酶后黏度降低40%，順煤層段成功鉆進(jìn)900 m。

順煤層鉆進(jìn)；可降解聚合物鉆井液；生物酶；井壁穩(wěn)定；防止地層損害

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(zhì)［3-5］，直接與煤儲層接觸，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［6-13］，在煤層段常使用清水鉆進(jìn)。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(jié)構(gòu)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(jìn)。而聚合物鉆井液體系不僅能夠懸排鉆屑，前期起成膜護(hù)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(jìn)要求。一些學(xué)者［14-18］對可降解鉆井液進(jìn)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(fù)等實驗評價了其性能以及分析了聚合物鉆井液的降解機(jī)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(yīng)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(shè)計有5口單分支L型井，機(jī)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?？山到饩酆衔镢@井液在第二口井鉆進(jìn)15號煤層得到了現(xiàn)場應(yīng)用［19-22］。

1　L型煤層氣井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)與性能要求

1.1鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

寺河區(qū)塊整體上為一向北傾斜的單斜構(gòu)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(jī)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（%）

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(zhì)分析（水型為NaHCO3）

15號煤的另一大特征是煤的機(jī)械強(qiáng)度較高，屬于中等強(qiáng)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(gòu)造煤，堅固性系數(shù)只有0.52，如表3所示。這種機(jī)械強(qiáng)度的煤層在煤層氣開采時，不易垮塌，但是對于難以預(yù)測的構(gòu)造帶，煤粉量大。15號煤煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從原生結(jié)構(gòu)煤到糜棱煤均有發(fā)育，且難以預(yù)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(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，構(gòu)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(yán)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(gòu)造節(jié)理裂隙以及與灰?guī)r層溝通的裂隙難以預(yù)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(kuò)大會造成嚴(yán)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(diǎn)，L型井鉆井液要求不僅具有良好的化學(xué)聚凝能力，能夠懸浮煤屑，保證鉆孔中煤屑被排除干凈，而且在有效懸浮鉆屑同時，加強(qiáng)對松軟井壁的膠結(jié)作用，從而可以有效保護(hù)井壁；通過引入強(qiáng)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(yīng)在合適的范圍內(nèi)。

2　可降解聚合物鉆井液技術(shù)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(qiáng)降濾失劑、提黏劑、流型調(diào)節(jié)劑和分散劑以及降解劑組成。其中骨架成膜劑為超細(xì)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(qiáng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。流型調(diào)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(jìn)骨架成膜劑的充分分散和水化，維持分子結(jié)構(gòu)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(zhì)，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(hù)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?，降解產(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(qiáng)降濾失劑+0.05%高效提黏劑+0.05%流型調(diào)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(chǔ)上，通過少量的聚合物處理劑就能形成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(jìn)一步侵入煤儲層。

圖1　聚合物對泥餅的降解示意圖

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(jìn)的前提條件之一。通過室內(nèi)實驗，5種不同粒徑（0.45～0.90 mm、0.18～0.45 mm、0.154～0.180 mm、0.076～0.154 mm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(jìn)行測試和評價。

實驗結(jié)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(zhì)有關(guān)。煤粉在清水中沉降較快，其中粒徑為0.45～0.90 mm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12 h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(jié)果和煤粉在量筒中的表現(xiàn)是一致的。

圖2　煤粉在清水和鉆井液中懸浮效果對比

圖3　煤粉在鉆井液中透光率隨時間變化規(guī)律

2.2.3護(hù)壁能力

利用巖心鉆取機(jī)在一定的下壓壓力和旋轉(zhuǎn)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(zhì)進(jìn)行模擬鉆進(jìn)實驗，結(jié)果見圖4和表5。

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(jìn)的下壓壓力為34 N，鉆進(jìn)時間為20 s，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度為1 800 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孔直徑的長度。

由表5可知，鉆孔直徑和煤巖堅固性系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，堅固性系數(shù)越大，煤巖機(jī)械強(qiáng)度越大，鉆孔越規(guī)則，越不容易造成擴(kuò)孔現(xiàn)象，對井壁的破壞程度越小。鉆進(jìn)介質(zhì)在鉆井過程中容易進(jìn)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(jié)強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致煤巖松散部分脫落，出現(xiàn)擴(kuò)孔現(xiàn)象。聚合物鉆井液具有強(qiáng)的抑制作用，能夠防止黏土礦物水化，因此鉆孔的擴(kuò)徑率比使用清水要小，起到抑制和護(hù)壁作用。

表5　模擬煤巖鉆進(jìn)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β-甘露聚糖酶5種生物酶，進(jìn)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(jié)果如圖5所示。

1#1%鈉膨潤土+2%DFD+1%LV-PAC+0.1% HV-PAC+0.1%純堿+0.1%XC

2#1%鈉膨潤土+2%DFD+1%LV-PAC+0.1% HV-PAC+0.1%純堿+0.1%田菁膠

實驗顯示，1#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11 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，最低值達(dá)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1#配方?jīng)]有2#配方降解得徹底。由于2#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。

圖5　1#配方和2#配方黏度衰減曲線

2.2.5儲層保護(hù)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(jié)物，在一定壓力下通過巖心壓制機(jī)制作而成的。將人工煤心抽空飽和煤層水，以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，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Ka。

2）取出人工煤心，用可降解聚合物鉆井液作為介質(zhì)，在圍壓3 MPa、軸壓1 MPa條件下對煤樣驅(qū)替30 min，使鉆井液侵入人工煤心裂隙，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Kd。Kd和Ka的差值與Ka的比值作為鉆井液對煤心污染后的滲透率傷害率D1。

3）按照步驟（2）的方法，用生物酶液作為驅(qū)替介質(zhì)，對人工煤心中侵入的鉆井液進(jìn)行降解，驅(qū)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Ka的差值與Ka的比值作為鉆井液酶解后對煤心的滲透率傷害率D2。

用上述方法進(jìn)行1#～4#人工煤心的測試，實驗結(jié)果見表6。人工煤心污染前氣體滲透率為7.8×10-3～8×10-3μm2，經(jīng)過可降解聚合物鉆井液污染后，煤心進(jìn)口端附近的孔隙裂隙被堵塞，導(dǎo)致氣體滲透率下降，其傷害率高達(dá)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(fù)，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)

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(shè)計有5口單分支L型井，其中在鉆進(jìn)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(jié)構(gòu)，一開為豎直段，鉆開地表風(fēng)化帶，二開為造斜段，三開為穩(wěn)斜段，順煤層鉆進(jìn)。煤層小角度傾斜，井斜角略大于90 。順煤層段從井深500 m開始，到井深1 401 m完鉆。三開開鉆時聚合物鉆井液中加入了2%的鈉膨潤土作為骨架成膜劑，之后整個鉆進(jìn)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(dāng)?shù)汀，F(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(yù)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)測得加入生物酶的聚合物鉆井液表觀黏度先增后降。前24 h聚合物預(yù)溶，效果達(dá)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1～3 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。

圖6　振動篩上的球形煤屑

圖7　加入生物酶的聚合物鉆井液表觀黏度變化

4　結(jié)論

1.微固相可降解聚合物鉆井液由骨架成膜劑、強(qiáng)降濾失劑、提黏劑、流行調(diào)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(qiáng)，能夠防止井壁坍塌，減小井眼擴(kuò)徑。在保護(hù)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(jìn)過程中能夠成膜護(hù)壁，有效攜帶鉆屑，保證井眼清潔，接近完鉆時加入生物酶鉆井液，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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Degradable Polymer Drilling Fluids for In-seam Drilling

LYU Shuaifeng1， WANG Shengwei1， WU Xiaoming2， WANG Daokuan3， DONG Qingxiang1， XIAO Yuhang1， HUANG He2
（1.Faculty of Earth Resources， China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan， Hubei 430074；2.Faculty of Engineering， China University of Geosciences（Wuhan）， Wuhan， Hubei 430074；3.Hubei Electric Power Survey and Design Institute，Wuhan， Hubei 430040）

The #15 coal seam buried shallow in the Sihe coal mine in the south of Qinshui Basin has high content of coal 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 coring， 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 of the target zones by drilling fluid can be reduced from 50% to 25%. This polymer drilling fluid has been tried in the platform X-2， the first industrial CBM drilling platform， with its properties as these: density 1.01-1.03 g/cm3， FV 35-40 sec， API Fl less than 15 mL， and pH 8-10. Addition of bio-enzyme reduced the viscosity of the drilling fluid by 40%. 900 m footage in the coal bed has been successfully drilled with this degradable polymer drilling fluid.

In-seam drilling； Degradable polymer drilling fluid； Bio-enzyme； Borehole stability； Formation damage prevention

TE254.3

A

1001-5620（2016）04-0020-07

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.004

國家科技重大專項資助項目 “山西重點(diǎn)煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)示范工程”（2016ZX05067）；山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項目“煤層氣鉆井關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)”（MQ2014-04）。

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: 499517353@qq.com。

（2016-3-25；HGF=1604F1；編輯付玥穎）