劉大偉，王綺，王益山，王合林，虞海法，袁孟雷

（1. 渤海鉆探工程技術(shù)研究院；2. 渤海鉆探工程有限公司；3. 渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在采用多分支水平井、U型井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)鉆采煤層氣方面取得了較多的研究成果，但由鉆井液引起的井壁失穩(wěn)、煤層損害等問(wèn)題阻礙了煤層氣的高效開發(fā)，鉆井安全與煤層保護(hù)的矛盾突出[1]。煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井過(guò)程中，為了有效地保護(hù)煤層氣資源，普遍采用清水作為鉆井液鉆進(jìn)煤層，但由于清水黏度低、濾失量大、攜巖效果差，且力學(xué)-化學(xué)耦合作用進(jìn)一步降低了井壁煤巖強(qiáng)度，井塌、埋鉆具等復(fù)雜事故時(shí)有發(fā)生[2-3]。傳統(tǒng)的鉆井完井液可以有效避免復(fù)雜鉆井事故，但對(duì)煤層保護(hù)效果差，影響煤層氣解吸，且容易堵塞煤層氣滲流通道[4-7]。為了解決鉆井安全與煤層保護(hù)的矛盾，本文研究適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的可降解鉆井完井液，使其既可以防控復(fù)雜鉆井事故，又可以保護(hù)煤層，以提高煤層氣井產(chǎn)量、延長(zhǎng)煤層氣井生產(chǎn)壽命。

1 鉆井完井液配方及性能

1.1 鉆井完井液處理劑優(yōu)選及配方

適用于煤巖儲(chǔ)集層的鉆井完井液應(yīng)該滿足以下 4個(gè)要求：①具有一定黏度，以利于攜巖；②能在井壁形成內(nèi)濾餅，防止井壁坍塌，并且內(nèi)濾餅可被解除，使?jié)B流通道恢復(fù)暢通；③煤層保護(hù)效果好；④體系可降解，降解率達(dá)到 80%以上，以便于返排。此外，在對(duì)鉆井完井液處理劑進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，還應(yīng)該遵循以下原則：處理劑種類越少越好；增黏劑具有凝膠性質(zhì)；不考慮加重。

依據(jù)以上要求和原則，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了鉆井完井液中的增黏劑、降失水劑和降解劑，并確定了鉆井完井液的配方。根據(jù)增黏劑、降失水劑、降解劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表1—表3），選擇1#增黏劑、2#降失水劑和1#降解劑。鉆井完井液的配方為：清水、0.2%～0.6%增黏劑、0.3%～1.2%pH值調(diào)節(jié)劑、0.5%降失水劑、3.0%～4.0%儲(chǔ)集層保護(hù)劑，完鉆后加入0.5%～4.0%降解劑。

表1 增黏劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 降失水劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 降解劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 鉆井完井液常規(guī)性能及降解性能

本文研制的鉆井完井液的常規(guī)性能如下：①密度為1.01 g/cm3；②表觀黏度為27 mPa·s，塑性黏度為12 mPa·s；③轉(zhuǎn)速6 r/min時(shí)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)刻度盤讀數(shù)為8，轉(zhuǎn)速3 r/min時(shí)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)刻度盤讀數(shù)為6；④初切和終切分別為11 Pa和14 Pa；⑤API濾失量為14.4 mL。從以上各項(xiàng)性能可以看出：鉆井完井液具有一定黏度，可以有效攜巖；轉(zhuǎn)速6 r/min時(shí)和轉(zhuǎn)速3 r/min時(shí)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)刻度盤仍有較高度數(shù)，說(shuō)明鉆井完井液具有凝膠性質(zhì)，能在井壁形成膠體濾餅，有效保護(hù)井壁，并能阻止鉆井完井液進(jìn)一步侵入煤層；濾失量可控，利于避免井壁失穩(wěn)。

煤巖比表面積大，有極強(qiáng)的吸附性能。鉆井完井液侵入煤層后，高分子聚合物的吸附性與煤巖產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，像致密膜一樣包裹和吸附于煤巖表面，與其他有害固、液相一起損害煤巖滲流通道，阻礙煤層甲烷解吸[8]。因此，鉆井完井液應(yīng)該具有良好的降解性能，以便返排。

對(duì)加入不同濃度降解劑的鉆井完井液降解率與降解時(shí)間的關(guān)系曲線（見圖1）進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：隨著降解時(shí)間的增加，鉆井完井液黏度不斷降低，降解率不斷提高；當(dāng)降解劑濃度為3.0%和4.0%時(shí)，降解效果基本相同，說(shuō)明繼續(xù)增大降解劑濃度對(duì)降解效果影響很小。對(duì)加入不同濃度降解劑的鉆井完井液的降解性能（見表4）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：加入濃度為2.0%～4.0%的降解劑后，3 h內(nèi)鉆井完井液黏度便可降低到 3 mPa·s左右，降解率可達(dá)85%以上；隨著降解劑濃度的降低，降解到同一黏度所需降解時(shí)間增加；降解完成后鉆井完井液中固相殘?jiān)?，殘?jiān)蕛H0.58%左右。因此，煤層完鉆后，采用加入降解劑洗井的方式可使鉆井完井液達(dá)到比較理想的降解效果，利于返排。

圖1 不同降解劑濃度鉆井完井液降解率與降解時(shí)間的關(guān)系

表4 不同降解劑濃度鉆井完井液的降解性能

2 煤層保護(hù)效果評(píng)價(jià)

煤層氣是一種非常規(guī)天然氣，游離態(tài)與吸附態(tài)共存，煤層氣產(chǎn)出受解吸、擴(kuò)散、滲流過(guò)程的共同控制，3個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，相互制約，任何環(huán)節(jié)受到損害，都將嚴(yán)重影響煤層氣的產(chǎn)出。因此，鉆井完井液應(yīng)該對(duì)煤層微觀解吸、擴(kuò)散能力和宏觀滲流能力進(jìn)行有效保護(hù)。本文分別采用解吸率法和滲透率恢復(fù)率法評(píng)價(jià)鉆井完井液對(duì)煤層解吸能力和滲流能力的保護(hù)效果。

2.1 解吸能力保護(hù)效果評(píng)價(jià)

2.1.1 解吸率法

煤層氣開采具有空間和時(shí)間多尺度性：空間尺度涉及煤巖裂隙系統(tǒng)的基塊尺度、孔喉尺度、割理尺度、水力裂縫尺度及宏觀氣井尺度；時(shí)間多尺度性表現(xiàn)為煤層甲烷在運(yùn)移過(guò)程中具有時(shí)間尺度效應(yīng)，即在基塊、微孔中耗時(shí)長(zhǎng)，在孔喉、割理中耗時(shí)較短，在水力裂縫及井筒中耗時(shí)最短[9-10]。煤層氣開采過(guò)程中的這種多尺度性，要求煤層甲烷在基塊中具有一定的解吸速率和解吸量，以便其供氣能力滿足割理滲流及井筒管流的需要。因此，提出采用解吸率法評(píng)價(jià)鉆井完井液對(duì)煤層甲烷解吸能力的保護(hù)效果。

解吸率法是在一定時(shí)間內(nèi)將鉆井完井液污染后煤樣的甲烷解吸量與清水水濕煤樣或鉆井完井液污染前煤樣（本文選用前者）的甲烷解吸量進(jìn)行對(duì)比。兩者的比值稱為解吸率，解吸率越高，則表明鉆井完井液對(duì)煤層甲烷解吸能力的保護(hù)效果越好。解吸率是基塊解吸氣量和解吸速率的綜合反映，能較為客觀地從微觀角度評(píng)價(jià)基塊被鉆井完井液污染后的供氣能力。

解吸率法的實(shí)驗(yàn)材料包括：粒徑 0.18～0.25 mm（80～60目）的煤粒樣品4份（每份煤樣質(zhì)量不少于100 g）、清水、含一定濃度降解劑的水溶液、已降解的鉆井完井液等。實(shí)驗(yàn)儀器為高溫高壓氣體吸附解吸測(cè)試儀。選擇粒徑0.18～0.25 mm的煤粒作為實(shí)驗(yàn)樣品，是因?yàn)樵谠摿较?，甲烷的解吸速率和解吸量滿足現(xiàn)有儀器對(duì)吸附解吸精度和時(shí)間的要求，且實(shí)驗(yàn)代表性較好。煤樣粒徑過(guò)大，則吸附解吸速率慢，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，影響實(shí)驗(yàn)精度；煤樣粒徑過(guò)小，則孔滲通道類型不完全，實(shí)驗(yàn)代表性差。

解吸率法的實(shí)驗(yàn)方法和步驟為：①將煤粒裝入高溫高壓氣體吸附解吸測(cè)試儀的煤樣罐中，真空脫氣；②將恒溫系統(tǒng)溫度調(diào)整為實(shí)驗(yàn)溫度，打開高壓甲烷氣瓶閥門和注氣罐閥門，對(duì)煤樣罐充氣，以達(dá)到煤樣對(duì)甲烷的吸附平衡；③泄壓，排出多余氣體，向煤樣罐中注入一定量的工作液（當(dāng)測(cè)試清水條件下的煤樣解吸行為時(shí)，工作液為清水，以此類推）并浸泡一定時(shí)間；④排出工作液，計(jì)量120 min內(nèi)解吸儀內(nèi)的甲烷氣體量 Di；⑤計(jì)算煤樣解吸率 Rd：Rd=Di/Dw×100%，其中Dw為清水條件下煤樣的甲烷解吸量。

2.1.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

圖 2為不同煤樣甲烷解吸量與解吸時(shí)間的關(guān)系曲線，其中 1#煤樣為未被工作液污染的干煤樣；2#煤樣為被清水污染過(guò)的煤樣；3#煤樣為被含有一定濃度降解劑的水溶液污染過(guò)的煤樣；4#煤樣為被已降解的鉆井完井液污染過(guò)的煤樣。表5為解吸時(shí)間分別為0、40、120 min時(shí)不同煤樣的甲烷解吸量和解吸率。由圖2和表5可知：①與1#煤樣相比，2#、3#、4#煤樣的甲烷解吸量和解吸率都明顯減小，說(shuō)明工作液的侵入會(huì)影響煤層的解吸能力。②3#煤樣的甲烷解吸量和解吸率略大于 2#煤樣，說(shuō)明本文研制的鉆井完井液中加入的降解劑可以改善煤巖解吸能力。這是因?yàn)椋到鈩┡c煤樣作用產(chǎn)生的二氧化碳對(duì)甲烷有置換解吸的作用，促進(jìn)了甲烷解吸。③4#煤樣和2#煤樣的甲烷解吸量、解吸率差別較小，說(shuō)明本文研制的可降解鉆井完井液具有和清水一樣良好的煤層解吸能力保護(hù)效果。這是因?yàn)?，加入降解劑后，鉆井完井液聚合物長(zhǎng)分子鏈被剪斷，表觀黏度大幅降低，流動(dòng)性與清水相近，吸附能力大幅降低，極易脫附和返排。

圖2 不同煤樣甲烷解吸量與解吸時(shí)間的關(guān)系

表5 不同煤樣甲烷解吸能力恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 滲流能力保護(hù)效果評(píng)價(jià)

2.2.1 滲透率恢復(fù)率法

滲流是解吸發(fā)生的前提，有了滲流才能降壓，降壓之后才能解吸。割理和孔隙是煤層甲烷擴(kuò)散滲流通道，也是鉆井完井液返排通道，只有對(duì)煤層滲流通道進(jìn)行有效的保護(hù)，保證完井后滲流通道暢通，才能高效開發(fā)煤層氣資源。

煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井多采用裸眼完井或PVC篩管完井，評(píng)價(jià)煤層滲流能力保護(hù)效果時(shí)，增加返排壓差，通過(guò)自然返排來(lái)測(cè)試煤樣的滲透率恢復(fù)率[11]。首先用鉆井完井液正向污染巖心，然后待濾餅解除后反向測(cè)量巖心滲透率（不同的返排壓差），最后將污染后與污染前反向測(cè)得的巖心滲透率進(jìn)行對(duì)比，得到的比值稱為滲透率恢復(fù)率。滲透率恢復(fù)率越高，代表完井作業(yè)后期煤層滲流通道保護(hù)越好。

滲透率恢復(fù)率法的實(shí)驗(yàn)材料包括：取自沁水盆地3號(hào)煤層的煤樣、3%KCl水溶液、未降解的鉆井完井液、含有一定濃度降解劑的水溶液等。實(shí)驗(yàn)儀器為高溫高壓解堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)儀。

滲透率恢復(fù)率法的實(shí)驗(yàn)方法和步驟為：①煤樣抽真空后飽和3%KCl水溶液；②圍壓5.0 MPa條件下，用3%KCl水溶液反向測(cè)量煤樣在不同返排壓差（驅(qū)替壓力 pz分別為 0.28、0.52、1.02 MPa）下的初始滲透率Ko；③實(shí)驗(yàn)壓力3.5 MPa下，用鉆井完井液正向循環(huán)污染煤樣端面1 h；④實(shí)驗(yàn)壓力3.5 MPa下，用含有一定濃度降解劑的水溶液正向循環(huán)清洗煤樣端面3 h，使侵入煤樣的鉆井完井液降解；⑤圍壓5.0 MPa條件下，用3%KCl水溶液反向測(cè)量煤樣滲透率Ki（增加返排壓力pf，直至其與②中驅(qū)替壓力相近）；⑥計(jì)算煤樣滲透率恢復(fù)率Rf：Rf=Ki/Ko×100%。

2.2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)各煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表6、表7）進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：本文研制的可降解鉆井完井液對(duì)煤層滲流能力的保護(hù)效果良好，煤樣在不同返排壓差下的滲透率恢復(fù)率均在60%以上，最高可達(dá)100%左右，且滲透率恢復(fù)率隨著返排壓差的增大而增大。

表6 煤樣QS-3-32的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7 煤樣QS-3-37的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的可降解鉆井完井液中的增黏劑、降失水劑和降解劑，并確定了鉆井完井液的配方：清水、0.2%～0.6%增黏劑、0.3%～1.2%pH值調(diào)節(jié)劑、0.5%降失水劑、3.0%～4.0%儲(chǔ)集層保護(hù)劑，完鉆后加入0.5%～4.0%降解劑。

鉆井完井液各項(xiàng)常規(guī)性能良好：具有一定黏度，可以有效攜巖；具有凝膠性質(zhì)，能在井壁形成膠體濾餅，有效保護(hù)井壁，并能阻止鉆井完井液進(jìn)一步侵入煤層；濾失量可控，利于避免井壁失穩(wěn)。

鉆井完井液具有良好的降解性能：加入濃度為2.0%～4.0%的降解劑后，3 h內(nèi)鉆井完井液黏度便可由27 mPa·s降低到3 mPa·s左右，降解率達(dá)85%以上；降解完成后鉆井完井液中固相殘?jiān)?。煤層完鉆后，加入降解劑可使鉆井完井液達(dá)到比較理想的降解效果，利于返排。

鉆井完井液可以有效保護(hù)煤層。分別采用解吸率法和滲透率恢復(fù)率法評(píng)價(jià)了鉆井完井液對(duì)煤層解吸能力和滲流能力的保護(hù)效果：研制的可降解鉆井完井液具有和清水一樣良好的煤層解吸能力保護(hù)效果；對(duì)煤層滲流能力的保護(hù)效果良好，煤樣在不同返排壓差下的滲透率恢復(fù)率均在60%以上，最高可達(dá)100%左右。

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