岳前升，馬玄 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州434023）

馬認琦，沈元波，金鑫，張亮 （中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司，天津300452）

山西柳林地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣中段，東側(cè)為晉西南隆起，隸屬離石鼻狀構(gòu)造傾覆端西延部分，煤層含氣量較高，是我國首批煤層氣勘探開發(fā)示范區(qū)，目的層位主要為山西組3＃煤層和4＃煤層，該地區(qū)水平井采用清水進行鉆進。清水具有成本低、煤層保護效果相對較好的特點，但對煤層也有一定程度的損害，主要表現(xiàn)為水敏性損害和“水鎖”效應損害［1～9］，在有些地區(qū)也易引起煤層垮塌［10］。筆者以柳林河東煤礦3＃煤為研究對象，在研究煤層特性基礎(chǔ)上，針對清水保護煤層中存在的不足，從保護煤層和穩(wěn)定井壁的角度出發(fā)，在清水基礎(chǔ)上提出無固相活性鹽水鉆井液，并成功應用于多分支水平井CLU－07H井，在該地區(qū)顯示出良好的應用前景。

1 柳林地區(qū)煤巖特性分析

1.1 樣品全巖礦物和黏土礦物分析

通過煤樣X－射線衍射分析［11，12］，對其全巖礦物和黏土礦物含量進行定量分析（見表1和表2）。結(jié)果顯示，柳林地區(qū)3＃煤層、4＃煤層除非晶質(zhì)部分（即煤質(zhì)成分）外，還含有部分無機礦物和黏土礦物，其中黏土礦物以伊利石和高嶺石為主，但總的來看黏土礦物含量較低。

表1 柳林地區(qū)煤樣全巖礦物分析

1.2 電鏡掃描分析

電鏡掃描結(jié)果顯示，3＃煤層具塊狀結(jié)構(gòu)，微裂縫少，孔隙不發(fā)育（見圖1和圖2）；4＃煤層具紋層構(gòu)造，平行層理較發(fā)育，層間微縫發(fā)育，孔隙不發(fā)育（見圖3和圖4）。

表2 柳林地區(qū)煤樣黏土礦物分析

圖1 3＃煤層電鏡掃描圖（100倍）

圖2 3＃煤層電鏡掃描圖（800倍）

圖3 4＃煤層電鏡掃描圖（100倍）

圖4 4＃煤層電鏡掃描圖（400倍）

1.3 膨脹性分析

3＃煤層在不同水介質(zhì)中的常溫常壓時的膨脹性見圖5。煤樣的膨脹率較低，基本上在0.3%以下，但清水中的膨脹性要高于KCl鹽水，也就是說KCl有利于抑制煤巖中黏土礦物水化膨脹。

1.4 煤巖潤濕性分析

利用接觸角法測定煤樣對清水（現(xiàn)場鉆井水）潤濕性，以接觸角大小表征煤樣對清水的潤濕性。試驗測得柳林3＃煤層和4＃煤層樣對清水接觸角分別為65.6°和67.5°，屬于弱親水性。

圖5 柳林3＃煤樣的膨脹性

2 清水損害煤層因素分析

2.1 礦化度變化造成煤層水敏性損害

試驗結(jié)果表明，隨地層水礦化度降低，煤心滲透率出現(xiàn)下降現(xiàn)象（見圖6），3＃煤層中的地層水礦化度在6000mg／L左右，而實際鉆井中使用的地表水礦化度在500～700mg／L，這種因礦化度降低導致煤巖滲透率下降現(xiàn)象類似于油氣田中的水敏性損害。

2.2 含水飽和度變化引起的煤層損害

由于煤巖的弱親水性、正壓差鉆井和低滲性，清水會不可避免地侵入煤層，其結(jié)果就會造成一種“水鎖”現(xiàn)象，即水相造成煤層氣在解吸運移過程中阻力增加，其本質(zhì)是煤層含水飽和度上升造成氣相滲透率下降，如圖7所示。

圖6 礦化度變化對煤巖滲透率影響

圖7 含水飽和度變化對煤巖氣相滲透率影響

3 無固相活性鹽水鉆井液配方

針對清水存在的不足并結(jié)合水平井鉆井特點，無固相活性鹽水鉆井液采用的技術(shù)思路和對策為：通過引入無機鹽KCl來抑制煤層中的黏土礦物膨脹；引入表面活性劑降低鹽水表面張力使侵入煤層的鉆井液易于返排；引入聚合醇類水基潤滑劑增強清水潤滑能力降低水平井鉆進時的摩阻。通過大量試驗優(yōu)選出無固相活性鹽水配方：清水＋2%KCl＋0.1%防水鎖劑P22＋1%聚合醇水基潤滑劑JLX，其基本性能見表3。

表3 無固相活性鹽水基本性能

4 性能評價與應用

4.1 性能評價

1）對煤巖強度影響 3＃煤層煤心在經(jīng)無固相活性鹽水鉆井液浸泡前后的單軸抗壓強度測試結(jié)果見表3。浸泡后的煤心強度下降幅度較小，這也說明無固相活性鹽水鉆井液穩(wěn)定煤層井壁能力較清水強，降低了煤層段井壁發(fā)生垮塌失穩(wěn)風險。

2）煤層保護評價 評價了3＃煤層煤心經(jīng)不同流體介質(zhì)污染后的滲透率恢復值，結(jié)果見表4。無固相活性鹽水鉆井液侵入污染后煤心滲透率恢復值很高，超過原始滲透率，這主要是因為活性鹽水鉆井液不僅有效抑制水敏損害，而且大幅降低了氣－液表面張力，使液相更易流動和返排。

表3 3＃煤層在不同流體介質(zhì)中加壓浸泡后的單軸強度

表4 不同流體對3＃煤層煤心的污染評價

4.2 應用

CLU－07H井為中海油能源發(fā)展工程技術(shù)分公司在柳林地區(qū)第1口U型連通多分支井，采用2個主分支，每個主分支上有3個側(cè)分支，主支和側(cè)分支井眼尺寸均為152.4mm井眼，2個主分支下玻璃鋼管完井。基于前述無固相活性鹽水鉆井液具有優(yōu)異的煤層保護和較好的穩(wěn)定井壁能力，實際鉆井過程采用無固相活性鹽水鉆井液鉆進，其配方為：清水＋2%～3%KCl＋1%～2%聚合醇＋0.1%～0.2%防水鎖劑，鉆井過程中性能指標如下：密度1.02～1.05g／cm3，漏斗黏度27～30s，表面張力小于30mN／m，鉆進過程中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)和漏失現(xiàn)象，直至順利完鉆。鉆進過程中由于防水鎖劑和水基潤滑劑會產(chǎn)生起泡現(xiàn)象，現(xiàn)場需備一定數(shù)量的消泡劑。

5 結(jié)論與認識

1）柳林區(qū)塊3＃煤層和4＃煤層含有一定量的黏土礦物，以低膨脹性伊利石和高嶺石為主；膨脹率較低，泡水后強度下降幅度不大，煤巖表面呈弱親水特性。

2）水敏性和水鎖是清水鉆井液損害本地區(qū)煤層的主要因素。

3）無固相活性鹽水鉆井液具有較強的防膨性、穩(wěn)定井壁和優(yōu)異的煤層保護性能，在柳林地區(qū)煤層氣水平井應用前景廣闊。

［1］岳前升，鄒來方，蔣光忠，等 .基于煤層氣可降解的羽狀水平井鉆井液室內(nèi)研究 ［J］.煤炭學報，2010，35（10）：1692～1695.

［2］黃維安，邱正松，王彥祺，等 .煤層氣儲層損害機理與保護鉆井液的研究 ［J］.煤炭學報，2012，37（10）：1717～1721.

［3］杜鶴，張遂安，徐代才，等 .煤層氣多分支水平井防塌可降解屏蔽暫堵鉆井液研究 ［J］.中國煤層氣，2010，7（1）：30～33，41.

［4］曹偉 .煤層氣井儲層鉆井液損害及保護工藝技術(shù) ［J］.中國煤炭地質(zhì)，2012，24（11）：60～62.

［5］賀建群，烏效鳴，向陽，等 .煤層氣生物酶可解堵鉆井液的巖心流動試驗研究 ［J］.鉆井液與完井液，2013，30（2）：33～36.

［6］岳前升，鄒來方，蔣光忠，等 .煤層氣水平井鉆井過程儲層損害機理 ［J］.煤炭學報，2012，37（1）：91～95.

［7］岳前升，陳軍，鄒來方，等 .沁水盆地基于儲層保護的煤層氣水平井鉆井液的研究 ［J］.煤炭學報，2012，37（增）：416～419.

［8］崔金榜，陳必武，顏生鵬，等 .沁水盆地在用煤層氣鉆井液傷害沁水3＃煤巖室內(nèi)評價 ［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：47～50.

［9］汪偉英，肖娜，黃磊，等 .鉆井液侵入引起煤巖膨脹對煤儲層的傷害 ［J］.鉆井液與完井液，2010，27（3）：20～22.

［10］黃維安，邱正松，楊力，等 .煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術(shù) ［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2013，41（2）：37～41.

［11］SY／T6210－1996，中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準 ［S］.

［12］SY／T5163－1995，中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準 ［S］.