仿生绒囊钻井液煤层气钻井应用现状与发展前景

郑 力 会

（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

研究可循环泡沫钻井液［1］、微泡钻井液［2］过程中发现，仿照细菌外观结构，可以开发出含绒囊结构的钻井液［3］，在钻井过程中无需固相即可暂堵漏失储层。绒囊钻井液防漏堵漏机理有别于目前以刚性架桥为基础的封堵理论［4］，也不同于可循环泡沫类钻井液降低体系密度控制漏失［5］。绒囊钻井液由绒囊及其存在的胶体环境构成。绒囊由囊核、囊粒、囊层构成。囊粒决定其封堵能力，囊层决定其流变性。绒囊钻井液的定量作用机理还有待于进一步研究，但煤层气钻井现场应用表明，文献［4］的定性封堵机理是成立的。事实上，绒囊封堵漏失地层仅仅是绒囊钻井液诸多功能中的一个。绒囊钻井液不但密度可调，适合于欠平衡作业，还具有高效封堵、高效悬浮携带岩屑以及可以使用惰性加重材料加重等特点，成为煤层气钻井中不可多得的多功能钻井液［6］。

1 煤层气仿生绒囊钻井液应用现状

目前，仿生绒囊钻井液已在煤层气欠平衡钻井、空气钻井、防漏堵漏、快速钻进和提高同一裸眼井段中低压地层承压能力等方面发挥了作用。

1.1 欠平衡钻井工作流体

鉴于我国煤层气低储层压力、低渗透性、低单井产量、低经济效益和高社会效益等“四低一高”的特点［7］，许多文献推荐使用近/欠平衡钻井，满足储层保护要求，提高开发效益［8］。绒囊钻井液利用表面活性剂、聚合物高分子，依靠物理、化学作用形成包裹空气的囊核，降低钻井液密度。作业现场不增加附加设备，依靠搅拌、剪切或钻头水眼空化作用，实现无固相非加重钻井液密度在0.8~1.0 g/cm3范围可调（与我国煤层气储层压力系数平均值0.88［9］相适应），而且能够和常规钻井液一样循环使用，满足了近/欠平衡钻井的要求。

CLY-A井位于山西省柳林县，地层压力系数0.85。综合考虑地层破裂压力、坍塌压力以及煤层气钻井设备条件，二开使用密度0.90 g/cm3绒囊钻井液。Ø215.9 mm PDC钻头2010年5月30日开钻，2010年6月20日完钻，完钻井深816.00 m。

使用密度0.90 g/cm3绒囊钻井液，一是满足近/欠平衡钻井工程要求，可以在安全钻井和保证地层不发生应力敏感的前提下，实现降低钻井液密度、最大限度地降低液柱压力与地层压力间压差的目的；二是不需要增加诸如泡沫发生器类附加设备，配制、维护、处理等工艺和常规钻井液一样，满足了目前煤层气钻井设备比较简单的客观条件要求。

1.2 空气钻井工作流体

提高机械钻速、防漏堵漏是空气钻井的主要目的，但需要选择合适的地层［10］。空气钻井过程中在无地层水出现的情况下，一般需要加入一些表面活性剂以润滑钻屑，减缓钻具冲刷，抑制钻屑分散和井壁失稳。如果遇到地层出少量水，加入表面活性剂遇水成雾；地层出水量增加，表面活性剂则形成泡沫；出水再增加，就只能用常规钻井液压井，转为常规钻井液钻井。转化前，采取合理措施避免地层漏失、坍塌、钻井周期延长等，是空气或气体钻井过程中重点考虑的因素［11］。但由于地层原因，转化常规钻井液后井壁失稳所产生的负面影响，常会抵消空气钻井成果［12］。而绒囊钻井液可以根据不同地层，添加不同处理剂，自动实现空气钻井过程中空气、雾、泡沫和绒囊不停钻转换钻井工作流体，控制钻井液转化后井壁失稳。

CLY-B井位于山西柳林县，为防止钻井液漏失和提高机械钻速，2010年6月16日二开继续使用空气钻井，钻进过程中加入绒囊钻井液成核剂。由于没有地层水，成核剂润滑钻屑、井壁和钻井工具，携岩能力良好，尺寸为1~2 cm左右的岩屑顺利返出地面。钻具摩阻较小，控制钻压容易，钻进快速。6月18日钻进至671 m，地层出水，环空自然出现雾，随着井深增加，出现泡沫，携带能力变差。6月19日一边钻进一边添加成膜剂、成层剂和定位剂，自动转化为绒囊钻井液。6月20日钻至井深702 m完钻。

空气、雾、泡沫、绒囊钻井液，不间断钻井自动转化，是现场技术人员在实践中创造的。初期添加处理剂能保证润滑性，携岩能力、抑制能力符合设计要求。一开空气钻井过程中，添加自带表面活性剂钻进，平均机械钻速10.85 m/h；二开空气钻井过程中，添加绒囊钻井液成核剂钻进，平均机械钻速13.02 m/h，提高20%。同时，安全快速地将柳林地区空气钻井井深记录提高了71.00 m。空气、雾、泡沫与绒囊钻井液“无缝转化”，既避免了井壁失稳，又节约了转化钻井液时间。使用绒囊钻井液钻进，平均机械钻速2.86 m/h；下套管、固井顺利，表明无转化前后井壁失稳问题；设计钻井周期13 d，实际钻井周期6.393 d，转化时间大幅度减少。前期使用空气、雾、泡沫加快了钻井速度，后期添加绒囊钻井液用处理剂自动转化为绒囊钻井液，避免了处理剂之间不配伍、钻井液与地层之间不配伍以及滤液与地层之间不配伍等，保证了井下安全，为缩短钻井周期提供了技术支持。

1.3 防漏堵漏工作流体

绒囊钻井液中的囊粒遇到比其尺寸大得多的漏失通道时，膨胀并堆积成塔状，将钻井液液柱压力分解，作用在地层流体的压力相对减小，漏失量得以控制，称之为分压封堵；遇到与其尺寸接近的漏失通道时，囊粒被低压漏失层“吸入”时拉长且膨胀，增加流入阻力，消耗了液柱压力，漏失量得以控制，称之为耗压封堵；遇到比其尺寸小得多的漏失通道时，囊粒被低压微孔隙、微裂缝吸附在端口处，聚合物和表面活性剂吸附地层表面，形成囊粒、聚合物和表面活性剂屏蔽层，支撑液柱压力，漏失量得以控制，称之为撑压封堵。因此，绒囊能够封堵各种尺寸的漏失通道，全面控制地层漏失，使得煤层气钻井顺利。

DFS-C井位于陕西省彬县，二开、三开井段频繁漏失。三开钻至1074 m钻井液失返。后多次使用棉籽壳、锯末、水泥等堵漏材料堵漏无效。采用边漏边钻工艺，耗时一个多月，无法钻达目的井深。2010年5月31日，使用密度0.95 g/cm3、动切力20~30 Pa的绒囊钻井液钻进。因考虑钻井后排采效果，保持渗流通道畅通，不宜封住漏失地层。采用控制漏速2 m3/h以内，边漏边钻。钻井时间包括钻机大修占用时间在内，6月6日钻达目的井深1275 m，与水平距离650 m的直井对接，穿针一次成功，形成“U”形井。

绒囊钻井液最初是为储层暂堵提高产能开发的，因此更适合于储层钻井过程中的防漏堵漏，不论地下流体压力高低，基本上能有效封堵。煤层气储层由于产能影响因素很多，储层伤害机理尚未定论［13］。目前采取保证煤层气渗流通道畅通的漏失控制技术，不仅能够迅速钻穿储层，而且有利于排水采气。

1.4 快速钻进工作流体

绒囊钻井液具有低剪切速率下的高黏度和高剪切速率下的低黏度特性，对井眼清洁效率较高，水马力发挥较好，有利于提高机械钻速［14］。水平井、定向井等复杂结构井的长裸眼钻井过程中，由于井眼轨迹的特殊性，易造成井眼净化不佳，形成岩屑床，致使拖压，影响机械钻速，严重时还会卡钻［15］。绒囊钻井液的动塑比在表观黏度不高的情况下可以调整至1.0 Pa/mPa·s以上。合适的表观粘度，高动塑比，保证了钻井液优异的携岩性能和水力破岩效率，进而实现了快速钻井［16］。

FL-D井位于山西柳林县，使用绒囊钻井液钻五分支井。2010年8月28日，采用Ø152.4 mm钻头三开。设计水平段总长4000 m，实际钻进4690 m。单分支水平段最长1050 m，平均水平段长935 m。钻井液密度0.95 g/cm3，塑性黏度10~14 mPa·s，动切力7.5~11 Pa，动塑比始终维持在0.75 Pa/mPa·s以上；初切8~10 Pa，终切12~14 Pa，维持较高的低剪切速率黏度。上部直井段，膨润土钻井液机械钻速6.86 m/h，水平井段绒囊钻井液平均机械钻速7.5 m/h，提高9.3%；实际施工周期比设计周期缩短了28 d，大幅度地节约了钻机、定向、录井及现场用水等费用；为保持煤层渗流通道打开，控制漏失速度0.5~1.0 m3/h，以利于煤层气排采。

1.5 提高地层承压能力工作流体

绒囊钻井液具有自匹配性能，通俗地讲，就是自动找低压层位然后堵低压孔隙或裂隙。目前，很多煤层气钻井过程中遇到井眼涌水、漏失、坍塌事故复杂，有的用套管封隔，有的受井身结构限制无法封隔，造成同一裸眼井段同时存在两个以上不同压力地层，使得安全密度窗口窄小。而且，有的窄安全密度窗口钻井不漏失，注水泥漏失；静止不漏失，循环漏失，这种情况称为“动态窄安全密度窗口”。动态窄安全密度窗口与目前常说的窄安全密度窗口［17］不同，影响因素更多，有内在的，也有外在的；作用机理复杂，有钻井液自身原因，也有施工工艺原因，封堵措施也不同。这将在以后的文章中论述。不管是何种原因，绒囊工作流体能在高密度钻井液平衡涌水地层和坍塌地层压力的同时，自动封堵低压地层，提高低压地层承压能力，而不需要添加其他封堵材料。

J-E井位于山西蒲县，储层压力系数0.91。设计井深1251 m，2010年9月11日二开。聚合物钻井液密度1.04 g/cm3、漏斗黏度26 s，钻至井深450 m地层涌水。重晶石加重钻井液平衡涌水层压力后钻进。钻至875 m，掉块严重，起下钻遇阻。调整钻井液密度1.05 g/cm3、漏斗黏度27 s，下钻至750 m遇阻。预计沉砂厚度163 m。调整钻井液密度1.20 g/cm3、漏斗黏度60~102 s，循环出大量灰绿、棕红色泥岩。钻至925 m井下坍塌、掉块严重。调整钻井液密度1.2~1.5 g/cm3、滴流，但此次下钻距离井底70 m处，再无法下钻至井底。考虑到储层压力系数只有0.91，钻井液过平衡压力太大，钻井存在漏失风险，甚至会出现涌水、坍塌、漏失同时发生，普通聚合物钻井液无法完成设计井深，所以使用绒囊钻井液。10月14日，配制用重晶石加重的密度为1.03 g/cm3、漏斗黏度93 s的绒囊钻井液，循环12 h，井内沉砂彻底清除，正常钻进。12 d钻达井深1278 m。聚合物钻井液平均机械钻速1.37 m/h，绒囊钻井液平均机械钻速1.55 m/h，提高13.1%。

普通膨润土钻井液完成同一裸眼中不同压力共存的复杂煤层气钻井表明，只有提高涌水层和坍塌层钻井液的密度，才能顺利钻穿高压地层，但高密度可能造成低压层漏失。绒囊钻井液依靠自身封堵能力，自动寻找低压漏失地层全面封堵，提高地层承压能力，解决动态窄安全密度窗口问题。

2 煤层气仿生绒囊钻井液应用前景

煤层气钻井过程中地层漏失、井壁坍塌十分严重，再加上煤层气储层伤害机理仍处于摸索阶段，工作液的目标性能尚不能明确，欠平衡成为目前比较认可的钻井方式。同时，成本控制是煤层气钻井又一考核指标，空气钻井进入了煤层气钻井行业。

空气和其他气体型工作流体一样，都是气体型钻井工作流体，完钻后转化常规钻井液完井，井壁稳定、储层伤害、转化周期长等，一直是作业者考虑的重点和难点［18］。绒囊钻井液无缝转化技术，为气体完钻后，煤层气钻井解决井壁失稳、井涌井漏等事故复杂提供了技术支持，也为气体钻井适用更广泛的地层，提供了新手段。

不考虑钻井过程中的其他地层流体压力，单就煤层气钻井而言，煤层气压力分布不均匀，有的异常高压，有的很低。需要注意的是，不能认为低压地区用近/欠平衡钻井比较安全，高压就不安全。事实上，即使高压煤层气存在，解吸流入井筒、形成高压气流返出地面，也要经过较长时间，这段时间足以完成钻井任务。高压煤层气欠平衡钻井在保证井壁稳定的前提下，可以通过安装常规防喷器或旋转控制头，在防止非煤层气流体溢出的情况下进行，但投入成本较高。绒囊钻井液很好地解决了欠平衡钻井技术和成本控制问题，成为煤层气钻井有望在欠平衡钻井方面扩大应用的新技术。

煤层气钻井的另一个难点是：同一裸眼井段不同压力系统共存。绒囊钻井液利用其自身的封堵能力、携带能力，使得同一裸眼井段涌水、漏失、掉块、坍塌、井底沉砂等复杂情况处理简单化。

这样看来，绒囊钻井液可以用于欠平衡钻井、空气钻井、快速钻进、提高地层承压能力钻井等专项作业，表现了仿生绒囊钻井液广阔的煤层气应用前景。

（1）无固相非加重仿生绒囊钻井液密度可以控制在1.0 g/cm3以下，惰性加重材料可调整绒囊钻井液密度至1.0 g/cm3以上，还可以实现与空气、雾、泡沫钻井液的“无缝转化”，适合近平衡、欠平衡和过平衡钻井，体现了绒囊钻井液的多功能性。因此，现场应用过程中应根据井下具体情况，大胆尝试在更多作业环境下使用绒囊技术，如环空中有囊核存在，地面迅速消失，以满足固控要求；现场需要环空中钻井液低密度、沉砂池低黏度迅速沉降的钻井液，以实现不需强制分离设备分离固相。因此，需要深入研究绒囊微观结构，开发满足煤层气沉砂的钻井液。

（2）分压、耗压、撑压方式适用于各种漏失地层控制地层漏失。应用表明，绒囊钻井液防漏堵漏能力强、提高地层承压能力强，可避免因井漏引发井下事故复杂，缩短钻井周期；可有效解决同一裸眼井段涌水、漏失、掉块、坍塌等井下事故复杂处理和预防，适合同一裸眼井段不同压力系统共存地层的窄密度安全窗口钻井。但现在非储层漏失依然严重，要进一步尝试与其他技术结合，封“死”表层开放性漏失地层。这是因为煤层气钻井过程中可能遇到不同地层条件，如溶洞漏失、地表漏失等。

（3）低剪切速率黏度大、高剪切速率黏度小，利于井眼清洁、发挥水力破岩作用，提高机械钻速。应用表明，适合水平井和分支井作业。要尝试丛式井、双台阶或多台阶水平井作业，发挥其以快制胜的特点。

3 结束语

研究、评价绒囊钻井液，使其在煤层气钻井中发挥更大的作用，是目前绒囊钻井液研究应用的一项重要任务。不同作业环境如低温天气，需要开发不同类型的钻井液以满足不同要求；在一些稳定地层，需进一步研究把钻井液密度降得更低，以满足不需要增加附加设备能实现低密度循环、不影响MWD信号传输等要求，进一步实现欠平衡钻井，以更好地满足煤层气钻井需要。

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