煤层气复杂结构井可降解钻井完井液实验

刘大伟，王绮，王益山，王合林，虞海法，袁孟雷

（1. 渤海钻探工程技术研究院；2. 渤海钻探工程有限公司；3. 渤海钻探定向井技术服务公司）

0 引言

近年来，国内在采用多分支水平井、U型井等复杂结构井技术钻采煤层气方面取得了较多的研究成果，但由钻井液引起的井壁失稳、煤层损害等问题阻碍了煤层气的高效开发，钻井安全与煤层保护的矛盾突出[1]。煤层气复杂结构井钻井过程中，为了有效地保护煤层气资源，普遍采用清水作为钻井液钻进煤层，但由于清水黏度低、滤失量大、携岩效果差，且力学-化学耦合作用进一步降低了井壁煤岩强度，井塌、埋钻具等复杂事故时有发生[2-3]。传统的钻井完井液可以有效避免复杂钻井事故，但对煤层保护效果差，影响煤层气解吸，且容易堵塞煤层气渗流通道[4-7]。为了解决钻井安全与煤层保护的矛盾，本文研究适用于复杂结构井的可降解钻井完井液，使其既可以防控复杂钻井事故，又可以保护煤层，以提高煤层气井产量、延长煤层气井生产寿命。

1 钻井完井液配方及性能

1.1 钻井完井液处理剂优选及配方

适用于煤岩储集层的钻井完井液应该满足以下 4个要求：①具有一定黏度，以利于携岩；②能在井壁形成内滤饼，防止井壁坍塌，并且内滤饼可被解除，使渗流通道恢复畅通；③煤层保护效果好；④体系可降解，降解率达到 80%以上，以便于返排。此外，在对钻井完井液处理剂进行优选时，还应该遵循以下原则：处理剂种类越少越好；增黏剂具有凝胶性质；不考虑加重。

依据以上要求和原则，通过室内实验优选了钻井完井液中的增黏剂、降失水剂和降解剂，并确定了钻井完井液的配方。根据增黏剂、降失水剂、降解剂优选实验结果（见表1—表3），选择1#增黏剂、2#降失水剂和1#降解剂。钻井完井液的配方为：清水、0.2%～0.6%增黏剂、0.3%～1.2%pH值调节剂、0.5%降失水剂、3.0%～4.0%储集层保护剂，完钻后加入0.5%～4.0%降解剂。

表1 增黏剂优选实验结果

表2 降失水剂优选实验结果

表3 降解剂优选实验结果

1.2 钻井完井液常规性能及降解性能

本文研制的钻井完井液的常规性能如下：①密度为1.01 g/cm3；②表观黏度为27 mPa·s，塑性黏度为12 mPa·s；③转速6 r/min时旋转黏度计刻度盘读数为8，转速3 r/min时旋转黏度计刻度盘读数为6；④初切和终切分别为11 Pa和14 Pa；⑤API滤失量为14.4 mL。从以上各项性能可以看出：钻井完井液具有一定黏度，可以有效携岩；转速6 r/min时和转速3 r/min时旋转黏度计刻度盘仍有较高度数，说明钻井完井液具有凝胶性质，能在井壁形成胶体滤饼，有效保护井壁，并能阻止钻井完井液进一步侵入煤层；滤失量可控，利于避免井壁失稳。

煤岩比表面积大，有极强的吸附性能。钻井完井液侵入煤层后，高分子聚合物的吸附性与煤岩产生协同效应，像致密膜一样包裹和吸附于煤岩表面，与其他有害固、液相一起损害煤岩渗流通道，阻碍煤层甲烷解吸[8]。因此，钻井完井液应该具有良好的降解性能，以便返排。

对加入不同浓度降解剂的钻井完井液降解率与降解时间的关系曲线（见图1）进行分析，可以发现：随着降解时间的增加，钻井完井液黏度不断降低，降解率不断提高；当降解剂浓度为3.0%和4.0%时，降解效果基本相同，说明继续增大降解剂浓度对降解效果影响很小。对加入不同浓度降解剂的钻井完井液的降解性能（见表4）进行分析发现：加入浓度为2.0%～4.0%的降解剂后，3 h内钻井完井液黏度便可降低到 3 mPa·s左右，降解率可达85%以上；随着降解剂浓度的降低，降解到同一黏度所需降解时间增加；降解完成后钻井完井液中固相残渣少，残渣率仅0.58%左右。因此，煤层完钻后，采用加入降解剂洗井的方式可使钻井完井液达到比较理想的降解效果，利于返排。

图1 不同降解剂浓度钻井完井液降解率与降解时间的关系

表4 不同降解剂浓度钻井完井液的降解性能

2 煤层保护效果评价

煤层气是一种非常规天然气，游离态与吸附态共存，煤层气产出受解吸、扩散、渗流过程的共同控制，3个环节紧密相连，相互制约，任何环节受到损害，都将严重影响煤层气的产出。因此，钻井完井液应该对煤层微观解吸、扩散能力和宏观渗流能力进行有效保护。本文分别采用解吸率法和渗透率恢复率法评价钻井完井液对煤层解吸能力和渗流能力的保护效果。

2.1 解吸能力保护效果评价

2.1.1 解吸率法

煤层气开采具有空间和时间多尺度性：空间尺度涉及煤岩裂隙系统的基块尺度、孔喉尺度、割理尺度、水力裂缝尺度及宏观气井尺度；时间多尺度性表现为煤层甲烷在运移过程中具有时间尺度效应，即在基块、微孔中耗时长，在孔喉、割理中耗时较短，在水力裂缝及井筒中耗时最短[9-10]。煤层气开采过程中的这种多尺度性，要求煤层甲烷在基块中具有一定的解吸速率和解吸量，以便其供气能力满足割理渗流及井筒管流的需要。因此，提出采用解吸率法评价钻井完井液对煤层甲烷解吸能力的保护效果。

解吸率法是在一定时间内将钻井完井液污染后煤样的甲烷解吸量与清水水湿煤样或钻井完井液污染前煤样（本文选用前者）的甲烷解吸量进行对比。两者的比值称为解吸率，解吸率越高，则表明钻井完井液对煤层甲烷解吸能力的保护效果越好。解吸率是基块解吸气量和解吸速率的综合反映，能较为客观地从微观角度评价基块被钻井完井液污染后的供气能力。

解吸率法的实验材料包括：粒径 0.18～0.25 mm（80～60目）的煤粒样品4份（每份煤样质量不少于100 g）、清水、含一定浓度降解剂的水溶液、已降解的钻井完井液等。实验仪器为高温高压气体吸附解吸测试仪。选择粒径0.18～0.25 mm的煤粒作为实验样品，是因为在该粒径下，甲烷的解吸速率和解吸量满足现有仪器对吸附解吸精度和时间的要求，且实验代表性较好。煤样粒径过大，则吸附解吸速率慢，实验耗时长，影响实验精度；煤样粒径过小，则孔渗通道类型不完全，实验代表性差。

解吸率法的实验方法和步骤为：①将煤粒装入高温高压气体吸附解吸测试仪的煤样罐中，真空脱气；②将恒温系统温度调整为实验温度，打开高压甲烷气瓶阀门和注气罐阀门，对煤样罐充气，以达到煤样对甲烷的吸附平衡；③泄压，排出多余气体，向煤样罐中注入一定量的工作液（当测试清水条件下的煤样解吸行为时，工作液为清水，以此类推）并浸泡一定时间；④排出工作液，计量120 min内解吸仪内的甲烷气体量 Di；⑤计算煤样解吸率 Rd：Rd=Di/Dw×100%，其中Dw为清水条件下煤样的甲烷解吸量。

2.1.2 评价结果

图 2为不同煤样甲烷解吸量与解吸时间的关系曲线，其中 1#煤样为未被工作液污染的干煤样；2#煤样为被清水污染过的煤样；3#煤样为被含有一定浓度降解剂的水溶液污染过的煤样；4#煤样为被已降解的钻井完井液污染过的煤样。表5为解吸时间分别为0、40、120 min时不同煤样的甲烷解吸量和解吸率。由图2和表5可知：①与1#煤样相比，2#、3#、4#煤样的甲烷解吸量和解吸率都明显减小，说明工作液的侵入会影响煤层的解吸能力。②3#煤样的甲烷解吸量和解吸率略大于 2#煤样，说明本文研制的钻井完井液中加入的降解剂可以改善煤岩解吸能力。这是因为，降解剂与煤样作用产生的二氧化碳对甲烷有置换解吸的作用，促进了甲烷解吸。③4#煤样和2#煤样的甲烷解吸量、解吸率差别较小，说明本文研制的可降解钻井完井液具有和清水一样良好的煤层解吸能力保护效果。这是因为，加入降解剂后，钻井完井液聚合物长分子链被剪断，表观黏度大幅降低，流动性与清水相近，吸附能力大幅降低，极易脱附和返排。

图2 不同煤样甲烷解吸量与解吸时间的关系

表5 不同煤样甲烷解吸能力恢复实验结果

2.2 渗流能力保护效果评价

2.2.1 渗透率恢复率法

渗流是解吸发生的前提，有了渗流才能降压，降压之后才能解吸。割理和孔隙是煤层甲烷扩散渗流通道，也是钻井完井液返排通道，只有对煤层渗流通道进行有效的保护，保证完井后渗流通道畅通，才能高效开发煤层气资源。

煤层气复杂结构井多采用裸眼完井或PVC筛管完井，评价煤层渗流能力保护效果时，增加返排压差，通过自然返排来测试煤样的渗透率恢复率[11]。首先用钻井完井液正向污染岩心，然后待滤饼解除后反向测量岩心渗透率（不同的返排压差），最后将污染后与污染前反向测得的岩心渗透率进行对比，得到的比值称为渗透率恢复率。渗透率恢复率越高，代表完井作业后期煤层渗流通道保护越好。

渗透率恢复率法的实验材料包括：取自沁水盆地3号煤层的煤样、3%KCl水溶液、未降解的钻井完井液、含有一定浓度降解剂的水溶液等。实验仪器为高温高压解堵实验评价仪。

渗透率恢复率法的实验方法和步骤为：①煤样抽真空后饱和3%KCl水溶液；②围压5.0 MPa条件下，用3%KCl水溶液反向测量煤样在不同返排压差（驱替压力 pz分别为 0.28、0.52、1.02 MPa）下的初始渗透率Ko；③实验压力3.5 MPa下，用钻井完井液正向循环污染煤样端面1 h；④实验压力3.5 MPa下，用含有一定浓度降解剂的水溶液正向循环清洗煤样端面3 h，使侵入煤样的钻井完井液降解；⑤围压5.0 MPa条件下，用3%KCl水溶液反向测量煤样渗透率Ki（增加返排压力pf，直至其与②中驱替压力相近）；⑥计算煤样渗透率恢复率Rf：Rf=Ki/Ko×100%。

2.2.2 评价结果

对各煤样的实验结果（见表6、表7）进行分析可以发现：本文研制的可降解钻井完井液对煤层渗流能力的保护效果良好，煤样在不同返排压差下的渗透率恢复率均在60%以上，最高可达100%左右，且渗透率恢复率随着返排压差的增大而增大。

表6 煤样QS-3-32的实验结果

表7 煤样QS-3-37的实验结果

3 结论

通过室内实验优选了适用于复杂结构井的可降解钻井完井液中的增黏剂、降失水剂和降解剂，并确定了钻井完井液的配方：清水、0.2%～0.6%增黏剂、0.3%～1.2%pH值调节剂、0.5%降失水剂、3.0%～4.0%储集层保护剂，完钻后加入0.5%～4.0%降解剂。

钻井完井液各项常规性能良好：具有一定黏度，可以有效携岩；具有凝胶性质，能在井壁形成胶体滤饼，有效保护井壁，并能阻止钻井完井液进一步侵入煤层；滤失量可控，利于避免井壁失稳。

钻井完井液具有良好的降解性能：加入浓度为2.0%～4.0%的降解剂后，3 h内钻井完井液黏度便可由27 mPa·s降低到3 mPa·s左右，降解率达85%以上；降解完成后钻井完井液中固相残渣少。煤层完钻后，加入降解剂可使钻井完井液达到比较理想的降解效果，利于返排。

钻井完井液可以有效保护煤层。分别采用解吸率法和渗透率恢复率法评价了钻井完井液对煤层解吸能力和渗流能力的保护效果：研制的可降解钻井完井液具有和清水一样良好的煤层解吸能力保护效果；对煤层渗流能力的保护效果良好，煤样在不同返排压差下的渗透率恢复率均在60%以上，最高可达100%左右。

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