低固相防塌钻井液在韩城地区煤层气井试验研究与评价

丁海英，陈 强

(陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

低固相防塌钻井液在韩城地区煤层气井试验研究与评价

丁海英，陈 强

(陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

针对陕西韩城地区煤层气开发地质条件和钻井工艺特点，基于维护井壁稳定和减少对煤储层损害两点原则，提出钻采区钻井液类型确定标准，进而利用正交试验法研究适应煤储层和非煤地层煤层气井钻进用低固相防塌钻井液体系，并对复配试验优选配方进行性能评价。结果表明：钻井液配方材料选取具有良好的广谱性，成本低且配制流程简单，适合于煤层气井现场使用；钻井液具有较低的固相含量和密度，pH值接近8，滤失量低于8 mL/30min，满足降低煤储层伤害的要求；钻井液具有良好的防塌性能，能够有效抑制粘土、砂土地层的水敏性，维护孔壁稳定。

煤层气井；低固相；防塌钻井液；正交试验；性能评价

煤层气井钻进施工中钻井液体系和性能参数的合理选择直接关系到钻进安全和后期生产，煤储层自身裂隙发育、质软，赋存在储层中的煤层气开采难易程度亦与煤层的敏感性、压力、煤质孔隙发育有关。近年来，很多学者致力于研究煤层气井钻进用钻井液体系。王胜等[1]进行了煤层气钻探无固相聚合物钻井液的研究与性能评价；孙建平[2]对煤层气井钻井液特点进行了探讨；岳前升等[3]开展了关于沁水盆地基于储层保护的煤层气水平井钻井液的研究；折海成等[4]进行煤层井壁稳定新型防塌聚磺钻井液体系在气井水平井中的研究；马永乐[5]在其学位论文中重点开展煤层气储层保护钻井液技术研究。以上研究成果对煤层气井钻井液体系研究起到了积极的推动作用。但是，目前针对陕西韩城地区煤层气井钻进用低固相防塌钻井液的相关研究、探讨鲜有报道。

1 韩城地区煤层气钻井概况

1.1 韩城地区地质条件

陕西韩城地区煤炭资源丰富，属石炭二叠纪煤田，该区煤层气赋存品质高，单层可采煤层气含量大于4 m3/t，具备良好开发前景[6]。区内含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，分别含3号煤层和11号煤层，各煤层厚2.4～3 m。非煤地层由上至下依次为黄土、亚粘土、砂质粘土、中粗粒砂岩、桃花泥岩、砾岩等，地层具体分布见表1。

表1 韩城地区地分布

1.2 煤层气井井身结构

目前，韩城地区煤层气地面开发以直井为主，普遍采用二开井身结构，一开井眼直径φ311.1 mm，下φ244.5 mm套管，二开井眼直径φ215.9 mm，下φ139.7 mm套管。

1.3 韩城地区煤层气钻探钻井液应用评价

韩城地区煤层气井钻进非煤地层普遍采用常规膨润土钻井液或低固相钻井液，以预防井壁坍塌、缩颈及获得较高机械钻速为主。钻井液pH值8～9、密度1.04～1.09 g/cm3、漏斗粘度36～39 s、含砂量0.2%～0.8%、失水量8～10 mL/30 min[7]。

韩城地区煤层气井主采煤储层压力较低，较高的泥浆柱压力会引起储层伤害，在设计泥浆压力时，原则上应做到近平衡钻进。根据韩城地区煤系地层及其上覆地层特点,借鉴已有煤层气勘探开发井施工经验，确定钻井液体系应满足下述要求：

1) 目标煤储层上覆地层井段采用低固相泥浆钻井液；

2) 含煤地层井段，采用低密度钻井液；

3) 目标煤储层井段使用清水钻进，密度应控制在1.03 g/cm3以下。

2 低固相防塌钻井液试验研究

2.1 钻井液处理剂材料

试验选择造浆率高的优质钠基膨润土配制钻井液基浆，膨润土加量3%，以严格控制钻井液符合低固相低密度要求；选择钠羧甲基纤维素(Na-CMC)作为增粘降滤失剂；选择PAC-141为钻井液防塌剂和流型调节剂；选择腐植酸钾(KHm)和单宁为降滤失剂。综合运用上述4种处理剂控制钻井液的密度、粘度、切力、滤失量、pH，调节滤失性和造壁性，满足保护煤储层要求。

2.2 试验方法

2.2.1 正交试验

试验研究选择Na-CMC、PAC-141、KHm、单宁4种处理剂及3种加量做正交试验，初选配方见表2。正交试验结果见表3。

表2 钻井液初选配方材料及用量 %

表3 钻井液正交试验结果

注:1.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为3因素的3个相同加量所对应表观粘度(MPa·s)、失水量(mL/30 min)性能结果之和。2.R称为极差值，是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应数据中的最大值与最小值之差。

试验的基本思想是利用不同处理剂在钻井液体系中的不同功用，研究适应韩城地区粘土、砂土类厚度分布较广的低固相防塌钻井液，利用低失水、近中性、低污染等特性有效预防钻进过程中坍塌、掉块、缩颈、卡钻等井内复杂事故的发生。

2.2.2 钻井液的复配与优选

依据正交试验结果分别对不同加量处理剂配方的钻井液，分析其表观粘度和失水量，利用统计学中极差评估方法发现在正交试验中不同加量的处理剂对表观粘度影响大于对滤失量影响，综合考虑韩城地区煤层气井钻进施工时钻井液滤失量小于10 mL/30 min，孔壁稳定、钻孔质量良好，为获得更高的碎岩效率、缩短钻井时间、节约钻进成本，按最优粘度选取配方见表4，其性能测试结果见表5。

表4 优选配方 %

注：基浆为3%的钠基膨润土钻井液。

2.3 性能评价

2.3.1 钻井液流变性能评价

试验研究采用数显六速旋转粘度计对钻井液测试φ600、φ300、φ200、φ100、φ6、φ3 6档剪切速率下读数，低固相防塌钻井液流变曲线见图1。

表5 优选配方性能

图1 低固相防塌钻井液流变曲线

从图1可知，钻井液流变曲线不过坐标原点，剪切速率低于100 s-1时，流体所受剪切应力较大，表示钻井液在开始流动的最初速度较低阶段，需要附加一定的力。说明该钻井液体系属于假塑性流体，流变方程选择幂律方程评价，流行指数n=0.84，表征钻井液剪切稀释特性良好。稠度系数K=0.05，与钻井液配方粘土用量少、粘度低有必然关系，可满足施工中减少孔内钻具磨损、提高钻进机械钻速的要求。

2.3.2 钻井液防塌性能评价

试验过程中，选择韩城地区粘土加工制作土试块，分别将试块浸泡在清水和试验钻井液中，观察试块浸泡16 h后的膨胀效果，如图2(a)所示，土试块经钻井液浸泡16 h后，完整坚固，未开裂,说明钻井液对粘土地层具有良好的护壁性能，可有效抑制粘土类地层遇水膨胀分散，能够避免井眼缩颈、坍塌事故发生；如图2(b)所示，浸泡在清水中的试块则分散垮塌，试块表面开裂。

2.3.3 钻井液胶体率评价

取100 mL试验钻井液于烧杯内静止12 h，如图3所示。钻井液体系均匀稳定，表层稀水量很低，胶体率可达99%。表明该钻井液在煤层气井钻进施工中能够表现出良好的悬浮能力，可有效确保钻孔清洁、避免钻头重复碎岩、钻进效率高。

图2 试块浸泡16 h效果

图3 钻井液静放12 h效果

2.3.4 钻井液滤失性评价

试验利用钻井液滤失量测定仪测试在常温0.69 MPa压力下，钻井液30 min的失水量和泥皮厚度，经测试该钻井液滤失量为7.5 mL/30 min、泥皮厚0.5 mm，与韩城地区此前应用钻井液滤失量对比可知：试验防塌钻井液滤失量较低，泥皮厚度薄且致密，能够有效抑制施工中因孔内地层压力差存在而导致钻井液向地层失水，影响钻孔安全。

2.3.5 钻井液酸碱度评价

试验钻井液的配浆材料为钠基膨润土且加量仅为3%，处理剂选取亦避免选用碱度过大的处理剂，以上措施确保钻井液pH值接近中性。能够避免因碱度过大造成煤储层污染，影响后期煤层气解析，降低产气率。通过实测可知，钻井液pH值接近8，满足对储层的保护要求。

3 结 论

1) 总结韩城地区煤层气井钻井用钻井液类型及性能参数要求，根据地质条件及钻进工艺特点，提出了不同地层钻井液类型选取标准。

2) 试验针对韩城地区非煤井段开展低固相防塌钻井液体系研究，设计钻井液初选配方和正交设计方案，通过正交试验和复配试验确定钻井液优化配方。

3) 对优选的低固相防塌钻井液开展流变性、胶体率、滤失性和酸碱性能评价，结果表明，试验钻井液具有良好的剪切稀释特性、稳定性、较低的失水量和酸碱度，满足韩城地区煤层气钻探施工要求。

[1] 王胜, 郭凯彬, 袁超鹏, 等. 煤层气钻探无固相聚合物钻井液的研制与性能评价[J]. 科学技术与工程, 2015, 15(33): 150-154.

[2] 孙建平. 煤层气井钻井液特点的探讨[J]. 中国煤田地质, 2003, 15(4): 61-71.

[3] 岳前升, 陈军, 邹来方, 等. 沁水盆地基于储层保护的煤层气水平井钻井液的研究[J]. 煤炭学报, 2012, 37(S2): 416-419.

[4] 折海成, 刘海峰, 方敬伟. 煤层井壁稳定新型防塌聚磺钻井液体系在气井水平井中的研究与应用[J]. 辽宁化工, 2014, 43(11): 1438-1444.

[5] 马永乐. 煤层气储层保护钻井液技术研究[D]. 北京: 中国石油大学, 2011.

[6] 黄国耀. 韩城地区煤层气水平井钻井工艺技术研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2009.

[7] 丁海英, 陈强. 韩城区块煤层气钻探冲洗液应用分析[J]. 山西建筑, 2015, 41(27): 115-116.

A Experiment Research and Evaluation of Coal Bed Methane Drilling Low Solid Drilling Fluid Collapse Prevention in Seoul Area

DING Haiying，CHEN Qiang

(ShanxiEnergyInstitute,Xianyang,Shanxi712000,China)

In view of Seoul regional geological conditions of coal bed methane drilling and drilling construction technology，the author, based on protecting borehole wall stability and reduce the damage to the coal measures strata, has put forward the drilling area drilling fluid type to determine the standard. On this basis, the emphasis on adaptation were studied by using orthogonal test method of coal measures strata, including the coal bed methane drilling strata low solid drilling fluid system collapse. It evaluated the distribution of test selection formula for performance.The experimental results tell us that the drilling fluid formula materials selecting good broad-spectrum, reasonable cost and preparation process of treating agent preparation process was simple in suitable for coal bed methane of drilling construction site use. Drilling fluid with low solid content and density, pH value was equal to 8 with filtration quantity below 8 mL/30 min, in accordance to the requirement of coal seam to avoid pollution. Otherwise,drilling fluid will have a good collapse prevention performance, as can effectively inhibit clay and sandy soil stratum under water dispersion, hole wall instability occurs.

Coalbed methane; Low solid content; Anti-collapse drilling fluid; Orthogonal test; Performance evaluation

2017-02-20

陕西能源职业技术学院2015年科研项目(15KY06)

丁海英(1983-)，女，黑龙江哈尔滨人，讲师，研究方向：钻探技术，手机：15389468611，E-mail：395864143@qq.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.042