(1.中國地質大學(武漢)工程學院湖北武漢430074 2。中國地質大學江城學院湖北武漢430200)
文摘:松軟煤層鉆孔保護技術是目前煤礦瓦斯抽采利用亟待解決的技術難題之壹。首先，從理論上分析了可降解鉆井液的孔隙保護和生物降解機理，並通過流變試驗、濾餅去除試驗和煤的氣體滲透率試驗對其性能進行了綜合研究。結果表明，可降解鉆井液的降解性能可以人為控制，適用於煤礦井下作業環境。生物酶降解和鹽酸酸化雙重解堵措施能有效解除可降解鉆井液對煤層氣儲層的損害，並能恢復甚至改善煤巖的氣體滲透率(增加率在15.47%-38.92%之間)。研究成果可解決松軟煤層瓦斯抽采鉆孔中鉆孔保護與儲層保護之間的矛盾，也為煤層氣直井、水平井和分支井的鉆井工藝優化和產能提高提供了重要的理論和技術依據。
關鍵詞:松軟煤層瓦斯抽放、可降解鉆井液護孔、儲層保護
基金項目:國家自然科學基金項目(40802031，41072111)。
作者簡介:蔡繼華，1978出生，男，博士，副教授，湖北浠水人，從事鉆井液和儲層保護方面的教學和研究工作。聯系電話:027 67883142，郵箱:catcher Cai @ 126.com。
松散松軟煤層鉆井用可降解鉆井液的實驗研究
蔡繼華1，谷穗2，吳曉明1，劉浩1，陳瑜1
( 1.中國地質大學工程學院，武漢430074；2.中國地質大學江城學院，武漢430200，中國)
文摘:井壁穩定技術是松散松軟煤層煤層氣抽采中急需解決的問題之壹。論文首先從理論上分析了可降解鉆井液的井壁保持和生物降解機理。然後利用流變試驗、泥餅清除試驗和煤巖氣體滲透試驗對其性能進行了系統研究。結果表明，可降解鉆井液的降解性能可控，適用於煤礦作業環境。此外，采用酶促降解+鹽酸酸化的復合解堵技術能有效解除可降解鉆井液泥餅的傷害，恢復煤巖的氣體滲透率，甚至使之提高15。47%和38。92% .本文的技術成果有助於解決井眼維護與儲層保護之間的矛盾，也為煤層氣勘探垂直、水平和多分支鉆井的鉆井工藝優化和產能提高提供了有力的理論和技術依據。
關鍵詞:松散軟煤海；煤礦瓦斯抽采；可降解鉆井液；鉆孔維護；儲層保護。
1可降解鉆井液方案
根據抽采對象的不同，煤礦瓦斯抽采可分為煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采和采空區瓦斯抽采[1]。由於我國地質構造條件復雜，成煤時代多，煤礦區分布廣，煤儲層特征差異大。為簡單起見，分為兩種典型類型:煤結構正常的硬煤層和結構發育的軟煤層。對於松軟煤層，由於煤與瓦斯突出、煤層松軟、機械強度低等原因，采用清水或空氣等常規排粉鉆孔方法時，容易出現塌孔、卡鉆或噴孔等問題，導致鉆孔困難，瓦斯抽采效率低。軟煤層煤層氣開發是我國煤層氣產業化面臨的最嚴峻挑戰之壹[2 ~ 4]，該類煤層鉆孔保護技術是亟待解決的技術難題之壹[5 ~ 6]。
為了達到更好的保護井眼效果，通常在鉆井液中加入纖維素、瓜爾膠和生物聚合物等聚合物。纖維素和瓜爾膠起到增粘、減摩和潤滑作用，保持井壁穩定，而生物聚合物可以增強鉆井液在水平井段的懸浮巖屑能力。雖然這種鉆井液對儲層的傷害比傳統泥漿小，但仍會在井壁上形成低滲透率的濾餅。濾餅降解不充分會極大地影響井筒的流通能力，導致生產井產量大幅下降。因此，特別是在疏松地層和高滲透地層中，必須清除滲入地層的鉆井液和沈積在井壁上的濾餅，以最大限度地提高產量。
近年來，針對疏松(儲層)鉆井中井眼保護與儲層保護的矛盾，我們提出了壹種環保的可降解鉆井液研究思路[7 ~ 11]:鉆井過程中可保持孔壁穩定，鉆後可在生物酶和無機酸的作用下降解鉆井液，降低其粘度，打破先前形成的濾餅，增強儲層流體的流動性。
在上述研究的基礎上，本文從理論上分析了松散煤層鉆井用可降解鉆井液的孔隙保護機理和生物降解機理，並通過流變試驗、濾餅去除試驗和煤層氣滲透率試驗綜合研究了可降解鉆井液的性能。
2可降解鉆井液的機理
2.1可降解鉆井液的護孔機理
可降解鉆井液的主劑由粘土穩定劑(如KCl)、水溶性或酸溶性橋粒/加重劑(壹般為細CaCO3或無機鹽)、降濾失劑(主要為天然植物膠如澱粉或纖維素或瓜爾膠)、流型調節劑(如生物聚合物XC)等組成。這些處理劑* * *有增粘減磨的作用；鉆進結束後，加入能降解各種聚合物的生物酶破膠劑[12 ~ 15]和能溶解微細CaCO3的無機酸(通常為15% HCl [12，14])或有機酸[13，6544]。各種處理劑的作用機理描述如下。
(1)粘土穩定劑可用於抑制煤巖中粘土礦物遇水膨脹；
(2)水溶性或酸溶性架橋顆粒可在煤巖表面的孔隙或裂縫喉口處架橋，防止鉆井漏失，CaCO3或無機鹽也可適當增加鉆井液密度，平衡地層壓力；
(3)天然植物膠的大分子相互橋接，過濾後附著在孔壁上形成隔膜。這些膜薄而堅韌，滲透率極低，可以阻止自由水繼續滲入煤層(圖1)。同時，這種聚合物鉆井液具有良好的包覆抑制性，能有效抑制鉆屑的分散。此外，這種帶有強親水基團的長鏈高分子化合物易溶於水，形成的水溶液粘度高，可以增強井壁表面松散煤粒之間的膠結力，加固松軟煤層的井壁；
圖1 Na-CMC在粘土顆粒上的吸附模式
(4)生物聚合物XC是壹種優良的流型調節劑，用其處理的鉆井液在高剪切速率下極限粘度很低，有利於提高機械鉆速；但在環空剪切速率較低時，具有較高的粘度，有利於形成扁平層流，可增強近水平煤層鉆井中鉆井液的攜巖效果。
2.2可降解鉆井液的生物降解機理
所謂降解，是指在物理因素、化學因素或生物因素的作用下，聚合物分子量降低的過程。從實用角度來看，聚合物降解可分為熱降解、機械降解、光化學降解、輻射化學降解、生物降解和化學降解[17]。以瓜爾膠為例，下面介紹生物酶降解聚合物的機理。
瓜爾膠屬於半乳甘露聚糖。所用瓜爾膠的主鏈由β 1，4糖苷鍵連接D甘露糖單元組成。d半乳糖取代基通過α 1，6糖苷鍵連接到甘露糖主鏈上，沿甘露糖主鏈隨機分布。半乳糖與甘露糖單位的比例約為1: 1.6。半乳甘露聚糖特異性復合酶能有效水解半乳甘露聚糖，半乳甘露聚糖由兩種O-鍵水解酶組成，兩種酶的降解機理如圖2所示。
第壹種O-鍵水解酶是α-半乳糖苷酶，特異性作用於半乳糖取代基，可用於水解末端非還原α-D半乳糖苷鍵。用於分解瓜爾膠分子的第二種O-鍵水解酶，在這裏它特別作用於甘露糖骨架。這種水解酶叫做β 1，4-甘露聚糖環內水解酶，可以隨機水解β 1，4d甘露糖苷鍵[18]。
隨後的室內實驗中使用的酶制劑是幾種生物酶的復合物。專用酶1 (SE1)主要由纖維素糖苷鍵特異性酶和半乳甘露聚糖特異性復合酶組成，專用酶2 (SE2)和專用酶4 (SE4)主要由半乳甘露聚糖特異性復合酶組成。
圖2瓜爾膠糖苷鍵特異酶的降解機理
3可降解鉆井液的室內試驗
3.1降粘效果評價
在理論分析的基礎上，進行了生物酶降解聚合物的實驗室實驗。以鉆井液流變參數為主要評價指標，采用幾種專用酶降解單壹聚合物或復合聚合物。分別在單壹聚合物和復合聚合物中加入生物酶，研究了生物酶對這些可降解鉆井液的降粘效果，繪制了表觀粘度(AV)、塑性粘度(PV)和動態剪切力(YP)隨時間的關系，如圖3 ~圖5所示。
圖3瓜爾膠鉆井液降粘曲線
3.1.1單聚合物鉆井液
從圖3可以看出，在特殊酶SE1的作用下，0.5%瓜爾膠鉆井液的表觀粘度在48.5h內從23.5 MPa·s下降到5 MPa·s。塑性粘度和動態剪切力也表現出類似的變化。
圖4羧甲基纖維素鉆井液降粘曲線
圖5復合聚合物鉆井液降粘曲線
從圖4可以看出，質量濃度為0.75%的羧甲基纖維素鉆井液在特殊酶SE1的作用下，表觀粘度在48.5h內從20.5 MPa·s下降到6 MPa·s。
由於專用生物酶SE1既含有纖維素糖苷鍵特異性酶，又含有半乳甘露聚糖特異性復合酶，對瓜爾膠和羧甲基纖維素具有良好的降解效果。
3.1.2復合聚合物
從圖5可以看出，由0.3%羧甲基纖維素和0.2%瓜爾膠組成的復合聚合物鉆井液，在特殊酶SE2的作用下，表觀粘度在46小時內從25.5 MPa·s下降到5 MPa·s。隨著時間的變化，塑性粘度和動剪切力也按照類似的規律減小。
從圖3到圖5可以看出，在生物酶的作用下，聚合物可以被有效降解，聚合物大分子逐漸斷裂成小分子，鉆井液粘度降低，煤儲層中的流動性增強，從而恢復煤層氣的解吸釋放通道。
3.2濾餅去除實驗
實驗的目的是觀察可降解鉆井液在生物酶破膠劑(和無機酸)作用下濾餅表面的變化，考察濾餅的解堵效果(結果分別見圖6 ~圖7)。可降解鉆井液的配方如下:
配方為1:400毫升水+2.6克gcmc+4克DFD+4.8克CaCO3+NH4 HCl(調節pH)。濾餅依次用0.00625% SE4溶液和5%HCl浸泡。
配方2:用400毫升水+1.6克羧甲基纖維素+8克膨潤土和0.04%JBR溶液浸泡濾餅。
配方1的濾餅去除實驗結果如圖6所示。可以看出，單獨使用生物酶SE4只能去除該體系中的CMC(圖6b)，對CaCO3等影響不大。當在5%HCl中浸泡2小時時，濾餅變得非常薄，表明CaCO3已經與HCl完全反應[11]。
圖6濾餅外觀變化圖
按照配方2配制的鉆井液的濾餅去除實驗結果如圖7所示。由於CMC是該配方中唯壹的聚合物，可降解鉆井液濾餅在JBR溶液中浸泡5小時後已基本完全降解。
圖7可降解鉆井液(配方4)在JBR作用下的濾餅去除
3.3煤巖氣體滲透性試驗
煤礦井下瓦斯抽采的最終目的是恢復煤層的透氣性，獲得較高的瓦斯抽采量。因此，滲透率的恢復是可降解鉆井液更直接的指標。利用JHGP智能氣體滲透率儀和JHLS智能巖心流動儀進行了可降解鉆井液滲透率恢復實驗。實驗步驟見參考文獻[11]。
煤巖氣體滲透率測試結果(表1)表明，金3煤樣經過“汙染-生物酶降解-酸化”三個階段後，滲透率呈現“下降-上升-上升”的趨勢，生物酶降解酸化(包括前期加熱處理)後，煤巖氣體滲透率甚至超過汙染前的氣體滲透率(如圖8所示，推斷也使用了鹽酸)，也證明了“生物酶降解-酸化處理”綜合解堵工藝是有效的，有利於提高煤層采收率
表1煤巖氣體滲透率
註:①下遊壓力(出口壓力)為0.1MPa(即1個大氣壓)；②△K =(K4-K 1)* 100/K 1 .
不同處理階段煤巖平均氣體滲透率的變化。
4結論
本文從理論上分析了可降解鉆井液的孔隙保護機理和生物降解機理，並通過流變性評價、濾餅去除實驗和煤的氣體滲透率實驗對可降解鉆井液進行了綜合研究，得出以下結論:
(1)可降解鉆井液的降解性能人為可控，可適用於煤礦井下作業環境；
(2)生物酶降解和鹽酸酸化雙重解堵措施能有效解除可降解鉆井液對煤層氣儲層的損害，並能恢復甚至改善煤巖的氣體滲透率(增幅在15.47%-38.92%之間)；
(3)研究成果解決了松軟煤層瓦斯抽采鉆孔中鉆孔保護與儲層保護之間的矛盾，為煤層氣直井、水平井和分支井的鉆井工藝優化和產能提高提供了重要的理論和技術依據。
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