基金項目:受國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”項目60“沁水盆地南部煤層氣直井開發示範工程”(項目編號:2006/2007)資助。:2009ZX05060)。
作者簡介:左靜鸞，女，工程師，現為中聯煤層氣有限責任公司通訊地址:北京市東城區安定門外大街88號；郵政編碼:10001。郵箱:zuojingluan @ hotmail.com .
(1.中國聯合煤層氣有限責任公司北京100011；2.中國尤氏大學石油工程學院，山東東營257061)
摘要:針對煤儲層井壁易坍塌、鉆井液易汙染煤儲層的問題，研制了空心玻璃微珠低密度鉆井液體系。鉆井液具有良好的流變性和濾失性，泥餅薄而致密。同時具有良好的抗溫、抗汙染、防塌、沈降穩定性和儲層保護性能。在秦南示範區成功進行了1井的現場試驗，有效防止了液體對煤儲層的汙染。
關鍵詞:煤儲層汙染低密度鉆井液流變過濾性現場試驗煤層氣輕質鉆井液研究
煤層氣低密度鉆井液的研究
左京鑾1，孫翰森1，呂開河2
(1.中國聯合煤層氣有限責任公司，北京10001 1；2.中國石油大學石油工程學院，山東東營257061)
文摘:針對鉆井液造成的井眼坍塌和煤層汙染，研究了通過添加空心玻璃微珠降低密度的低密度鉆井液。研究表明，低密度鉆井液具有良好的流變性和濾失性，泥餅薄而致密。此外，該鉆井液還具有抗溫、抗汙染、防塌、沈降穩定和保護地層等優良性能。這種低密度鉆井液已在秦北示範區的壹口井進行了現場試驗，取得了成功。觀察到了保護煤形成免受汙染的良好性能。
關鍵詞:煤的形成；汙染；輕質鉆井液；流變性能；過濾性能；現場試驗
中國煤儲層普遍具有孔隙壓力低、滲透性差、裂縫發育的特點。鉆井液的侵入容易造成煤層汙染，影響煤層氣的產出。在鉆井施工中，應根據不同的要求和地層，本著節約成本、保證井下安全和保護目標煤層原始結構不受破壞的原則，選擇合適的鉆井循環介質。
本文研制了壹種保護井壁穩定、減少儲層汙染的低密度鉆井液體系，並成功進行了現場應用試驗。
1煤儲層損害原因及機理研究
對采自秦南示範區的煤樣進行了物性參數、X射線衍射分析和掃描電鏡分析。結果表明，煤儲層具有低孔、低滲、裂縫發育的特點。同時，煤儲層還具有低壓、低含水飽和度的特點。這些特點決定了如果在鉆完井過程中不采取有效措施，儲層將受到極大的損害，導致滲透率和產量下降。鉆井過程中造成儲層損害的原因主要包括以下幾個方面。
應力敏感性傷害1.1
應力對煤巖滲透率的影響見表1。從表1可以看出，當有效應力增大時，煤巖滲透率急劇下降，表明其具有較強的應力敏感性。
表1煤巖應力敏感性實驗結果
1.2速敏傷害
用1%標準生理鹽水進行流動實驗，實驗結果見表2。從表2可以看出，煤樣中標準鹽水的速度增加，滲透率不僅不降低，反而增加，說明不存在速敏。當流速較大時，實驗中觀察到細顆粒煤流出。由於顆粒過小，不能堵塞滲流通道，增加了煤巖的滲透性。
表2速度靈敏度實驗結果
1.3水鎖損壞
煤層中的微孔可以看作是無數曲折的毛細管，而煤層壹般是弱親水的，外來液體接觸煤層時會產生強烈的吸水性。液體的侵入對儲層滲透率非常有害。實驗表明，當液體飽和度達到10%時，氣體滲透率受損50%，而當液體飽和度為30%時，氣體滲透率幾乎降至零。
1.4固體侵入
煤巖中存在微裂紋，作業時固相和液相容易侵入。如果不采取有效措施，固相和液相將大量侵入儲層，並且隨著後續作業，侵入量和深度不斷增加，將大大降低儲層的滲透率，嚴重汙染儲層。
由於煤儲層壓力低，裂縫和層理發育，鉆井液侵入儲層是主要損害機理，因此應盡量使用低密度鉆井液體系，防止鉆井液大量侵入儲層。
保護煤儲層的低密度鉆井液研究
2.1降密度劑的選擇
從煤儲層損害的原因和機理分析可以看出，壓差是影響煤儲層損害的重要因素，壓差越大，煤儲層損害越嚴重。
空心玻璃微珠是壹種單胞堿鈣硼矽酸鹽材料，外觀為白色粉末，化學惰性，耐高溫高壓。鉆井液的真實密度較低，可降至0.6~1.0g/cm3。該工藝簡單，風險低，儲層保護效果好，完全可以滿足低壓煤層氣井和部分欠平衡井的鉆完井施工。該技術的研究和應用將豐富低壓煤儲層鉆井液的種類，改變煤儲層損害嚴重的現狀。
2.2空心玻璃微球的性能評估
(1)空心玻璃微球的密度
經過實驗室多次測試，空心玻璃微珠的真密度為0.37～0.45g/cm3。
(2)空心玻璃微球的粒徑和分布範圍
用激光粒度儀分析了空心玻璃微球的粒徑，發現90%的空心玻璃微球粒徑小於123 μ m。
(3)空心玻璃微球的機械斷裂強度和抗壓強度
機械破裂強度是指單位體積的空心玻璃微球在機械壓力裝置下直接壓縮的最高壓力，而抗壓強度是指壹定濃度的空心玻璃微球在不同恒溫的水中，在外壓下不會破裂沈澱的最高壓力。對於鉆井液來說，後者的性能反映了材料的穩定性，更重要。中空玻璃微球強度的實驗結果如表3所示。
表3空心玻璃微球的強度
從表3可以看出，空心玻璃微球具有良好的壓縮性能，在30MPa的壓力下不會破裂。
(4)空心玻璃微珠含量與密度的關系。
向自來水中加入不同量的空心玻璃微球，並測定加入液體的密度。隨著空心玻璃微珠含量的增加，液體密度降低，當含量為40%時，密度可降至0.75g/cm3。
2.3空心玻璃微珠對鉆井液性能影響的評價
(1)膨潤土漿的制備
400ml水+12g膨潤土+0.06g純堿，攪拌20min，陳化24h。
(2)空心玻璃微珠對鉆井液性能的影響。
圖1顯示，加入空心玻璃微珠後，鉆井液的濾失率降低。在10%含量之前，過濾速度下降最快，當10%~30%含量時，下降速度減緩。
圖1鉆井液API失水與空心玻璃微珠含量的關系
從圖2中可以看出，鉆井液的塑性粘度隨著空心玻璃微珠含量的增加而增加，但加量小於30%時塑性粘度增加不多，大於30%時塑性粘度明顯增加。
從圖3可以看出，鉆井液的動態剪切力隨著空心玻璃微珠含量的增加而增加。當摻量為40%時，動態剪切力從3Pa增加到接近5.1Pa。
被含有空心玻璃微球的水基鉆井液汙染的巖心最終滲透率恢復率可達95%，而被不含空心玻璃微球的鉆井液汙染的巖心最終滲透率恢復率不到60%。因此，空心玻璃微珠鉆井液有利於保護儲層，形成的泥餅易於清除。
2.4空心玻璃微珠低密度鉆井液研究
(1)單劑量篩查
在基漿中加入壹定量的增粘劑，高速攪拌20min後測定其室溫性能。然後分別在120℃和150℃時效16h，冷卻至室溫後測量其性能。在評價的各種增粘劑中，DSP-2具有較好的耐溫性能，可以提高粘度和切力，也具有較好的降濾失效果，因此選擇DSP-2作為鉆井液體系的增粘劑。LY-1在室溫或高溫下老化後降濾失效果良好，說明其具有良好的耐溫性，可作為鉆井液體系的降濾失劑。氨基多元醇AP-1、矽酸鈉、矽酸鉀和高濃度甲酸鈉均有較好的抑制作用，氨基多元醇AP-1與部分鹽類復配具有較好的抑制效果；封堵防塌劑FF-2具有良好的封堵防塌效果。幾種表面活性劑都能降低界面張力，其中SP-80的效果最好，SP-80的表面張力隨溫度變化不大，說明其具有良好的耐溫性。
(2)鉆井液配方研究
(1)鉆井液配方及性能優化
在確定了增粘劑、降濾失劑、抑制劑和表面活性劑後，利用各種處理劑的特性優化其用量，從而得到既滿足鉆井工程要求，又有利於保護儲層的鉆井液配方。經過大量實驗，優選出的鉆井液配方及性能見表4。
圖2鉆井液塑性粘度與空心玻璃微珠含量的關系
圖3鉆井液動態剪切力與空心玻璃微珠含量的關系
表4最佳鉆井液配方和性能
從表4可以看出，優選的鉆井液具有良好的流變性和濾失性能，泥餅薄而致密，API濾失小於5ml，高溫高壓濾失小於15ml。在120℃老化16h後，鉆井液穩定，說明其具有良好的抗溫性能。
在優化配方中加入不同量的劣質土粉，優化後的鉆井液汙染前後性能穩定，具有良好的抗汙染性能。
優化配方的回收率遠高於清水，線膨脹遠小於清水，說明優化配方能有效抑制泥頁巖的水化膨脹和分散，具有良好的防塌性能。
(2)封堵性能評價
從表5可以看出，優化後的配方對不同滲透率的砂層都有很好的封堵效果。
表5砂層封堵實驗數據
(3)沈降穩定性評價
實驗結果表明，優化配方的高溫沈降穩定性很好。靜置48小時後，鉆井液上下密度之差僅為0.02g/cm3。
(4)保護儲層鉆井液性能評價。
從表6可以看出，巖心的滲透率恢復率較高，說明優選的鉆井液對儲層有很好的保護作用。
表6滲透率恢復實驗
3鉆井液現場試驗研究
在室內理論和實驗研究的基礎上，在秦南示範區試驗了1口井。
3.1試驗井基本情況
該探井鉆探深度為690.00米，鉆探層位為石炭系太原組，目的煤層為下二疊統山西組3#煤層(639.00 ~ 645.00米)。
3.2現場測試
現場試驗配制的鉆井液密度為0.95g/cm3，粘度為55Pa·s，pH值為，pH值為8。由於井深590米，鉆井液壹直使用到鉆井，施工順利。
現場試驗結果表明，空心玻璃微珠起到了降低鉆井液密度的作用。鉆井液密度為0.95克/立方厘米，鉆井液失水小。粒徑較小的玻璃微珠還具有良好的封堵效果，暫時堵塞煤層的咆哮通道，形成保護膜，有效防止液體對煤層的汙染。
參考
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