山西石樓西煤層氣煤泥防塌鉆井液技術(shù)

杜海濤

（勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司鉆井三公司，山東東營257091）

長期以來，井壁穩(wěn)定問題，尤其是泥頁巖地層井眼穩(wěn)定問題一直是鉆井工程中經(jīng)常遇到的井下復(fù)雜情況。特別是石樓西天然氣項目鉆遇的煤、泥、炭質(zhì)泥巖地層，井壁穩(wěn)定問題特別嚴重，重點集中在二疊系的石千峰、石盒子和山西組，由于該地層所造成的井壁不穩(wěn)定，既影響鉆井速度，所以，為保證石樓西天然氣順利開發(fā)，研究該地層的井壁穩(wěn)定性是志在必行。

1 煤儲層簡介

煤氣層以吸附和儲集方式存在于煤層孔隙中，是新興潛在能源。中國的煤層氣資源量約為（30～35）×1012m3，與常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)。煤層氣不僅熱值高，而且不污染環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

石樓西目的層地層特點，石樓西區(qū)塊山23氣藏為低孔、低滲、低壓定容彈性驅(qū)動巖性氣藏。有效儲層分布受砂體展布和物性控制，無明顯邊、底水。山西組煤層發(fā)育，單層厚1～10m，易坍塌，注意在鉆開該層之后防塌。石盒子組、山西組為區(qū)域性氣層，注意防井涌、井噴。馬家溝組局部區(qū)域發(fā)育膏巖層，注意調(diào)整鉆井液體系配方，防止污染。

雖然我們目的不是開發(fā)煤層，但是在鉆遇到這樣的儲層時，由于煤巖性質(zhì)的特殊，不可避免的問題是大段煤層及炭質(zhì)泥巖的地層穩(wěn)定性問題。所以在對大段煤層及炭質(zhì)泥巖防塌問題上，必須有一套切實可行操作方法和鉆井液方案。

2 煤層井壁穩(wěn)定機理分析

該區(qū)塊煤層呈條帶狀、線狀（樹枝狀），節(jié)理微裂縫發(fā)育，膠結(jié)疏松，脆性大。當(dāng)鉆開煤層時，鉆井液濾液沿裂縫進入，降低了煤層之間的膠結(jié)力，在外力作用下易發(fā)生破裂，造成坍塌。

首先，煤系地層中夾含大量的泥巖，而井塌主要發(fā)生在泥巖地層，鉆井液與泥巖地層發(fā)生物理化學(xué)作用引起水化膨脹和分散，水化應(yīng)力改變了泥頁巖中的應(yīng)力狀態(tài)，最終導(dǎo)致了井壁的不穩(wěn)定。確定出鉆井液的液柱壓力，提供確保井壁力學(xué)穩(wěn)定的最低使用密度是先決條件。

其次，鉆井液在井壁上形成的泥餅?zāi)茏钃跗渌w粒的侵入但是如果煤層氣井鉆井液的性能差，在井壁上形成的泥餅疏松，泥餅的阻擋力??；煤層屬于低壓儲層，如果鉆井過程中平衡壓力大，一些危害顆粒進入地層，堵塞孔隙和喉道造成煤儲層的永久堵塞。

鉆井液濾液更容易進入地層，而且濾液對煤儲層的傷害比常規(guī)的儲層更嚴重得多。原因有：（1）鉆井液密度小、性能差時，在井壁上形成的泥餅比較疏松阻擋力小。（2）煤儲層的孔隙壓力小，鉆井過程中平衡壓力過大，加大了鉆井液的失水量。即使鉆井液中加入降失水劑，但是泥漿很容易向地層失水。含有各種粒子和高堿性濾液進入煤層后，加速了粘土礦物的水化、分散，就導(dǎo)致井下復(fù)雜情況的發(fā)生。所以，我們致力于研究了鉆井液抑制性、防塌性、失水和泥餅質(zhì)量與流變性的良好統(tǒng)一。

由于地層存在煤、泥、砂巖互層，如果上覆巖層為泥巖下夾層煤，煤層極易受外力破碎坍塌（包括活動鉆具碰撞），上部泥巖層失去支撐力，產(chǎn)生應(yīng)力失穩(wěn)，需要提高應(yīng)力穩(wěn)定，減少井壁的機械碰撞。

3 煤儲層防塌鉆井液體系選擇及參數(shù)調(diào)整

3.1 KCl選擇原理

3.1.1 氯化鉀性能

氯化鉀分子式為KCl，外觀為白色立方晶體，常溫下密度為1.98g/cm3，熔點為776℃。易溶于水，且溶解度隨溫度升高而增加。KCl是一種常用的無機鹽類頁巖抑制劑，具有較強的抑制頁巖滲透水化的能力。若與聚合物配合使用，可配制成具有強抑制性的鉀鹽聚合物防塌鉆井液。

3.1.2 K+離子的防塌機理：

（1）水化能力低，K+和NH+4水化能分別為393kJ/mol和364kJ/mol，均低于Ca2+、Mg2+、Na+等陽離子。由于粘土對陽離子吸附具有選擇性，它優(yōu)先吸附水化能較低的陽離子，因而K+和 NH+4往往比Ca2+、Mg2+、Na+優(yōu)先被粘土吸附，再由于其水化能力較低，被吸附后會促使晶層間脫水，使晶層受到壓縮形成緊密構(gòu)造，從而能有效抑制粘土水化。

（2）K+和 NH+4的直徑分別是2.66?和2.86?，其大小剛好進入2個六角環(huán)之間的空間。由于水化后K+和NH+4離子半徑仍小于伊利石的層間間隙（10.6?），因而能夠進入伊利石的層間，其它離子的水化半徑都大于10.6?，因而不能進入。當(dāng)失去吸附水化膜時，稍微變小，相鄰晶層的四面體晶片互相靠近，收縮作用使K+進入裸露的自由空間，它立刻被牢固的保留在適當(dāng)?shù)奈恢?，由于K+形成鍵合，從而限制了相鄰硅酸鹽晶片的膨脹和分離，K+的這種作用稱為K+的晶格固定作用。正是由于這種作用，使K+盡量靠近相鄰晶層的負電荷中心，形成的致密構(gòu)造不會在發(fā)生較強的水化。

（3）由于K+必須進入到粘土晶層間才能起到晶格鑲嵌作用，而進入到粘土晶層間必須是粘土水化到一定程度，晶層間出現(xiàn)自由水才能進行離子交換，因此在K+進入晶層間起抑制作用時，粘土已發(fā)生了充分的晶層膨脹。在粘土晶層膨脹階段，層間陽離子受束縛而不能進行離子交換，因此K+不能有效抑制Na-MMT和Ca-MMT的晶層膨脹。但K+能有效抑制粘土的滲透膨脹和分散，控制地層造漿。

3.2 KCl鉆井液體系配伍

（1）KCl+K-PAM防塌鉆井液體系。鉆井液配方：1.5%坂土漿+1.5%LV-CMC+0.25%DSP-1+2%～3%WFL-1+2%～3%SMP-1+0.5%～1%K-PAM+2%～3%SPNH+5%～8%KCl+5%～8%潤滑劑+0.2%～0.6%XC。

（2）鉆井液性能：漏斗粘度56～62s，F(xiàn)L：4.5mL，PV：26mPa·s，YP:4～6Pa，G：2.5Pa/15Pa。

（3）處理劑使用：WFL-1、SMP-1、AP-1、SPNH、XC、KCl、K-PAM、DSP-1、CMC。

（4）體系轉(zhuǎn)化：三開前，在套管內(nèi)將原井漿充分凈化后一次性轉(zhuǎn)化成KCl-KPAM鉆井液，坂土含量10～15g/L，密度1.16g/cm3，粘度45s，為了提高鉆井液的抗高溫、抗鹽、抗污染能力和防塌能力，加入0.5%～1%KPAM、0.4%～0.6%LV-CMC、2%～3%WFL-1、2%～3%SPNH、2%～3%SMP-2、5%～8%KCl、NaOH調(diào)節(jié)pH，鉆井液性能達到設(shè)計要求。

3.3 確定合理的鉆井液密度

根據(jù)井壁力學(xué)穩(wěn)定機理及井壁穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)因素，依據(jù)所鉆煤層地應(yīng)力、孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力來確定合理的鉆井液密度。保持煤層地層的力學(xué)平衡，防止地層坍塌；在確定地層坍塌壓力時應(yīng)該考慮鉆井液濾液對地層的水化作用、應(yīng)力分布、孔隙壓力、巖石力學(xué)性能的影響。此外，還應(yīng)考慮鉆井液造壁性影響，鉆井液液柱壓力對井壁的支撐作用，尤其是我們所要鉆到的裂縫發(fā)育或破碎地層。由于煤層井壁巖石處于強硬力作用下而且面對著應(yīng)力釋放而造成跨塌掉塊時，如果鉆井液密度過低不能平衡煤層的坍塌壓力，解決這樣的問題只有提高鉆井液密度來平衡地層應(yīng)力。所以，選用合適的鉆井液密度，使它高于地層坍塌壓力的當(dāng)量密度，保持井壁穩(wěn)定是防止井壁坍塌的先決條件。

3.4 pH值的影響

通過大量的實驗證明OH-明顯促進泥頁巖中粘土水化分散。當(dāng)時水溶液pH值低于9時，pH值對泥頁巖水化影響不大，pH值繼續(xù)增加，泥頁巖水化加劇，促使泥頁巖坍塌。所以控制鉆井液的pH值低于9左右，而在使用KCl體系時則pH不作為考慮重點，因為KCl體系本身對井壁穩(wěn)定能力效果十分好。

3.5 鉆井液濾失量的控制

對于煤層裂縫發(fā)育的坍塌層，封堵裂隙，在井壁周圍形成滲透率接近零的封堵帶，將井筒中鉆井液同井壁地層隔絕為兩個系統(tǒng)，控制和減少鉆井液失水沿微裂縫侵入地層，通過實驗證明，可以定期補充降失水劑降低失水，加入極易酸溶的微細顆粒，顆粒直徑根據(jù)地層孔隙大小確定，達到良好的架橋原理，保持API中壓失水小于5.0mL，降低泥餅滲透性，從而達到穩(wěn)定井壁的目的。

3.6 抑制、防塌及流變性要求

通過室內(nèi)實驗優(yōu)選了多種處理劑，主要是為了提高鉆井液體系的抑制性能和封堵性能以及降失水效果。在室內(nèi)優(yōu)選和完善了幾套體系，篩選出的鉆井液體系主要是既能有效抑制泥頁巖的水化分散，又能抑制膨脹，并能有效封堵效果根據(jù)攜巖效果，盡量保持低坂含、低固相，流動性能好，保持合理的動塑比值，在低坂含條件下，合理使用部分生物聚合物，達到良好的切力攜帶鉆屑。

3.7 鉆井液穩(wěn)定性

該體系關(guān)鍵是增強鉆井液本身的穩(wěn)定性，鉆井液穩(wěn)定性，反映了鉆井液在污染和高溫下鉆井液中膠體的穩(wěn)定性，這里取決于合適的粘土含量和足夠有效的護膠材料，如果鉆井液中的MBT含量和低密度固相含量太高，會造成鉆井液性能失控，粘切很難控制；鉆井液中的MBT含量和低密度固相含量太低，致使鉆井液懸浮能力降低，鉆井液穩(wěn)定性差，所以，控制好鉆井液中的坂土含量至關(guān)重要，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)嫩嗤梁?，鉆進過程中保持坂土含量18～22g/L之間。

4 現(xiàn)場使用情況

根據(jù)以上鉆井液性能要求，分別在YH45-15-14S2H4井、YH45-15-14S2H4井、YH45-15-8S2H2井3口井水平段使用了KCl-K-PAM鉆井液體系，有效遏制了地層坍塌，起下鉆順利井下情況正常，水平段長1000～1300m左右。

2號臺YH45-15-14S2H4井鉆井液性能：密度1.21g/cm3，粘度84s，5/15，六速：84、56、47、34、15、15r/min，PV28mPa·s，YP14Pa，中壓失水4.9mL。

9號臺YH45-11-8S2H3井鉆井液性能：密度1.21g/cm3，粘度 61s，失水 3.8mL，pH11，摩阻系數(shù)0.2962，六速：55、30、21、12、0.5、0r/min，PV25mPa·s，YP2.5Pa，G0.5Pa/2.5Pa。

4號臺YH45-15-8S2H2井鉆井液性能：密度1.20g/cm3，粘度68s，失水3.8mL，六速：60、43、30、19、17、4r/min，PV23mPa·s，YP10Pa。

通過3口井施工，鉆井液性能略有差異，但是都滿足了攜巖、井壁穩(wěn)定要求，起下鉆順利，綜合分析，該區(qū)塊鉆進在二疊系地層，鉆井液性能指標滿足以下條件即能保證正常順利施工：密度1.18～1.22g/cm3，粘度55～75s，切 力 （1～5Pa）/（5～15Pa） ， PV20～35mPa·s，YP3～15Pa，中壓失水小于5mL。

5 結(jié)論

（1）KCl-K-PAM鉆井液體系，具有良好抑制性、攜帶懸浮能力、封堵防塌能力，光滑堅韌致密的泥餅。

（2）合理的密度，并按氣井0.07～0.15kg/L進行附加，確保平衡地層壓力，防止井下復(fù)雜。

（3）鉆井液性能穩(wěn)定，嚴格控制含砂和濾失。

（4）鉆井液pH值控制在9.5以上。

（5）體系的穩(wěn)定能力強。

（6）體系潤滑性能好，由于甲方禁止使用固體石墨粉潤滑劑，所以需要優(yōu)選高質(zhì)高效潤滑劑，以及塑料球或玻璃微珠等，保證鉆井液良好的潤滑性能。

（7）降低鉆井液中的低密度固相含量，適當(dāng)?shù)目刂沏@井液中的坂土含量，保證鉆井液中有一定自由水份的同時，以提高鉆井液的濾液粘度來增強鉆井液本身的結(jié)構(gòu)力，防止因固相含量過高而造成的性能不穩(wěn)定。

（8）及時檢測分析鉆井液中的離子，防止有害離子侵入造成污染，避免污染后性能大幅度變化，對污染后的鉆井液應(yīng)及時調(diào)整處理。

（9）使用抗鹽能力強的降失水劑和聚合物，保證鉆井液中適當(dāng)?shù)木酆衔锖亢妥銐虻慕凳畡┖头浪鷦?，降低鉆井液的高溫高壓失水，改善和提高泥餅質(zhì)量，增強鉆井液的穩(wěn)定性。

（10）由于該區(qū)域目的層高低變化，鉆進中需要不斷調(diào)整水平段垂深，井斜上下調(diào)整，保證在目的層鉆進，所以井眼軌跡變化較大，水平段長達1300m，所以完井后，為保證完井管串順利，必須模擬完井管串鋼性強度的鉆具結(jié)構(gòu)通井。

（11）石盒子組和山西組的巖性為炭質(zhì)泥巖和煤層互層，如果鉆井液濾失量過大，抑制性不夠，地層中含有的多段煤層和炭質(zhì)泥巖的交互層，易水化膨脹，井壁失穩(wěn)。所以，在進入石盒子地層前，應(yīng)及時調(diào)整鉆井液性能，加入降濾失劑材料，降低FLAPI小于5mL，根據(jù)井眼承壓能力適當(dāng)提高鉆井液密度，以提供較大的物理支撐，防止井壁垮塌。