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可降解清洁钻井液的研究及现场应用

文档作者：许朋琛1 陈宁1 胡景东1 陈必武2 王丽丽1 滑志超1 桑军元1 文档来源： (1．中国石油集团渤海钻探第四钻井工程分公司 2．中国石油华北油田煤层气分公司		点击数：	更新时间： 2024年02月27日
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第34卷第3期
2017年5月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
Vbl．34 No．3
Mav 2017
doi：10．3969／j．issn．1001—5620．2017．03．005
可降解清洁钻井液的研究及现场应用
许朋琛1， 陈宁1， 胡景东1， 陈必武2， 王丽丽1， 滑志超1， 桑军元1
(1．中国石油集团渤海钻探第四钻井工程分公司，河北任丘062552；2．中国石油华北油田煤层气分公司，山西晋城048000)
许朋琛，陈宁，胡景东．等．可降解清洁钻井液的研究及现场应用[J]．钻井液与完井液，2017，34(3)：27．32．
XU Pengchen，CHEN Ning，HU Jingdong，et a1．Study and field application of degradable clear drilling fluid[J]．Drilling
Fluid＆CompletionFluid，2017，34(3)：27—32．
摘要针对煤层气井钻井过程中钻井安全和煤层保护之间的矛盾问题，研制了钻井液用提切剂BZ一2和固膜剂GMJ，
并以此为核心开发了可降解清洁钻井液体系。对BZ一2和GMJ的抑制性、流变性、残渣量及对岩心强度的影响等性能进行
了评价。实验结果表明，该体系的页岩回收率为93．5％；流变性好，动望比达到0．93 Pa／mPa·s，初切、终切、动切力分
别为2．5、3．0、20．5 Pa；API滤失量控制在12 mL以内，残渣量为4．5 meT-，岩心强度增加了16．7％。该体系已在山西沁水
盆地南部晋城斜坡带郑庄区块4口井进行试验：试验效果表明，其解决了该区块多分支水平井的钻井安全和煤层保护问题，
日产气量较邻井提高了2倍以上，测算稳定产气量在3 000～5 000 m3／d，具有较好的推广应用前景。
关键词煤层气井钻井液；防止地层损害；无固相钻井液；可降解；封堵造壁性
中图分类号：TE254．3 文献标识码：A 文章编号：1001．5620(2017)03．0027．06
Study and Field Application of Degradable Clear Drilling Fluid
XU Pengchenl，CHEN Nin91，HU Jingdon91，CHEN Bi、vu2，WANG Lili‘，HUA Zhicha01，SANG Junyuanl
(1．The Fourth DrillingBranch ofCNPCBohaiDrillingEngineering CompanyLimited,Renqiu，Hebei 062552；
2．CBM Division ofPetroChina Huabei Oilfield Company，Jincheng，Shanxi 048000)
Abstract A degradable clear drilling fluid has been developed with a gel enhancer BZ-2 and a film fixating agent GMJ to resolve
the contradiction between the safety of drilling operation and the protection of coal beds in coal—bed methane drilling．Laboratory
experiments were done to evaluate BZ-2 and GMJ for their inhibitive capacity,rheology,residue contents，and their influences on the
strengths offormation cores．The experimental results showed that the clear drilling fluid had percent shale recovery of93．5％，yP}Py
ratio of0．93 PaimPa·s，gel strengths of2．5 Pa／3．0 Pa，yield point of20．5 Pa，API filter loss ofless than 12 mL，and residue content of
4．5 mg／L．The strength ofthe cores tested increased by 16．7％．This drilling fluid has been tested on 4 wells in the Zhengzhuang block，
south of Qinshui basin in Shanxi Province．The test has successfully resolved the problems of drilling safety and coalbed protection in
multilateral well drilling．Daily gas production rate has been increased by 2 times more than that ofthe wells nearby,and the calculated
consmnt rate ofgas production was between 3，000-5，000 m3／d，suggesting a good prospect ofpromotion．
Key words Drilling fluid for CBM drilling；Formation damage prevention；Solids-flee drilling fluid；Degradable；Plugging and wall·
building capability
煤层胶结疏松、结构不强、易破碎是煤层气钻
井中的难点问题⋯，其钻井方式、工艺、钻井液和
完井方式的选用都与常规油气井明显不同[2-3]o其
井眼稳定和煤层保护之间的矛盾仍十分突出[4-6]，
传统的煤层气井钻井液均含有膨润土等固相颗粒或
聚合物类处理剂，而聚合物类处理剂通过吸附、机
基金项目：中国石油集团渤海钻探工程有限公司项目“新型低荧光、环保型钻井液体系研究与现场应用”(2017248K)；
中国石油集团渤海钻探工程有限公司项目“超分子化学堵漏技术研究”(2016261Y)；“十三五”国家科技重大专项“复杂
结构井、丛式井安全环保型钻井液新技术”(2017zx05009-003)。
第一作者简介：许朋琛，工程师，现在主要从事钻井液体系研究与应用的工作。电话18631779601；E·mail：
xpc—l 11@163．com。
万方数据
28 钻井液与完井液2017年5月
械捕集及物理堵塞等方式对储层造成损害【7‘91，并
且聚合物不易破胶，与膨润土黏着，形成大颗粒膨
润土胶粒。加之膨润土与膨润土胶团水化膨胀后，
其粒径远大于煤层气储层的裂缝和孔喉直径，极易
引起堵塞，对储层造成伤害，导致后期排采困难，
目前，还无法彻底地解决现有煤层钻井液的破胶问
题。针对煤层井壁失稳‘10J31和煤层损害叫。51的问
题，开发了一种可降解清洁钻井液体系。该体系不
含固相，仅由清水和低分子量聚合物组成，具有低
密度、无固相、可降解的特点；在少量破胶剂的作
用下，体系中低分子量聚合物处理剂，被降解为小
分子化合物，不会对煤层裂隙和孔喉造成堵塞，有
利于保护储层【16J73；降解后的钻井液易于返排，能
够满足煤层安全、清洁高效钻井的需要。
1核心处理剂性能评价
提切剂和固膜剂是可降解清洁钻井液中的核心
处理剂。通过与国外同类煤层气钻井液提切剂产品
的室内对比实验，评价了提切剂BZ．2的提切性能、
残渣量和抑制性；通过单轴强度破坏实验，评价了
固膜剂GMJ对岩心强度的影响[18-21]。
1．1 BZ．2的提切性能
选用国外具有代表性的煤层钻井液处理剂
QJ—12，与BZ．2进行提切能力对比实验，测试了
BZ一2与OJ一12在清水及2％膨润土基浆中的提切
效果，结果见表l和表2。
表1 0．7％不同提切剂在清水中的提切效果
表2 O．7％不同提切剂在2％膨润土基浆中的提切效果
实验提切AV!PW YPf 疆伊W Gelf
条件剂nlPa．s nlPa．s Pa妒6／p3 P孔tnPa．s P“Pa
由表1可知，虽然在常温清水中BZ．2的加量
只有o．7％，但动切力、静切力提升非常明显，与
QJ．12相当；动塑比高于QJ一12；表观黏度和塑性黏
度均低于QJ．12，表现出更好的流动性；在120℃
下热滚16 h后，QJ．12和BZ一2均发生降解，无
提切作用。由表2可知，常温下，在2％基浆中
BZ．2的表观黏度和塑性黏度均低于QJ．12，说明
BZ．2的流变性优于QJ．12；120℃热滚16 h后，在2％
基浆中BZ．2的初切为3．0 Pa、终切为4．5 Pa，而
QJ。12的初切为2．5 Pa、终切为3．0 Pa，说明在2％
基浆中BZ．2形成了比较好的结构。
1．2 BZ一2的残渣含量
配制0．6％BZ．2、o．6％瓜胶各400 mL，分别
加入0．1 g过硫酸铵，在60℃水浴中破胶1 h，取
3次破胶液残渣含量的平均值。由实验结果可知，
BZ．2的残渣平均值为4．5 mg／L，瓜胶的残渣平均
值为302．6 mg／L。参照SY／T 5358--2010和SY／T
51071005的行业标准可知，与后期压裂所使用
的瓜胶压裂液对比，BZ．2降解后的残渣不会对煤
层气储层造成堵塞伤害。
瓜胶BZ一2
图1不同提切剂破胶后残渣含量
1．3 BZ一2的抑制性
煤层气井所钻遇岩层胶结强度低，并且具有一
定的水化膨胀性[21-23]。提切剂BZ一2通过多个极性
基团吸附在页岩上，形成保护膜，防止钻井液滤液
侵人，阻止泥页岩的水化膨胀，保护煤层气储层。
使用山西郑庄区块的页岩，称取109粒径为0．145
mrn岩屑，进行页岩膨胀率实验，结果见图2。由
图2可知，前50min，3组页岩膨胀速率增速均较快，
清水增速最快，QJ．12略高于BZ一2；在50～100
min的时间段里，清水的膨胀高度明显高于oJ．12
和BZ一2；随着膨胀时间的增加，100 min以后，
QJ．12的膨胀增幅速率仍大于BZ．2，但2者膨胀高
度增量明显放缓并趋于稳定，说明QJ．12和BZ．2
万方数据
第34卷第3期许朋琛等：可降解清洁钻井液的研究及现场应用29
对页岩起到有效的抑制膨胀作用。但BZ．2的页睹
膨胀抑制效果优于QJ-12。
3．0
吕
2·5
童2．0
摧L5
誊·．o
0．5
0．O
0 50 100 150 200 250 300
t／min
图2提切剂BZ-2与QJ-12的抑制页岩膨胀性能
1．4 固膜剂GMJ对岩心强度的影响
取各项指标基本相同的2块人造岩心(岩心巾
含20％膨润土)，一块浸人0．5％的固膜剂溶液甫，
并在120℃下热滚16 h，另一块不作处理，作为空
白对比，对2块岩心进行单轴破坏实验，考察固膜
剂对岩心力学参数的影响，结果见表3。由表3可
以看出，固膜剂形成的保护膜，使岩心强度提高了
16．7％。这是因为固膜剂在泥页岩近表面吸附固俐，
形成一层致密、光滑、韧性良好的“保护膜”，该
膜具有一定的强度，通过隔离水分子与泥岩表面，
从而起到防止泥岩水化的作用。
表3 固膜剂GMJ对岩心力学参数的影响
2 可降解清洁钻井液性能评价
以提切剂BZ．2和固膜剂GMJ为核心处理剂。
优选成膜剂CMJ-1、强膜剂QMJ-11和降滤失剂
儿．1等配伍处理剂，对可降解清洁钻井液体系的
流变性、抑制性和破胶能力进行实验评价。
2．1基本性能
可降解清洁钻井液体系基本性能见表4，其巾
压滤饼见图3。由表4和图3可知，体系经过50 oC b
16 h老化，热滚前后的黏度、动切力等参数均保
持稳定，动塑比在老化前后都在0．9 mPa·s以上；
说明该体系具有良好的流变稳定性；同时体系在老
化前后的滤失量均在12 mL以下，具有良好的造
壁性。钻井液配方如下。
清水+2％GMJ+2％CMJ—l+2％QMJ-Ⅱ+1％儿-1+
0．7％BZ．2
表4可降解无固相清洁聚膜钻井液的基本性能
热滚前热滚后
图3可降解清洁钻井液滤饼热滚前后的中压滤饼图
2．2抑制性能
选用郑试76．1．3井的钻屑，依据SⅥ6335—
1997进行滚动回收率实验。在120 oC热滚16 h，
测得清水的滚动回收率为4．O％，可降解清洁钻井
液的滚动回收率为93．5％。页岩线性膨胀实验见图
4。由图4可知，页岩在该钻井液中滚动回收后的
岩屑断面和棱角都清晰可见，说明该体系能抑制页
岩的水化膨胀，有利于井眼稳定和储层保护。
r卜浚羔：：茎．．：2也一_
清水可降解清洁钻井液
图4清水和可降解清洁钻井液滚动回收后的岩屑外观
2．3破胶性能
将破胶剂配制成30％溶液，按照钻井液胶液
万方数据
30 钻井液与完井液2017年5月
总体积的5％加入破胶剂溶液，然后在45℃水浴
中放置，观察体系的破胶情况，结果见表5和图5。
表5可降解无固相清洁聚膜钻井液的破胶率
破胶时AV／ 破胶破胶时AV／ 破胶
间／h mPa·S 率／％ 间／h mPa·S 率／％
O．5 6．00 63．64 4．0 0．75 95．45
1．0 1．50 90．91 16．0 O．50 96．97
3．O 1．OO 93．94
注：破胶剂水溶液的加量为5％，破胶前的表观黏度为
16．5 rnPa·S。
破胶前破胶0．5 h 破胶1 h破胶3 h破胶16 h
图5可降解清洁钻井液体系破胶不同时间后的状态
由表5和图5可知，加入破胶剂溶液后0．5 h
体系开始破胶，体系胶液和水开始分层；0．5 h后
出现絮状沉淀；l h后絮状沉淀大量减少；随时间
延长至3 h后，破胶液颜色变清、可见微量絮状
沉淀；16 h后絮状沉淀不可见，破胶液颜色清亮、
透明。
3 现场应用
3．1钻井液维护工艺
1)钻进至煤层着陆点后，彻底清洗地面循环
罐，按设计配方配制胶液，充分搅拌均匀，替出井
眼内原钻井液，一次性转化成可降解清洁钻井液体
系，配方如下。
清水+2％GMJ+2％CMJ．1+2％QMJ一Ⅱ+1％几一1+
0．7％BZ．2
2)钻进过程中采用等浓度法维护处理，保持
各种处理剂的有效含量，加强固控设备的使用，有
效清除有害固相，保证钻井液具有合理的动塑比，
有利于提高携砂能力。
3)分支破胶。每钻完一个分支，充分循环可
降解清洁钻井液至井眼干净，用2 m3前置液(清
水)、2．5％破胶剂溶液、2 m3后置液(清水)顶替
破胶液到目标井段。
4)主支破胶。钻穿分级箍以后，将孔径为0．125
mill的振动筛筛布更换为孑L径为0．076 mm的振动
筛筛布，彻底清洗泥浆池、循环泵、上水系统，用
清水将井筒内钻井液顶替干净并循环6 h；然后用
2．5％破胶剂溶液顶替出井眼的清水。
3．2现场应用效果
山西省沁水盆地郑庄区块的煤层整体较破碎，
构造裂隙发育‘16’171，施工难度大。采用可降解清洁
钻井液体系在郑庄区块的郑试34平1、郑试34平
2、郑试79平1和郑试79平2井进行了现场试验。
这4口井均为六分支水平井，主支水平段长1 000
m，每个分支长约200～300 m，单口井合计煤层
水平段平均长2 500 m左右，实际完成煤层钻井进
尺103 110 m。
钻井过程中无复杂事故，钻井液具有良好的
流变性和造壁性，动塑比达到0．6 Pa／mPa·S以上，
具有良好的井眼清洁能力。振动筛返砂正常，无掉
块垮塌现象，井眼清洁，短程起下钻顺利，井眼稳
定性强；脱气快，泥浆泵上水好，不影响定向作业
信号且定向容易，钻井液润滑性好，钻井速度快，
钻进期间钻井液性能参数如表6所示。
表6可降解清洁钻井液体系在郑试区块的应用性能
井号?盎，意。：罴P淼Z。盎7
应用可降解清洁钻井液，减少了固相和外来
流体对储层的损害，在完井后对钻井液进行破胶
降解，体系黏度迅速下降，经过充分循环洗井与
破胶液浸泡，疏通近井壁输气通道，破胶后残渣
量低，有利于返排[1 8-25]o各施工井的日产气量对比
见表7。由表7可知，应用可降解清洁钻井液体系
的4 El井产气量均超过了应用常规钻井液体系井的
产气量，达到产气量在1 000 m3／d左右，较邻井提
高了2倍以上，并且产水量也小于对比井。目前还
保持较高的套压，据测算稳定的产气量在3 000
5 000m3／d。
万方数据
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2017-03-01

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