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顺煤层钻进用可降解聚合物钻井液

文档作者：吕帅锋1 王生维1 乌效鸣2 王道宽3 董庆祥1 肖宇航1 黄河2 文档来源： 1．中国地质大学(武汉)资源学院 2．中国地质大学(武汉)工程学院 3．湖北省电力勘测设计院		点击数：	更新时间： 2024年02月26日
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第33卷第4期
2016年7月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
Vbl_33 No．4
July 2016
doi：10．36968．issn．1001-5620．2016．04．004
顺煤层钻进用可降解聚合物钻井液
吕帅锋1， 王生维1， 乌效鸣2， 王道宽3， 董庆祥1， 肖宇航1， 黄河2
(1．中国地质大学(武汉)资源学院，武汉430074；
2．中国地质大学(武汉)工程学院，武汉430074；3．湖北省电力勘测设计院，武汉430040)
吕帅锋等．顺煤层钻进可降解聚合物钻井液[J】-钻井液与完井液，2016，33(4)：20．26．
摘要沁水盆地南部寺河矿区15号煤含气量高，埋深较浅，具有良好的煤层气开发潜力。针对15号煤煤体结构复杂和
顶底板为富含水层的灰岩，在顺煤层钻进时主要存在的携屑困难、井壁失稳、容易漏失和储层污染难题，研发了微固相可降
解聚合物钻井液体系。通过煤粉悬浮、煤岩取心模拟护壁、黏度衰减和渗透率恢复实验评价了该体系的基本性能。实验结
果表明，该体系携带岩屑效果好，抑制作用强，能够减小井眼扩径，同时配合生物酶的降解作用，储层渗透率伤害率可以
从50％降低到25％。该钻井液在中国首个煤层气工厂化钻井平台X．2井进行现场试用，钻井液密度为1．0l～1．03 g／cm3，漏
斗黏度为35～40 S，API滤失量小于15 mL，pH值为8～10，加入生物酶后黏度降低40％，顺煤层段成功钻进900 m。
关键词顺煤层钻进；可降解聚合物钻井液；生物酶；井壁稳定；防止地层损害
中图分类号：TE254．3 文献标识码：A 文章编号：1001—5620(2016)04．0020．07
Degradable Polymer Drilling Fluids for In—seam Drilling
LYU Shuaifen91，WANG Shengweil，WU Xiaomin92，WANG Daokuan3，DONG Qingxian91，XIAO Yuhan91，HUANG He2
(1．Faculty of面舶Resources，China University ofGeosciences(Wuhan)，Wuhan，Hubei 430074；
2．Faculty ofEngineering,China University ofGeosciences(Wuhan)，Wuhan，Hubei 430074；
3．Hubei Electric Power Survey and Design Institute，Wuhan，Hubei 430040)
Abstract The#15 coal seam buried shallow in the Sihe coal mine in the south ofQinshui Basin has hi【gh content ofcoal bed methane
(CBM)and is thus prospective in CBM mining．The#15 coal seam has a complex structure and its top and bottom are both limestone
rich in water．In-seam drilling in the#15 coal seam has been encountering problems such as difficulty in cuttings carrying，borehole
wall collapse，lost circulation and drilling fluid contamination to the coal seam．A degradable polymer drilling fluid has been developed
to deal with these problems．The polymer drilling fluid was evaluated in laboratory through suspension of coal fines，simulation of
borehole wall stabilizing with coting，viscosity attenuation and test on permeability return．The results have proved that the polymer
drilling fluid has good cuttings carrying capacity and strong inhibitive capacity,mitigating borehole washout．Using bio·enzyme，
formation permeability impairment ofthe target zones by drilling fluid can be reduced from 50％to 25％．This polymer drilling fluid has
been tried in the platform X一2，the first industrial CBM drilling platform，with its properties as these：density 1．01—1．03 rdcm3，FV 35—40
sec，API FI lessthan 15 mL，andpH 8-10．Addition ofbio—enzyme reducedthe viscosity ofthe drillingfluidby40％．900 mfootage in
the coal bed has been successfully drilled with this degradable polymer drilling fluid．
Key words In--seam drilling；Degradable polymer drilling fluid；Bio--enzyme；Borehole stability；Formation damage prevention
煤层气顺煤层井也称作L型井，对于单井及
井组产量均有显著优势，适用于不同倾角煤层的煤
层气开发，已逐渐成为煤层气开发的主力井型[1-2]。
钻井液是煤层气钻井中的循环介质p41，直接与煤
基金项目：国家科技重大专项资助项目“山西重点煤矿区煤层气与煤炭协调开发示范工程”(2016ZX05067)；山西省
煤基重点科技攻关项目“煤层气钻井关键技术及装备研发”(MQ2014—04 o
第一作者简介：吕帅锋，1990年生，男，硕士研究生，研究方向为煤层气勘探与开发。电话13343407981；E．mail：
4995 1 7353@qq．corn。
万方数据
第33卷第4期吕帅锋等：顺煤层钻进可降解聚合物钻井液21
储层接触，顺煤层井裸眼井段较长，钻井难度大。
目前中国煤层气钻井过程中，为防止钻井液中固相
颗粒对储层的污染[6-131，在煤层段常使用清水钻进。
但是由于清水钻井液黏度小，悬渣能力较弱，容易
在水平段产生煤屑沉积，形成岩屑床，造成埋钻卡
钻等事故发生；清水的滤失量大，不具备造壁性，
在煤体结构破碎、裂隙发育煤层漏失量较大，容易
发生井壁坍塌掉块，使钻井事故频发。在顺煤层井
中使用清水钻井液，不利于安全钻进。而聚合物钻
井液体系不仅能够悬排钻屑，前期起成膜护壁作用，
而且后期采取一定的降解措施，能够降低聚合物对
煤储层的污染，能够满足顺煤层井钻进要求。一些
学者[14-181对可降解钻井液进行了研究，通过破胶
实验、滤饼清除实验、膨胀量测试和钻井液侵入速
度测试以及渗透率恢复等实验评价了其I生能以及分
析了聚合物钻井液的降解机理，但多数是局限于室
内实验研究，对于钻井液对煤储层的影响和现场应
用及其效果报道较少。
2015年中国首个煤层气工厂化钻井平台在中
国最大的煤层气井田——沁水煤层气井田晋城寺河
区块投入使用。目前，该煤层气钻井平台在晋城
寺河区块共设计有5口单分支L型井，机组采用3
号煤层、15号煤层2类煤层交叉作业的方式，年
底已完成2口L型井的钻完井工作。可降解聚合
物钻井液在第二口井钻进15号煤层得到了现场应
用[19-221。
1 L型煤层气井钻井液技术难点与性
能要求
1．1钻井液技术难点
寺河区块整体上为一向北倾斜的单斜构造，发
育一系列起伏平缓的NNE、NE和SN向次级褶曲。
区内主力煤层为3号煤层和15号煤层，15号煤工
业分析和元素分析如表1所示。从灰分产率来看，
15号煤属于低中灰煤，无机矿物含量少，黏土矿
物含量较低，水敏性较弱。
表1寺河区块主力煤层15号煤样品
工业分析和元素分析(％)
水分灰分挥发分硫分磷C H O N
1．85 17．6 8．3 3．82 0．005 92．19 2．99 1．79 0．86
在采煤巷道中采集煤层水，测得煤层水为碳酸
氢根型，其pH略大于7，呈弱碱性(见表2)。
表2寺河区块主力煤层样品水质分析(水型为NaHCO，) 喾_=__：i塑罢生可pH 品Na++K+Mg“Ca2+ Cl—SO一2一Hco，一CO，2一：；i三釜1
1 978 7 14 196 430 1 79l 0 3 416 7．2
2 l 439 8 16 1 600 22 1 123 0 4 208 7．1
15号煤的另一大特征是煤的机械强度较高，
属于中等强度以上的煤，通过实验室测得寺河区块
15号煤的坚固性系数大于1．0；但是局部发育构造
煤，坚固性系数只有0．52，如表3所示。这种机械
强度的煤层在煤层气开采时，不易垮塌，但是对于
难以预测的构造带，煤粉量大。15号煤煤体结构
复杂，从原生结构煤到糜棱煤均有发育，且难以预
测，给钻井作业带来了极大的困难。
表3煤岩坚固性系数测定
①岩屑上返困难。由于煤层压力系数较小，力
学性质不稳定，构造煤较发育，井壁经常出现掉块
和垮塌，煤屑体积过大影响上返速度甚至无法携带
出井眼。②钻井液渗漏较严重。15号煤层厚度小，
厚度为0．3～6．17 m，煤层的直接顶板和间接地板
为灰岩含水层，煤层中的构造节理裂隙以及与灰岩
层沟通的裂隙难以预测，井眼轨迹稍有偏斜就会造
成钻井液的大量漏失。③储层污染。15号煤大裂
隙系统发育，钻井液密度大、固相含量高、聚合物
不能有效降解、流体不相匹配等都会造成储层污染，
污染范围扩大会造成严重后果，直接影响后期煤层
气的采收率。
1．2钻井液性能要求
针对煤储层松软、破碎、易被污染的特点，L
型井钻井液要求不仅具有良好的化学聚凝能力，能
够悬浮煤屑，保证钻孔中煤屑被排除干净，而且在
万方数据
22 钻井液与完井液2016年7月
有效悬浮钻屑同时，加强对松软井壁的胶结作用，
从而可以有效保护井壁；通过引人强降滤失剂和骨
架成膜剂，可以很大程度地降低煤层气钻井液向地
层的渗透；具有良好的封堵裂缝能力，减少钻井液
通过大裂隙系统漏失；同时钻井液泥饼后期易清除，
聚合物分子容易降解，降低对煤储层伤害。因此，
要求钻井液具备高黏度、低固相、低密度，低滤失
量以及可降解性能。此外，钻井液的流变性、抑制
性、润滑性、pH值等都应在合适的范围内。
2 可降解聚合物钻井液技术研究
2．1钻井液降解原理
可降解聚合物钻井液是一种新型环保型钻井
液，主要由骨架成膜剂、强降滤失剂、提黏剂、流
型调节剂和分散剂以及降解剂组成。其中骨架成膜
剂为超细膨润土粉，含量极低，能够水化分散，作
为大分子链的中心骨架。强降滤失剂为改性淀粉和
低黏聚阴离子纤维素，分子量较小，能够充填在大
分子形成的网状链条空间内，使网链结构更加密实
牢固。提黏剂为分子量较大的高黏聚阴离子纤维素，
通过与骨架成膜剂相互架桥，形成大分子网链结构。
流型调节剂为田菁胶和黄原胶，同时能够起到提黏
作用。分散剂为碳酸钠，促进骨架成膜剂的充分分
散和水化，维持分子结构间距。降解剂为生物酶，
能够使聚合物分子通过断链方式降解为分子量更小
的物质，黏度大幅降低。
前期这些聚合物分子网链在井壁上形成“凝胶
套管”的隔膜，阻止自由水向储层裂隙中渗漏，起
到成膜护壁作用，同时隔膜具有良好的润滑性，可
以减小钻具与井壁间的摩擦阻力。后期在生物酶的
催化作用下，附着在煤储层表面以及裂隙中的聚合
物分子能够有效降解，从长链变为短链，降解产物
易于返排，如图1所示。
2．2钻井液性能评价
2．2．1钻井液配方
经过大量实验，优选的可降解钻井液配方为：
0．5％骨架成膜剂+2％强降滤失剂+0．05％高效提
黏剂+O．05％流型调节剂+0．02％分散剂，其性能
见表4。从表4可以看出，该聚合物钻井液体系在
加入骨架成膜剂基础上，通过少量的聚合物处理剂
就能形成大分子网状结构，黏度和切力较高，滤失
量小于10 mL，能够形成薄而致密的泥饼，阻止钻
井液进一步侵入煤储层。
图l 聚台物刈“吐饼的降解小总图
表4可降解聚合物钻井液性能
2．2．2悬浮钻屑能力
钻井液的携砂能力是保证顺利钻进的前提条件
之一。通过室内实验，5种不同粒径(0．45～0．90
mnq、0．18～0．45 mm、0．154～0．180 rnffl、0．076～
0．154 mill和<0．076 mm)的煤粉在清水和优选聚
合物钻井液(表观黏度为46 mPa·S)中的悬浮分
散情况如图2所示。同时选用721型可见分光光度
计对钻井液的沉降稳定性，进行测试和评价。
实验结果表明，煤粉在清水中搅拌后会出现
分层现象，而且煤粉颗粒越小，分层越明显，上浮
颗粒越多。这与煤的产状、聚集状态等物理性质有
关。煤粉在清水中沉降较快，其中粒径为0．45～O．90
ITffn煤粉在5 min之内全部沉淀，其他粒径的煤粉
也在短时间内完成沉降，且之后处于稳定状态。煤
粉在聚合物钻井液中悬浮较稳定，分层现象不明
显，煤粉颗粒越小，下沉速度越慢，悬浮12h之后，
粒径小于0．076 mm煤粉仍然分散均匀。
被测样品在测试过程中，钻井液中的煤粉颗粒
随着时间的增加逐渐发生沉降，则光路中的固相颗
粒越来越少，整个光路的透射比增大。随着煤粉颗
粒粒度的逐渐增大，煤粉沉降速度加快，粒径小于
0．076 mm的煤粉在聚合物钻井液中1 h内基本不
发生沉降(图3)。透光性结果和煤粉在量筒中的
表现是一致的。
万方数据
第33卷第4期吕帅锋等：顺煤层钻进可降解聚合物钻井液23
煤粉在钻井液中悬浮效果(12 h)
图2煤粉在清水和钻井液中悬浮效果对比
t／rain
图3煤粉在钻井液中透光率随时间变化规律
2．2．3 护壁能力
利用岩心钻取机在一定的下压压力和旋转钻速
下对不同坚固性系数的煤岩以清水和钻井液作为循
环介质进行模拟钻进实验，结果见图4和表5。
煤样1 煤样2 煤样3
图4 3种不同坚固性系数的煤样
实验用钻头直径为2．950 cm，钻进的下压压力
为34 N，钻进时间为20 S，钻头旋转速度为l 800
r／min，清水和钻井液从钻头内部流入，经钻头外
壁和钻孔壁间的环空流出。钻后将钻孔清洗干净并
测量钻孑L直径的长度。
由表5可知，钻孔直径和煤岩坚固性系数呈负
相关关系，坚固性系数越大，煤岩机械强度越大，
钻孑L越规则，越不容易造成扩孔现象，对井壁的破
坏程度越小。钻进介质在钻井过程中容易进入煤岩
裂隙，一方面造成煤中黏土矿物水化膨胀，另一方
面由于流体侵入使煤岩胶结强度降低，从而导致煤
岩松散部分脱落，出现扩孔现象。聚合物钻井液具
有强的抑制作用，能够防止黏土矿物水化，因此钻
孑L的扩径率比使用清水要小，起到抑制和护壁作用。
表5模拟煤岩钻进实验数据
2．2．4黏度衰减实验评价
为了对比不同生物酶对聚合物钻井液的降解效
果，室内按以下2种配方配制聚合物钻井液，钻井
液初始黏度较高。室温(25℃)下，在2种配方
中分别加入0．01％的纤维素酶、中性蛋白酶、淀
粉酶、葡聚糖酶和B一甘露聚糖酶5种生物酶，进
行黏度衰减实验。每隔一定时间测钻井液的表观黏
度，直至黏度不再有明显变化为止，实验结果如图
5所示。
18 1％钠膨润土+2％DFD+1％LV-PAC+0．1％
HV-PAC+0．1％纯碱+0．I％XC
24 l％钠膨润土+2％DFD+1％LV二PAC+0．1％
HV-PAC+0．1％纯碱+0．1％田菁胶
实验显示，14配方在96 h后表观黏度降至最低，
其中纤维素酶和淀粉酶降解速率较快，在几个小时
内聚合物钻井液黏度大幅降低至40 mPa·S，最终
黏度可降至1l mPa·S。2“配方在144 h后表观黏
度降至最低，降解速度在前96 h较快，之后比较
平缓。纤维素酶和蛋白酶的降解速度比其他酶要快，
万方数据
24 钻井液与完并液2016年7月
最低值达4 mPa·S，为初始黏度的16％。由于1”
配方中XC这种聚合物比较稳定，生物酶对它几乎
不起作用，因此14配方没有24配方降解得彻底。
由于24配方中纤维素类处理剂含量较多，因此纤
维素酶的降解效果最为明显。
t／h
a)1“配力
rm
b)24配方
图5 l”配方和24配方黏度衰减曲线
2．2．5储层保护性能评价
1)实验采用人工煤心作为实验对象。人工煤
心是利用煤层气开发区具有代表性的煤岩，模拟天
然煤心，将煤样粉碎成一定粒度，并添加一些胶
结物，在一定压力下通过岩心压制机制作而成的。
将人工煤心抽空饱和煤层水，以氮气为介质，用
JHGP气体渗透率仪在围压1．5 MPa、轴压0．3 MPa
条件下测其气体渗透率，记为K。
2)取出人工煤心，用可降解聚合物钻井液作
为介质，在围压3 MPa、轴压1 MPa条件下对煤样
驱替30 min，使钻井液侵人人工煤心裂隙，用步骤1
的方法测试可降解聚合物钻井液污染后人工煤心的
气体渗透率，记为民。局和K的差值与K的比
值作为钻井液对煤心污染后的渗透率伤害率D，。
3)按照步骤(2)的方法，用生物酶液作为驱
替介质，对人工煤心中侵入的钻井液进行降解，驱
替时间为2 h，测试人工煤心的的气体渗透率，记
为K，d。K，d和K的差值与K的比值作为钻井液酶
解后对煤心的渗透率伤害率D，。
用上述方法进行14～44人工煤心的测试，实
验结果见表6。人工煤心污染前气体渗透率为
7．8×10一～8×10。3 gm2，经过可降解聚合物钻井液
污染后，煤心进口端附近的孔隙裂隙被堵塞，导致
气体渗透率下降，其伤害率高达56．84％。用生物
酶溶液解堵后，气体渗流通道中一部分污染物被清
除，仍有少许钻井液残留，尽管渗透率不会完全恢
复，但是气体渗透率伤害率降至24．18％～33．80％。
表6人工煤心渗透率实验数据
注：D，为钻井液对煤心污染后的渗透率伤害率，D：为
钻井液酶解后对煤心的渗透率伤害率。
3现场试验
晋城寺河区块的煤层气工厂化钻井平台共设计
有5口单分支L型井，其中在钻进15号煤层的x．1
井的顺煤层段，使用了可降解聚合物钻井液。
x．1井采用三开的井身结构，一开为竖直段，
钻开地表风化带，二开为造斜段，三开为稳斜段，
顺煤层钻进。煤层小角度倾斜，井斜角略大于90。。
顺煤层段从井深500m开始，到井深1 401 m完钻。
三开开钻时聚合物钻井液中加人了2％的钠膨润土
作为骨架成膜剂，之后整个钻进过程中均未加入钠
膨润土，由于钻井液中不可避免地混入0．3％～0．5％
的煤粉颗粒，因此聚合物钻井液的固相含量相当低。
现场钻井液密度为1．01～1．03 g／cm3，漏斗黏度为
35～40 S，API滤失量小于15 mL，pH为8～10。
在固控系统振动筛上观察，煤屑上返总量和上返速
度正常，煤屑聚集呈球状均匀排出(见图6)。
将生物酶预先溶解在清水中，在接近完钻时，
缓缓加入到泥浆罐中，配制成生物酶浓度为0．05％
的聚合物钻井液，使之泵入井眼中循环。在室内测
得加人生物酶的聚合物钻井液表观黏度先增后降。
万方数据
第33卷第4期吕帅锋等：顺煤层钻进可降解聚合物钻井液25
前24 h聚合物预溶，效果达到最佳，因此黏度比
刚刚加料时稍微有所增大。之后在生物酶催化作
用下，表观黏度逐渐降低，从10 mPa·s降低到6
mPa·s，为初始黏度的60％，其中在l～3 d降解
速度最快(见图7)。实验表明，生物酶能够有效
降解聚合物钻井液，后期侵入煤岩裂隙中的聚合物
在一定程度上由大分子变为小分子，起到解堵作用，
有利于降低钻井液对煤储层的伤害。
O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Io
t／d
图7加入生物酶的聚合物钻井液表观黏度变化
4 结论
1．微固相可降解聚合物钻井液由骨架成膜剂、
强降滤失剂、提黏剂、流行调节剂和分散剂组成，
固相含量极低，在生物酶降解剂作用下能够有效降
解，在96 h内黏度可降低至原来的16％，是一种
新型环保型钻井液体系。
2．通过室内评价实验，微固相可降解聚合物钻
井液能够有效悬浮钻屑，同时抑制作用强，能够防
止井壁坍塌，减小井眼扩径。在保护储层方面，通
过生物酶解堵，储层渗透率伤害率可以从50％降
低到25％。
3．现场实验表明，微固相可降解聚合物钻井液
在钻进过程中能够成膜护壁，有效携带钻屑，保证
井眼清洁，接近完钻时加人生物酶钻井液，黏度可
以降低40％，有利于后期钻井液返排，减小储层污染。
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