论文部分内容阅读
摘要：在煤层气钻井中，煤岩坍塌造成接单根困难、起下钻遇阻遇卡、憋泵等井下复杂情况的发生。通过对煤岩力学性能测试和结构构造特征分析，分析了煤岩失稳的特殊性，有针对性的提出钻井液技术对策，优选出钻井液体系及配方，应用表明新型低固相硅酸盐钻井液能有效防止煤岩井壁失稳和保护储层。
引言
贵州六盘水地区具有丰富的煤层气资源，钻遇的地层有三叠系飞仙关组合二叠系的人龙潭组，钻遇的主要岩性为石灰岩、泥岩、砂岩和煤层。井壁失稳主要发生在煤层，曾多次发生煤岩垮塌造成接单根困难、起下钻遇阻遇卡等井下复杂情况。钻进过程中煤岩坍塌造成三方面危害：（1）影响钻井安全，降低钻井速度和效率；（2）井径扩大率超标，井身质量差，局部形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼。同时由于环空间隙变化大，严重影响携岩效果，而且难以保证固井质量，影响后期的压裂施工；（3）由于井眼扩大使环空水泥环增厚，降低射孔弹穿煤层的厚度，影响增产措施效果。
1 煤岩地层坍塌的特殊性
煤系地层钻井井眼不稳定是较为普遍的现象。其主要的问题是割理、裂隙发育，岩石脆性大、强度低，在地层应力作用或其他外界因素影响下很不稳定。
1.1煤岩的结构构造特征
试验区煤岩煤化程度较高，镜质组含量高，次为丝质组，壳质组含量低。
1.2煤岩力学性能
与常规砂岩、泥岩相比，煤岩的弹性模量较低，泊松比较高，抗压及抗拉强度均较低，脆性大，易破碎，易受压缩。
2 稳定煤岩井壁钻井液技术对策
（1）合理的钻井液密度
煤岩强度低，受钻井液及其滤液浸泡后强度进一步下降，所以钻井液的密度不要过大，大了会压裂煤层；也不要过小，小了会造成应力释放，使煤层沿节理和裂缝崩裂坍塌。合理钻井液密度要根据煤岩物理力学参数、煤层压力、煤层地应力等参数综合分析计算后确定，同时要考虑泥页岩夹层的稳定问题。
（2）钻井液具有强封堵能力及优良造壁性
良好的封堵能力是液柱压力有效支撑、减少滤液进入煤层的先决条件。所以必须加强钻井液封堵能力，阻止钻井液滤液进入地层。
（3）优化钻井液流变参数
钻井液粘切不宜太低，粘切太低，在井眼内形成紊流，对井壁的冲刷能力增强，容易造成煤层坍塌，同时钻井液携砂能力减弱；粘切太高，钻井液结构太强，活动钻具或起下钻时波动压力增大，容易引起井壁煤块的松动，也不利于井壁稳定。
（4）良好抑制性
煤岩中粘土矿物含量虽然很低，但泥页岩夹层粘土矿物含量高，抑制性差的钻井液滤液进入泥页岩会产生水化膨胀压，诱发或加剧井壁失稳，泥页岩坍塌会导致煤岩坍塌，二者相互影响、相互促进。因此，要求钻井液具有良好的抑制性。
（5）良好润滑性
保证钻井液良好润滑性，减少钻具与泥饼之间的摩擦力，能减少起下钻阻卡的可能，防止井下复杂发生。
3 钻井液体系选择
根据贵州六盘水地区地质资料和工程设计，參考邻井实钻资料分析，结合地层特点，要求钻井液要具备以下特点：①良好的流变性；②良好的悬浮携带能力；③强抑制能力；④良好的润滑性；⑤较强的稳定性；⑥良好的造壁能力。根据该井的地层特点和对钻井液的要求，结合以往成功经验，使用低固相硅酸盐钻井液体系。
根据煤岩失稳机理及其影响因素研究，通过大量室内配方优选试验，确定使用低固相硅酸盐钻井液体系。其基本配方如下：
5%硅酸钠+0.2%KPAM+1.0%LV-CMC +1-2%NPAN+2%QS-2+ 0.5%其它添加剂
在该配方中，KPAM和NPAN共同作用使体系具有好的流变性和一定的抑制性，LV-CMC主要起改善失水造壁性和封堵作用，该体系的主要特点是：有较好的抑制水化作用，造壁性优良，润滑性较好，能有效地控制煤岩坍塌。同时，该体系固相含量较低、密度较低，有利于煤层的钻进，有利于保护煤层气储层。
4 应用效果
比1井组共完成了4口水平井，4口井的钻井液全部使用新型低固相硅酸盐钻井液体系。在保证井下安全的前提下钻井液密度和滤失量均控制在要求范围内，并且井壁稳定，润滑效果好，满足了钻井工艺的要求；新型低固相硅酸盐钻井液体系，携岩能力强，润滑性好，钻井液整体性能稳定，不仅保证了钻井施工的安全、快速、高效、环保，还满足了地质录井的需要，比设计周期缩短的了三分之一，节约了钻井成本。对比同一区块使用聚合物钻井液体系的井，从以下几方面分析评价该井组钻井液体系。
（1）稳定井壁方面。比1井组使用新型低固相硅酸盐钻井液体系后，井壁失稳现象得到明显改善。电测数据显示，井径扩大率明显小于使用聚合物体系的井。
（2）固相控制。新型低固相硅酸盐钻井液体系具有高动速比的特性，使得钻井液中的有害固相易于被固控设备清除。
（3）斜井段滑动机械钻速明显提高。新型低固相硅酸盐钻井液体系有较强固相控制性能，有利于钻井机械钻速的提高，特别是有利于提高斜井段滑动钻进时的机械钻速。
（4）携砂能力与润滑防卡。从比1井组钻井液使用效果来看，新型低固相硅酸盐钻井液体系具备安全钻井所需的携砂能力和润滑防卡性能。
（5）储层保护。比1-4井作为井组第一口井，全井钻井液密度低，在完井时为1.08g/cm3，含砂量小于0.3%，这说明该钻井液的应用对于储层的保护很有利。
（6）对比电测。该井组4口井电测均一次成功，说明电测时钻井液性能能够同时满足携带钻屑和润滑井壁的要求。
5 结论
1）与常规砂岩、泥岩相比，煤岩的弹性模量较低，泊松比较高，抗压及抗拉强度均较低，脆性大，易破碎。
2）新型低固相硅酸盐钻井液具有很强钻井液的抑制性、较强的抗盐、抗劣土污染能力和较好的保护储层性能；形成的无渗透泥饼能显著提高地层的承压能力。
3）新型低固相硅酸盐钻井液体系具有较强的抑制防塌能力，能够有效保持长裸眼段的井壁稳定性。该体系能有效清除钻井液中的有害固相，加强体系固相含量控制，钻井液剪切稀释性强等都有利于提高机械钻速。
4）新型低固相硅酸盐钻井液滤液与地层水相遇后，生成三维网状凝胶以及与二价离子生成沉淀，堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，同时减少了压力传递。
5）完井液的低密度和低滤失，能够有效地保护油层，提高水平井开发效益。钻井液处理剂均选用无毒的无机处理剂和可生物降解的有机处理剂，有利于降低钻井液对环境的影响。
（作者单位：中石化胜利石油工程公司黄河钻井总公司）
引言
贵州六盘水地区具有丰富的煤层气资源，钻遇的地层有三叠系飞仙关组合二叠系的人龙潭组，钻遇的主要岩性为石灰岩、泥岩、砂岩和煤层。井壁失稳主要发生在煤层，曾多次发生煤岩垮塌造成接单根困难、起下钻遇阻遇卡等井下复杂情况。钻进过程中煤岩坍塌造成三方面危害：（1）影响钻井安全，降低钻井速度和效率；（2）井径扩大率超标，井身质量差，局部形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼。同时由于环空间隙变化大，严重影响携岩效果，而且难以保证固井质量，影响后期的压裂施工；（3）由于井眼扩大使环空水泥环增厚，降低射孔弹穿煤层的厚度，影响增产措施效果。
1 煤岩地层坍塌的特殊性
煤系地层钻井井眼不稳定是较为普遍的现象。其主要的问题是割理、裂隙发育，岩石脆性大、强度低，在地层应力作用或其他外界因素影响下很不稳定。
1.1煤岩的结构构造特征
试验区煤岩煤化程度较高，镜质组含量高，次为丝质组，壳质组含量低。
1.2煤岩力学性能
与常规砂岩、泥岩相比，煤岩的弹性模量较低，泊松比较高，抗压及抗拉强度均较低，脆性大，易破碎，易受压缩。
2 稳定煤岩井壁钻井液技术对策
（1）合理的钻井液密度
煤岩强度低，受钻井液及其滤液浸泡后强度进一步下降，所以钻井液的密度不要过大，大了会压裂煤层；也不要过小，小了会造成应力释放，使煤层沿节理和裂缝崩裂坍塌。合理钻井液密度要根据煤岩物理力学参数、煤层压力、煤层地应力等参数综合分析计算后确定，同时要考虑泥页岩夹层的稳定问题。
（2）钻井液具有强封堵能力及优良造壁性
良好的封堵能力是液柱压力有效支撑、减少滤液进入煤层的先决条件。所以必须加强钻井液封堵能力，阻止钻井液滤液进入地层。
（3）优化钻井液流变参数
钻井液粘切不宜太低，粘切太低，在井眼内形成紊流，对井壁的冲刷能力增强，容易造成煤层坍塌，同时钻井液携砂能力减弱；粘切太高，钻井液结构太强，活动钻具或起下钻时波动压力增大，容易引起井壁煤块的松动，也不利于井壁稳定。
（4）良好抑制性
煤岩中粘土矿物含量虽然很低，但泥页岩夹层粘土矿物含量高，抑制性差的钻井液滤液进入泥页岩会产生水化膨胀压，诱发或加剧井壁失稳，泥页岩坍塌会导致煤岩坍塌，二者相互影响、相互促进。因此，要求钻井液具有良好的抑制性。
（5）良好润滑性
保证钻井液良好润滑性，减少钻具与泥饼之间的摩擦力，能减少起下钻阻卡的可能，防止井下复杂发生。
3 钻井液体系选择
根据贵州六盘水地区地质资料和工程设计，參考邻井实钻资料分析，结合地层特点，要求钻井液要具备以下特点：①良好的流变性；②良好的悬浮携带能力；③强抑制能力；④良好的润滑性；⑤较强的稳定性；⑥良好的造壁能力。根据该井的地层特点和对钻井液的要求，结合以往成功经验，使用低固相硅酸盐钻井液体系。
根据煤岩失稳机理及其影响因素研究，通过大量室内配方优选试验，确定使用低固相硅酸盐钻井液体系。其基本配方如下：
5%硅酸钠+0.2%KPAM+1.0%LV-CMC +1-2%NPAN+2%QS-2+ 0.5%其它添加剂
在该配方中，KPAM和NPAN共同作用使体系具有好的流变性和一定的抑制性，LV-CMC主要起改善失水造壁性和封堵作用，该体系的主要特点是：有较好的抑制水化作用，造壁性优良，润滑性较好，能有效地控制煤岩坍塌。同时，该体系固相含量较低、密度较低，有利于煤层的钻进，有利于保护煤层气储层。
4 应用效果
比1井组共完成了4口水平井，4口井的钻井液全部使用新型低固相硅酸盐钻井液体系。在保证井下安全的前提下钻井液密度和滤失量均控制在要求范围内，并且井壁稳定，润滑效果好，满足了钻井工艺的要求；新型低固相硅酸盐钻井液体系，携岩能力强，润滑性好，钻井液整体性能稳定，不仅保证了钻井施工的安全、快速、高效、环保，还满足了地质录井的需要，比设计周期缩短的了三分之一，节约了钻井成本。对比同一区块使用聚合物钻井液体系的井，从以下几方面分析评价该井组钻井液体系。
（1）稳定井壁方面。比1井组使用新型低固相硅酸盐钻井液体系后，井壁失稳现象得到明显改善。电测数据显示，井径扩大率明显小于使用聚合物体系的井。
（2）固相控制。新型低固相硅酸盐钻井液体系具有高动速比的特性，使得钻井液中的有害固相易于被固控设备清除。
（3）斜井段滑动机械钻速明显提高。新型低固相硅酸盐钻井液体系有较强固相控制性能，有利于钻井机械钻速的提高，特别是有利于提高斜井段滑动钻进时的机械钻速。
（4）携砂能力与润滑防卡。从比1井组钻井液使用效果来看，新型低固相硅酸盐钻井液体系具备安全钻井所需的携砂能力和润滑防卡性能。
（5）储层保护。比1-4井作为井组第一口井，全井钻井液密度低，在完井时为1.08g/cm3，含砂量小于0.3%，这说明该钻井液的应用对于储层的保护很有利。
（6）对比电测。该井组4口井电测均一次成功，说明电测时钻井液性能能够同时满足携带钻屑和润滑井壁的要求。
5 结论
1）与常规砂岩、泥岩相比，煤岩的弹性模量较低，泊松比较高，抗压及抗拉强度均较低，脆性大，易破碎。
2）新型低固相硅酸盐钻井液具有很强钻井液的抑制性、较强的抗盐、抗劣土污染能力和较好的保护储层性能；形成的无渗透泥饼能显著提高地层的承压能力。
3）新型低固相硅酸盐钻井液体系具有较强的抑制防塌能力，能够有效保持长裸眼段的井壁稳定性。该体系能有效清除钻井液中的有害固相，加强体系固相含量控制，钻井液剪切稀释性强等都有利于提高机械钻速。
4）新型低固相硅酸盐钻井液滤液与地层水相遇后，生成三维网状凝胶以及与二价离子生成沉淀，堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，同时减少了压力传递。
5）完井液的低密度和低滤失，能够有效地保护油层，提高水平井开发效益。钻井液处理剂均选用无毒的无机处理剂和可生物降解的有机处理剂，有利于降低钻井液对环境的影响。
（作者单位：中石化胜利石油工程公司黄河钻井总公司）