煤层气井防伤害钻井液技术

摘 要：煤层气井钻井过程中，钻井液往往对煤储层渗透性造成伤害，进而影响产气量。在安全钻进的基础上为了最大程度减小储层伤害，研发了生物酶可降解钻井液体系。可降解聚合物钻井液在山西的U型井和L型井已有试用成功案例，有望择机在新疆顺煤层井进行应用，以期减小储层伤害，提高产气量。

关键词：煤层气井；可降解聚合物钻井液；煤储层保护；清除污染

引言

近年来顺煤层L型井已成为煤层气开发的主力井型。目前，迫切需要研究和发展相应的L型煤层气井钻井液技术，保证大位移的顺煤层井安全钻进，同时减小储层污染。

可降解聚合物钻井液，在煤层中钻进时能够形成薄而坚韧的泥皮，钻井前期起成膜护壁作用，同时能够有效悬浮钻屑，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，解除泥皮的堵塞作用，保护储层。

1 钻井液对煤储层的伤害

1.1 煤储层伤害机理

钻井过程中钻井液对煤储层的伤害是多方面的[1-2]，但煤储层自身性质是主要因素，而煤储层被钻井液污染结果直观体现在煤储层渗透性的降低。

首先，钻井液中固相颗粒会充填和堵塞煤层大裂隙系统。固相微粒如粘土、堵漏材料等的流动、运移，在煤储层裂隙通道变窄或流速减低时，单个或多个微粒在孔喉处发生堵塞，造成煤层气储层渗透率下降。其次，钻井液液相或者滤液与储层岩性、储层流体不配伍也会对煤储层造成伤害，包括水敏性伤害、碱敏性伤害和无机垢、有机垢堵塞等。再次，大量研究表明使用常规的钻井液，液柱与地层之间势必产生压差，钻井液滤液侵入储层，由于毛细管阻力的存在，滤液很难被较小的储层压力驱排开，进而造成水锁伤害。最后，煤储层孔隙变形具有塑性变形的特征，储层裂隙在压力差下会一定程度的闭合，裂隙闭合后在卸压过程中不易恢复张开，在较大外力作用下渗透率会大大降低。

1.2 钻井液基本要求

降低对煤储层的损害，对裂隙发育且较敏感的煤储层，要将钻井液的伤害降至最低，保证产气通道顺畅。可见，在煤层气水平井钻进时，要求钻井液具有一定的粘度和切力，在前期能够成膜护壁和排出钻屑，同时钻井液密度低、易降解，在后期能够有效解堵，清除储层污染。

2 可降解钻井液防伤害原理

2.1 可降解钻井液组成

可降解钻井液主要由骨架支撑剂、提粘剂、降失水剂、流型调节剂、抑制剂、防水锁剂和酸碱调节剂以及降解剂组成。该体系中，骨架支撑剂多为优质膨润土、超细碳酸钙，具有超细粒、稳定分散特点。提粘剂为分子量较大的有机处理剂，如高粘羧甲基纤维素、高粘聚阴离子纤维素、瓜尔胶，能够与骨架成膜剂结合链接形成网链状结构。降滤失剂是一类具有较小分子量的有机处理剂，多为低粘羧甲基纤维素、低粘聚阴离子纤维素、改性淀粉充填于骨架成膜剂与提粘剂形成的网链结构的内部空间，使网状结构的孔隙更小，能够有效阻止自由水和小分子物质的透过，减小失水量。流型调节剂多为高分子聚合物，如田菁胶、黄原胶等具高效特点，能够有效改变钻井液的粘度、切力等参数。抑制剂为钾铵盐类无机盐，增加钻井液中阳离子含量从而抑制敏感性泥岩地层分散水化。防水锁剂多为表面活性剂，如聚合醇、十二烷基二甲基甜菜碱等，能够降低毛细管阻力，有利于工作液体的返排。降解剂在本研究中主要指生物酶，通过催化原理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，使钻井液粘度大幅降低。酸碱调节剂，能够调节和控制钻井液的酸碱度，进而控制生物酶的降解速率和改善地层。

2.2 防伤害原理

生物酶是具有特殊催化功能的蛋白质，具有高效性和专一性。生物酶通过破坏有机物中相应的化学键使有机物分子链断裂，使有机物分子分为多个分子量更小的分子。但是，生物酶的反应条件较为苛刻，温度、酸碱度以及底物条件等环境窗口较为狭窄，超出适当的反应条件，生物酶可能失去活性，失去催化作用。

基于生物酶能够催化有机化合物的原理，利用生物酶在一定的外界条件下来降解钻井液中的聚合物分子，低钻井液粘度，使得返排期煤储层中的污染物易清除，达到防止储层伤害的目的。在聚合物钻井液体系的配方中，主要配料提粘剂、降滤失剂和流型调节剂均为聚合物处理剂，聚合物是通过小分子的单体通过化学键重复连接而成。选择对应的生物酶，控制温度、pH以及处理剂浓度等因素，钻井液中相应聚合物分子的化学键能够被破坏，构成钻井液中的网状结构也就被拆分打散，形成聚合度较低的分子甚至单体，这样钻井液的粘度得到降低。其中，纤维素类聚合物可以被纤维素酶降解，改性淀粉以及田菁胶等多糖类聚合物能够被多糖酶一类的生物酶降解。

3 现场应用

可降解聚合物钻井液在山西煤层气井钻井过程中已有应用，其中不乏现场试验较为成功的案例。在山西寿阳七元煤矿瓦斯治理与煤层气开发利用中[3]，先后成功应用于6口U型水平井三开煤层水平段，且使用可降解聚合物钻井液钻进时，井下未发生任何井下复杂事故，钻井过程钻井液漏斗粘度保持不低于40s。潘庄区块X-2井钻取目的煤层为太原组15号煤层，在三开段钻至煤层时使用微固相聚合物钻井液体系，钻至三开煤层中段和末段，将淀粉酶、纤维素酶和复合酶三种酶的混合物，配成水溶液在搅拌状态下倒入泥浆罐。同时取泥浆罐中钻井液样品放在室内定时测试其粘度变化。钻井末段钻井液样品表观粘度从10mPa・s降低到6mPa・s[4]。目前新疆煤层气开发过程中，L型井能够适应新疆大倾角煤层，逐渐发挥越来越重要的作用，考虑到顺煤层段要最大程度减小储层伤害，将择机在新疆煤层气井钻井中试用可降解聚合物钻井液。

4 结束语

（1）钻井过程中，钻井液中固相颗粒充填和堵塞煤层裂隙、钻井液滤液与储层流体不配伍、水锁效应以及高密度造成的较大压差都会造成储层伤害，使煤储层渗透性降低。

（2）可降解聚合物钻井液体系利用生物酶作为降解剂，保证煤层气顺层井安全钻进的同时，有利于钻井液残留物的返排和储层保护。

（3）可降解聚合物钻井液在山西已有试用成功案例，有望择机在新疆顺煤层井得到应用，以期减小储层伤害，提高产气量。

参考文献

[1]吕帅锋，王生维，乌效鸣，等.沁水盆地煤层气井钻井液技术现状和发展方向[J].中国煤层气，2016，13（5）：44-47.

[2]岳前升，邹来方，蒋光忠，等.煤层气水平井钻井过程储层损害机理[J].煤炭学报，2012，37（1）：91-95.

[3]卢国军，刘彬，王力，等.中国煤层气储层伤害分析及钻井液储层保护研究现状[J].煤田地质与勘探，2016，44（2）：121-126.

[4]吕帅锋，王生维，乌效鸣，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.

作者简介：吴员，男，工程师，硕士，主要从事煤层气开发地质研究。