无固相活性盐水钻井液在柳林地区煤层气水平井中的应用

岳前升，马玄 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023）

马认琦，沈元波，金鑫，张亮 （中海油能源发展工程技术分公司，天津300452）

山西柳林地区位于鄂尔多斯盆地东缘中段，东侧为晋西南隆起，隶属离石鼻状构造倾覆端西延部分，煤层含气量较高，是我国首批煤层气勘探开发示范区，目的层位主要为山西组3＃煤层和4＃煤层，该地区水平井采用清水进行钻进。清水具有成本低、煤层保护效果相对较好的特点，但对煤层也有一定程度的损害，主要表现为水敏性损害和“水锁”效应损害［1～9］，在有些地区也易引起煤层垮塌［10］。笔者以柳林河东煤矿3＃煤为研究对象，在研究煤层特性基础上，针对清水保护煤层中存在的不足，从保护煤层和稳定井壁的角度出发，在清水基础上提出无固相活性盐水钻井液，并成功应用于多分支水平井CLU－07H井，在该地区显示出良好的应用前景。

1 柳林地区煤岩特性分析

1.1 样品全岩矿物和黏土矿物分析

通过煤样X－射线衍射分析［11，12］，对其全岩矿物和黏土矿物含量进行定量分析（见表1和表2）。结果显示，柳林地区3＃煤层、4＃煤层除非晶质部分（即煤质成分）外，还含有部分无机矿物和黏土矿物，其中黏土矿物以伊利石和高岭石为主，但总的来看黏土矿物含量较低。

表1 柳林地区煤样全岩矿物分析

1.2 电镜扫描分析

电镜扫描结果显示，3＃煤层具块状结构，微裂缝少，孔隙不发育（见图1和图2）；4＃煤层具纹层构造，平行层理较发育，层间微缝发育，孔隙不发育（见图3和图4）。

表2 柳林地区煤样黏土矿物分析

图1 3＃煤层电镜扫描图（100倍）

图2 3＃煤层电镜扫描图（800倍）

图3 4＃煤层电镜扫描图（100倍）

图4 4＃煤层电镜扫描图（400倍）

1.3 膨胀性分析

3＃煤层在不同水介质中的常温常压时的膨胀性见图5。煤样的膨胀率较低，基本上在0.3%以下，但清水中的膨胀性要高于KCl盐水，也就是说KCl有利于抑制煤岩中黏土矿物水化膨胀。

1.4 煤岩润湿性分析

利用接触角法测定煤样对清水（现场钻井水）润湿性，以接触角大小表征煤样对清水的润湿性。试验测得柳林3＃煤层和4＃煤层样对清水接触角分别为65.6°和67.5°，属于弱亲水性。

图5 柳林3＃煤样的膨胀性

2 清水损害煤层因素分析

2.1 矿化度变化造成煤层水敏性损害

试验结果表明，随地层水矿化度降低，煤心渗透率出现下降现象（见图6），3＃煤层中的地层水矿化度在6000mg／L左右，而实际钻井中使用的地表水矿化度在500～700mg／L，这种因矿化度降低导致煤岩渗透率下降现象类似于油气田中的水敏性损害。

2.2 含水饱和度变化引起的煤层损害

由于煤岩的弱亲水性、正压差钻井和低渗性，清水会不可避免地侵入煤层，其结果就会造成一种“水锁”现象，即水相造成煤层气在解吸运移过程中阻力增加，其本质是煤层含水饱和度上升造成气相渗透率下降，如图7所示。

图6 矿化度变化对煤岩渗透率影响

图7 含水饱和度变化对煤岩气相渗透率影响

3 无固相活性盐水钻井液配方

针对清水存在的不足并结合水平井钻井特点，无固相活性盐水钻井液采用的技术思路和对策为：通过引入无机盐KCl来抑制煤层中的黏土矿物膨胀；引入表面活性剂降低盐水表面张力使侵入煤层的钻井液易于返排；引入聚合醇类水基润滑剂增强清水润滑能力降低水平井钻进时的摩阻。通过大量试验优选出无固相活性盐水配方：清水＋2%KCl＋0.1%防水锁剂P22＋1%聚合醇水基润滑剂JLX，其基本性能见表3。

表3 无固相活性盐水基本性能

4 性能评价与应用

4.1 性能评价

1）对煤岩强度影响 3＃煤层煤心在经无固相活性盐水钻井液浸泡前后的单轴抗压强度测试结果见表3。浸泡后的煤心强度下降幅度较小，这也说明无固相活性盐水钻井液稳定煤层井壁能力较清水强，降低了煤层段井壁发生垮塌失稳风险。

2）煤层保护评价 评价了3＃煤层煤心经不同流体介质污染后的渗透率恢复值，结果见表4。无固相活性盐水钻井液侵入污染后煤心渗透率恢复值很高，超过原始渗透率，这主要是因为活性盐水钻井液不仅有效抑制水敏损害，而且大幅降低了气－液表面张力，使液相更易流动和返排。

表3 3＃煤层在不同流体介质中加压浸泡后的单轴强度

表4 不同流体对3＃煤层煤心的污染评价

4.2 应用

CLU－07H井为中海油能源发展工程技术分公司在柳林地区第1口U型连通多分支井，采用2个主分支，每个主分支上有3个侧分支，主支和侧分支井眼尺寸均为152.4mm井眼，2个主分支下玻璃钢管完井。基于前述无固相活性盐水钻井液具有优异的煤层保护和较好的稳定井壁能力，实际钻井过程采用无固相活性盐水钻井液钻进，其配方为：清水＋2%～3%KCl＋1%～2%聚合醇＋0.1%～0.2%防水锁剂，钻井过程中性能指标如下：密度1.02～1.05g／cm3，漏斗黏度27～30s，表面张力小于30mN／m，钻进过程中未出现井壁失稳和漏失现象，直至顺利完钻。钻进过程中由于防水锁剂和水基润滑剂会产生起泡现象，现场需备一定数量的消泡剂。

5 结论与认识

1）柳林区块3＃煤层和4＃煤层含有一定量的黏土矿物，以低膨胀性伊利石和高岭石为主；膨胀率较低，泡水后强度下降幅度不大，煤岩表面呈弱亲水特性。

2）水敏性和水锁是清水钻井液损害本地区煤层的主要因素。

3）无固相活性盐水钻井液具有较强的防膨性、稳定井壁和优异的煤层保护性能，在柳林地区煤层气水平井应用前景广阔。

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