煤层气水平井钻井液发展现状

1、 钻井液发展概况 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 钻井液对储层的伤害类型钻井液对储层的伤害类型 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 应用实例分析应用实例分析 主主 要要 内内 容容 2021-5-25 2 钻井液发展概况 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 钻井液对储层的伤害类型钻井液对储层的伤害类型 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 应用实例分析应用实例分析 主主 要要 内内 容容 2021-5-25 3 钻井液服务于钻井工程。它直接关系着钻井质量的优劣、速度的快慢、采 油、采气

2、的多少、甚至钻井工程的成功与失败。因此，被誉为钻井的“血液”。 解放初期，我国的钻井液技术非常落后，当时对处理浅层松软粘土造浆和 水泥侵入都力不从心。解放后，随着我国石油勘探工作的迅速展开，钻井液技 术也迅速地发展起来。1983年改革开放以后，对照世界钻井液技术发展，我国 开始有计划地发展钻井液技术。随着“七五”、“八五”国家科研攻关计划实 施，为配合钻井工程方面开展的“定向井、丛式井钻井技术”、“水平井钻井 技术”等课题的完成，钻井液技术进行了“新体系”的研制和机理攻关，取得 了多项突出成果，钻井液处理剂已发展到19大类200多个品种。钻井液专业队 伍日益庞大，并与国际有着广泛的联系和交流，

3、使中国钻井液总体水平接近了 国际水平。 2021-5-25 4 1 钻井液发展概况 目前钻井液已经被广泛运用于：地质、矿产、冶金、煤炭、资源、 能源、 环境、 交通、建筑 钻井液逐步向多用途、多功能、专业性发展 水基钻井液水基钻井液 油基钻井液 聚合物钻井液 可压缩钻井液 从钻井液系列的发展情况来看，水基钻井液经历了从分散钻井液到不分 散钻井液等发展阶 细分散钻井液 粗分散钻井液、 不分散低固相钻井液 2021-5-25 5 1 钻井液发展概况 1958年，完全絮凝剂-聚丙烯酰胺成功应用； 1960年，选择性絮凝剂-部分水解聚丙烯酰胺和醋酸乙烯酯与顺丁烯酐 的共聚物成功应用； 60年代初，研制

4、出具有特殊剪切稀释作用的生物聚合物，可用于钻井液、 压裂液、聚合物驱提高采收率等方面； 70年代，为解决深井抗高温问题，研究并应用磺化系列处理剂：磺化酚 醛树脂（代号smp）、磺化褐煤（代号smc）、磺化单宁和栲胶（代号smt、 smk）等； 70年代中期，研究并应用有机阳离子聚合物、两性离子聚合物等； 80年代后，表面活性剂在钻井液中开始广泛使用； 90年代后，聚合醇、合成基、甲酸盐等环保型强抑制钻井液开始使用。 2021-5-25 6 1 钻井液发展概况 2021-5-25 7 1 钻井液发展概况 钻井液在钻进过程中的作用钻井液在钻进过程中的作用 冷却钻头与润滑钻具冷却钻头与润滑钻具 排离

5、与携带岩屑排离与携带岩屑 护壁与堵漏护壁与堵漏 破碎岩石破碎岩石 提高岩心的数量和提高岩心的数量和 质量质量 传递动力传递动力 保护储集层保护储集层 钻井液发展概况 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 钻井液对储层的伤害类型钻井液对储层的伤害类型 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 应用实例分析应用实例分析 主主 要要 内内 容容 2021-5-25 8 煤作为储气层与常规的储集层不同。煤层既是气源岩，又是储集岩既是气源岩，又是储集岩。煤 层具有一系列独特的物理、化学性质和特殊的岩石力学性质，必须全面了解 煤层作为储集层时的特殊性，才能更进

6、一步研究煤层在钻完井过程中的伤害 机理。 钻完井过程中可能造成煤层损害的原因很多，无论哪种损害，储层本身 的内在条件是主要因素。煤储层在钻开之前，煤层岩石及其矿物组分和其中 所含流体处于一种物理的、化学的、热力学的平衡状态，在钻完井过程中， 平衡状态可能被破坏，而煤层本身又不能适应这些外界条件变化时就会导致 煤储层损害，使煤层的渗透率明显降低。 2021-5-25 9 2 煤层气储层特征煤层气储层特征 不同煤岩类型的煤，在物理或化学组成上的差异就造成了对煤的生气、 储气以及煤层气的解吸和渗流具有不同影响。宏观煤岩成分包括镜煤、 丝炭、亮煤、暗煤。其中镜煤和丝炭是简单的煤岩成分，而亮煤和暗煤 是

7、复杂的煤岩成分。依据总体相对光泽强度和光亮成分含量将宏观煤岩 类型划分为4种：即光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。 煤的岩石学特征 煤的显微组分是在显微镜下可识别的有机成分，煤的显微组分没有特 殊晶体形式，化学组成不稳定。煤的显微组分中主要包括镜质组、惰质组 和壳质组。镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割 理顺利延伸和发展；惰质组是多孔状的、纤维状的，有释放应力、减弱割 理和阻挡割理的作用，对割理发育不利；壳质组的机械强度大于镜质组和 惰质组，壳质组对煤层割理发育影响不大。 煤的显微组分 2021-5-25 10 2 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤分子骨架为疏水性很强的有机物

8、质，分子上有酸性（阴离子）基 团，如羧基，有碱性（阳离子）基团，如胺基，还有极性基团，如羟基， 可同阳离子表面活性剂结合，又可同阴离子表面活性剂结合，还可通过 极性基团同非离子表面活性剂结合。煤还含有带有这些基团的解聚的低 分子化合物（如煤焦油），上述作用使煤对外来流体的敏感性有别于砂 岩。 2021-5-25 11 2 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤的化学结构 原生孔隙：在沉积时就已存在的孔隙，称为原生孔隙。 次生孔隙：指在煤化作用过程中形成的孔隙，称为次生孔隙。 裂缝：煤化作用裂隙：在煤化作用过程中因成煤物质结构、构造等的变化而产 生的裂隙，通常所说的面割理和端割理。构造裂隙：因区域构造

9、变动在煤层中 发育的裂缝。 煤的裂隙可分为：割理(内生裂隙)、外生裂隙、继承性裂隙。煤层的割理主要 是由煤化作用过程中煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙，分为面割理和端割 理。面割理一般是板状延伸，连续性较好，是煤层中的主要内生裂隙，而端割理只 发育于两条面割理之间，一般连续性较差，缝壁不规则，是煤层中的次生内生裂隙 。 外生裂隙是煤层在较强的构造应力作用下形成的裂隙，可分为塑性外生裂隙、 张性外生裂隙和劈理。继承性裂隙兼具割理和外生裂隙的双重性质，属过渡类型。 2021-5-25 12 2 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤的孔隙成因类型煤岩裂隙系统特征 煤的渗透率是煤层气开采中一个最为关键

10、的参数，也是最复杂且难 以确定的参数。煤基质的渗透率极低，一般可不考虑，通常所说的煤层 渗透率是指煤层割理渗透率。面割理和端割理发育规律不同，沿面割理 和端割理的渗透率也不同、延伸较长的面割理具有较高的渗透率，常比 端割理的渗透率高几倍，甚至一个数量级。 2021-5-25 13 2 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤的渗透率 有效应力是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加，导致裂隙宽度减小， 甚至闭合，渗透率急剧下降（低收缩率或不收缩煤层的主要影响因素）。 2 煤层气储层特征煤层气储层特征 有效应力煤基质收缩克林伯格效应 煤基质在吸附气体或解吸气体时可引起自身的膨胀和收缩。煤层气开发过程 中，

11、储层压力降至临界解吸压力以下时，煤层气便开始解吸。随煤层气解吸量的 增加，煤基质开始收缩进程。煤基质的收缩不可能引起煤层整体的水平应变，只 能沿裂隙发生局部侧向应变。基质的收缩造成裂缝宽度增加，渗透率增高（高收 缩率的煤层的主要影响因素）。 当液体在多孔介质中流动时，由于液体的粘滞性，造成接近固体表面的层流 速度近于零。在煤岩中，不同气体实验所得到的klikne系数和绝对渗透率值均可 能不同，这是由于煤岩对气体有较强的吸附能力，吸附气体后使煤基质收缩造成 的对渗透率的影响。 2021-5-25 14 钻井液发展概况 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 钻井液对储层的

12、伤害类型钻井液对储层的伤害类型 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 应用实例分析应用实例分析 主主 要要 内内 容容 2021-5-25 15 国外煤层气勘探开发始于上世纪七、八十年代尤其以美国、澳大利 亚、加拿大作为代表，其起始阶段煤储层保护的主导思想是以常规油气 钻井液为基础，根据煤层一些表象特性进行相关的改进。如煤层属裂缝 性地层和煤本身具有亲油性，在钻井液中通常添加磺化沥青，以希望通 过磺化沥青在煤层表面形成泥饼，而起到防塌、防漏作用。实际应用中， 磺化沥青不能在煤层表面形成致密封堵层。储层保护未能收到应有效果。 煤是一种含多孔介质的大分子聚合物，具有大分子聚

13、合物的一些特 点，如很强的吸收或吸附各种液体和气体而发生煤岩基质膨胀的能力。 通过对煤岩结构的分析，为了达到保护煤储层的需要，上世纪80年代美 国普遍使用清水作为钻井液。 国外技术现状国外技术现状 3 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 2021-5-25 16 后来美国cdx公司发明了“生产井注气+清水泥浆”的钻井模式，即， 通过“穿针工艺技术”将一口水平井与一口直井进行近端对接，然后利用 空气压缩机从直井注气，在水平井直井段形成气液两相流，大大降低对煤 储层的压差作用，有效保护了煤储层。 加拿大阿尔伯塔盆地作业的encaca公司，发明了一种大分子聚合物钻 井液体系，其能够在钻开煤层短时间内将

14、井壁周围的煤割理系统进行封堵， 钻完后，用其单位自主研发的破胶剂（breaker）进行洗井，将煤割理中 的大分子聚合物降解，从而达到保护储层的目的。 3 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 2021-5-25 17 国外技术现状国外技术现状 自上世纪90年代初我国开始煤层气开发以来，一直重视钻井过程中的煤层 气钻井液研究。我国煤层气钻井液的发展：一方面从石油钻井、煤田地质钻探上 吸纳改进，另一方面也积极引进国外的煤层气钻井液先进理念和工艺。而对于完 井液在煤层气储层保护方面的研究国内甚少涉及。 “四低”(低固相、低粘度、低密度、低失水量)钻井液被用于煤层气开发。 它的基础配方由造浆性强的粘土(如

15、人工钠土nv-1)和多功能处理剂(如调节钻井 液的流变性能的生物聚合物xc)构成。代表性的钻井液：在基础配方中加入低粘 增效粉形成低固相钻井液体系。在基础配方上通过储层岩石表面形成桥式胶体结 构，阻止外来颗粒和滤液侵入的mmh正电胶体系钻井液技术。 3 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 2021-5-25 18 国国内内技术技术现状现状 由于phpa(水解聚丙烯酰胺)起到絮凝钻井液中钻屑、劣质粘土，改 善钻井液流动性，减小摩阻，提高钻速的作用；钠羧甲基纤维素(cmc)或 聚丙烯腈铵盐(npan)降失水剂可降低钻井液滤失量，抑制泥岩水化膨胀 和保持井壁稳定，提高钻井液悬浮和携带岩屑能力；润滑剂r

16、59可提高钻 井液的润滑携砂能力，减少钻具回转阻力；超细碳酸钙等暂堵剂具有封 堵煤岩割理的作用。它们形成无固相钻井液技术也应用于煤层气开发。 近年来，通过对区域内煤层构造及煤岩性质研究后，采用清水加抑 制剂钻井液对煤层进行钻进、绒囊（微泡）钻井液、生物可降解钻井液。 3 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 2021-5-25 19 国国内内技术技术现状现状 清水清水加加抑制剂抑制剂：针对煤层条件较好的，可钻性强的煤储层采用清水 加抑制剂能够最大限度的降低对煤层的伤害，保证了煤层吼道、裂隙畅 通，为后期煤层气排采提供了优良的先决条件。 绒囊绒囊钻井液钻井液：绒囊钻井液是研究和应用石油天然气微泡类钻

17、井液过 程中发展起来的一种高效封堵体系。绒囊钻井液通过由空气、表面活性 剂和高分子聚合物组成的绒囊状封堵材料暂堵裂隙,完井后自动解堵。 可降解钻井液可降解钻井液：采用可降解钻井助剂，配制成无固相钻井液，待完 钻后替入完井液，对钻井液进行降解、并适当改善污染带，提高近井渗 流能力。 3 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 缺点：不是所 有煤层都适应， 常用于直井！ 缺点：尚处于现场运用初级 阶段，各项参数尚需继续完 善！ 绒囊示意图绒囊示意图 2021-5-25 20 国国内内技术技术现状现状 钻井液发展概况 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 钻井液对储层的伤害类型钻

18、井液对储层的伤害类型 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 应用实例分析应用实例分析 主主 要要 内内 容容 2021-5-25 21 敏感性伤害 微粒运移 固相侵入 水锁结垢 损害类型 应力敏感 4 钻井液对储层伤害类型钻井液对储层伤害类型 2021-5-25 22 敏感性伤害 （1）水敏伤害：指与储层不配伍的外来流体进入后，引起粘土膨胀、分散运移，导 致渗透率下降的现象。 （2）酸敏伤害：指酸液进入后与酸性矿物，产生凝胶、沉淀，或释放微粒，致使渗 透率下降。 （3）盐敏伤害：盐度的递减引起粘土矿物水化膨胀，不同盐度的溶液中，将出现渗 透率下降的现象，这一现象与储层的

19、水敏性有关。 （4）碱敏伤害：指ph值大于7的溶液进入储层后，与储层岩石或储层液体接触，并 使储层渗透能力下降的现象。其主要是由于地层水和地层矿物中的二价离子（如： ca2+、mg2+等）与碱中的钠离子交换。 （5）速敏伤害：指因流体流动速度变化引起地层中微粒运移、堵塞喉道，造成渗透 率下降的现象。常以3种形式：一是细粒在喉道处平缓地沉积、二是一定数量的微粒 在喉道处产生“桥堵”，堵塞流动通道、三是较大颗粒恰好嵌入喉道，形成“卡 堵”。 4 钻井液对储层伤害类型钻井液对储层伤害类型 2021-5-25 23 钻井液、完井液等各种工作液往往含有两类固相颗粒：一类是为了保持工作液 密度、粘度和流变

20、性等而添加的有用颗粒及桥堵剂、暂堵剂等；另一类是有害颗粒 及杂质甚至岩屑等固相污染物。由于井眼液柱压力与地层压力间不平横，这些外来 固相颗粒就要从裸露的井壁壁面及裂缝处侵入储层，甚至堵塞孔隙和裂缝。外来固 相颗粒的侵入与储层本身孔缝大小，特别是与孔喉特征有关。 固相侵入 微粒运移 储层都含有一些细小矿物颗粒，它们是可运移的微粒，微粒运移是一种运移、 转移现象，主要取决于水动力的大小、流速过大或压力波动过大都会促使微粒运移。 微粒通常胶结在骨架颗粒上或附着在孔壁上。如果流体产生的水动力很大，超过了 微粒间或微粒与基岩间的胶结强度，那么微粒将随流体运动而运移至孔喉处。 4 钻井液对储层伤害类型钻井

21、液对储层伤害类型 2021-5-25 24 煤岩是一种复杂的烃混合物，有机垢一般以煤中的煤焦油沉淀而成，这些有机 垢形成于储层的孔隙、裂隙里。 有机结垢 水锁是指外来流体侵入储层，在开井后不能被有效地排出，使近井地带储层含 水饱和度增加，导致储层流体渗透率降低的现象。水锁影响因素包括储层的孔喉结 构、渗透率、润湿角以及外来流体的粘度等。一般来说低渗储层要比高渗储层水锁 严重些、外来流体粘度越大，水锁也越严重。 水基钻井液进入储层后，会增加水相的饱和度，降低气相饱和度，增加气流阻力， 导致气相渗透率降低。 水锁 由图可知，钻井液的侵入对储层渗 透率的伤害十分明显，试验表明， 当液体饱和度达到10

22、%时，气体渗 透率伤害达50%，而当液体饱和度 为30%时，气体渗透率几乎降为0。 应力敏感 有效应力增加，导致裂隙宽度减小，甚至闭合，渗透率急剧下降 4 钻井液对储层伤害类型钻井液对储层伤害类型 水锁示意图水锁示意图 2021-5-25 25 宏观上煤层气钻进过程中的储层伤害有两种：一种是钻井液对储层的伤 害；另一种是钻井压力对储层的伤害。 钻井液对储层的伤害主要有两个因素：一是煤岩对钻井液的吸附或吸收， 二是钻井液中固相颗粒对煤岩中裂隙通道的充填堵塞。伤害过程几乎是不可 逆的，也就是说，常规的办法基本不能除去煤岩吸收的液体化学物质。因此， 钻井过程中钻井液中任何化学物质对煤体接触都是有害的

23、。 钻井液对储层的伤害 4 钻井液对储层伤害类型钻井液对储层伤害类型 2021-5-25 26 钻井过程中钻井液对裂隙系统的充填堵塞是存在的。钻井液中的固相颗固相颗 粒粒可来自钻井液本身（粘土颗粒），也可来自钻井过程中产生的钻屑（岩屑、 煤粒等）。钻井液中颗粒分散得越细，颗粒侵入对储层的伤害越严重，聚合聚合 物类物类钻井液侵入煤层后，高分子聚合物的吸附作用引起粘土絮凝堵塞和羧基 水化作用引起粘土膨胀，从而降低煤层渗透率。另外，钻井液与地层水地层水作用 产生物理化学作用，形成硬质沉淀物。为避免这一效应，应特别注意钻井液 和地层水的化学性质，或者单独使用地层水钻进。 4 钻井液对储层伤害类型钻井液

24、对储层伤害类型 钻井液对储层的伤害 2021-5-25 27 钻井液中的固相颗粒按粒径可划分为粗颗粒、中粗颗粒、细颗粒、超 细颗粒、微颗粒及胶体颗粒。煤的基质孔隙按直径可分为大孔、中孔和微孔。 微孔隙占煤层总孔隙体积的60%以上。 下表可以看出，钻井液固相颗粒与煤层裂隙和孔隙在量值上非常接近， 极易进入煤层裂隙和孔隙中造成产气通道被堵塞，致使产能降低。因此，钻 井过程中尽量采用无固相或低固相钻井液体系钻进。 钻井液颗粒钻井液颗粒直径（直径（mm）煤层裂隙、孔隙煤层裂隙、孔隙直径（直径（mm） 粗粒粗粒2000 裂隙250 中细粒中细粒2000250 细粒细粒25074大孔25050 超细粒超细

25、粒7444 中孔502 微粒微粒442 胶体颗粒胶体颗粒2微孔2 钻井液固相颗粒与煤层孔隙直径对照表 4 钻井液对储层伤害类型钻井液对储层伤害类型 钻井液对储层的伤害 2021-5-25 28 钻井压力对储层的伤害 煤层的力学性质与常规砂岩不同，煤的弹性模量小，泊松比一般为 0.27-0.40，而常规砂岩储层的泊松比大多小于0.2，这说明煤比岩石更易受 压缩。尽管煤的泊松比较高，但煤中天然裂隙的发育大大降低了煤的强度， 使之比其他岩石更易受压缩、破碎。因此在钻井过程中，很小的应力变化都 会引起渗透率较大的变化。 试验表明，煤的渗透率随压力的增加而降低，煤样若经过多次加载卸 压即可发现，加压会使

26、渗透率降低，而卸压时渗透率只能得到一定程度的恢 复，从而造成渗透率的损失。钻井过程中的压力变化，很可能引起煤层发生 这种变化。 2021-5-25 29 4 钻井液对储层伤害类型钻井液对储层伤害类型 钻井压力变化对储层的伤害通常由三种因素造成：第一是钻井液压力有 变化；第二是钻柱压力有变化；第三是起下钻引起的波动压力；这三种因素 均会加剧这种伤害。 在过平衡钻进时，井内循环液压力大于煤层压力，使作用在外筒附近的 应力降低，引起煤层渗透率增高，也加大了钻井液对煤层的侵入速度和侵入 半径，从而使渗透率降低。 在欠平衡钻进时，井内循环液压力小于煤层压力，使作用在井筒附近的 应力增高，引起煤层塑性变形

27、，造成渗透率大幅度降低。这种作用于煤层的 高应力，足以引起煤层渗透性滞后现象，造成渗透率的永久降低。钻柱压力 变化和起下钻引起的波动压力，也会通过钻井液或直接对煤层造成伤害。因 此，钻井过程中尽量避免压力突变，应采用平衡钻进。 4 钻井液对储层伤害类型钻井液对储层伤害类型 2021-5-25 30 钻井压力对储层的伤害 钻井液发展概况 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 钻井液对储层的伤害类型钻井液对储层的伤害类型 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 应用实例分析应用实例分析 主主 要要 内内 容容 2021-5-25 31 项项 目目性性

28、 能能 指指 标标 密度 （g/cm3）1.011.05 漏斗粘度 （s）3040 中压失水量 (ml)9 含砂量 (%)0.1 ph值 /88.5 煤层气水平井钻井液主要性能指标 1 1）低固相钻井液低固相钻井液体系具有密度低、粘度低、滤失量低、ph值低等特性。 低固相钻井液体系在钻进过程中能够迅速在煤壁上形成泥皮，能够有效防 止钻井液向煤层深部侵入，同时形成的泥皮能有效防止煤层坍塌、掉块，并 且能够润滑钻具有效传递钻压；同时，由于具有较好的剪切稀释性和携岩能 力，有利于井底清洁，降低井内复杂事故的发生。 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 2021-5-25

29、32 常用钻井液体系 该类钻井液的缺点是：一方面一方面由于钻井液的侵入其固相颗粒会堵塞孔喉 、裂缝通道，而这种侵入将有可能导致煤层中敏感性矿物发生反应，堵塞通 道，从而造成煤层渗透率大大降低；另一方面另一方面该种钻井液形成的泥皮薄而坚 韧在后期煤层气开发中很难从煤层中自由脱落或降解，即使完井后采用清水 对煤层段进行清洗依然无法轻易使泥皮脱落，反而会造成井内事故发生，影 响了煤层气开发进程。因此，低固相钻井液目前在煤层气水平井鲜有应用。 性能 密度 (g/cm3) 漏斗粘度 (s) 滤失量 (ml/30min) 固相含量 (%) 含沙量 (%) ph值 指标1.05162690.20.289 国

30、内煤层气钻井常用低固相低固相钻井液性能 常用钻井液体系 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 2021-5-25 33 2 2）无固相钻井液体系）无固相钻井液体系为了降低固相颗粒对储层的伤害，煤层气钻井液开 始采用无固相钻井液，该种钻井液不含粘土，含有一定的化学药剂，降低比 重，减轻对煤层的正压差作用；在井壁上不形成泥皮，同时其良好的携岩能 力，对于降低“压持效应”和井内清洁起到了良好的作用。 该类钻井液缺点是：在煤层段水平钻进过程中化学药剂加入量无法控制 (主要是提粘药品)，提粘药品加入量太少会造成井内不够清洁，易发生砂卡； 提粘药品加入过多会造成长链的高分子聚合

31、物侵入煤层段深部堵塞通道，导 致后期清洗难度增大。 常用钻井液体系 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 2021-5-25 34 3)3)清水体系清水体系,对区域内的煤层构造及煤岩性质研究后，采用清水加抑制剂 钻井液对煤层进行钻进，其能够最大程度的降低对煤层的伤害，保证了煤层 吼道、裂隙畅通，为后期煤层气排采提供了优良的先决条件，国内目前针对 直井常采用这类体系。 但是并非每一个煤层都适用清水钻进，用清水钻进时极有可能造成井下复 杂事故的发生的概率增多，非但没有使得煤层气开发进程的加快，反而加重 了钻井的风险。 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完

32、井液体系建立 2021-5-25 35 常用钻井液体系 完井液体系是针对该地区或该井组已使用的钻井液以及地层的特性而进 行的一项后期增产措施，煤矿区完井液体系主要有以下几点要求： 完井液与钻井液、地层流体3者之间要有良好的配伍性； 完井液须有良好的储层保护性，对粘土矿物水化膨胀具有很强抑制能力； 完井液应具备良好的破胶能力； 破胶后的残余物不会形成二次污染。 完井液体系 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 （1 1）通过室内实验对选定区域的煤岩基本物性进行分析（渗透率测定、粘土矿物成 分及含量定性描述） 对煤岩心进行驱替实验，测定岩心的原始气测渗透率； 对煤岩中粘

33、土矿物类型及成分进行鉴定，并进行定性描述。 （2 2）对选定区域的煤岩进行敏感性室内实验分析（煤岩的水敏性、碱敏性、酸敏性、 盐敏性） 对煤岩进行敏感性室内实验分析，分别分析煤岩的水敏性（驱替介质为当地钻井 用水）、碱敏性（调节ph值在7-12之间）、酸敏性（调节ph值在3-7之间）、盐敏性 （kcl水溶液的含量）。 钻、完井液体系建立标准钻、完井液体系建立标准 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 2021-5-25 37 （3 3）结合煤岩基本物性及煤岩敏感性分析结果优选合适的钻井液 确定煤岩矿物的渗透率、粘土矿物种类； 钻井水质分析，去除引起粘土膨胀或发生化合

34、反应生成沉淀的金属阳离子； 钻井液恰当的ph值（钻井液偏碱性、酸性情况下容易腐蚀机器设备，加快各 种设备磨损程度）； 钻井液恰当的kcl含量（用于抑制粘土水化膨胀，且kcl含量多少对其他钻井 药剂的溶解度有影响）； 钻井液具有较小的滤失性以及较强的护壁性。 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 2021-5-25 38 钻、完井液体系建立标准钻、完井液体系建立标准 （4 4）针对钻井液进行分析，通过室内实验对完井液进行优选 满足内容3的前提下配置合理的无固相钻井液体系，通过实验，优选出钻井液 体系； 针对优选出的钻井液体系，添加适量的表面活性剂、缓蚀剂、生物酶、破胶

35、 剂、消泡剂等相关完井液助剂对钻井液的粘度、析出物、滤失性进行实验前后对比 分析； 测试待污染岩心的气测渗透率； 测试被钻井液污染过的岩心液测渗透率、气测渗透率； 对被钻井液污染过的岩心进行正向、反向完井液驱替，并测试对应的气、液 渗透率； 分析对比结果，对完井液进行优选。 5 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立 2021-5-25 39 钻、完井液体系建立标准钻、完井液体系建立标准 钻井液发展概况 煤层气储层特征煤层气储层特征 煤层气钻井液发展煤层气钻井液发展 钻井液对储层的伤害类型钻井液对储层的伤害类型 煤层气水平井钻、完井液体系建立煤层气水平井钻、完井液体系建立

36、 应用实例分析应用实例分析 主主 要要 内内 容容 2021-5-25 40 项目研究内容步骤 1）通过室内实验对选定区域的煤岩基本物性进行分析 2）对选定区域的煤岩进行敏感性室内实验分析 3）结合煤岩基本物性及敏感性分析结果优选钻井液 4）针对钻井液进行分析，对完井液进行优选 项目研究最终目标 针对区域煤层气储层，通过室内研究分析，优选出合适的钻井液、完井液， 并通过现场试验对钻井液、完井液进行优化，以达到保护储层的目的。 2021-5-25 41 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 42 1)煤岩基本物性测定 区域煤岩：晋煤集团寺河3号煤 煤岩基本物性分析：长庆油田分公司分析

37、化验中心 煤岩x-射线衍射全岩矿物组成分析 样品编号c1c2c3c4c5 石英%1125310 钾长石% 斜长石% 方解石方解石%3 34 42 21 1 白云石% 铁白云石% 菱铁矿% 黄铁矿黄铁矿%1 11 11 1 文石% 碳%7480637160 粘土矿物总量粘土矿物总量%242416168 821212828 样品 编号 高岭石 % 绿泥石 % 伊利石 % 伊/蒙间混 层% 间层比 % c184501820 c212196900 c3111943432 c41515352510 c582254025 煤岩x-射线衍射粘土矿物相对含量 可知煤岩中主要有粘土矿物、石英、方解石及 少量黄铁

38、矿。 涉及到遇水膨胀的粘土有高岭石8%15%； 伊/蒙混层18%40。 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 43 2)敏感性室内实验 水敏性 地域 总矿化度 (mg/l) 各种离子含量(mg/l) k+na + mg2+ca2+cl-so42-hco3-co32- 寺河1825.54283.92.68479114883 该地区的水型为nahco3，ph值在8.0左右。 以寺河钻井液用水作驱替介质，比较煤岩样品（人工）进行驱替前后的气 测渗透率的变化，以及驱替前后驱替介质中的离子变化，对煤层与外来流体 的配伍性进行分析。 寺河地区钻井液用水水质分析 6 应用实例分析应用实例分析 2

39、021-5-25 44 实验结果表明： k+、na+离子经岩心驱替后浓度明显降低，说明煤层中含有粘土矿物； mg2+、ca2+离子驱替后浓度降低，以及hco3-的浓度降低，说明部分mg2+离 子以及部分ca2+与co32-结合成为沉淀留在了煤岩内部； so42-离子浓度的减少也说明其与煤岩中一些阳离子产生沉淀； 煤岩气测渗透率明显发生降低，一方面说明煤岩中产生的沉淀物堵塞了 运移通道，另一方面由于粘土矿物的水化膨胀导致部分通道被闭合，从而表 现为煤岩外来流体经驱替后渗透率降低的现象。 外来流体与煤层配伍性实验 流体 煤样t11 煤样t51 驱替前驱替后 驱替后 离子浓度 k+na+ 42823

40、1302 mg2+ 3.92.12.9 ca2+ 2.62.41.8 cl- 848480 so42- 796573 hco3- 114817875 co32- 8312451008 煤岩气测渗透率煤岩气测渗透率(k(k前 前/k /k后 后) ) 1.23/0.68 1.23/0.68 0.47/0.13 0.47/0.13 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 45 盐敏性 配置出浓度分别为2%、3%、4%、5%的四种kcl水溶液； 使用np-2型页岩膨胀剂，测定2%、3%、4%、5%kcl水溶 液对各煤样在25(煤层埋深温度)下的线性膨胀量，测定 时间每一组为24h。 煤粉编

41、号2%3%4%5% t10.280.220.140.14 t20.270.250.160.17 t60.350.240.130.11 煤样在不同浓度kcl水溶液的膨胀量u1 煤样在不同浓度kcl水溶液的线性膨胀量 实验结果显示煤样在kcl浓度达到4%后其膨胀量变化幅度较小，说明煤层中当钻 井液中含有4%的k+时，便能够对煤层中的粘土矿物起到抑制性作用。 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 46 碱敏性 4%kcl水溶 液的ph值 煤样编号过煤样后的水溶液ph值 7 煤粉z1 煤粉z2 6.42 6.48 8.24 煤粉z3 煤粉z4 6.32 6.56 9.32 煤粉z5 煤粉z

42、6 6.91 7.24 10.89 煤粉z7 煤粉z8 8.65 8.32 11.53 煤粉z9 煤粉z10 10.53 10.87 kcl水溶液过煤粉后的ph值变化 煤样渗透率受ph值影响显著， ph值在89时煤样的渗透率呈急 剧下降的趋势，分析认为主要是 碱性水溶液中的矿物离子与酸性 介质的煤样发生沉淀反应导致孔 道堵塞，渗透率下降；其次强碱 性液体的侵入造成粘土矿物的剥 落及胶结物中颗粒的释放，也是 造成孔道堵塞，渗透率下降的原 因之一。 读数仪器为梅特勒读数仪器为梅特勒fe20kfe20k，phph酸度计酸度计 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 47 多功能滤失仪，可实

43、现功能有：岩心 渗透率测定（气、液）；岩心孔隙度 测定；储层敏感性评价；地层伤害 评价；可用于正反向驱替实验；能 够控制环压，模拟地层围压。 2021-5-25 48 kcl水溶液过煤样后的ph值变化u1 3)钻井液室内实验 通过前面对储层室内敏感性评价，要达到降低钻井液对储层的最小伤害， 必须满足以下几个方面： 要降低钻井用水中mg2+、ca2+离子得含量； 钻遇储层时要保证4%kcl水溶液的含量； 保持ph值偏中性。 因此，依据此三种前提条件进行钻井液配方实验。选用煤层气钻井常用 的钻井液处理剂(大分子包被剂、无机盐抑制剂、中小分子降失水剂、增粘 剂、超细碳酸钙)开展钻井液污染评价试验，共

44、5种试验。 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 49 序号配方煤样编号 原始气测渗透率 k0(10-3m2) 污染后气测渗透率 k1(10-3m2) k1/k0(%) 1低固相(4%膨润土浆)t240.0480.01837.344 2净化水+0.4%xct130.0630.03758.730 3净化水+0.4%cmct250.0580.02848.276 4 净化水 +0.6%nh4hpan t90.1070.06560.748 5净化水t310.0670.04567.164 注：表中的净化水是指经去注：表中的净化水是指经去离子离子（阳离子螯合剂）（阳离子螯合剂）、kcl含量含量

45、4%、ph值在值在89之间的钻井液用水之间的钻井液用水。 钻井液污染伤害试验结果 3)钻井液室内实验 结果表明，不同流体对煤样的污染都导致渗透率的降低；膨润土浆对煤样 的污染程度最大；而文中的去离子净化水对储层的伤害程度相对最低，高分 子聚合物中以nh4hpan对储层的伤害程度最小。考虑到孔内安全、完井液配 置等实际情况，选择净化水+0.4%xc、净化水+0.4%cmc作为研究对象。 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 50 4)完井液室内实验 钻井液伤害储层机理主要有以下4个方面： 1）滤液及固相颗粒的侵入（钻头碎岩过程中也会产生）； 2）高分子聚合物在煤岩中形成的粘附； 3）

46、外来流体进入有可能引起水敏、碱敏，亦或导致煤岩中的粘土矿物遇水膨胀； 4）钻井液长期浸泡致使煤岩应力发生变化。 因此，良好的钻井液具有上述的优点，室内实验所得的钻井液在实际施工的时 候亦应考虑这些因素对煤储层的影响，即钻井液要有“屏蔽暂堵”的性能，钻进时 形成的薄而致密的泥皮尽可能的减少对储层的渗透污染，完钻后在添加适当的生物 酶、破胶剂等化学助剂后能够迅速将这种泥皮进行降解、消融恢复煤层产气通道。 6 应用实例分析应用实例分析 2021-5-25 51 4)完井液室内实验 暂堵剂的选择 钻井液配方室内实验： 净化水+0.4%xc+caco3（超细碳酸钙） 净化水+0.4%cmc+caco3（超细碳酸钙） 超细碳酸钙400目-600目，性能稳定，不溶于水、碱，由于粒径小（0.5- 1m），常规四级固控的离心机最小分离粒径为5-9m，因此该品种作为有 效的加重剂被广泛应用在石油钻井中。 碳酸钙与h+酸性液体反应生成钙离子、水、二氧化氮，其生成物不会造成 二次污染。 2021-5-25 52 cmc的破胶实验 关于纤维素的破