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可降解清潔鉆井液的研究及現(xiàn)場應用

文檔作者：許朋琛1 陳寧1 胡景東1 陳必武2 王麗麗1 滑志超1 桑軍元1 文檔來源： (1．中國石油集團渤海鉆探第四鉆井工程分公司 2．中國石油華北油田煤層氣分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月27日
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第34卷第3期
2017年5月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
Vbl．34 No．3
Mav 2017
doi：10．3969／j．issn．1001—5620．2017．03．005
可降解清潔鉆井液的研究及現(xiàn)場應用
許朋琛1， 陳寧1， 胡景東1， 陳必武2， 王麗麗1， 滑志超1， 桑軍元1
(1．中國石油集團渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘062552；2．中國石油華北油田煤層氣分公司，山西晉城048000)
許朋琛，陳寧，胡景東．等．可降解清潔鉆井液的研究及現(xiàn)場應用[J]．鉆井液與完井液，2017，34(3)：27．32．
XU Pengchen，CHEN Ning，HU Jingdong，et a1．Study and field application of degradable clear drilling fluid[J]．Drilling
Fluid＆CompletionFluid，2017，34(3)：27—32．
摘要針對煤層氣井鉆井過程中鉆井安全和煤層保護之間的矛盾問題，研制了鉆井液用提切劑BZ一2和固膜劑GMJ，
并以此為核心開發(fā)了可降解清潔鉆井液體系。對BZ一2和GMJ的抑制性、流變性、殘渣量及對巖心強度的影響等性能進行
了評價。實驗結果表明，該體系的頁巖回收率為93．5％；流變性好，動望比達到0．93 Pa／mPa·s，初切、終切、動切力分
別為2．5、3．0、20．5 Pa；API濾失量控制在12 mL以內(nèi)，殘渣量為4．5 meT-，巖心強度增加了16．7％。該體系已在山西沁水
盆地南部晉城斜坡帶鄭莊區(qū)塊4口井進行試驗：試驗效果表明，其解決了該區(qū)塊多分支水平井的鉆井安全和煤層保護問題，
日產(chǎn)氣量較鄰井提高了2倍以上，測算穩(wěn)定產(chǎn)氣量在3 000～5 000 m3／d，具有較好的推廣應用前景。
關鍵詞煤層氣井鉆井液；防止地層損害；無固相鉆井液；可降解；封堵造壁性
中圖分類號：TE254．3 文獻標識碼：A 文章編號：1001．5620(2017)03．0027．06
Study and Field Application of Degradable Clear Drilling Fluid
XU Pengchenl，CHEN Nin91，HU Jingdon91，CHEN Bi、vu2，WANG Lili‘，HUA Zhicha01，SANG Junyuanl
(1．The Fourth DrillingBranch ofCNPCBohaiDrillingEngineering CompanyLimited,Renqiu，Hebei 062552；
2．CBM Division ofPetroChina Huabei Oilfield Company，Jincheng，Shanxi 048000)
Abstract A degradable clear drilling fluid has been developed with a gel enhancer BZ-2 and a film fixating agent GMJ to resolve
the contradiction between the safety of drilling operation and the protection of coal beds in coal—bed methane drilling．Laboratory
experiments were done to evaluate BZ-2 and GMJ for their inhibitive capacity,rheology,residue contents，and their influences on the
strengths offormation cores．The experimental results showed that the clear drilling fluid had percent shale recovery of93．5％，yP}Py
ratio of0．93 PaimPa·s，gel strengths of2．5 Pa／3．0 Pa，yield point of20．5 Pa，API filter loss ofless than 12 mL，and residue content of
4．5 mg／L．The strength ofthe cores tested increased by 16．7％．This drilling fluid has been tested on 4 wells in the Zhengzhuang block，
south of Qinshui basin in Shanxi Province．The test has successfully resolved the problems of drilling safety and coalbed protection in
multilateral well drilling．Daily gas production rate has been increased by 2 times more than that ofthe wells nearby,and the calculated
consmnt rate ofgas production was between 3，000-5，000 m3／d，suggesting a good prospect ofpromotion．
Key words Drilling fluid for CBM drilling；Formation damage prevention；Solids-flee drilling fluid；Degradable；Plugging and wall·
building capability
煤層膠結疏松、結構不強、易破碎是煤層氣鉆
井中的難點問題?，其鉆井方式、工藝、鉆井液和
完井方式的選用都與常規(guī)油氣井明顯不同[2-3]o其
井眼穩(wěn)定和煤層保護之間的矛盾仍十分突出[4-6]，
傳統(tǒng)的煤層氣井鉆井液均含有膨潤土等固相顆?；?
聚合物類處理劑，而聚合物類處理劑通過吸附、機
基金項目：中國石油集團渤海鉆探工程有限公司項目“新型低熒光、環(huán)保型鉆井液體系研究與現(xiàn)場應用”(2017248K)；
中國石油集團渤海鉆探工程有限公司項目“超分子化學堵漏技術研究”(2016261Y)；“十三五”國家科技重大專項“復雜
結構井、叢式井安全環(huán)保型鉆井液新技術”(2017zx05009-003)。
第一作者簡介：許朋琛，工程師，現(xiàn)在主要從事鉆井液體系研究與應用的工作。電話18631779601；E·mail：
xpc—l 11@163．com。
萬方數(shù)據(jù)
28 鉆井液與完井液2017年5月
械捕集及物理堵塞等方式對儲層造成損害【7‘91，并
且聚合物不易破膠，與膨潤土黏著，形成大顆粒膨
潤土膠粒。加之膨潤土與膨潤土膠團水化膨脹后，
其粒徑遠大于煤層氣儲層的裂縫和孔喉直徑，極易
引起堵塞，對儲層造成傷害，導致后期排采困難，
目前，還無法徹底地解決現(xiàn)有煤層鉆井液的破膠問
題。針對煤層井壁失穩(wěn)‘10J31和煤層損害叫。51的問
題，開發(fā)了一種可降解清潔鉆井液體系。該體系不
含固相，僅由清水和低分子量聚合物組成，具有低
密度、無固相、可降解的特點；在少量破膠劑的作
用下，體系中低分子量聚合物處理劑，被降解為小
分子化合物，不會對煤層裂隙和孔喉造成堵塞，有
利于保護儲層【16J73；降解后的鉆井液易于返排，能
夠滿足煤層安全、清潔高效鉆井的需要。
1核心處理劑性能評價
提切劑和固膜劑是可降解清潔鉆井液中的核心
處理劑。通過與國外同類煤層氣鉆井液提切劑產(chǎn)品
的室內(nèi)對比實驗，評價了提切劑BZ．2的提切性能、
殘渣量和抑制性；通過單軸強度破壞實驗，評價了
固膜劑GMJ對巖心強度的影響[18-21]。
1．1 BZ．2的提切性能
選用國外具有代表性的煤層鉆井液處理劑
QJ—12，與BZ．2進行提切能力對比實驗，測試了
BZ一2與OJ一12在清水及2％膨潤土基漿中的提切
效果，結果見表l和表2。
表1 0．7％不同提切劑在清水中的提切效果
表2 O．7％不同提切劑在2％膨潤土基漿中的提切效果
實驗提切AV!PW YPf 疆伊W Gelf
條件劑nlPa．s nlPa．s Pa妒6／p3 P孔tnPa．s P“Pa
由表1可知，雖然在常溫清水中BZ．2的加量
只有o．7％，但動切力、靜切力提升非常明顯，與
QJ．12相當；動塑比高于QJ一12；表觀黏度和塑性黏
度均低于QJ．12，表現(xiàn)出更好的流動性；在120℃
下熱滾16 h后，QJ．12和BZ一2均發(fā)生降解，無
提切作用。由表2可知，常溫下，在2％基漿中
BZ．2的表觀黏度和塑性黏度均低于QJ．12，說明
BZ．2的流變性優(yōu)于QJ．12；120℃熱滾16 h后，在2％
基漿中BZ．2的初切為3．0 Pa、終切為4．5 Pa，而
QJ。12的初切為2．5 Pa、終切為3．0 Pa，說明在2％
基漿中BZ．2形成了比較好的結構。
1．2 BZ一2的殘渣含量
配制0．6％BZ．2、o．6％瓜膠各400 mL，分別
加入0．1 g過硫酸銨，在60℃水浴中破膠1 h，取
3次破膠液殘渣含量的平均值。由實驗結果可知，
BZ．2的殘渣平均值為4．5 mg／L，瓜膠的殘渣平均
值為302．6 mg／L。參照SY／T 5358--2010和SY／T
51071005的行業(yè)標準可知，與后期壓裂所使用
的瓜膠壓裂液對比，BZ．2降解后的殘渣不會對煤
層氣儲層造成堵塞傷害。
瓜膠BZ一2
圖1不同提切劑破膠后殘渣含量
1．3 BZ一2的抑制性
煤層氣井所鉆遇巖層膠結強度低，并且具有一
定的水化膨脹性[21-23]。提切劑BZ一2通過多個極性
基團吸附在頁巖上，形成保護膜，防止鉆井液濾液
侵人，阻止泥頁巖的水化膨脹，保護煤層氣儲層。
使用山西鄭莊區(qū)塊的頁巖，稱取109粒徑為0．145
mrn巖屑，進行頁巖膨脹率實驗，結果見圖2。由
圖2可知，前50min，3組頁巖膨脹速率增速均較快，
清水增速最快，QJ．12略高于BZ一2；在50～100
min的時間段里，清水的膨脹高度明顯高于oJ．12
和BZ一2；隨著膨脹時間的增加，100 min以后，
QJ．12的膨脹增幅速率仍大于BZ．2，但2者膨脹高
度增量明顯放緩并趨于穩(wěn)定，說明QJ．12和BZ．2
萬方數(shù)據(jù)
第34卷第3期許朋琛等：可降解清潔鉆井液的研究及現(xiàn)場應用29
對頁巖起到有效的抑制膨脹作用。但BZ．2的頁睹
膨脹抑制效果優(yōu)于QJ-12。
3．0
呂
2·5
童2．0
摧L5
謄·．o
0．5
0．O
0 50 100 150 200 250 300
t／min
圖2提切劑BZ-2與QJ-12的抑制頁巖膨脹性能
1．4 固膜劑GMJ對巖心強度的影響
取各項指標基本相同的2塊人造巖心(巖心巾
含20％膨潤土)，一塊浸人0．5％的固膜劑溶液甫，
并在120℃下熱滾16 h，另一塊不作處理，作為空
白對比，對2塊巖心進行單軸破壞實驗，考察固膜
劑對巖心力學參數(shù)的影響，結果見表3。由表3可
以看出，固膜劑形成的保護膜，使巖心強度提高了
16．7％。這是因為固膜劑在泥頁巖近表面吸附固俐，
形成一層致密、光滑、韌性良好的“保護膜”，該
膜具有一定的強度，通過隔離水分子與泥巖表面，
從而起到防止泥巖水化的作用。
表3 固膜劑GMJ對巖心力學參數(shù)的影響
2 可降解清潔鉆井液性能評價
以提切劑BZ．2和固膜劑GMJ為核心處理劑。
優(yōu)選成膜劑CMJ-1、強膜劑QMJ-11和降濾失劑
兒．1等配伍處理劑，對可降解清潔鉆井液體系的
流變性、抑制性和破膠能力進行實驗評價。
2．1基本性能
可降解清潔鉆井液體系基本性能見表4，其巾
壓濾餅見圖3。由表4和圖3可知，體系經(jīng)過50 oC b
16 h老化，熱滾前后的黏度、動切力等參數(shù)均保
持穩(wěn)定，動塑比在老化前后都在0．9 mPa·s以上；
說明該體系具有良好的流變穩(wěn)定性；同時體系在老
化前后的濾失量均在12 mL以下，具有良好的造
壁性。鉆井液配方如下。
清水+2％GMJ+2％CMJ—l+2％QMJ-Ⅱ+1％兒-1+
0．7％BZ．2
表4可降解無固相清潔聚膜鉆井液的基本性能
熱滾前熱滾后
圖3可降解清潔鉆井液濾餅熱滾前后的中壓濾餅圖
2．2抑制性能
選用鄭試76．1．3井的鉆屑，依據(jù)SⅥ6335—
1997進行滾動回收率實驗。在120 oC熱滾16 h，
測得清水的滾動回收率為4．O％，可降解清潔鉆井
液的滾動回收率為93．5％。頁巖線性膨脹實驗見圖
4。由圖4可知，頁巖在該鉆井液中滾動回收后的
巖屑斷面和棱角都清晰可見，說明該體系能抑制頁
巖的水化膨脹，有利于井眼穩(wěn)定和儲層保護。
r卜浚羔：：莖．．：2也一_
清水可降解清潔鉆井液
圖4清水和可降解清潔鉆井液滾動回收后的巖屑外觀
2．3破膠性能
將破膠劑配制成30％溶液，按照鉆井液膠液
萬方數(shù)據(jù)
30 鉆井液與完井液2017年5月
總體積的5％加入破膠劑溶液，然后在45℃水浴
中放置，觀察體系的破膠情況，結果見表5和圖5。
表5可降解無固相清潔聚膜鉆井液的破膠率
破膠時AV／ 破膠破膠時AV／ 破膠
間／h mPa·S 率／％ 間／h mPa·S 率／％
O．5 6．00 63．64 4．0 0．75 95．45
1．0 1．50 90．91 16．0 O．50 96．97
3．O 1．OO 93．94
注：破膠劑水溶液的加量為5％，破膠前的表觀黏度為
16．5 rnPa·S。
破膠前破膠0．5 h 破膠1 h破膠3 h破膠16 h
圖5可降解清潔鉆井液體系破膠不同時間后的狀態(tài)
由表5和圖5可知，加入破膠劑溶液后0．5 h
體系開始破膠，體系膠液和水開始分層；0．5 h后
出現(xiàn)絮狀沉淀；l h后絮狀沉淀大量減少；隨時間
延長至3 h后，破膠液顏色變清、可見微量絮狀
沉淀；16 h后絮狀沉淀不可見，破膠液顏色清亮、
透明。
3 現(xiàn)場應用
3．1鉆井液維護工藝
1)鉆進至煤層著陸點后，徹底清洗地面循環(huán)
罐，按設計配方配制膠液，充分攪拌均勻，替出井
眼內(nèi)原鉆井液，一次性轉(zhuǎn)化成可降解清潔鉆井液體
系，配方如下。
清水+2％GMJ+2％CMJ．1+2％QMJ一Ⅱ+1％幾一1+
0．7％BZ．2
2)鉆進過程中采用等濃度法維護處理，保持
各種處理劑的有效含量，加強固控設備的使用，有
效清除有害固相，保證鉆井液具有合理的動塑比，
有利于提高攜砂能力。
3)分支破膠。每鉆完一個分支，充分循環(huán)可
降解清潔鉆井液至井眼干凈，用2 m3前置液(清
水)、2．5％破膠劑溶液、2 m3后置液(清水)頂替
破膠液到目標井段。
4)主支破膠。鉆穿分級箍以后，將孔徑為0．125
mill的振動篩篩布更換為孑L徑為0．076 mm的振動
篩篩布，徹底清洗泥漿池、循環(huán)泵、上水系統(tǒng)，用
清水將井筒內(nèi)鉆井液頂替干凈并循環(huán)6 h；然后用
2．5％破膠劑溶液頂替出井眼的清水。
3．2現(xiàn)場應用效果
山西省沁水盆地鄭莊區(qū)塊的煤層整體較破碎，
構造裂隙發(fā)育‘16’171，施工難度大。采用可降解清潔
鉆井液體系在鄭莊區(qū)塊的鄭試34平1、鄭試34平
2、鄭試79平1和鄭試79平2井進行了現(xiàn)場試驗。
這4口井均為六分支水平井，主支水平段長1 000
m，每個分支長約200～300 m，單口井合計煤層
水平段平均長2 500 m左右，實際完成煤層鉆井進
尺103 110 m。
鉆井過程中無復雜事故，鉆井液具有良好的
流變性和造壁性，動塑比達到0．6 Pa／mPa·S以上，
具有良好的井眼清潔能力。振動篩返砂正常，無掉
塊垮塌現(xiàn)象，井眼清潔，短程起下鉆順利，井眼穩(wěn)
定性強；脫氣快，泥漿泵上水好，不影響定向作業(yè)
信號且定向容易，鉆井液潤滑性好，鉆井速度快，
鉆進期間鉆井液性能參數(shù)如表6所示。
表6可降解清潔鉆井液體系在鄭試區(qū)塊的應用性能
井號?盎，意。：羆P淼Z。盎7
應用可降解清潔鉆井液，減少了固相和外來
流體對儲層的損害，在完井后對鉆井液進行破膠
降解，體系黏度迅速下降，經(jīng)過充分循環(huán)洗井與
破膠液浸泡，疏通近井壁輸氣通道，破膠后殘渣
量低，有利于返排[1 8-25]o各施工井的日產(chǎn)氣量對比
見表7。由表7可知，應用可降解清潔鉆井液體系
的4 El井產(chǎn)氣量均超過了應用常規(guī)鉆井液體系井的
產(chǎn)氣量，達到產(chǎn)氣量在1 000 m3／d左右，較鄰井提
高了2倍以上，并且產(chǎn)水量也小于對比井。目前還
保持較高的套壓，據(jù)測算穩(wěn)定的產(chǎn)氣量在3 000
5 000m3／d。
萬方數(shù)據(jù)
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2017-03-01

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