盘县土城、金佳区块煤层气参数井钻井液应用实践_童强.pdf

2020年第9期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-03-31修回日期 2020-04-01 基金项目 贵州省地质矿产勘查开发局地质科研项目 “盘县片区土城向斜、 盘关向斜煤层气勘查施工关键工艺应用研究”（编号 黔地矿科合 ［2018］ 27） 。 第一作者简介 童强 （1982-） ， 男 （汉族） ， 湖北武汉人， 高级工程师， 现从事施工技术和管理工作。 盘县土城、 金佳区块煤层气参数井钻井液应用实践 童强*， 吴博， 杨丕祥， 唐代学 （贵州省地矿局117地质大队， 贵州 贵阳 550018） 摘要 结合以往钻井液的使用经验和理论知识， 针对盘县土城、 金佳区块煤层气勘查参数井施工区 域的地质特征及钻井施工中出现因钻井液导致的施工问题， 通过室内试验和现场应用探索出适合的 钻井液配方应用于钻井施工。经过4口参数井检验， 钻井液配方具有良好的使用性能， 具有良好抑 制性、 造壁好、 稳定性高等特点， 达到了减少孔内事故， 提高钻进效率的目的。 关键词 煤层气； 参数井； 钻井液； 配比 中图分类号 P634 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202009-0055-04 煤层气作为一种非常规油气资源， 具有资源潜力 大、 开采寿命长和生产周期长等优点， 已经成为目前油 气资源开发的热点。贵州省人民政府黔府发[2017]9号 省人民政府关于煤炭工业淘汰落后产能加快转型升 级的实施意见 中提到 “加快盘江、 织纳、 黔北三大煤层 气 开 发 基 地 建 设 ； 2020 年 ， 煤 层 气 抽 采 量 33.4 108m3” 。在这样的背景下， 我单位承接了贵州盘江煤层 气开发利用有限责任公司发布的盘县片区5个区块 （土 城、 响水、 金佳、 盘关、 火烧铺） 煤层气勘查工程项目。 从属于该煤层气勘查工程项目的盘县土城、 金佳 区块煤层气勘查参数井项目共含4口参数井， 分别为土 城区块 SV-2 井 （550m） 、 SV-3 井 （970m） ， 金佳区块 JV-2 井 （740m） 、 JV-3 井 （935m） 。合计设计工作量 3195m。主要施工目的是通过地面参数井工程， 获得煤 层气探矿权内关于含煤性和含气性的认识， 为下步煤 层气开发决策提供可靠的煤层气评价资料。 1钻遇地质情况 土城区块地层自下而上钻遇地层为峨眉山玄武岩 组、 宣威组、 飞仙关组、 嘉陵江组、 第四系。施工的目标 层位为宣威组。该区块主要构造为土城向斜北翼西段 转折端， 倾向南西； 地层倾角16～25， 平均20。 金佳区块地层自下而上钻遇地层为峨眉山玄武岩 组、 宣威组、 飞仙关组、 嘉陵江组、 第四系。施工的目标 层位为宣威组。该区块主要构造为盘关向斜东翼中 段， 倾向南西； 地层倾角18～25， 平均24。 2参数井完成情况 （见表1） 井号 土城区块 金佳区块 合计 SV-2 SV-3 JV-2 JV-3 设计工作量 （m） 550 970 740 935 3195 实际工作量 （m） 713.15 1016.63 710.95 903.10 3343.83 开钻时间 2018-07-01 2018-07-06 2018-07-06 2018-06-27 完钻时间 2018-08-08 2018-08-13 2018-08-21 2018-10-05 表1参数井完成情况表 3参数井钻井液要求及技术难点 钻井液要求低失水、 低固相、 低摩阻、 携砂能力强、 热稳定性好。不允许钻井液加入任何含油、 含荧光等 能够影响评价样品分析化验结果的处理剂和添加剂。 做到含气层保护、 环境保护、 钻井安全的统一。 钻井液技术难点主要有以下几点 55 ChaoXing 2020年第9期西部探矿工程 （1） 施工区域断层发育 （土城区块172条、 金佳区块 193条） ， 落差较大， 导致应力复杂、 岩石破碎。在钻井钻 进过程中会极易造成井壁垮塌、 钻井液漏失、 井内沉砂过 多、 地层涌水等现象发生， 形成埋钻、 糊钻等孔内事故。 （2） 在钻井施工过程中会钻遇较多含泥质灰岩、 泥 岩、 煤等岩矿石的水敏性地层， 厚度为400～500m， 出 现膨胀缩径、 孔壁垮塌等现象， 导致钻井形成 “大肚 子” ， 易发生钻杆折断、 埋钻等事故。 （3） 配制的钻井液需要保护储层， 不能让储层受到 污染， 影响储层分析评价。 （4） 必须维护孔壁的完整性和稳定性， 便于下入较 长的技术套管。 （5） 必须控制钻井液的比重， 防止因比重使用不当 造成井壁失稳及压漏地层。 4钻井液的技术措施 4.1钻井液选择原则 钻井液是钻井施工的 “血液” ， 其合理性、 适用性将 直接影响到钻井质量、 钻进效率和钻探成本。针对施工 区域地层特点和施工工艺， 钻井液必须满足以下原则 （1） 施工区域内施工层位构造发育， 应力变化复 杂， 钻井液具有合适的比重以平衡应力变化。 （2） 根据施工层位判断钻井过程中易出现掉块、 钻 井液漏失、 孔壁膨胀垮塌、 钻井涌水现象， 钻井液必须具 有良好的防卡、 护壁、 防塌、 堵漏、 平衡地层应力等能力。 （3） 由于采用金刚石绳索取芯工艺施工， 其具有进 尺快、 研磨性强的特点， 导致井内岩屑颗粒多， 因而钻 井液必须有良好的携砂排粉能力。 （4） 钻井液须具有保护煤层气储层、 防止污染能 力， 不能加入影响评价样品分析化验结果的处理剂。 4.2钻井液处理剂的选择 根据地层情况和以往类似钻井施工经验， 结合查 阅相关技术资料， 针对施工中钻井液的性能要求， 从而 选择了水解聚丙烯腈胺盐、 CMC-Na、 广谱护壁剂、 高 效润滑剂、 腐植酸钾、 水解聚丙烯酰胺、 植物胶等多种 钻井液处理剂。选择原因如下 （1） 水解聚丙烯腈胺盐为高分子化合物， 是良好的 降滤失剂。其还具有良好的热稳定性， 能改善泥浆的流 变性， 抑制粘土水化分散， 一定的抗盐能力、 防塌效果。 （2） CMC-Na具有良好的降滤失和提粘的作用， 是煤系地层施工的常用处理剂。 （3） 广谱护壁剂可以使泥皮致密坚韧， 有较强的护 壁作用。 （4） 高效润滑剂具有良好的润滑作用， 减轻孔壁摩 擦。 （5） 腐植酸钾对泥页岩也具有一定的抑制作用， 是 良好的降粘降滤失剂。 （6） 水解聚丙烯酰胺具有良好携砂能力， 具有一定 的润滑减阻作用。 （7） 植物胶具有较好的降滤失和抑制泥页岩水化 膨胀的能力， 具有一定的提粘润滑效果。 5钻井液配比实验 在盘县土城、 金佳区块煤层气勘查参数井项目启动 之初， 针对参数井复杂的地质条件， 通过多方收集相关 资料结合以往施工类似项目的情况， 将筛选出来的处理 剂在室内进行对比测试， 配制过程中主要关注点在于控 制钻井液的比重， 调节钻井液的粘度， 降低钻井液的滤 失量， 从而总结出一组适合参数井施工的钻井液配方。 （1） 非煤系地层泥浆。该段岩层主要由灰色厚层夹 薄层状灰岩、 紫红色、 灰绿色砂岩及粘土岩， 夹少量灰岩 及含铜砂岩等较稳定岩石组成， 不易垮塌缩径， 因此， 在 钻井液选择方面， 主要是以携砂、 润滑性能为主配制成 无固相或低固相钻井液。基浆采用预水化24h以上的 优质钠土粉， 处理剂采用水解聚丙烯酰胺、 腐植酸钾、 高 效润滑剂。根据实验室配比实验， 最终确定钻井液配比 为 1m3水3优质钠土0.2纯碱0.15水解聚丙烯 酰胺0.25腐植酸钾0.5高效润滑剂， 其性能为 密 度1.01～1.03g/cm3， 马氏漏斗粘度17～22s， 失水量小于 8～15mL/30min， pH值8～10， 胶体率不小于90。 （2） 煤系地层泥浆。该段岩层主要由深灰色细砂 岩、 粉砂岩、 泥岩、 泥质灰岩及煤层等稳定性较差岩石 组成。尤其是多数煤层顶底板裂隙较发育， 多为泥质 粉砂岩或粉砂质泥岩， 属半坚硬或软弱半坚硬岩石， 其稳定性中等较差， 局部泥岩， 质软、 可塑性强， 遇水 强烈膨胀， 稳定性差。因此， 在钻井液选择方面， 主要 是以护壁、 防塌、 降滤失性能为主配制成低固相钻井 液。根据室内性能实验， 基浆采用预水化24h以上的优 质钠土粉， 处理剂采用水解聚丙烯腈胺盐、 CMC-Na、 广谱护壁剂、 腐植酸钾、 植物胶、 高效润滑剂。根据实 验室配比实验， 最终确定钻井液配比为 1m3水6优 质钠土0.5纯碱0.5水解聚丙烯腈胺盐0.5腐 植酸钾0.2CMC-Na0.5广谱护壁剂1.5植物 胶0.5高效润滑剂， 其性能为 密度1.04～1.08g/cm3， 马氏漏斗粘度40～48s， 失水量小于3～5mL/30min， pH 值9～10， 胶体率不小于95。 6钻井液现场应用 6.1使用情况 （见表2） 56 ChaoXing 2020年第9期西部探矿工程 井号 SV-2 SV-3 JV-2 JV-3 井段 非煤系 煤系 非煤系 煤系 非煤系 煤系 非煤系 煤系 井深 （m） 0～164.90 164.90～713.15 0～653.47 653.47～1016.63 0～476.01 476.01～710.95 0～647.98 647.98～903.10 钻井液性能 类型 无固相 无固相/低固相 无固相 无固相/低固相 无固相 无固相/低固相 无固相 无固相/低固相 密度 （g/cm3） 1.01～1.03 1.03～1.09 1.00～1.06 1.01～1.05 1.02～1.03 1.02～1.13 1.01～1.04 1.02～1.06 粘度 （s） 20～28 20～33 14～19 16～36 22～27 20～52 17～20 18～58 失水量 （mL/30min） 5～15 5～12 5～15 5～12 10～15 7～9 17～20 8～20 含砂量 （） 0.01～0.10 0.01～0.10 0.01～0.10 0.01～0.10 0.01～0.10 0.01～0.10 0.10～0.30 0.10～0.30 pH 值 8～11 8～9 8～11 8～9 9～10 9～10 8～11 8～9 表2参数井钻井液性能情况表 6.2性能维护 钻井液起着冷却钻头、 携带岩粉、 保护孔壁、 平衡 地层压力等作用。因此在整个施工过程中， 保持良好 的钻井液性能十分重要。为了确保正常快速钻进， 参 数井施工过程采取了以下措施维护钻井液性能 （1） 建立了不渗漏的钻井液循环系统， 用水泥对泥 浆池、 沉淀池以及所有的循环槽进行防渗漏处理， 有效 地防止了地表水进入钻井液地表循环系统， 为保持良 好的钻井液性能创造了条件。 （2） 施工机台配备钻井液测试仪， 每小班的泥浆员 负责配制钻井液， 并测量钻井液性能。做到非煤系每 天一次全性能测定， 煤系地层每班一次全性能测定。 钻井液性能达不到就及时调整。 （3） 妥善保管测试仪器、 钻井液材料等， 防止日晒 雨淋， 避免仪器损坏、 材料失效。 （4） 严格控制固相含量， 使用钻井液固控设备除 砂， 同时及时清除泥浆池、 循环槽及沉淀池中的岩屑。 （5） 严禁随意在钻井液中加水； 严禁随意更改泥浆 配方； 严禁不按配制程序乱配泥浆。 6.3性能调整 （1） SV-2井在施工中下煤组时， 初期采用1.03～ 1.05g/cm3密度钻井液钻进， 无法平衡地层应力， 造成 井壁失衡， 出现垮塌， 形成抱钻， 导致出现钻杆提不起来的 情况。后期加大钻井液密度， 提升至1.07～1.09g/cm3， 平 衡了地层应力， 顺利钻至终孔。 （2） JV-2井煤系地层中下部， 540～610m断裂发 育， 并涌水量较大， 钻井液被稀释导致不能有效保护井 壁， 造成孔壁垮塌， 后期采用添加重晶石粉， 配置加重 型钻井液 （1.13g/cm3） 进行压水， 减缓地下水对钻井液 的破坏， 顺利钻至终孔。 （3） JV-3井在非煤地层施工时， 存在顺节理裂隙 漏失情况。在井深347.59～350.59m处消耗量最大达 20m3/h， 在 井 深 332.59m、 572.70m 分 别 达 7.5m3/h、 14.2m3/h。先后采取常规惰性材料堵漏措施及配置泡 沫泥浆施工均不见明显效果， 最终采用扩孔下套管 （下 深621m） 封隔漏失层方法处理， 煤系地层施工中维持 低密度 （1.02～1.06g/cm3） 钻井液钻进， 顺利钻至终孔。 6.4取得的效果 通过参数井现场施工检验， 室内实验对比得出的 钻井液配比基本满足施工要求， 主要效果如下 （1） 在非煤系地层达到了较高的施工效率， 管材磨 损较轻。 （2） 技术套管 （114mm） 下管顺利， 其中JV-2井 下管456m， JV-3井下管621m。 （3） 在松散地层和煤系地层中较少出现孔壁坍塌 现象， 孔壁基本保持稳定， 钻进顺利。 （4） 在水敏性地层中钻进时， 基本没有出现孔壁缩径， 泥包钻头现象很少发生， 显示了钻井液良好的抑制性。 （5） 排砂能力强， 孔内清洁， 施工过程中基本能一 次性下钻到位。 （6） 井身质量较好， 井径扩大率在合理范围之内。 （7）整 个 项 目 的 施 工 效 率 较 高 ， SV- 2 井 为 548.48m/台月， SV-3井为782.02m/台月， JV-2井为 453.80m/台月， JV-3井为268.25m/台月， 平均效率为 443.87m/台月， 较类似施工项目有所提升。 7结论与认识 通过在盘县土城、 金佳区块煤层气勘查参数井项 目4口参数井的钻井液试验表明， 所选用的钻井液配方 57 ChaoXing 2020年第9期西部探矿工程 对软硬互层等复杂地层具有良好的护壁效果， 能够很 好地抑制岩层的水化膨胀和预防煤系地层的垮塌， 减 少了孔内事故发生率， 大大提升钻进效率。此外， 现场 对钻井液性能的跟踪和维护十分重要， 是钻井液应用 的关键点， 因此在现场配备钻井液固控设备和钻井液 测量仪十分必要， 实时监控钻进过程中钻井液性能变 化， 从而及时改善钻井液的性能参数， 达到满足钻井正 常高效施工的需要。 下一步应该在钻井液的研究过程中， 依托相关项 目通过室内试验和现场应用相结合的方式， 针对项目 的地层情况、 岩石性质、 采用的钻进工艺、 钻井结构等 具体情况， 选用适配性更好的钻井液材料配制出满足 钻井施工需要的钻井液。同时针对涌水、 漏失等特殊 情况， 提前做好预防处理方案及备料， 避免出现窝工待 料情况出现。 参考文献 [1]土城向斜北翼西段煤层气区块勘查项目技术文件[R].贵州 盘江煤层气开发利用有限责任公司,2017. [2]金佳煤矿煤层气区块勘查项目技术文件[R].贵州盘江煤层 气开发利用有限责任公司,2017. [3]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉中国地质大学出版社, 2001. [4]乌效明,等.钻井液和岩土工程浆液[M].武汉中国地质大学 出版社,2014. [5]陈尔志,等.高密度低失水泥浆体系在煤田勘探绳索取心钻 探工程中的应用[C]//第十六届全国钻探工程 （岩土钻掘工 程） 技术学术交流年会论文集， 北京地质出版社,2011. [6]乌效鸣,等.钻井液与岩土工程浆液实验原理与方法[M].武 汉中国地质大学出版社,2010. [7]朱斗圣,等.安龙县ZK2地热井钻井液应用实践[J].西部探矿 工程,20172. [8]童强,等.护壁防塌泥浆在贵州晴隆沙子煤矿ZK209号孔中 的应用[J].探矿工程 （岩土钻掘工程） ,2012 （增刊2） . 相应的钻进工艺， 按时、 保质保量完成了本项目的钻探 工作， 满足了地质专业要求， 为按合同工期提交咨询设 计报告奠定了基础， 赢得了合作方 ERMC 及业主 DoED的赞许和肯定。 参考文献 [1]牛美峰， 周光辉， 许启云.深厚覆盖层护孔冲洗液的研究[C]// 水利水电勘探及岩土工程施工新技术第十七届全国水利 水电钻探暨岩土工程施工学术交流会论文集， 201743-46. [2]齐治虎， 王立峰.山西永乐区块松软煤层取芯工艺探究[J].能 源技术与管理， 2015， 405 132-133. [3]孙建华， 刘秀美.近年来中国地质钻探技术标准制修订工作 进展[J].地质通报， 2016， 3511 1901-1905. 钻孔公称直径 套管外径 465975 73 91 89 110 108 130 127 150 146 表2钻孔直径及相配套管外径 （mm 规格代号 A B N H P S U Z 钻孔公称口径 48 60 76 96 122 150 175 200 套管代号 （X-两端均为内螺纹） C-BX C-NX C-HX C-PX C-SX C-UX 套管外径 73 91 114 140 168 194 表3钻孔规格代号、 公称口径及相配套管外径 （mm （上接第54页） 58 ChaoXing