关于钻井液毕业论文

定向井钻井技术被应用到石油钻井中是在19世纪中后期，我整理了定向井钻井技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下! 定向井钻井技术论文篇一 浅析定向井钻井轨迹控制技术 [摘 要]定向井钻井中的关键技术是井眼轨迹控制技术，本文在分析定向井井眼轨迹剖面优化设计技术的基础上，对钻井中的井眼轨迹控制技术进行了探究。 [关键词]定向井;井眼轨迹;关键技术 中图分类号：TG998 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2015)08-0056-01 随着我国油气资源勘探开发力度的不断加大，对于地面遮挡物无法正常钻井开采、地质情况复杂存在断层等构造遮挡和钻井发生事故需要侧钻等复杂油气藏的勘探开发日益重视，而这些油气藏一般需要采用定向井钻井技术进行开发，从而增加油气储层裸露面积、提高油气采收率、降低钻井成本。但是，定向井钻井的井眼轨迹控制难度较大，需要对井眼轨迹进行优化设计，并通过在直井段、造斜段和稳斜井段采用不同的钻井轨迹控制技术进行控制，才能有效保证定向井的井眼轨迹，而对这些技术措施进行探究，成为提高定向井钻井水平的关键。 一、科学进行定向井井眼轨迹和轨道设计 1、定向井井眼轨迹的优化设计技术 井眼轨迹的剖面设计是定向井钻井施工的基础，只有不断优化完善井眼轨迹设计，保证井眼轨迹设计的科学性、合理性，才能确保定向井钻井实现预期目标。在定向井井眼轨迹剖面优化设计中，要坚持一定的原则：要以实现定向井钻井地质目标为原则，定向井钻井的地质目标很多，包括穿越多个含油地层提高勘探开发效果、避开地层中的断层等地质构造从而实现对地下剩余油气储层的有效开采、实现油井井眼轨迹在油气储层目的层的大范围延伸以增加油气藏的裸露面积等，同时，因为钻井或油气开采中发生事故导致无法正常开采的油井，可以通过定向井实现对油气储层的侧钻来达到开采目的，存在地面障碍物无法进行正常钻井的区域也可以通过定向井来实现钻井开采的目的，为了节约钻井成本，还可以通过丛式平台定向井开发的方式来节省井场占地面积;要以高校、优质、安全钻井施工作为现场施工目的，在进行定向井井眼轨迹剖面设计时，结合所处区域的地质特征进行设计，选择在地层稳定、松软度适中的位置进行造斜，造斜点要尽量避开容易塌陷、缩径或漏失以及压力异常的地层层位进行，要将造斜段的井斜角控制在15°-45°之间，因为过大的井斜角会增加施工难度且易引发钻井事故，而过小的井斜角会造成钻井方位的不稳定性，增加调整次数，还有就是在造斜率的选择上，要综合考虑油井所处地层的地质状况和钻井工具的实际造斜能力，在满足定向井钻井目标的前提下尽量减小造斜率并缩短造斜段的长度，实现快速钻井的目的;要尽量满足后期采油和完井工艺实施的要求，在满足定向井钻井要求的前提下，尽量减小井眼的曲率，方便后期抽油杆和油层套管下井，同时减小二者之间的偏磨，方便后期改造安全采油泵等井下作业施工。 2、定向井钻井的轨道设计 根据定钻井的目的和用途不同，可以将定向井分为常规定向井、丛式井、大位移井等几种类型进行设计，常规定向井一般水平位移不超过1km、垂直深度不超过3km，丛式井可减小井场面积，大位移定向井的轨道一般采用悬链曲线轨道，在井眼轨迹上采用高稳斜角和低造斜率。我国定向井井眼剖面轨迹主要有“直―增―稳”三段制剖面、“直―增―稳―降”四段制剖面和“直―增―稳―降―直”五段制剖面三种类型，在具体设计时根据所在地层地质特征不同进行优化设计。三种井眼轨迹各有优缺点：三段制井眼轨迹造斜段短，设计和施工操作比较方便，在没有其他特殊要求时可以采用三段制轨迹剖面;四段制井眼轨迹剖面起钻操作时容易捋出键槽加大下钻的摩擦力，容易造成卡钻事故，且容易形成岩屑床，一般不会采用，只在特殊情况下使用;五段制井眼轨迹剖面在目的油气储层中处于垂直状态，有利于采油泵安全下入，且便于后期采油工艺的实现。 二、三段制定向井轨迹剖面钻井控制技术 基于三种不同类型轨迹剖面的优缺点，在现实中多应用三段制和五段制井眼轨迹剖面进行定向井钻井设计，而三段制井眼轨迹剖面最为常用，下面就对三段制定向井井眼轨迹钻井控制技术进行研究。 1、直井段的井眼轨迹控制技术 直井段的井眼轨迹控制技术主要是防斜打直，这是定向井轨迹控制的基础，因为地质、工程因素和井眼扩大等原因，直井段钻井中会发生井斜，地质因素无法控制，可通过在施工和井眼扩大两方面采取技术措施进行直井段钻井的轨迹控制，关键要选择满眼钻具和钟摆钻具组合进行直井段钻井，前者可以在钻井中防止倾斜，将扶正器与井壁尽量靠近，就可以有效防止井斜问题出现;钟摆钻具的工作原理是超过一定角度后会产生回复力，具有纠正井斜问题的作用，但要保证钻压适量，因为钻压过大会使钟摆力减小而增斜力增大，妨碍纠斜效果。 2、造斜段的井眼轨迹控制技术 在定向井钻井中，造斜段钻井是关键部位，造斜就是从设计好的造斜点开始，使钻头偏离井口铅垂线而进行倾斜钻进的过程，关键是要让钻头偏离铅垂线开始造斜钻进。要根据设计好的井眼轨迹，综合井斜角、方位偏差来计算造斜率，以此指导造斜钻井施工，通过增加钻铤等措施，调整滑动钻进和复合钻进的比例，从而使钻头按照设计的井眼轨迹进行钻进，指导造斜段完成。 3、稳斜段的井眼轨迹控制技术 造斜段完成后，需要进行稳斜段的钻井施工，在稳斜段的钻进中，要选用无线随钻测井仪器对钻头的工作进程进行动态跟踪，实时监测钻头的实际井斜角、方位角偏离情况并与设计值进行对比，确保钻头中靶。在没有无线随钻测井仪器的情况下，需要通过稳斜钻具组合进行钻井，并应用单、多点测斜仪进行定点测斜，从而保证井眼中靶，提高钻井质量。 三、结论 综上所述，定向井是开采复杂油气藏的有效手段，可以对常规油井无法开采的油气藏进行开采，但要顺利实现定向井钻井，需要根据地质特征等设计井眼轨迹剖面、选择合适的轨道类型，并对不同井段采取对应的井眼轨迹控制技术，确保按设计的井眼轨迹钻进，提高油气资源开采效果。 参考文献 [1] 王辉云.定向井录井技术难点浅析[J].科技情报开发与经济，2009(10). [2] 鲁港，王刚，邢玉德，孙忠国，张芳芳.定向井钻井空间圆弧轨道计算的两个问题[J].石油地质与工程，2006(06). [3] 王学俭.浅层定向井连续控制钻井技术[J].石油钻探技术，2004(05). [4] 崔剑英，贺昌华.定向井信息查询系统的开发[J].数字化工，2005(07). 定向井钻井技术论文篇二 寿阳区块煤层气定向井钻井技术浅谈 摘要：本文介绍了寿阳煤层气的开发现状和煤层气特征，分析了定向井钻井技术在施工过程中的应用，对今后在寿阳区块内施工的定向井有一定的指导作用。 关键词：寿阳区块;定向井;造斜段;稳斜段 Abstract: This paper introduces the development status and characteristics of Shouyang coal-bed methane coal-bed gas, analyzes the application of directional drilling technology in the construction process, has the certain instruction function to the construction of directional well in Shouyang block. Keywords: Shouyang block; directional well; oblique section; steady inclined section 中图分类号：P634.5 1.概况 寿阳区块位于山西省中部，沁水盆地的北端，沁水盆地是我国大型含煤盆地之一，蕴藏着丰富的煤层气资源，根据远东能源(百慕大)有限公司前期在沁水盆地南部施工的参数井和定向生产井所获得的相关资料，显示该区具有良好的开发前景。 1.1寿阳区块勘探开发历史和现状 1995年由联合国开发计划署(UNDP)利用全球环境基金资助、煤科总院西安分院承担的《中国煤层气资源开发》项目，《阳泉矿区煤层气资源评价》专题科研报告，对阳泉矿区(包括生产区、平昔区和寿阳区)煤层气资源开发进行了评价和研究，其中重点对寿阳区的煤层气资源开发进行了评价和研究。 中国煤田地质总局于1996～1997年在韩庄井田施工了一批煤层气勘探参数井，获得了该区有关的煤储层参数，并对HG6井的主要煤层进行了压裂改造和排采试验，取得了该井合层排采的一整套数据。中联公司1997～1998年在寿阳区块施工了4口煤层气生产井，其中1口探井，3口生产试验井，获得该区宝贵的煤储层参数和生产数据。1998年完成了四条二维地震勘探线，共计167km，获得了丰富的地质成果。2005年远东公司在该区施工了3口羽状水平井，其中2口在煤层段进尺超过3000m，3口井均在生产。 2007年远东能源(百慕大)有限公司根据取得的初步成果资料研究、分析后，认为该区15#煤层十分稳定，储层参数比较有利，是煤层气开发的有利区块，决定在寿阳县南燕竹镇共计部署一批定向井及参数井，以获取该地区15#煤层的埋深、厚度等储层参数，进一步扩大勘探范围，并逐步形成区域生产井网，争取短期内该区煤层气地面开发进入大规模商业化运营。 1.2寿阳区块地质背景 沁水盆地北端位于北东向新华夏系第三隆起太行山隆以西，汾河地堑东侧，阳曲——盂县纬向构造带南翼。总体形态呈现走向东西、向南倾斜的单斜构造。区内构造简单，地层平缓，倾角一般在10°左右。燕山运动和喜马拉雅运动期间，由于较大规模的岩浆侵入活动，大地热流背景值升高，本区石炭二叠纪煤层在原来深成变质作用的基础上，又叠加了区域岩浆热变质作用，致使煤化作用大大加深，形成了本区高变质的瘦煤、贫煤以及少量无烟煤。 本区所钻遇的地层为：第四系(Q)，三叠系下统刘家沟组(T1l)，二叠系上统石千峰组(P2sh)，二叠系上统上石盒子组(P2x)，二叠系下统下石盒子组(P1x)，二叠系下统山西组(P1s)，石炭系上统太原组(C3t)。 1.3寿阳区块煤储层特征 主要含煤地层为上石炭统太原组及下二叠统山西组，含煤10余层，其中3#、9#、15#煤为主力煤层。 3#煤层：俗称七尺煤，全区煤层厚0～3.78m，煤层较稳定，寿阳矿区西部和阳泉三矿矿区煤层较厚，其他地区煤层变薄，甚至尖灭。结构简单，有时含一层夹矸，顶底板为泥岩，砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。 9#煤层：全区煤层厚不一，煤层较稳定。结构简单，顶底板为泥岩，砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。 15#煤层：煤层厚0.27～6.48m，是寿阳区块内煤层气开发的主力煤层。15#煤含1～3层夹矸，结构中等，顶底板K2灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。 沁水盆地北端煤储层厚度大，埋深适中;煤的热化程度较高，己进入生气高峰，煤层顶底板封闭性能好，含气量高;煤储层裂隙较发育，孔隙以小孔和微孔为主，渗透性较好;煤的吸附性能强，但含气饱和度偏低。 2.设备设备选择 2.1钻机选择 寿阳区块定向生产井井深一般在在1000m以内，水平段不超过500m，根据我井队现有设备的情况，选择了TSJ-2000、GZ-2000钻机。该钻机提升、回转能力均能满足煤层气定向生产井施工的需要。 2.2设备配置 水泵：TBW-850(直井段)、3NB-1000、F-500;排量0～42L/s，压力5～32MPa。 动力：PZ12V-190、PZ8V-190、12V135;功率120～800HP。 钻塔：27.5m/A型塔(750KN)。 钻具：Φ127mm钻杆，Φ203钻铤，Φ178钻铤+Φ159钻铤。 2.3定向钻具 Φ172(1.5°)螺杆、Φ165(1.5°)螺杆 Φ172MWD定向短节、Φ165MWD定向短节 Φ165mm、Φ159mm短钻挺 Φ214mm扶正器、Φ48MWD Φ165mm无磁钻铤、Φ172无磁钻挺 3钻井工艺 3.1井身结构 井身结构在钻井工程中处于最基础的地位，体现了钻井的目的，也是决定该目的能否顺利实现的重要因素之一。井身结构设计以钻井目的为目标，以现实的钻井工程和地质等条件为依据，使目标和过程统一起来。 一开采用Φ311mm钻头钻至稳定基岩，且水文显示正常，下入Φ244.5mm表层套管，固井并候凝48小时。 二开采用Φ215.9mm钻头钻至完井，达到钻井目的后，下入Φ139.7mm生产套管并固井。 3.2钻头选用 二开选择造适岩的HJ537G钻头。 3.3动力钻具选择 为了适应软及中软地层，选择了中转速中扭矩马达。 3.4钻井液的选择 煤层气井施工时，煤储层保护是关键。在煤层段钻井中，主要采用清水钻进，严格控制钻井液中的固相含量、比重，井内岩粉较多时，可换用高粘无污染钻井液排出岩粉，既能保证孔内安全，又防止了储层污染。 4.定向钻具组合及钻进处理措施 定向井施工中主要分直井段、造斜段、稳斜段，要针对不同地层、不同井深、位移有效地选择好三个井段的钻具组合。实现设计的井身规迹是施工的关键。 4.1直井段钻井技术 直井段的防斜是定向井施工的重要保证，一般要求井斜100m内小于1°。直井段的钻具组合是关系到定向井下部定向造斜段的难易程度。 (1)钻具组合：一开采用塔式钻具组合：Φ311钻头+Φ203钻铤+Φ178钻铤+Φ159钻铤+Φ127钻杆。 二开：Φ215.9钻头 +Φ178钻铤+Φ159钻铤+Φ127钻杆。 (2)钻进参数： 钻压 10～80 kN排量 12 L/s 泵压 0.5～2MPa 钻井液性能： 密度 1.02～1.10g/cm3粘度 21 s (3)见基岩时要轻压慢转，防止井斜。 (4)直井段换径时要吊打，换定向钻具前测井斜。 4.2造斜段钻井技术 造斜段下钻到底后，EMWD仪器无干扰开始定向钻进;施工采用1.5°单弯螺杆，测得实际造斜率为9°/30m，定向过程中采用滑动钻进与复合钻进交替作业，确保狗腿度满足要求。 (1)钻具组合Φ215.9钻头+Φ172(1.5°)螺杆+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+Φ178钻铤*2根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆 (2)钻进参数：钻压 40～80 kN排量 20～24 L/s 泵压 2～4MPa 钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 16 s (3)要调整好钻井液性能，采用三级固控设备控控制固相含量不超标。 (4)及时测量井斜、方位，发现与设计不符，应马上采取措施。 (5)做好泥浆的性能维护，提高防塌性能和携带岩屑的能力，清洁井眼。 4.3稳斜段钻井技术 稳斜段钻具组合在本区可采用以下三种方法，也可以交替作业，确保井斜方位满足要求，三班各钻井参数要保持一致辞，并保证井下安全。 (1)采用螺杆复合稳斜钻进 钻具组合：Φ215.9钻头+Φ172(1.5°)螺杆+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+Φ178钻铤*2根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆 钻进参数：钻压 40～80 kN排量 20～24 L/s 泵压 3～5 MPa 钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 17s (2)采用近钻头扶正器稳斜钻进。 钻具组合：Φ215.9钻头+Φ214扶正器+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆 钻进参数：钻压 40～80 kN排量 20～24 L/s 泵压 2～4 MPa 钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 17s (3)采用光钻铤钻进。 钻具组合：Φ215.9钻头+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆 钻进参数：钻压 80～120 kN排量 20～24 L/s 泵压 2～4 MPa 钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 16 s 5.经验与建议 通过对本区FCC-HZ-23D、FCC-HZ-33D、FCC-HZ-11D、FCC-HZ-47D、FCC-HZ-70D井的施工，取得了以下经验： (1)及时测斜、准确计算、跟踪作图是保证井身轨迹的关键。使用MWD能准确掌握井身轨迹的变化情况，使轨迹得到有效的控制。 (2)在钻井过程中，随时观察扭矩、泵压的变化，发现问题及时分析与解决。 (3)勤测泥浆中固相含量的变化，确保固相含量不超标，从而影响螺杆的使用。有条件的话可以上三级固控设备。 (4)采取“转动+滑动”的复合钻进方式，利用无线随钻实时监测，能有效的确保井眼轨迹质量，使施工安全、快速进行;在稳斜过程中采用“转动+滑动”的复合钻进方式，有效降低摩阻和扭矩，降低施工风险。 (5)在定向造斜过程中使实际井斜略超前设计井斜，提前结束造斜段，使实钻稳斜段井斜略小于设计稳斜段井斜，在复合钻中使井斜微增至设计轨迹要求，达到快速、安全目的。参考文献 [1]王明寿.2006.寿阳区块煤层气勘探开发现状、地质特征及前景分析.北京：地质出版社 [2]大港油田.1999.钻井工程技术.北京：石油工业出版社 看了“定向井钻井技术论文”的人还看： 1. 地质钻探技术论文(2) 2. 地质录井方法与技术探讨论文 3. 采油技术发展展望科技论文 4. 超声波检测技术论文 5. 工程定额原理的应用论文

蔡记华1 谷穗2 乌效鸣1 刘浩1 陈宇1

基金项目:国家自然科学基金项目(40802031、41072111)。

作者简介:蔡记华,1978年生,男,湖北浠水人,博士、副教授,从事钻井液与储层保护方面的教学和研究工作,电话:,E-mail:。

(1.中国地质大学(武汉)工程学院 湖北武汉 4300742.中国地质大学武汉江城学院 湖北武汉 430200)

摘要:松软煤层中的钻进护孔技术是目前煤矿瓦斯抽采利用中亟待解决的技术难题之一。论文首先在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对其性能进行了综合研究。结果表明:可降解钻井液的降解性能人为可控,能适合煤矿井下作业环境;生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%~38.92%之间)。研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题,也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

关键词:松软煤层 瓦斯抽采 可降解钻井液 护孔 储层保护

Experimental Research on Degradable Drilling Fluid for Drilling in Unconsolidated and Soft Coal Seam

CAI Jihua1, GU Sui2, WU Xiaoming1, LIU Hao1, CHEN Yu1

(1.Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;2.Jiangcheng College, China University of Geosciences, Wuhan 430200, China)

Abstract: Technologies needed to stabilize the wellbore are among the most urgent problems that require be- ing resolved in the drainage and exploitation of coalmine methane (CMM) from unconsolidated and soft coal seams.In the first, the paper theoretically analyzed the borehole maintaining and biodegradation mechanisms of degradable drilling fluid.Then systematical study on its performance were carried out by utilizing rheology tests, mud cake remove tests and coal rock gas permeability tests.Results show that the degradation properties of degrad- able drilling fluid were controllable and it was fit for the coalmine operation environment.Furthermore, complex unplugging technologies employing enzymatic degradation plus acidification by HCl was effective in removing the damage caused by mud cakes of degradable drilling fluid and resuming the gas permeability of coal rock or even en- hance it by a ratio between 15.47% and 38.92%.Technological achievements of this paper can help to resolve the contradiction between borehole maintaining and reservoir protection, and also offer powerful theoretical and techni- cal foundation for drilling technology optimization and production capacity enhancement in vertical, horizontal and multi-lateral drilling for coalbed methane exploration.

Keywords: unconsolidated and soft coal sea; coalmine methane drainage and exploitation; degradable drill-ing fluid; borehole maintain; reservoir protection.

1 可降解钻井液的提出

根据抽采对象的不同,可将煤矿瓦斯抽采分为本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采[1]。由于我国地质构造条件复杂,成煤时代多,煤矿区分布广,煤储层特征差异大。简单起见,可划分为正常煤体结构的硬煤层和构造发育的松软煤层两种典型类型。对于松软煤层,由于煤与瓦斯突出、煤层松软、机械强度低等原因,采用清水或空气等常规排粉钻进方式时易出现塌孔、卡钻或喷孔等问题,打钻成孔困难,瓦斯抽采效率低。松软煤层的煤层气开发是我国煤层气产业化面临的最严峻的挑战之一[2~4],在此类煤层中钻进护孔技术是目前亟待解决的技术难题之一[5~6]。

为达到较好的护孔效果,通常在钻井液中添加纤维素、胍尔胶和生物聚合物等聚合物。纤维素和胍尔胶等起到增粘、降低摩阻和润滑作用以保持井壁稳定,而生物聚合物可以增强钻井液在水平井段内的岩屑悬浮能力。尽管这类钻井液对储层的伤害比传统泥浆要小,但还是会在井壁上形成了低渗透的滤饼。滤饼的不充分降解会极大地影响井壁的流动能力,结果是显著降低生产井的产量。因此,特别是在松散地层和高渗透性地层中,必须清除渗滤到地层中的钻井液以及沉积在井壁上的滤饼,以实现产量最大化。

近年来,针对松散地(储)层钻进中护孔和储层保护的矛盾,我们提出了一种环境友好的可降解钻井液的研究思路[7~11]:在钻进时能保持孔壁稳定,而在钻进工作结束后,钻井液能在生物酶和无机酸作用下实现降解、粘度下降,先前形成的滤饼破除、产层流体的流动性增强、恢复地下流体资源解吸扩散通道,达到提高地下流体资源产量效果的目的。

本文在上述研究基础上,在理论上分析了松散煤层钻进用可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对可降解钻井液的性能进行了综合研究。

2 可降解钻井液的作用机理

2.1 可降解钻井液的护孔作用机理

可降解钻井液主剂由粘土稳定剂(如KCl)、水溶型或酸溶型架桥粒子/加重剂(一般为细粒CaCO3或无机盐)、降滤失剂(主要是天然植物胶如淀粉或纤维素或胍尔胶)、流型调节剂(如生物聚合物XC)等组成,这些处理剂共同起到增粘和降低摩阻作用;当钻进结束后,加入能降解各种聚合物的生物酶破胶剂[12~15]和能溶解细粒CaCO3无机酸(通常是15%的HCl[12,14])或有机酸[13,16]来清除聚合物滤饼(主要由聚合物和CaCO3组成)对储层渗透性的伤害。下面分别阐述各种处理剂的作用机理。

(1)粘土稳定剂可以用来抑制煤岩中粘土矿物遇水后膨胀;

(2)水溶型或酸溶型架桥粒子可以在煤岩表面的孔隙或裂隙孔喉处形成架桥,起到防止钻孔漏失的目的,同时CaCO3或无机盐也可以适当增加钻井液的密度,起到平衡地层压力的作用;

(3)天然植物胶大分子物质相互桥接,滤余后附在孔壁上形成隔膜。这些隔膜薄而坚韧,渗透性极低,可以阻碍自由水继续向煤层渗漏(图1)。同时,这类聚合物钻井液具有良好的包被抑制性,能有效地抑制钻屑分散。另外,这类具有强亲水基团的长链环式高分子化合物易溶于水,形成的水溶液具有较高粘度,可以增强钻孔孔壁表面松散煤粒之间的胶结力,起到加固松软煤层孔壁的效果;

图1 Na-CMC在粘土颗粒上的吸附方式

(4)生物聚合物XC是一种优良的流型调节剂,用它处理的钻井液在高剪切速率下的极限粘度很低,有利于提高机械钻速;而在环形空间的低剪切速率下又具有较高的粘度,并有利于形成平板形层流,可增强钻井液在近水平煤层钻孔中的携岩效果。

2.2 可降解钻井液的生物降解作用机理

所谓降解,是指在物理因素、化学因素或生物因素等的作用下聚合物分子量降低的过程。从实用的角度出发,聚合物降解可分为热降解、机械降解、光化学降解、辐射化学降解、生物降解及化学降解等不同的引发方式[17]。下面以胍尔胶为例,阐述生物酶降解聚合物的作用机理。

胍尔胶属于半乳甘露聚糖类,所用胍尔胶分子主链由β-1,4糖甙键将D-甘露糖单元连接而成,D-半乳糖取代基通过α-1,6糖甙键接在甘露糖主链上,沿甘露糖主链随机分布,半乳糖与甘露糖单元之比约为1:1.6。半乳甘露聚糖特异复合酶可有效地水解半乳甘露聚糖,它由两种O键水解酶组合而成,两种酶的降解机理如图2所示。

第一种O键水解酶是α-半乳糖甙酶(蜜二糖酶),专门作用于半乳糖取代基,可用来水解末端的非还原性α-D-半乳糖甙键。第二种O键水解酶过去常用来分解胍尔胶分子,在此专门作用于甘露糖主链,这种水解酶被称作β-1,4甘露聚糖环内水解酶,可随机水解β-1,4-D-甘露糖甙键[18]。

后续室内实验采用的酶制剂是几种生物酶的复配物。特种酶1号(SE-1)以纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶为主,特种酶2号(SE-2)和特种酶4号(SE-4)以半乳甘露聚糖特异复合酶为主。

图2 胍尔胶糖甙键特异酶的降解机理

图3 胍尔胶钻井液的降粘曲线

3 可降解钻井液的室内试验

3.1 降粘效果评价

在理论分析基础上,进行了生物酶降解聚合物的室内实验,以钻井液流变参数为主要评价指标,用几种特种酶来降解单一聚合物或复配聚合物。将生物酶分别加入单一聚合物和复合聚合物中,研究生物酶对这些可降解钻井液的降粘效果,将表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)和动切力(YP)随时间的变化关系绘制成曲线如图3~图5所示。

3.1.1 单一聚合物钻井液

从图3可以看出,在特种酶SE-1的作用下,在48.5h之内,质量浓度为0.5%的胍尔胶钻井液的表观粘度从23.5mPa·s降低到5mPa·s。塑性粘度和动切力也呈现出类似的变化规律。

由图4可以看出,在特种酶SE-1的作用下,在48.5h之内,质量浓度为0.75%的羧甲基纤维素钻井液的表观粘度从20.5mPa·s降低到6mPa·s。

由于特种生物酶SE-1同时含有纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶,它对胍尔胶和羧甲基纤维素均有较好的降解效果。

3.1.2 复配聚合物

从图5可以看出,在特种酶SE-2的作用下,在46h之内,由质量浓度为0.3%羧甲基纤维素和0.2%胍尔胶组成的复合聚合物钻井液的表观粘度从25.5mPa·s降低到5mPa·s。随着时间的变化,塑性粘度和动切力也按类似的规律下降。

由图3~图5可以看出,在生物酶作用下,聚合物能实现有效的降解,聚合物大分子逐渐断链变成小分子,钻井液粘度降低,在煤储层中的流动性增强,从而恢复煤层气解吸释放的通道。

图4 羧甲基纤维素钻井液的降粘曲线

图5 复配聚合物钻井液的降粘曲线

3.2 滤饼清除实验

实验目的是通过观察可降解钻井液滤饼在生物酶破胶剂(和无机酸)的作用下滤饼表面的变化情况、考察滤饼的解堵效果(结果分别如图6~图7所示)。可降解钻井液的配方如下:

配方1:400ml水+2.6gCMC+4gDFD+4.8gCaCO3+NH4HCl(调节pH),先后采用0.00625%的SE-4溶液和5%HCl浸泡滤饼。

配方2:400ml水+1.6gCMC+8g膨润土,采用0.04%JBR溶液浸泡滤饼。

配方1的滤饼清除实验结果如图6所示,可以看出:单独使用生物酶SE-4只能清除该套体系中的CMC(图6-b),而对CaCO3等影响不大。当用5%HCl浸泡2h后,滤饼变得非常薄,说明CaCO3已与HCl充分反应[1]。

图6 滤饼的外观变化图

按照配方2所配制钻井液的滤饼清除实验结果如图7所示。由于这种配方中只有CMC这种聚合物,在用JBR溶液浸泡5h后,可降解钻井液的滤饼已基本降解完全。

图7 JBR作用下可降解钻井液(配方4)滤饼清除情况

3.3 煤岩气体渗透率测试

煤矿井下瓦斯抽放的最终目的就是恢复煤层的渗透率,获得较高的瓦斯抽放量。因此,渗透性的恢复对于可降解钻井液而言是一个更加直接的衡量指标。采用JHGP智能气体渗透率和JHLS智能岩心流动实验仪对可降解钻井液进行渗透性恢复实验,实验步骤详见参考文献[11]。

煤岩气体渗透率测试结果(表1)表明:晋-3煤样经过“污染—生物酶降解—酸化”三个阶段,其渗透率表现出“下降—上升—上升”的趋势,而且经过生物酶降解和酸化(也包括之前的加热处理)之后,煤岩的气体渗透率甚至超过了污染前的气体渗透率(如图8所示,推测盐酸亦与煤岩中的方解石和白云石发生反应,增大了煤岩孔隙裂隙),这也证实了“生物酶降解—酸化处理”的综合解堵工艺是有效的,有利于提高煤层气藏的采收率。

表1 煤岩气体渗透率

注:(1)下游压力(出口压力)为0.1MPa(即1个大气压);(2)△K=(K4-K1)*100/K1。

图8 不同处理阶段煤岩平均气体渗透率变化情况

4 结论

论文在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理,并通过流变性评价、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等实验手段对可降解钻井液进行了综合研究,主要得出以下结论:

(1)可降解钻井液的降解性能人为可控,能适合煤矿井下作业环境;

(2)生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害,并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%~38.92%之间);

(3)研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题,也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

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中文八千字。