松软煤层钻进用可降解钻井液的试验研究

论文摘要

煤层气,俗称瓦斯,是指赋存于煤层中的以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。中国的煤层气储量巨大,位居世界第三,但储层具有渗透率低、储层压力低、含气饱和度低等不利特点。我国地质条件构造复杂,成煤时代多,煤矿区分布广,煤储层特征差异大。一般可简单地将煤层分为正常煤体结构的硬煤层和构造发育的松软煤层两种类型。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、卡钻和喷孔等问题,打钻成孔较为困难,瓦斯抽采率低。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,在此类煤层中钻进护孔技术是目前亟待解决的关键难题之一。另外,钻进瓦斯抽采孔的主要目的之一是抽采煤层气,因此要求所用钻进循环介质具有良好的储层保护效果,尽可能不伤害煤储层,即不堵塞煤层气解吸释放的通道。钻井液是实现钻进护孔和储层保护的关键技术之一。在此,我们提出一种环境友好型可降解钻井液的研究思路,即在钻进时能保持孔壁稳定,而在钻进工作结束后,能自动降解并恢复煤层气的解吸扩散通道,实现护孔和储层保护的双重目的。论文分为七章,各章主要内容如下：第一章简要的介绍了当前的煤层气实际生产中的钻井液技术,对松软煤层的定义及划分标准进行了介绍,介绍了论文的选题背景和选题意义,对全文的研究内容进行了简要的概括,并提出了需解决的关键技术。第二章对研究对象晋-3号煤层的物性进行了分析。晋-3号煤为无烟煤,裂隙尺寸在1-10μm,煤样中几乎不含水化性较强的粘土矿物,孔隙率在10%左右,气体渗透率分布在0.3-0.5mD之间。第三章分析了煤层气钻井中的储层伤害因素及适用钻井液的性能要求。煤储层钻井中的伤害来源于钻井液中固相颗粒的堵塞、煤与钻井液中高聚物的相互作用、煤基质的吸附膨胀、压力敏感性、水锁伤害、外来流体的不配伍性等六大因素。对应用于煤层气水平井的钻井液应满足五个方面的要求,即井眼净化、井壁稳定、井眼润滑降阻、滤失控制和储层保护。第四章对可降解钻井液的暂堵机理进行了分析。即前期通过碳酸钙、聚合物以及二者的联合作用实现堵漏,后期则通过“酶解+酸解”的方式进行解堵,同时酸解过程中会发生煤岩的酸化作用。第五章优选出一套应用于煤层气水平井中的可降解钻井液,即：1000ml水+6.5gCMC+l OgDFD+12gCaCO3,并以JBR生物酶和+5%的稀盐酸分步解堵。相关性能测试表明,该套钻井液具有较低的比重和失水量、良好的剪切稀释性。膨胀性测试表明对煤样的膨胀具有一定的抑制作用；该套钻井液中固相颗粒粒径分布域宽；泥浆自身具有良好的稳定性和润滑性；静态条件下对20目以下煤渣具有较好的悬浮效果。第六章是本文的重点,即关于储层保护的降解性评价方法。本章首先对生物酶降解高聚物的效果评价方法进行了系统的总结与评价。涉及到的评价方法有八种,即粘度衰减法、泥饼清除法、岩心渗透率恢复测定法、还原糖测定法、二氧化碳排量测定法、溶解氧测定法、激光粒度分析测定法、霉菌法。然后用粘度衰减法对暂堵型钻井液的降解性进行评价。研究表明其在4h内即可实现破胶75%以上。泥皮清除实验结果表明,可降解钻井液在“酶解+酸解”的作用下,在2h+2h的时间内可以实现完全解堵,且二者缺一不可。激光粒度分析法表明随着降解的进行,浆液中颗粒的粒径中值将由437μm降至15μm。最后运用该套配方对原状煤样和人工煤样进行了降解性测试,结果表明只有“酶解+酸解”才能实现封堵储层的完全解堵。第七章对全文进行了总结,提出了论文的主要创新点和需要进一步完善的思路。本文的主要创新点有五个（1）在常规的生物酶可降解钻井液的基础上,提出了一种新型的“酶解+酸解”的复合型可降解钻井液。(2根据光学原理,将通常用于水质分析的分光光度计用于评价含有大量固相颗粒成分的钻井液的稳定性判断。（3）根据钻井液悬渣过程中液柱压力会发生变化的原理,自制了一套评价钻井液对钻渣悬浮效果好坏的装置,并建立了一套评价标准。（4）将激光粒度分析仪用于可降解钻井液降解效果的评价。（5）提出了加热可以增加煤岩渗透率的规律并用实验的方法进行了研究。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 常用煤层气钻井液技术
• §1.3 松软煤层概述
• 1.3.1 f系数的测定
• 1.3.2 松软煤层的划分
• §1.4 研究思路
• 1.4.1 选题目的与意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 需解决的关键技术
• 第二章 煤岩物性分析
• §2.1 晋-3号煤岩电镜扫描
• §2.2 晋-3号煤岩矿物鉴定
• §2.3 晋-3 号煤岩孔隙及渗透率测试
• 第三章 煤层气钻井储层伤害及适用钻井液性能要求分析
• §3.1 煤层钻井过程中的储层伤害机理
• 3.1.1 钻井液固相颗粒对煤储层的堵塞
• 3.1.2 煤与钻井液中的高分子聚合物相互作用产生堵塞
• 3.1.3 煤基质吸附膨胀造成的伤害
• 3.1.4 压力敏感性对煤层伤害的影响
• 3.1.5 水锁伤害
• 3.1.6 外来流体的不配伍性造成的伤害
• §3.2 煤层气水平井对钻井液的性能要求
• 3.2.1 井眼净化
• 3.2.2 井壁稳定
• 3.2.3 井眼润滑降阻问题
• 3.2.4 滤失控制
• 3.2.5 储层保护
• 第四章 可降解钻井液的暂堵机理
• §4.1 传统暂堵型钻井液的暂堵机理
• 4.1.1 堵漏原理
• 4.1.2 解堵原理
• §4.2 可降解钻井液的暂堵机理
• 4.2.1 护孔机理
• 4.2.2 生物酶解堵
• 4.2.3 碳酸钙的酸化解堵
• 4.2.4 煤岩酸化
• 第五章 可降解钻井液的性能研究
• §5.1 材料优选及可降解钻井液的复配
• 5.1.1 高聚物及生物酶的优选
• 5.1.2 生物酶的最佳降解条件
• 5.1.3 可降解泥浆的初步筛选试验
• 5.1.4 碳酸钙和酸液的优选
• 5.1.5 可降解泥浆的复配
• §5.2 可降解钻井液的性能测试
• 5.2.1 基本性能测试
• 5.2.2 煤岩的侵入膨胀实验
• 5.2.3 钻井液的粒度分析
• 5.2.4 沉降稳定性评价
• 5.2.5 极压润滑实验
• 5.2.6 悬渣实验
• 5.2.7 酸液的腐蚀性测试
• 第六章 可降解钻井液的降解性能及煤岩渗透性恢复测试
• §6.1 生物酶降解高聚物的评价方法
• 6.1.1 粘度衰减法
• 6.1.2 泥饼清除法
• 6.1.3 岩心渗透率恢复测定法
• 6.1.4 还原糖测定法
• 6.1.5 二氧化碳排量测定法
• 6.1.6 溶解氧测试法
• 6.1.7 激光粒度分析测试法
• 6.1.8 霉菌法
• 6.1.9 降解评价方法总结
• §6.2 可降解钻井液的降解性能测试
• 6.2.1 基本材料的降解测试
• 6.2.2 可降解泥浆的降解测试
• 6.2.3 泥皮清除实验
• 6.2.4 激光粒度分析法
• §6.3 原状煤样渗透性恢复测试
• 6.3.1 测试评价方法和仪器
• 6.3.2 测试步骤
• 6.3.3 实验数据及分析
• §6.4 人工煤样渗透性恢复测试
• 6.4.1 测试评价方法和仪器
• 6.4.2 测试步骤
• 6.4.3 实验数据及分析
• 第七章 结论与展望
• §7.1 主要结论及创新点
• 7.1.1 论文主要结论
• 7.1.2 主要创新点
• §7.2 论文不足及进一步研究思路
• 致谢
• 参考文献