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鄂尔多斯盆地深部煤层井壁失稳机理及钻井液对策

吕坤鸿 张辉 田得粮 杨博远 李军 欧阳勇 安锦涛 秦程

吕坤鸿,张辉,田得粮,等. 鄂尔多斯盆地深部煤层井壁失稳机理及钻井液对策[J]. 钻井液与完井液,2024,41(5):564-573 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.05.001
引用本文: 吕坤鸿,张辉,田得粮,等. 鄂尔多斯盆地深部煤层井壁失稳机理及钻井液对策[J]. 钻井液与完井液,2024,41(5):564-573 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.05.001
LYU Kunhong, ZHANG Hui, TIAN Deliang, et al.Mechanisms of borehole wall instability of deep coal seam in Ordos basin and drilling fluid countermeasures[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2024, 41(5):564-573 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.05.001
Citation: LYU Kunhong, ZHANG Hui, TIAN Deliang, et al.Mechanisms of borehole wall instability of deep coal seam in Ordos basin and drilling fluid countermeasures[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2024, 41(5):564-573 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.05.001

鄂尔多斯盆地深部煤层井壁失稳机理及钻井液对策

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.05.001
基金项目: 国家重大科研仪器研制项目“钻井复杂工况井下实时智能识别系统研制”(52227804);中国石化石油工程技术研究院基金项目“页岩气超长水平井套管下入摩阻形成机制及控制方法研究”(35800000-22-ZC0699-0004)。
详细信息
    作者简介:

    吕坤鸿,中国石油大学(北京)在读博士研究生,主要从事井壁稳定及钻井液技术研究工作。电话 18226440351;E-mail:lkhyxr168@163.com。

    通讯作者:

    张辉,教授,主要从事钻井流体力学和管柱力学方面研究;E-mail:zhanghuicup@163.com。

  • 中图分类号: TE254.3

Mechanisms of Borehole Wall Instability of Deep Coal Seam in Ordos Basin and Drilling Fluid Countermeasures

  • 摘要: 针对鄂尔多斯盆地深部煤层井壁失稳问题,从岩心矿物组分、微观结构、理化性能和力学性质等角度揭示了纳林1井区本溪组8#煤储层井壁失稳机理,发现煤岩的割理裂缝结构及碳质泥岩的易水化分散矿物含量高是导致井壁失稳的主要原因。结合“多元协同”井壁稳定理论,提出“封堵性+抑制性+润滑性”的三效协同防塌钻井液技术对策。通过优选关键抑制剂、封堵剂和润滑剂,形成了适用于纳林1井区本溪组的防塌钻井液体系,并从基本性能、封堵性、抑制性和压力传递能力等角度进行了综合评价。该防塌钻井液流变性能良好,API滤失量仅为2.4 mL,高温高压滤失量仅为7.5 mL;抑制能力强,滚动回收率大于90%,16 h线性膨胀率小于5%;封堵性能优良,400 μm开度裂缝的承压能力达到5 MPa。现场应用表明,新研制的防塌钻井液能有效抑制纳林1井区深部煤层坍塌,应用井段井径扩大率降低,机械钻速提高,无井下复杂事故发生,该套体系能够满足现场煤岩气钻井的需要,具有较好的推广应用前景。

     

  • 图  1  煤岩和碳质泥岩全岩矿物分析

    图  2  煤岩和碳质泥岩黏土矿物分析

    图  3  煤岩断面示意图

    图  4  现场岩屑形态

    图  5  煤岩电镜扫描示意图

    图  6  碳质泥岩电镜扫描示意图

    图  7  煤岩/碳质泥岩在不同作用液体中的滚动回收率

    图  8  煤岩/碳质泥岩在不同作用液体中的膨胀量

    图  9  不同抑制剂的滚动回收率实验

    图  10  不同抑制剂的线性膨胀实验

    图  11  不同封堵剂的高温高压滤失量和API滤失量

    图  12  防塌钻井液压力传递测试曲线

    表  1  煤岩/碳质泥岩的单轴抗压强度

    岩性单轴抗压强度/MPa单轴弹性模量/GPa泊松比
    煤岩13.1722.320.42
    7.9524.860.41
    8.4923.470.42
    碳质泥岩21.3420.080.38
    20.3421.410.41
    24.2919.320.35
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    表  2  煤岩/碳质泥岩的三轴抗压强度

    岩性围压/

    MPa
    抗压强
    度/
    MPa
    弹性模
    量/
    GPa
    泊松比内摩擦
    角/(
    °)
    内聚
    力/
    MPa
    煤岩023.734.510.399.6911.03
    1041.145.160.28
    2052.324.800.31
    碳质泥岩027.8026.570.2311.1813.60
    1049.5532.380.31
    2059.2127.620.40
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    表  3  煤岩/碳质泥岩的单轴抗压强度

    岩性浸泡
    介质
    浸泡
    时间/h
    单轴抗压
    强度/MPa
    单轴弹性
    模量/GPa
    泊松比
    煤岩清水610.7515.450.35
    129.3715.340.25
    248.8813.450.41
    钻井液612.4526.370.31
    129.9728.840.41
    248.4823.570.44
    碳质
    泥岩
    清水622.5729.280.48
    1225.3526.330.39
    2421.3524.150.42
    钻井液627.4936.280.25
    1227.4638.910.25
    2425.4035.690.37
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    表  4  煤岩/碳质泥岩在不同液体浸泡后的三轴抗压强度

    岩性浸泡
    介质
    t浸泡/
    h
    围压/

    MPa
    抗压
    强度/

    MPa
    弹性
    模量/
    GPa
    泊松
    内摩
    擦角/
    (°)
    内聚
    力/
    MPa
    煤岩清水61036.105.250.2715.277.24
    2053.256.310.34
    121032.374.890.3013.766.33
    2048.616.180.29
    241026.444.520.2413.244.16
    2042.385.850.37
    钻井液61037.695.420.3415.867.62
    2055.215.950.30
    121034.135.200.2315.406.44
    2051.365.740.31
    241029.184.860.2714.634.80
    2045.945.250.30
    碳质
    泥岩
    清水61042.2722.740.3011.6711.08
    2057.3420.630.34
    121038.2018.380.369.7810.16
    2052.2917.120.27
    241034.7715.200.338.759.08
    2048.3615.960.37
    钻井液61044.0132.580.3913.8910.84
    2060.3334.320.27
    121040.5930.380.3413.5210.04
    2057.6930.870.45
    241037.3827.890.4811.958.98
    2052.6025.050.44
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    表  5  不同润滑剂润滑性测试结果(120 ℃、16 h)

    配方测定条件黏附系数润滑系数
    现场钻井液热滚前0.1980.218
    热滚后0.2050.231
    GRA热滚前0.0610.073
    热滚后0.0690.084
    JM-1热滚前0.0910.098
    热滚后0.0980.105
    RT101热滚前0.0670.080
    热滚后0.0720.086
    SD-505热滚前0.1430.157
    热滚后0.1520.164
    BZ-BL热滚前0.0980.113
    热滚后0.1050.126
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    表  6  防塌钻井液的基本性能

    实验条件 ρ/
    kg·L−1
    AV/
    mPa·s
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    Gel/
    Pa/Pa
    FLAPI/
    mL
    FLHTHP/
    mL
    老化前 1.40 37 23 14 3.5/8.0 2.0 7.5
    老化后 1.40 39 24 15 3.5/7.5 2.4
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    表  7  防塌钻井液的抑制性能评价

    钻井液体系岩样滚动回收率/%16 h线性膨胀率/%
    清水煤岩68.516.2
    碳质泥岩70.514.8
    现场钻井液煤岩78.38.5
    碳质泥岩85.58.2
    防塌钻井液煤岩93.14.5
    碳质泥岩94.24.1
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    表  8  防塌钻井液渗透性封堵性能评价

    钻井液石英砂粒径/目滤液侵入深度/mmFL/mL
    现场钻井液40~6018.20
    60~8016.90
    防塌钻井液40~6012.40
    60~8010.50
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    表  9  防塌钻井液裂缝性封堵性能评价

    钻井液裂缝介质t承压/minP/MPa漏失量/mL
    现场钻井液200 μm裂缝盘300
    10
    20
    30
    40
    50
    400 μm裂缝盘300
    10
    210
    325
    4穿透
    防塌钻井液200 μm裂缝盘300
    10
    20
    30
    40
    50
    400 μm裂缝盘300
    10
    20
    30
    45
    512
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  • [1] 邹才能, 杨智, 黄士鹏, 等. 煤系天然气的资源类型、形成分布与发展前景[J]. 石油勘探与开发,2019,46(3):433-442. doi: 10.11698/PED.2019.03.02

    ZOU Caineng, YANG Zhi, HUANG Shipeng, et al. Resource types, formation, distribution and prospects of coal-measure gas[J]. Petroleum Exploration and Development, 2019, 46(3):433-442. doi: 10.11698/PED.2019.03.02
    [2] 徐凤银, 闫霞, 李曙光, 等. 鄂尔多斯盆地东缘深部(层)煤层气勘探开发理论技术难点与对策[J]. 煤田地质与勘探,2023,51(1):115-130. doi: 10.12363/issn.1001-1986.22.06.0503

    XU Fengyin, YAN Xia, LI Shuguang, et al. Theoretical and technological difficulties and countermeasures of deep CBM exploration and development in the eastern edge of Ordos basin[J]. Coal Geology & Exploration, 2023, 51(1):115-130. doi: 10.12363/issn.1001-1986.22.06.0503
    [3] 郭旭升, 胡宗全, 李双建, 等. 深层—超深层天然气勘探研究进展与展望[J]. 石油科学通报,2023,8(4):461-474. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2023.04.035

    GUO Xusheng, HU Zongquan, LI Shuangjian, et al. Progress and prospect of natural gas exploration and research in deep and ultra-deep strata[J]. Petroleum Science Bulletin, 2023, 8(4):461-474. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2023.04.035
    [4] 杨秀春, 徐凤银, 王虹雅, 等. 鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发历程与启示[J]. 煤田地质与勘探,2022,50(3):30-41. doi: 10.12363/issn.1001-1986.21.12.0823

    YANG Xiuchun, XU Fengyin, WANG Hongya, et al. Exploration and development process of coalbed methane in eastern margin of Ordos basin and its enlightenment[J]. Coal Geology & Exploration, 2022, 50(3):30-41. doi: 10.12363/issn.1001-1986.21.12.0823
    [5] 王维, 韩金良, 王玉斌, 等. 大宁-吉县区块深层煤岩气水平井钻井技术[J]. 石油机械,2023,51(11):70-78.

    WANG Wei, HAN Jinliang, WANG Yubin, et al. Drilling technology for deep coal rock gas horizontal wells in Da'ning-Jixian block[J]. China Petroleum Machinery, 2023, 51(11):70-78.
    [6] 阎荣辉, 王京光, 何旺, 等. 鄂尔多斯盆地深层煤岩气井储层坍塌及伤害主控因素研究[J]. 钻采工艺,2023,46(6):8-13. doi: 10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.06.02

    YAN Ronghui, WANG Jingguang, HE Wang, et al. Study on the main controlling factors of reservoir collapse and damage in deep coal gas wells in Ordos basin[J]. Drilling & Production Technology, 2023, 46(6):8-13. doi: 10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.06.02
    [7] 牛小兵, 赵伟波, 史云鹤, 等. 鄂尔多斯盆地本溪组天然气成藏条件及勘探潜力[J]. 石油学报,2023,44(8):1240-1257. doi: 10.7623/syxb202308004

    NIU Xiaobing, ZHAO Weibo, SHI Yunhe, et al. Natural gas accumulation conditions and exploration potential of Benxi formation in Ordos basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2023, 44(8):1240-1257. doi: 10.7623/syxb202308004
    [8] 张建斌, 贾俊, 刘兆利. 长庆气田碳质泥岩防塌钻井液技术[J]. 钻井液与完井液,2018,35(3):68-73. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2018.03.011

    ZHANG Jianbin, JIA Jun, LIU Zhaoli. Drilling fluid technology for preventing collapse of carbargilite formation in Changqing gas field[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2018, 35(3):68-73. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2018.03.011
    [9] 王睿, 王兰. 川中震旦系灯影组井壁失稳机理及防塌钻井液技术[J]. 钻采工艺,2019,42(2):108-111. doi: 10.3969/J.ISSN.1006-768X.2019.02.30

    WANG Rui, WANG Lan. Mechanism of wellbore instability and anti collapse drilling fluid technology in the Dengying formation of the Sinian system in central Sichuan[J]. Drilling & Production Technology, 2019, 42(2):108-111. doi: 10.3969/J.ISSN.1006-768X.2019.02.30
    [10] 孙金声,王韧,龙一夫,等. 我国钻井液技术难题、新进展及发展建议[J]. 钻井液与完井液,2024,41(1):1-30.

    SUN Jinsheng, WANG Ren, LONG Yifu, et al. Challenges, developments, and suggestions for drilling fluid technology in China[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2024, 41(1):1-30
    [11] 叶成, 高世峰, 鲁铁梅, 等. 玛18井区水平井井壁失稳机理及强封堵钻井液技术研究[J]. 石油钻采工艺,2023,45(1):38-46.

    YE Cheng, GAO Shifeng, LU Tiemei, et al. Well instability mechanism and strong plugging drilling fluid technology of horizontal well in Ma 18 well block[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2023, 45(1):38-46.
    [12] 林海, 陈磊, 张艺聪, 等. 宁武盆地4#和9#煤岩坍塌机理[J]. 钻井液与完井液,2014,31(5):14-17. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2014.05.004

    LIN Hai, CHEN Lei, ZHANG Yicong, et al. Mechanism of collapse of coal and rock formations in Ningwu basin, 4#and 9#[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2014, 31(5):14-17. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2014.05.004
    [13] 王艳. 多元协同井壁稳定水基钻井液研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2016.

    WANG Yan. Research on multi element collaborative well wall stable water based drilling fluid[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2016.
    [14] 李东平, 赵贤正, 王子毓, 等. 新型有机硅聚合物抑制封堵剂性能及作用机制[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(4):135-141.

    LI Dongping, ZHAO Xianzheng, WANG Ziyu, et al. Performance and mechanism of new silicone polymer for inhibitor and plugging agent[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2020, 44(4):135-141.
    [15] 陈晓华, 邱正松, 冯永超, 等. 鄂尔多斯盆地富县区块强抑制强封堵防塌钻井液技术[J]. 钻井液与完井液,2021,38(4):462-468. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2021.04.010

    CHEN Xiaohua, QIU Zhengsong, FENG Yongchao, et al. An anti-collapse drilling fluid with strong inhibitive and plugging capacity for use in the Fuxian block in Ordos basin[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2021, 38(4):462-468. doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2021.04.010
    [16] 陈文可, 郑和, 龚厚平, 等. 中江区块沙溪庙组井壁失稳机理及烷基糖苷防塌钻井液[J]. 钻井液与完井液,2023,40(4):438-445.

    CHEN Wenke, ZHENG He, GONG Houping, et al. Mechanisms of borehole instability of the Shaximiao formation in block Zhongjiang and the anti-collapse alkyl glycoside drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2023, 40(4):438-445
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-08
  • 修回日期:  2024-05-08
  • 录用日期:  2024-05-08
  • 刊出日期:  2024-11-07

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