【正文】 過(guò)程中鉆井液中任何化學(xué)物質(zhì)對(duì)煤體的接觸都是有害的。這種表面電荷對(duì)鉆井、地層傷害和生產(chǎn)有重要的作用。這一切都有可能傷害地層。 煤層氣儲(chǔ)層物理化學(xué)性質(zhì)（1） 煤是有很強(qiáng)吸附能力的大分子結(jié)構(gòu) 煤巖富含有機(jī)質(zhì)（主要為腐殖型），其有機(jī)質(zhì)含量大于90%；煤又是一種多孔、隔離發(fā)育的雙重介質(zhì)，具有非常大的內(nèi)表面，一般為10～40m2/g。端割理只發(fā)育于兩條面割理之間，常與層面垂直或近似垂直，一般連續(xù)性較差，縫壁不規(guī)則，是煤層中的次內(nèi)生裂隙。如果煤層的空隙和裂縫一旦受到損害，其受損害程度將比常規(guī)油氣層嚴(yán)重的多，不僅使氣體的滲流通道受損，而且還會(huì)影響到煤層氣的解吸過(guò)。煤成熟度是煤經(jīng)受化學(xué)變化(也稱為巖化作用)程度的量。所有這些都可以進(jìn)一步分為煤的單一基本微觀結(jié)構(gòu)。特征相似的煤微觀結(jié)構(gòu)可以組成顯微鏡下可觀察的單元，稱為顯微煤巖，這類似于沉積巖(如砂巖)中的薄層。煤化作用持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，煤成熟度就越高。(1) 煤層氣儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙基質(zhì)孔隙又稱微孔隙，直徑一般為5～10埃米，煤的微孔隙極其發(fā)育，煤層氣的絕大部分是吸附在微孔隙的表面，由于微孔隙的直徑很小，一般認(rèn)為水不能到達(dá)微孔隙系統(tǒng)中。外生裂隙外生裂隙是指煤層在較強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的裂隙，按成因可分為三種：剪性外生裂隙、張性外生裂隙和劈理。因此，煤層對(duì)煤層氣具有較強(qiáng)的吸附能力，其吸附量可達(dá)10～35 m3/t。（4） 煤層的機(jī)械強(qiáng)度低煤層性脆、易碎，機(jī)械強(qiáng)度低，易于壓縮。 煤層氣儲(chǔ)層傷害機(jī)理分析煤層氣鉆井過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害是一個(gè)復(fù)雜因素，主要有鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害及鉆井壓力對(duì)儲(chǔ)層的傷害等。鉆井過(guò)程中鉆井液的固相顆粒對(duì)煤層裂隙系統(tǒng)的充填堵塞是客觀存在的，鉆井液中的固相顆?？蓙?lái)自鉆井液中的粘土顆粒，也可來(lái)自鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑。聚合物類泥漿侵入煤層，會(huì)因高分子聚合物的吸附作用引起粘土絮凝堵塞和羧基水化作用引起粘土膨脹堵塞，從而降低滲透率。煤儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)儲(chǔ)集巖不同，煤的彈性模量小，而泊松比較高。鉆井過(guò)程中的壓力變化，很可能引起煤層發(fā)生這種變化。采用水基鉆井液進(jìn)行欠平衡鉆井時(shí)，地層被打開(kāi)后，由于存在“原始”和“束縛”水飽和度之間的差異，產(chǎn)生很大的毛細(xì)管壓力差，會(huì)導(dǎo)致水基鉆井液濾液和固相逆流吸人近井帶地層，導(dǎo)致煤層傷害在一常規(guī)設(shè)計(jì)的過(guò)平衡鉆進(jìn)中，由于應(yīng)用了合適的架橋和降濾失劑，可以在地層表面形成一滲透率近于零的濾餅來(lái)阻止自吸人發(fā)生，而在欠平衡鉆井過(guò)程中，由于井內(nèi)液柱壓力低于地層壓力，因此投有形成起架橋和密封作用的濾餅動(dòng)力，這相當(dāng)于在與井眼相連處使氣水直接接觸。消除的方法是采用潤(rùn)滑性好的鉆井液。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同的流量下，～。過(guò)平衡鉆井對(duì)地層造成的傷害很可能使預(yù)期本應(yīng)該出現(xiàn)的油氣顯示沒(méi)有出現(xiàn)，從而影響了油氣的勘探。（8）可以降低井漏風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約鉆井成本。這不僅可提高油氣勘探的效率和準(zhǔn)確性，而且也可為鉆井施工本身提供有用的信息，便于隨時(shí)調(diào)整鉆井措施和地面操作方法，提高鉆井施工的安全性。然而不同的鉆井方式，不同的鉆井液體系，對(duì)煤儲(chǔ)層造成的傷害程度不同。2）在大多數(shù)欠平衡鉆井作業(yè)中，一般使用表面活性劑來(lái)抑制穩(wěn)定乳狀液的形成。另外還要確保產(chǎn)出液與溫度較低的循環(huán)鉆井液接觸時(shí)，石蠟不會(huì)結(jié)晶析出。用氣體作為鉆井介質(zhì)，不但會(huì)引起鉆屑輸送和井眼清潔不良等潛在問(wèn)題，而且還可能產(chǎn)生干研磨現(xiàn)象，致使鉆頭溫度過(guò)高，鉆屑過(guò)細(xì)，從而顯著降低低滲彈性地層的油氣產(chǎn)量。油藏地質(zhì)工程提供的地層孔隙壓力主要是試油靜壓、鉆桿測(cè)試壓力及RFT(MFT)測(cè)試壓力，所鉆井的壓力可根據(jù)油層深度校正。s Qm——鉆井液排量，L/s； Dp——鉆柱直徑，mm； Dh——井眼直徑和套管直徑，mm； Lp——鉆桿長(zhǎng)度，m； Yp——屈服值，Pa。合理的流變性既滿足攜砂要求又能減少對(duì)井壁穩(wěn)定的不利影響。(4) 泡沫鉆井，井底負(fù)壓值設(shè)計(jì)余地較大，考慮到循環(huán)系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性（有氣相存在），井底負(fù)壓值可設(shè)計(jì)得大一些，防止出現(xiàn)過(guò)平衡，但要兼顧井壁穩(wěn)定和地面處理能力。如果負(fù)壓差過(guò)大，流體產(chǎn)出速度很高，對(duì)于速敏感性地層，極易引起儲(chǔ)層內(nèi)部微粒運(yùn)移，堵塞孔喉，導(dǎo)致近井地帶的儲(chǔ)層傷害。而對(duì)于勘探井，由于地層壓力有許多的不確定性，所以只能作為參考。尺=泵出口壓力壓井排量時(shí)的壓耗。鉆桿內(nèi)靜液柱壓力： 環(huán)空靜液柱壓力： （2—5）——環(huán)空混合液密度，g/cm33)環(huán)空壓耗(Ppa):環(huán)空壓耗是由于鉆井液的流動(dòng)而產(chǎn)生的，與鉆井液性能和鉆井參數(shù)有很大的關(guān)系。5)井口回壓(P回):當(dāng)?shù)貙恿黧w不斷進(jìn)入井筒內(nèi)，環(huán)空的靜液柱壓力不斷下降，欠壓值也急劇升高，如果不在井口控制一定的回壓，從而控制地層流體的流入量，將會(huì)給欠平衡鉆井帶來(lái)很大的危害。由于實(shí)際儲(chǔ)層為徑向流，所以在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室冊(cè)得的臨界流量時(shí)應(yīng)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的線性臨界流量(或臨界流速)轉(zhuǎn)化為實(shí)際礦場(chǎng)的徑向臨界流量(或臨界流速)，使井壁流速滿足下式: (2—9)由滲流力學(xué)達(dá)西定律可以得到油井產(chǎn)量Q地與井底壓差的關(guān)系公式達(dá)西公式。s； φ——孔隙度，小數(shù)。(B)氣井: Δp欠＜Δp欠3max，則不會(huì)發(fā)生速敏。研制出欠平衡鉆井地面數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng),可依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的鉆井作業(yè)參數(shù)和產(chǎn)出流體的量,以及立管壓力和套管壓力與實(shí)際井底壓力間的數(shù)學(xué)關(guān)系及軟件計(jì)算,調(diào)節(jié)鉆井液密度和井口回壓來(lái)控制井底負(fù)壓差。（2）　利用井口回壓控制井底負(fù)壓差當(dāng)原始的地面注入條件使井底處于欠平衡條件時(shí),由于氣侵環(huán)空存在氣—液兩相流動(dòng),井底壓力將減小。另外，確定欠壓值時(shí)，還應(yīng)考慮使用鉆井液的成本問(wèn)題。則: （2—28）由于地面管匯壓耗、鉆柱內(nèi)的壓耗和鉆頭噴嘴壓耗沒(méi)有因地層流體的侵入而改變，所以這些壓力是相等的，通過(guò)簡(jiǎn)化上式即變成如下的等式:整理后便得出：根據(jù)前述公式可推導(dǎo)出如下等式： (2—29)在式(2—29)中唯一能控制的只有P回，通過(guò)調(diào)節(jié)P回保證式(2—29)成立，即保證了欠平衡鉆井時(shí)循環(huán)壓耗等于欠平衡初始時(shí)的循環(huán)壓耗，即可保證設(shè)計(jì)的欠壓值等于實(shí)際的欠壓值。所以求出新的鉆井濃密度下初始循環(huán)壓耗。無(wú)固相清潔鹽水鉆井液體系是一種不含粘土、含有一定化學(xué)抑制劑（用于抑制地層造漿）密度接近于清水的鉆井液完井液體系。常用的無(wú)固相清潔鹽水鉆井液的配制：1）NaCl鹽水體系 由于NaCl來(lái)源廣，成本低，因此NaCl鹽水液最為常用，～，為防止地層粘土的水化，在配制過(guò)程中一般加1%～3%的KCl，作為底層損害抑制劑，整個(gè)體系的密度由NaCl得濃度確定。KCl鹽水體系使用聚合物的情況與NaCl鹽水體系基本相同，KCl與聚合物的復(fù)配使用使該體系對(duì)黏土水化的抑制作用更加增強(qiáng)，體系中只要KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在3%7%，其抑制作用就足以的得到充分發(fā)揮。氣體鉆井的缺點(diǎn)是：對(duì)付復(fù)雜地層的能力差(如地層出水、井壁坍塌等)，遇地下水易結(jié)“泥環(huán)”；需要空壓機(jī)、增壓機(jī)等投資較大的設(shè)備，此設(shè)備需要中、高壓力，一般依賴于進(jìn)口；易引起井下著火與爆炸，造成井下鉆具破壞，故限制了其應(yīng)用范圍。（3） 泡沫鉆井液體系泡沫鉆井是利用相關(guān)的設(shè)備將一定流量和壓力的泡沫基液、氣體通過(guò)泡沫發(fā)生器而產(chǎn)生的一種致密、均勻的泡狀混合物，簡(jiǎn)稱泡沫。當(dāng)剪切速率300s時(shí)，泡沫的結(jié)構(gòu)和形狀變化趨于動(dòng)平衡，此時(shí)粘度變化也趨于平緩。適用于低壓、衰竭、易漏、水敏性地層，特別針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層性脆、易碎，機(jī)械強(qiáng)度低，易于壓縮，井壁穩(wěn)定性差，煤儲(chǔ)層空隙壓力低易漏失的特點(diǎn)，泡沫欠平衡鉆井技術(shù)體現(xiàn)了良好的適應(yīng)性。在臨界膠束質(zhì)量濃度之前增加很快，在臨界膠束質(zhì)量濃度之后增加趨于平緩。整套固控系統(tǒng)的工藝流程應(yīng)滿足鉆井液的四級(jí)固相控制(篩分—除砂—除泥—離心)要求。 系列化指固控系統(tǒng)在大小，規(guī)格，適應(yīng)不同的地質(zhì)條件、地理?xiàng)l件、工況條件等方面的系列化、個(gè)性化的要求，便于用戶根據(jù)鉆機(jī)的型號(hào)和需求選配固控系統(tǒng)。 環(huán)保鉆井作業(yè)后，井場(chǎng)會(huì)留下一定的鉆井液和鉆屑，這些廢棄物處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的危害。② 流程的科學(xué)確定鉆井液固控系統(tǒng)對(duì)鉆井液的處理流程包括去除固相流程、補(bǔ)給泵補(bǔ)給流程、原材料混合/添加流程和鉆井泵的吸入/灌注流程。優(yōu)化設(shè)備匹配合理的重要目標(biāo)就是通過(guò)優(yōu)化提高振動(dòng)篩、離心機(jī)處理能力和效果，提高固相含量的可選擇性，從而減少除砂器、除泥器的配置，使鉆井液固相控制系統(tǒng)的動(dòng)力功率降低20%～30%。但國(guó)內(nèi)振動(dòng)篩的研究似乎沒(méi)有注意到鉆井液沖擊槽在振動(dòng)篩上的重要作用，只是在仿Derrick振動(dòng)篩上運(yùn)用了這種結(jié)構(gòu)，而在我國(guó)自主研究的振動(dòng)篩上并沒(méi)有設(shè)置此種結(jié)構(gòu)。目前，離心機(jī)主要有中速離心機(jī)和高速離心機(jī)2種主流產(chǎn)品。在除砂器、除泥器的配置上要注意分離顆粒范圍既要有一定間距，又要有一定的重疊。真空除氣器目前國(guó)內(nèi)使用的真空除氣器除氣效率低，達(dá)不到除氣的目的。大量實(shí)踐證明，4000m以上鉆機(jī)的凈化設(shè)備選用“422”配置(即四臺(tái)振動(dòng)篩、兩臺(tái)除砂器、兩臺(tái)離心機(jī))模式，優(yōu)化了鉆井液凈化流程，提高了凈化效果，實(shí)現(xiàn)了固控系統(tǒng)裝備配置的優(yōu)化組合，提升了國(guó)內(nèi)大型鉆機(jī)的配套工藝水平，對(duì)提高鉆井速度和降低鉆井成本、減少事故的發(fā)生，具有明顯的效果。甲烷氣易燃、易爆，在煤層段作業(yè)施工中井場(chǎng)要樹(shù)立風(fēng)向標(biāo)，井場(chǎng)內(nèi)禁止動(dòng)用明火，禁止空井等等，嚴(yán)格按氣井作業(yè)要求執(zhí)行井控技術(shù)條例。 煤層氣鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)在地質(zhì)勘探中，按慣例，氣體鉆井常用于干旱缺水和漏失地區(qū)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，由于煤系地層泥巖造漿嚴(yán)重，尤其是三牙輪鉆頭切削造成的巖屑在不能被及時(shí)攜帶到地面后造成二次或者多次破碎，有些巖屑顆粒極小，在整套固控系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)去除或者井隊(duì)固控系統(tǒng)配備不完善的情況下，只有通過(guò)換漿才可解決問(wèn)題。可采用一種新型真空除氣器，該除氣器采用的是一種既具有真空又具有自由逸出的復(fù)合式除氣方式，同時(shí)還具有高功能、高安全控制和可靠保護(hù)措施，以保證除氣器的安全、高效作用，使除氣效率大于90%，抽真空時(shí)間小于30s，排氣管的滴液量小于80ml。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配套的許多除砂器和除泥器分離顆粒相近(除砂器為20～50，除泥器為15～45)，經(jīng)除砂器處理的鉆井液又經(jīng)除泥器處理，致使除泥器起不到清除固相顆粒的作用。高速離心機(jī)分2種：一種為全變頻控制高速離心機(jī)，這種離心機(jī)處理量可根據(jù)鉆井液性能自動(dòng)調(diào)節(jié)，并能通過(guò)對(duì)負(fù)載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與全變頻自動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù)，有效地控制鉆井液性能，是鉆深井和水平井等特殊工藝要求井理想的固相凈化設(shè)備；另一種是固定轉(zhuǎn)速高速離心機(jī)，這種離心機(jī)一般設(shè)置2～3個(gè)比普通離心機(jī)轉(zhuǎn)速高的轉(zhuǎn)速，由操作人員對(duì)鉆井液的性能進(jìn)行判斷，人工調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到較好的鉆井液處理效果。此外，由于各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品在材料、加工工藝、加工精度和配套使用的通用設(shè)備等方面的不同，造成產(chǎn)品實(shí)際能夠達(dá)到的技術(shù)性能有很大的區(qū)別。振動(dòng)篩的技術(shù)水平主要反映在處理能力(處理量和分離顆粒)、工作的可靠性、壽命的長(zhǎng)短和操作維護(hù)方便性等方面。在配置時(shí)，使用高目數(shù)振動(dòng)篩網(wǎng)，對(duì)水力旋流漏斗系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合使用高性能離心機(jī)等措施，在不降低固相去除效果的前提下，有效減少固相凈化級(jí)別；選擇凈化設(shè)備的工作時(shí)間，使鉆井液的固相含量和黏度控制在理想的范圍內(nèi)。主要污染物，油類≤5mg/L，COD≤100mg/L，懸浮物≤70mg/L；對(duì)廢棄鉆井液及鉆屑進(jìn)行固化處理實(shí)驗(yàn)，確定最佳配方，固化后的固化體抗壓強(qiáng)度要高，有毒物質(zhì)含量小于GB5094—1992的規(guī)定。 設(shè)備匹配合理化在進(jìn)行系列化優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的同時(shí)，進(jìn)行設(shè)備匹配合理化研究，根據(jù)鉆機(jī)型號(hào)、使用功能等因素優(yōu)化流程，合理選擇固控設(shè)備，使其既不浪費(fèi)財(cái)力、物力又能達(dá)到最佳的處理效果。圖4　鉆井液固控系統(tǒng)流程井口返出鉆井液通過(guò)管線可分別或同時(shí)輸送到各振動(dòng)篩，經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩處理后進(jìn)入沉砂倉(cāng)；從沉砂倉(cāng)溢流出來(lái)的鉆井液經(jīng)過(guò)泥漿槽進(jìn)入除砂倉(cāng)；除砂器處理后的泥漿進(jìn)入除泥倉(cāng)，除泥器處理后的泥漿經(jīng)過(guò)泥漿槽進(jìn)入離心機(jī)倉(cāng)；離心機(jī)處理后的泥漿經(jīng)過(guò)泥漿槽進(jìn)入鉆井液吸入倉(cāng)，由鉆井泵重復(fù)泵入井內(nèi)循環(huán)使用。泡沫鉆進(jìn)對(duì)泡沫的要求：要求泡沫具有高的發(fā)泡能力，泡沫基液與氣體接觸后可以生成大量泡沫，泡沫的體積大，膨脹倍數(shù)高；適當(dāng)高的泡沫穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)，高溫下性能穩(wěn)定；高的有效物含量；產(chǎn)生的泡沫具有較高強(qiáng)度的表面吸附膜；耐高溫、耐低溫；具有生物降解性，凝固點(diǎn)低；抗鈣、鹽污染，無(wú)毒和腐蝕性，與儲(chǔ)層巖石、流體及入井液配伍性好；低成本，使用方便。在鉆井過(guò)程中，泡沫鉆井液性能受到多方面因素的影響，任何因素的改變都有可能引起泡沫鉆井液性能的很大的變化，從而影響到鉆井效果，因此，對(duì)影響泡沫鉆井液性能的因素有必要進(jìn)行分析。這說(shuō)明泡沫層流區(qū)或過(guò)渡區(qū)所承受的剪切速率范圍比一般流體要大得多。泡沫在壓力較高情況下性能穩(wěn)定，不易破壞，并具有密度低、失水量小、粘度高、攜巖效果好等特點(diǎn)。由于氣體密度低，常用于鉆漏失層、敏感性強(qiáng)的低壓油氣層、溶洞性低壓層和低壓生產(chǎn)層等。該體系主要由甲酸的堿金屬（鉀、鈉、銫）鹽、聚合物增粘劑和降濾失劑等組成，其中甲酸的堿金屬鹽為鉆完井液提供適當(dāng)密度。配制過(guò)程中要注意充分?jǐn)嚢瑁垢黝惥酆衔锞鶆虻耐耆芙?，否則聚合物會(huì)發(fā)生堵塞，損害儲(chǔ)層。該鉆井液體系不含膨潤(rùn)土和其他任何固相，密度可以通過(guò)加入不同類型和數(shù)量的可溶性無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行調(diào)節(jié)，基本上可以在不加入任何固相的情況下滿足包括低壓地層在內(nèi)的各類油氣井對(duì)鉆井液密度的要求，消除固相顆粒對(duì)油層的污染，同時(shí)又能滿足保護(hù)油層和鉆井工藝的要求。由于目前川西地區(qū)在欠平衡鉆井中使用的鉆井液多為淡水鉆井液，其性能對(duì)壓耗的影響不大，近似地可認(rèn)為k≈1，所以式(2—31)可變?yōu)? （2—31）式(2—31)只適用于淡水鉆井液，否則就應(yīng)考慮k值的影響。(4)調(diào)整鉆井液密度后如何保證欠壓值欠平衡鉆進(jìn)過(guò)程中，如果套壓急劇上升，現(xiàn)場(chǎng)施工人員需要及時(shí)判斷井口套壓升高的原因。(2)確定欠平衡鉆井時(shí)所用的鉆井液密度當(dāng)欠壓值確定后，鉆井液的密度可由下式計(jì)算: (2—27)式中：Pp——地層壓力，Mpa； Pa——環(huán)空壓耗，Mpa；其