【正文】 從保護(hù)煤層的角度來(lái)講，氣體(一般多用空氣)是一種非常規(guī)流體，可以防止鉆井液化學(xué)添加劑、鉆屑?jí)哼M(jìn)和堵塞煤的裂縫系統(tǒng)，可以避免煤吸收液體后基質(zhì)膨脹．使煤層孔隙度和滲透率降低，所以對(duì)煤層傷害最小，尤其適于低滲透、高水敏煤層 但氣體鉆井的缺點(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(lài)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)用范圍當(dāng)井眼出水不能再用空氣鉆井。井口裝置應(yīng)配套齊全，安裝除氣器、液氣分離器和方鉆桿上下旋塞，以便發(fā)生氣侵井涌時(shí)能及時(shí)排氣處理。為保證鉆井液密度符合要求，需根據(jù)鉆井液的消耗情況及時(shí)補(bǔ)充；每鉆進(jìn)150m左右進(jìn)行一次部分換漿，在鉆遇煤層前要徹底換漿，排掉地面上的鉆井液后，還要通過(guò)循環(huán)，將井筒內(nèi)的鉆井液徹底換掉。3)設(shè)備匹配合理化研究通過(guò)優(yōu)化研究，可使鉆井液固相控制系統(tǒng)處理后的鉆井液含沙量%、固液分離出的泥餅持水率30%，故障停機(jī)率1%，系統(tǒng)設(shè)備制造配套能力可達(dá)50套/年以上。⑤砂泵目前，固控系統(tǒng)用砂泵普遍存在過(guò)流部件壽命短、密封不可靠、砂泵效率不高等問(wèn)題。但對(duì)于對(duì)鉆井液性能要求較高的煤層氣井，合理的配套方案仍是配套1臺(tái)除砂器和1臺(tái)除泥器，采用串聯(lián)的工藝流程，在選擇除砂器和除泥器時(shí)應(yīng)選擇分離粒度范圍不同的產(chǎn)品，例如除砂器的分離粒度為40～60，除泥器的分離粒度為15～45，則可達(dá)到較好的處理效果。 造成以上現(xiàn)象的主要原因是國(guó)內(nèi)旋流器的制造水平達(dá)不到要求，效果也達(dá)不到鉆井工藝要求。旋流器的質(zhì)量指標(biāo)主要是耐磨性，旋流器的性能主要是分離粒度即D50，D50越低，旋流器的分離效果越好。然而，離心機(jī)在我國(guó)鉆井行業(yè)應(yīng)用的時(shí)間比較短，高品質(zhì)離心機(jī)主要依賴(lài)于進(jìn)口。②離心機(jī)鉆井行業(yè)專(zhuān)家普遍認(rèn)同離心機(jī)在固控系統(tǒng)中的重要作用，、234轉(zhuǎn)速為1300～2200的中速離心機(jī)。所以在選配振動(dòng)篩時(shí)，要詳細(xì)了解材料、加工工藝、加工精度和配套使用的通用設(shè)備等情況，而不是單從標(biāo)明的技術(shù)參數(shù)來(lái)選擇。圖5 鉆井液沖擊槽設(shè)置位置近幾年來(lái)，國(guó)產(chǎn)振動(dòng)篩的理論研究和制造工藝水平都有較大的發(fā)展，特別是在理論研究方面，例如振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)軌跡、篩網(wǎng)壽命等，已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。因此，指導(dǎo)思想應(yīng)該是改善振動(dòng)篩的適應(yīng)性、提高其使用壽命。目前，我國(guó)固控系統(tǒng)基本按五級(jí)凈化配置：振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)、除氣器，相應(yīng)配置砂泵、攪拌器和混合器。同時(shí)為滿(mǎn)足不同鉆井工藝的要求，配置或預(yù)留相應(yīng)位置，具備特殊化需求的加重、剪切、灌注、吸入、清水、鉆井液槍、補(bǔ)給等管路接口，使固控系統(tǒng)的流程更加合理與完善。即各罐大體上應(yīng)具有相同的外形尺寸，系統(tǒng)罐群間只是數(shù)量不等。 優(yōu)化的主要內(nèi)容1)鉆井液罐的容量和有效系數(shù)的確定[11][12]①容量和有效系數(shù)以井身結(jié)構(gòu)、鉆頭尺寸、井徑擴(kuò)大率等主要參數(shù)測(cè)算井筒內(nèi)有效鉆井液容積，同時(shí)考慮固控設(shè)備的擺放位置、內(nèi)部管路、罐上部鉆井液槽等影響因素，確定固控系統(tǒng)總?cè)莘e及有效容積系數(shù)，以滿(mǎn)足正常鉆井時(shí)對(duì)鉆井液量的需要。 性能及可靠性此項(xiàng)的重點(diǎn)在提高振動(dòng)篩的處理能力及篩網(wǎng)壽命；提高旋流器的分離效率、底流的可控能力和耐磨壽命；提高離心機(jī)的處理能力和壽命、提高砂泵的效率及其密封件等的使用壽命；開(kāi)發(fā)新的井場(chǎng)廢棄物處理系統(tǒng)等，達(dá)到精簡(jiǎn)固控設(shè)備、節(jié)約購(gòu)置費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和電費(fèi)的目的。 通用化 在總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)安裝及制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采集實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和用戶(hù)反饋信息，確定出設(shè)備合理統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式、接口尺寸和快捷方便的連接方式，實(shí)現(xiàn)固控系統(tǒng)系列產(chǎn)品之間的互換性和統(tǒng)一性。如對(duì)循環(huán)罐設(shè)計(jì)的模塊化，使每個(gè)罐之間都有標(biāo)準(zhǔn)的快捷接口裝置，各罐之間既相互獨(dú)立又可相互聯(lián)通，可按需求進(jìn)行組合、配套、增減罐的數(shù)量。國(guó)內(nèi)鉆井液固控系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)及主要內(nèi)容：（1） 優(yōu)化的目標(biāo)以滿(mǎn)足鉆井工藝流程為基礎(chǔ)、設(shè)備投入和運(yùn)行成本最優(yōu)化為目標(biāo)，使系統(tǒng)具有合理的流程、較強(qiáng)的鉆井液處理能力。圖3　泡沫鉆井液密度壓力溫度曲線(xiàn) 煤層氣鉆井固相控制工藝 在鉆井過(guò)程中，優(yōu)良的鉆井液性能是提高鉆井速度、降低鉆井成本、預(yù)防井下事故、保護(hù)產(chǎn)層的前提，而鉆井液固控系統(tǒng)是維持鉆井液性能的保證。2）外因　溫度時(shí)間的影響泡沫鉆井液密度和溫度、時(shí)間有關(guān)，在100℃時(shí)，泡沫鉆井液靜置時(shí)間越長(zhǎng)，密度變化越大。圖2　聚合物對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響 發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的影響泡沫黏度隨發(fā)泡劑濃度增大而增大?？偟膩?lái)說(shuō)可以分為內(nèi)因和外因：1）　內(nèi)因[9]　表面活性劑質(zhì)量濃度的影響表面活性劑對(duì)泡沫的形成和穩(wěn)定性都有影響，見(jiàn)圖1。泡沫鉆井方法具有靜液柱壓力低、漏失量小、攜巖能力強(qiáng)且能高效清潔井眼、對(duì)油氣層損害小、適用范圍廣等特點(diǎn)。根據(jù)流體力學(xué)的理論，較高粘度的流體可使其具有穩(wěn)定層流的流動(dòng)趨勢(shì)，為此，泡沫在實(shí)際應(yīng)用中一般都能保持層流狀態(tài)，這對(duì)于攜帶井底巖屑，防止沖蝕井壁是極為有利的[8]。這是因?yàn)榕菽是蛐味嗝骟w，流動(dòng)時(shí)受剪切應(yīng)力的作用，迫使球狀改變?yōu)橛欣诹鲃?dòng)的扁平狀或棒狀，以減少流動(dòng)阻力。氣體進(jìn)入混有發(fā)泡劑的水溶液中，通過(guò)發(fā)泡裝置而分散成小氣泡，氣泡界面的活性劑親水基朝向液相，疏水基伸向氣體內(nèi)部，按規(guī)律排列成界膜，當(dāng)泡沫由于浮力上升，溢出界面時(shí)，活性劑分子再次定向，于是形成了雙層活性劑水膜結(jié)構(gòu)的泡沫壁，使泡沫具有一定的穩(wěn)定性能[7]。但我國(guó)目前因設(shè)備和成本問(wèn)題，一直未能采用這項(xiàng)先進(jìn)的鉆井技術(shù)。使用氣流體鉆井時(shí)，需要在井場(chǎng)配備專(zhuān)用鉆井設(shè)備，還需有井口防噴器、旋轉(zhuǎn)頭、密封鉆桿、巖屑排除管匯及測(cè)量?jī)x表等。另外，鉆成的井具有井斜小，固井質(zhì)量好，產(chǎn)量高等特點(diǎn)，特別適用于在低壓衰竭油氣藏中鉆進(jìn)。該鉆井液的基本組成為：鹽水基液+%～%HVPAC+%～%抗高溫淀粉+25%瀝青類(lèi)封堵劑+甲酸鹽（加量視密度要求而定）。KCl溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其密度的關(guān)系為線(xiàn)性關(guān)系。還使用NaOH或石灰控制pH值，如遇地層中的H2S。 用對(duì)油層無(wú)傷害或傷害低的聚合物降低粘度。其基本體系特點(diǎn)有：體系為不含任何固相的清潔鹽水，用精細(xì)過(guò)濾的方法保證鹽水的清潔程度。由于該方法的很多技術(shù)和設(shè)備要求與常規(guī)鉆井方法相類(lèi)似，并且既可以降低鉆井液成本，同時(shí)又能達(dá)到降低鉆井液柱在井底形成的壓力，從而降低了煤層鉆進(jìn)過(guò)程中的儲(chǔ)層傷害程度，因此在我國(guó)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。運(yùn)用該公式近似地求出調(diào)整鉆井液密度后應(yīng)保持的立管壓力，并用井口回壓控制循環(huán)壓耗始終等于該立管壓力，從而保證實(shí)際欠壓值等于設(shè)計(jì)的欠壓值。但由于鉆井液密度已經(jīng)調(diào)整，此時(shí)的初始循環(huán)壓耗不等于原鉆井液密度下的初始循環(huán)壓耗，如果采用調(diào)整井口回壓的方法來(lái)保證原鉆井液密度下的初始循環(huán)壓耗，就不能保證△P欠設(shè)=△P欠實(shí)。若因井下氣體滑脫至井口引起的套壓升高，可采用節(jié)流循環(huán)排氣降壓法，使套壓降至安全套壓范圍。令P立=P立欠。(3)如何保證設(shè)計(jì)欠壓值，且鉆井方式選擇流體欠平衡鉆井，可以采用控制井口回壓的方法來(lái)保證設(shè)計(jì)的欠壓值與實(shí)際欠壓值相等。(1)確定合理的欠壓值欠平衡鉆井是使環(huán)空中的壓力略低于地層壓力，只要能保證地層流體能進(jìn)人鉆井環(huán)空即可，不必追求過(guò)高的欠壓值。而氣侵造成的井底壓力降低應(yīng)由井口回壓值加以彌補(bǔ),這樣才能使井底保持所設(shè)定的負(fù)壓差。因此,可以利用該計(jì)算模型和立管壓力監(jiān)測(cè)值及早判斷井底負(fù)壓值。因此,可利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的立壓值,計(jì)算井底壓力,以判斷和分析井涌情況,并且可通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥保持立壓不變,從而保證了對(duì)負(fù)壓差的控制,這與低節(jié)流壓力法壓井原理[2]。同理可通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的大小使井口套壓增加(排量下降時(shí))或減小(排量上升時(shí))a(Q2Q1)，即可保持井底欠壓值不變。則: (2—21)由此可見(jiàn)，當(dāng)排量不變時(shí)，如果泵壓下降，則井底欠壓值按同值增加:反之，如果泵壓上升，則井底欠壓值按同值減少。(臨界雷諾數(shù))時(shí):儲(chǔ)層流量Q滿(mǎn)足二項(xiàng)式公式，可得: (2—15)整理可得：即： (2—16)當(dāng)為氣井時(shí):可得最大負(fù)壓差為: (2—17)綜上所述：當(dāng)流體流動(dòng)符合達(dá)西定律：Δp欠＜Δp欠1max時(shí):則不會(huì)發(fā)生速敏； 當(dāng)流體流動(dòng)不符合達(dá)西定律時(shí):(A)油井: Δp欠＜Δp欠2max則不會(huì)發(fā)生速敏。對(duì)于給定的油層及鉆具和井身結(jié)構(gòu)，則的值是一定的。所以在測(cè)得巖石和流體的物性參數(shù)如巖石空隙度、滲透率及流體密度、粘度等后，應(yīng)選用卡佳霍夫提出的雷諾數(shù)(Rec)表達(dá)式，其形式如下: (2—11) 式中 Vc——實(shí)驗(yàn)室?guī)r心的臨界流速； K——巖心的滲透率，； ——儲(chǔ)層流體的密度，g/cm3； μ——流體的粘度，Mpaa——采用不同單位制的換算系數(shù)，當(dāng)采用上述單位時(shí)，a=。而當(dāng)流體速度大于或等于Vc是就造成對(duì)儲(chǔ)層的損害(當(dāng)只有非潤(rùn)濕相流動(dòng)時(shí)，不存在滲透率降低的臨界速度)。6)欠壓值(△P欠):欠壓值是由地層壓力和鉆井液柱壓力以及環(huán)空壓力所確定。隨著氣體量的增加，計(jì)算出的井底壓力逐漸下降，表現(xiàn)在立管壓力值上也是如此。s；Q——泥漿排量，L/s；Lp——鉆桿總長(zhǎng)度，m；Dp——鉆桿外徑，cm；D——井眼半徑，cm。但在地層流體進(jìn)入環(huán)空后，由于環(huán)空為多相流，環(huán)空的鉆井液靜液柱壓力很難求出。H——井深，m。停泵并關(guān)節(jié)流閥。由于欠平衡鉆井所使用的鉆具帶有內(nèi)防噴工具，所以地層壓力可按下列步驟求出:關(guān)井、記錄套壓。對(duì)于開(kāi)發(fā)井，地層壓力較為清楚可采用。同時(shí)，增大壓差，井壁失穩(wěn)的可能性就更大。欠平衡鉆進(jìn)時(shí)，合理的欠平衡壓差對(duì)井下安全，防止儲(chǔ)層傷害以及保證施工順利都是十分重要的。但負(fù)壓差太小，給施工又帶來(lái)一定的難度。(3) 氣體和霧化鉆井，井底負(fù)壓值不作特別設(shè)計(jì)。(8) 良好潤(rùn)滑性保證鉆井液良好潤(rùn)滑性，減少鉆具與泥餅之間的摩擦力，能減少起下鉆阻卡的可能，防止井下復(fù)雜發(fā)生。(6) 優(yōu)化鉆井液流變參數(shù)鉆井液粘切不宜太低，粘切太低，在井眼內(nèi)形成紊流，對(duì)井壁的沖刷能力增強(qiáng)，容易造成煤層坍塌，同時(shí)鉆井液攜砂能力減弱；粘切太高，鉆井液結(jié)構(gòu)太強(qiáng)，活動(dòng)鉆具或起下鉆時(shí)波動(dòng)壓力增大，容易引起井壁煤塊的松動(dòng)，也不利于井壁穩(wěn)定。欠平衡鉆井中鉆井液密度的設(shè)計(jì)以地層孔隙壓力的預(yù)測(cè)技術(shù)為前提，預(yù)測(cè)的精確程度直接關(guān)系到鉆井液密度設(shè)計(jì)及鉆井作業(yè)的成敗。 （2—1）式中： pfr——環(huán)空壓耗，kPa； γv——鉆井液塑性粘度，mPa（3） 環(huán)空壓耗環(huán)空壓耗與鉆井液密度的設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。（2） 地層孔隙壓力由于各種地層壓力的監(jiān)測(cè)方法(dc指數(shù)法、聲波時(shí)差法、C指數(shù)法等)的計(jì)算結(jié)果誤差可達(dá)10%左右，深井中的計(jì)算誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了負(fù)壓差值，因此這些監(jiān)測(cè)方法對(duì)于鉆井液密度的確定意義不大。其中，所用鉆井液體系及性能起著至關(guān)重要的作用，煤巖井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)對(duì)策是：（1） 合理的鉆井液密度煤巖強(qiáng)度低，受鉆井液及其濾液浸泡后強(qiáng)度進(jìn)一步下降，所以鉆井液的密度不要過(guò)大，大了會(huì)壓裂煤層；也不要過(guò)小，小了會(huì)造成應(yīng)力釋放，使煤層沿節(jié)理和裂縫崩裂坍塌。一般在欠平衡鉆井過(guò)程中杜絕使用液體介質(zhì)（直接用氣體鉆進(jìn)）或選用非潤(rùn)濕性流體(如柴油、穩(wěn)定的冷凝油或植物油類(lèi)的惰性碳?xì)浠衔镆后w)作為基液來(lái)避免這一問(wèn)題發(fā)生。因此，需要使用腐蝕抑制劑來(lái)防止鉆柱、連續(xù)軟管和井下裝置過(guò)早失效，應(yīng)詳細(xì)分析游離氣、溶解氣以及地層中可能產(chǎn)生的地層水，以評(píng)價(jià)它們的可燃性和腐蝕性。（2） 地層產(chǎn)出流體對(duì)鉆井液的稀釋在任何欠平衡鉆井作業(yè)中，循環(huán)流體會(huì)被地層產(chǎn)出的混相流體迅速稀釋?zhuān)幢闶褂谜{(diào)控的很好的油基鉆井液體系也可能受到污染，多數(shù)泡沫鉆井液體系與油和地層鹽水接觸后會(huì)迅速稀釋?zhuān)a(chǎn)生不良反應(yīng)，應(yīng)測(cè)量?jī)?chǔ)層中產(chǎn)出的原油的苯胺點(diǎn)和濁點(diǎn)，以確定產(chǎn)出油是否會(huì)影響到鉆井液重復(fù)使用。3）不相容的地層產(chǎn)出水和水基鉆井液濾液混合，生成結(jié)垢和沉淀物（或者產(chǎn)出油與油基鉆井液混合，形成瀝青沉積物）。1）地層產(chǎn)出水和循環(huán)油紊流混合，形成極稠的穩(wěn)定乳狀液增加了泵壓，導(dǎo)致欠平衡狀態(tài)破壞，且氣體難以分離，另外高粘也破壞了環(huán)空流體的紊流狀態(tài)。 (部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)表1 不同鉆井液對(duì)煤巖滲透率的影響鉆井液配方污染條件污染前氣測(cè)滲透率/103μm2污染后氣測(cè)滲透率/103μm2滲透率損害率/%時(shí)間/h壓力/MPa溫度/℃清水+4%KCl245清水+3%搬土245去離子水2145鉆井液濾液245泡沫245空氣0注：試驗(yàn)煤樣取自山西晉城礦務(wù)局成莊煤礦3號(hào)煤層同一塊煤樣。與常規(guī)油氣井比較，在鉆入煤層之前的鉆井工藝基本相似，而在煤儲(chǔ)層的鉆井工藝就有明顯的差異。當(dāng)然由于儲(chǔ)層的流體產(chǎn)出，可能在較厚的儲(chǔ)層段會(huì)出現(xiàn)鉆井液進(jìn)入地層的現(xiàn)象，不過(guò)對(duì)于像煤層這樣的低滲儲(chǔ)層，滲流速度不會(huì)很大，尤其在較薄的煤層。欠平衡鉆井期間，可以綜合從井眼返出的地層流體等信息及時(shí)評(píng)價(jià)產(chǎn)層的生產(chǎn)能力或地層特性。（9）可以在鉆井過(guò)程中生產(chǎn)油氣。由于井底巖石在負(fù)壓作用下不會(huì)產(chǎn)生壓實(shí)效應(yīng)，因此巖石破碎所需的鉆壓相對(duì)常規(guī)鉆井所需鉆壓要小得多，一般為常規(guī)鉆井鉆壓的1/3，該鉆壓既滿(mǎn)足了空氣鉆井的快速鉆進(jìn)需要又符合常規(guī)鉆井輕壓吊打糾斜的要求，容易鉆成垂直的井眼。(5)延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。(4)良好的產(chǎn)層顯示，有利于達(dá)到勘探目的。采用空氣鉆井可避免井漏，節(jié)約鉆井液成本。由于煤層氣儲(chǔ)層壓力低，能量小，根本無(wú)法通過(guò)降壓來(lái)驅(qū)開(kāi)水鎖段塞，因而造成的滲透率損害是相當(dāng)嚴(yán)重的。煤層段鉆井技術(shù)措施是：放大鉆頭噴嘴尺寸，減少壓降及循環(huán)壓耗，防止射流沖蝕井壁；鉆具組合采用光鉆挺加隨鉆震擊器結(jié)構(gòu)，當(dāng)煤巖垮塌井下出現(xiàn)復(fù)雜情況時(shí)，能及時(shí)處理；煤層氣井的鉆井參數(shù)與常規(guī)油氣井相比，鉆壓、排量和泵壓較低；接單根前將井底煤層巖屑循環(huán)干凈，上提下放無(wú)阻卡后先提出方鉆桿