【正文】 從保護(hù)煤層的角度來講，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、鉆屑壓進(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)用砂泵普遍存在過流部件壽命短、密封不可靠、砂泵效率不高等問題。但對于對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臺除砂器和1臺除泥器，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)主要依賴于進(jìn)口。②離心機(jī)鉆井行業(yè)專家普遍認(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)來選擇。圖5 鉆井液沖擊槽設(shè)置位置近幾年來，國產(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，我國固控系統(tǒng)基本按五級凈化配置：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)，以滿足正常鉆井時(shí)對鉆井液量的需要。 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；開發(fā)新的井場廢棄物處理系統(tǒng)等，達(dá)到精簡固控設(shè)備、節(jié)約購置費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用和電費(fèi)的目的。 通用化 在總結(jié)現(xiàn)場安裝及制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過采集實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和用戶反饋信息，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 煤層氣鉆井固相控制工藝 在鉆井過程中，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，密度變化越大。圖2　聚合物對泡沫穩(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。總的來說可以分為內(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泡沫的形成和穩(wěn)定性都有影響，見圖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，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]。但我國目前因設(shè)備和成本問題，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)，需要在井場配備專用鉆井設(shè)備，還需有井口防噴器、旋轉(zhuǎn)頭、密封鉆桿、巖屑排除管匯及測量儀表等。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)系為線性關(guān)系。還使用NaOH或石灰控制pH值，如遇地層中的H2S。 用對油層無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)過程中的儲(chǔ)層傷害程度，因此在我國煤層氣的勘探開發(fā)過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)測值及早判斷井底負(fù)壓值。因此,可利用實(shí)時(shí)監(jiān)測的立壓值,計(jì)算井底壓力,以判斷和分析井涌情況,并且可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥保持立壓不變,從而保證了對負(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，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是就造成對儲(chǔ)層的損害(當(dāng)只有非潤濕相流動(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。對于開發(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) 良好潤滑性保證鉆井液良好潤滑性，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)測技術(shù)為前提，預(yù)測的精確程度直接關(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)超過了負(fù)壓差值，因此這些監(jiān)測方法對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大，大了會(huì)壓裂煤層；也不要過小，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程中杜絕使用液體介質(zhì)（直接用氣體鉆進(jìn)）或選用非潤濕性流體(如柴油、穩(wěn)定的冷凝油或植物油類的惰性碳?xì)浠衔镆后w)作為基液來避免這一問題發(fā)生。因此，需要使用腐蝕抑制劑來防止鉆柱、連續(xù)軟管和井下裝置過早失效，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，以評價(jià)它們的可燃性和腐蝕性。（2） 地層產(chǎn)出流體對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，即便使用調(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，并產(chǎn)生不良反應(yīng)，應(yīng)測量儲(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)見表1)表1 不同鉆井液對煤巖滲透率的影響鉆井液配方污染條件污染前氣測滲透率/103μm2污染后氣測滲透率/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，不過對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)評價(jià)產(chǎn)層的生產(chǎn)能力或地層特性。（9）可以在鉆井過程中生產(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，根本無法通過降壓來驅(qū)開水鎖段塞，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，上提下放無阻卡后先提出方鉆桿