【正文】 據(jù)調(diào)研，出于對保護煤層不受傷害的需要，美國現(xiàn)大部分的煤層。 煤層氣鉆井水力參數(shù)設(shè)計在地質(zhì)勘探中，按慣例，氣體鉆井常用于干旱缺水和漏失地區(qū)。甲烷氣易燃、易爆，在煤層段作業(yè)施工中井場要樹立風(fēng)向標，井場內(nèi)禁止動用明火，禁止空井等等，嚴格按氣井作業(yè)要求執(zhí)行井控技術(shù)條例?？傊?，鉆煤層氣井時，根據(jù)近平衡壓力鉆井中甲烷氣解吸后滑脫到井口時產(chǎn)生的最大壓力，來選用封井器的壓力級別。在鉆進中，對于循環(huán)槽和沉淀坑內(nèi)的巖屑要及時清理。在鉆進過程中，由于煤系地層泥巖造漿嚴重，尤其是三牙輪鉆頭切削造成的巖屑在不能被及時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)無法及時去除或者井隊固控系統(tǒng)配備不完善的情況下，只有通過換漿才可解決問題。大量實踐證明，4000m以上鉆機的凈化設(shè)備選用“422”配置(即四臺振動篩、兩臺除砂器、兩臺離心機)模式，優(yōu)化了鉆井液凈化流程，提高了凈化效果，實現(xiàn)了固控系統(tǒng)裝備配置的優(yōu)化組合，提升了國內(nèi)大型鉆機的配套工藝水平，對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。研發(fā)ZJC系列攪拌器，使效率達到85%以上，實現(xiàn)3年免維護。因此對砂泵的研制主要采取優(yōu)化砂泵葉輪和渦殼結(jié)構(gòu)，改進砂泵密封結(jié)構(gòu)及材料，對過流部件選用耐磨性和工藝性優(yōu)良的新材料等措施，研制出零泄漏、1年免維護的新型砂泵?？刹捎靡环N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，同時還具有高功能、高安全控制和可靠保護措施，以保證除氣器的安全、高效作用，使除氣效率大于90%，抽真空時間小于30s，排氣管的滴液量小于80ml。真空除氣器目前國內(nèi)使用的真空除氣器除氣效率低，達不到除氣的目的。既然2臺除砂器的性能參數(shù)相同，應(yīng)該采用并聯(lián)的工藝流程，以互為備用或在快速鉆進時增大鉆井液的處理量。所以，很多用戶選擇2臺除砂器代替1臺除砂器、1臺除泥器的配套方案。但現(xiàn)場實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。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。旋流分離器[14]我國固控設(shè)備制造廠基本上都可制造旋流器，即除砂器、除泥器和微型旋流分離器。我國目前生產(chǎn)的40m60m3離心機與國際品牌相比在處理能力、處理質(zhì)量、能量消耗及使用壽命方面有一定差距。高速離心機分2種：一種為全變頻控制高速離心機，這種離心機處理量可根據(jù)鉆井液性能自動調(diào)節(jié)，并能通過對負載實時監(jiān)測與全變頻自動閉環(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，這種離心機一般設(shè)置2～3個比普通離心機轉(zhuǎn)速高的轉(zhuǎn)速，由操作人員對鉆井液的性能進行判斷，人工調(diào)節(jié)離心機的轉(zhuǎn)速，達到較好的鉆井液處理效果。目前，離心機主要有中速離心機和高速離心機2種主流產(chǎn)品。為了滿足大排量的要求，有時需要2～3臺振動篩并聯(lián)使用。在選用振動篩時，除了根據(jù)固相粒度分布選擇適合的篩網(wǎng)外，還應(yīng)考慮的另一個重要因素是篩網(wǎng)的許可處理量，振動篩的處理能力應(yīng)能適應(yīng)鉆井過程中的最大排量。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)品實際能夠達到的技術(shù)性能有很大的區(qū)別。但國內(nèi)振動篩的研究似乎沒有注意到鉆井液沖擊槽在振動篩上的重要作用，只是在仿Derrick振動篩上運用了這種結(jié)構(gòu)，而在我國自主研究的振動篩上并沒有設(shè)置此種結(jié)構(gòu)。國外某些振動篩的理論研究充分認識到了這一點，鉆井液從鉆井液分配器流出，在進入振動篩網(wǎng)之前，設(shè)置了一個鉆井液沖擊槽(如圖所示)，避免了鉆井液對篩網(wǎng)的直接沖刷，最大限度地減少井口返出的鉆井液所受的動切應(yīng)力，不但固相顆粒的受力和運動更加合理，而且減少鉆井液跑冒現(xiàn)象并增大鉆井液處理量，延長篩網(wǎng)的使用壽命。重點放在提高振動篩在現(xiàn)場使用中的處理能力、壽命，使篩網(wǎng)目數(shù)達到200目，可將大于74μm的固相顆?；九懦?；使用雙軸平動橢圓軌跡篩，合理布置激振器，采用合理的篩網(wǎng)繃緊方式乃至采用高強度材料和可靠的電機固定的裝置。振動篩的技術(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、壽命的長短和操作維護方便性等方面。優(yōu)化設(shè)備匹配合理的重要目標就是通過優(yōu)化提高振動篩、離心機處理能力和效果，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)的動力功率降低20%～30%。因此，新設(shè)備的研制成功可以大大簡化固控設(shè)備配置及優(yōu)化工藝流程。③鉆井液罐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計根據(jù)罐體容積及結(jié)構(gòu)形式，選擇最優(yōu)的起吊、拖、拽、拉的位置，選擇最優(yōu)制造加工材料，以滿足公路鐵路運輸要求，適合不同環(huán)境地域施工。在配置時，使用高目數(shù)振動篩網(wǎng)，對水力旋流漏斗系統(tǒng)進行優(yōu)化，結(jié)合使用高性能離心機等措施，在不降低固相去除效果的前提下，有效減少固相凈化級別；選擇凈化設(shè)備的工作時間，使鉆井液的固相含量和黏度控制在理想的范圍內(nèi)。② 流程的科學(xué)確定鉆井液固控系統(tǒng)對鉆井液的處理流程包括去除固相流程、補給泵補給流程、原材料混合/添加流程和鉆井泵的吸入/灌注流程。，根據(jù)鉆機型號進行固控系統(tǒng)設(shè)計時，不同型號的固控系統(tǒng)其容量之間保持適當?shù)拈g隔。確定原則：，確定容積的同時必須使罐上的設(shè)備布置合理，方便操作。主要污染物，油類≤5mg/L，COD≤100mg/L，懸浮物≤70mg/L；對廢棄鉆井液及鉆屑進行固化處理實驗，確定最佳配方，固化后的固化體抗壓強度要高，有毒物質(zhì)含量小于GB5094—1992的規(guī)定。 環(huán)保鉆井作業(yè)后，井場會留下一定的鉆井液和鉆屑，這些廢棄物處理不當會對環(huán)境造成很大的危害。為了能合理使用固控設(shè)備，還應(yīng)編寫固控設(shè)備現(xiàn)場操作指南，并針對不同的鉆井液類型及性能要求，對現(xiàn)場工人進行設(shè)備操作指導(dǎo)。 標準化制定出一整套標準化的系統(tǒng)設(shè)計，形成標準化零部件產(chǎn)品，并由此建立一套行業(yè)專業(yè)鉆井液固相控制系統(tǒng)產(chǎn)品標準。 設(shè)備匹配合理化在進行系列化優(yōu)化方案設(shè)計的同時，進行設(shè)備匹配合理化研究，根據(jù)鉆機型號、使用功能等因素優(yōu)化流程，合理選擇固控設(shè)備，使其既不浪費財力、物力又能達到最佳的處理效果。 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、地理條件、工況條件等方面的系列化、個性化的要求，便于用戶根據(jù)鉆機的型號和需求選配固控系統(tǒng)。以形成標準的模塊配置，便于快捷安裝、拆卸、維修和更換，適應(yīng)不同地域用戶的需求。同時，在固控系統(tǒng)的系列化過程中，堅持設(shè)備匹配合理化，主要功能構(gòu)件和零部件模塊化，產(chǎn)品系列化、通用化、標準化、環(huán)保化，得到一套科學(xué)、簡潔、經(jīng)濟性強、可操作性強的固控系統(tǒng)系列配套技術(shù)方案。圖4　鉆井液固控系統(tǒng)流程井口返出鉆井液通過管線可分別或同時輸送到各振動篩，經(jīng)過振動篩處理后進入沉砂倉；從沉砂倉溢流出來的鉆井液經(jīng)過泥漿槽進入除砂倉；除砂器處理后的泥漿進入除泥倉，除泥器處理后的泥漿經(jīng)過泥漿槽進入離心機倉；離心機處理后的泥漿經(jīng)過泥漿槽進入鉆井液吸入倉，由鉆井泵重復(fù)泵入井內(nèi)循環(huán)使用。整套固控系統(tǒng)的工藝流程應(yīng)滿足鉆井液的四級固相控制(篩分—除砂—除泥—離心)要求。　密度壓力溫度的影響如圖3所示，當溫度一定時，泡沫鉆井液密度隨壓力增加而增加，而當壓力增加到某一值時，鉆井液密度不再明顯增加；泡沫鉆井液密度隨溫度升高而降低[10]。靜置時間超過6h后，泡沫鉆井液的穩(wěn)定性變差。泡沫鉆進對泡沫的要求：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；適當高的泡沫穩(wěn)定性，長時間循環(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度的表面吸附膜；耐高溫、耐低溫；具有生物降解性，凝固點低；抗鈣、鹽污染，無毒和腐蝕性，與儲層巖石、流體及入井液配伍性好；低成本，使用方便。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。 聚合物的影響增加泡沫穩(wěn)定性的一種方法是增加液相黏度，比如加入水溶性聚合物，加入的聚合物質(zhì)量濃度越高，泡沫越穩(wěn)定，見圖2。圖1　表面活性劑對泡沫性能的影響在泡沫比例達到平穩(wěn)階段之前，增加起泡劑的體積分數(shù)可增加泡沫的體積，但達到一定量后，表面活性劑質(zhì)量濃度對泡沫并沒有影響。在鉆井過程中，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，對影響泡沫鉆井液性能的因素有必要進行分析。適用于低壓、衰竭、易漏、水敏性地層，特別針對煤層氣儲層性脆、易碎，機械強度低，易于壓縮，井壁穩(wěn)定性差，煤儲層空隙壓力低易漏失的特點，泡沫欠平衡鉆井技術(shù)體現(xiàn)了良好的適應(yīng)性。硬泡沫用于需要泡沫壽命長，攜屑能力強的場所，其成本較低，但它對電解質(zhì)污染較敏感；穩(wěn)定泡沫則能與各類污染物、地層水配伍，故常被優(yōu)選采用。泡沫流體一般分為硬膠泡沫和穩(wěn)定泡沫。這說明泡沫層流區(qū)或過渡區(qū)所承受的剪切速率范圍比一般流體要大得多。當剪切速率300s時，泡沫的結(jié)構(gòu)和形狀變化趨于動平衡，此時粘度變化也趨于平緩。在此范圍內(nèi)，表觀粘度是隨著剪切速率的增加而降低的，特別是在低剪切速率范圍內(nèi)變化幅度較大。泡沫流體的表觀粘度隨著泡沫質(zhì)量(氣體體積與泡沫總體積之比)的增大而增大，壓力表現(xiàn)出波動現(xiàn)象，說明此時氣液混合不勻。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。（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、氣體通過泡沫發(fā)生器而產(chǎn)生的一種致密、均勻的泡狀混合物，簡稱泡沫。據(jù)調(diào)研，出于對保護煤層不受傷害的需要，美國現(xiàn)大部分的煤層甲烷垂直井、水平井均采用空氣鉆井。氣流體鉆井的優(yōu)點是：可大幅度降低壓差，大大提高機械鉆速，延長鉆頭使用壽命；減少對敏感地層的損害，保護低壓油氣層；可安全鉆穿易漏層。由于氣體密度低，常用于鉆漏失層、敏感性強的低壓油氣層、溶洞性低壓層和低壓生產(chǎn)層等。氣體鉆井的缺點是：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、增壓機等投資較大的設(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。由于氣體本身密度低易行成欠平衡狀態(tài)，極大地提高了機械鉆速，避免了井漏和卡鉆問題，減少了儲層的傷害，避免了井漏和卡鉆問題，減少了儲層的傷害，增加儲量。該鉆井液具有以下優(yōu)點：循環(huán)壓降小嗎；防塌抑制能力強，能有效的保護井壁；抗溫性能好，一般可達120℃；對鉆具腐蝕性小；極易生物降解，對環(huán)境污染?。灰子谂渲?，且維護簡單。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密度。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)配使用使該體系對黏土水化的抑制作用更加增強，體系中只要KCl質(zhì)量分數(shù)保持在3%7%，其抑制作用就足以的得到充分發(fā)揮?！?。此外，體系中還必須如防腐劑。配制過程中要注意充分攪拌，使各類聚合物均勻的完全溶解，否則聚合物會發(fā)生堵塞，損害儲層。常用的無固相清潔鹽水鉆井液的配制：1）NaCl鹽水體系 由于NaCl來源廣，成本低，因此NaCl鹽水液最為常用，～，為防止地層粘土的水化，在配制過程中一般加1%～3%的KCl，作為底層損害抑制劑，整個體系的密度由NaCl得濃度確定。用對油層無傷害（或傷害低）的聚合物提高粘度。用無機鹽的種類、濃度、配比調(diào)整鉆井完井液密度以滿足井下要求。該鉆井液體系不含膨潤土和其他任何固相，密度可以通過加入不同類型和數(shù)量的可溶性無機鹽進行調(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)的各類油氣井對鉆井液密度的要求，消除固相顆粒對油層的污染，同時又能滿足保護油層和鉆井工藝的要求。無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。在使用該種鉆井液時，為了達到有效保護煤儲層的目的，現(xiàn)場施工中應(yīng)遵循如下幾點：在施工前，要進行煤巖損害評價，篩選對煤層吸附小的聚合物作提粘劑和降失水劑；進行鉆井液與煤及煤層水相溶實驗，以減少煤層水與濾液和煤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；提高濾液的抑制能力，減少煤的吸附；降低鉆井液的失水，減少濾液對煤層的損害；采取適當?shù)谋Ｗo煤層的鉆井工藝措施，如采用近平衡鉆井技術(shù)，降低固相和液相對煤層的損害，減少壓力敏感性對煤層的損害；防止井漏，減少井漏對煤層的大面積污染；優(yōu)化鉆井水力參數(shù)設(shè)計，防止煤層井筒周圍的剪切應(yīng)力過大或過小而引起滲透率的降低；縮短完鉆和測試時間，減少鉆井液對煤層的浸泡時間。圖2 負壓差設(shè)計流程圖預(yù)計負壓值鉆具組合數(shù)據(jù)井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)巖石力學(xué)數(shù)據(jù)合理的井底負壓值氣液產(chǎn)量小于設(shè)備除油氣能力計算隨鉆產(chǎn)氣量單位壓差隨鉆氣液產(chǎn)量負壓引起井壁失穩(wěn)負壓值大于水平井段環(huán)空壓好耗 優(yōu)選鉆井流體及固控措施（1） 無固相清潔鹽水鉆井無固相鉆井液適用于地層中存在有異常壓力層或井壁穩(wěn)定性差的煤層中。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，其性能對壓耗的影響不大，近似地可認為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。所以求出新的鉆井濃密度下初始循環(huán)壓耗。但如何保證此時設(shè)計的欠壓值等于實際的欠壓值呢?根據(jù)上述原理可知，用調(diào)整井口回壓的方法，保證Ps=Ps欠即可保證△Ps欠設(shè)=△P欠實。如果采用節(jié)流循環(huán)排氣降壓法不能將套壓維持在安全套壓范圍內(nèi)，這說明地層壓力比設(shè)計的地層壓力大得多，造成實際的欠壓值過大，給現(xiàn)場施工帶來很大的危險，此時現(xiàn)場應(yīng)采用前述的方法關(guān)井求壓，確定新的地層壓力。(4)調(diào)整鉆井液密度后如何保證欠壓值欠平衡鉆進過程中，如果套壓急劇上升，現(xiàn)場施工人員需要及時判斷井口套壓升高的原因。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有因地層流體的侵入而改變，所以這些壓力是相等的，通過簡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