摘要
张集煤矿多分支井是一口为查明3号异常区地质（陷落柱、薄煤带和地堑等）与水文地质特征开展的1直5支支井钻探工程。T3孔主要目的层为3上和3下煤层， 煤层机械强度低，裂缝和割理发育，均质性差，存在较高剪切应力作用，煤层段井壁极不稳定，在钻井过程中极易发生井壁坍塌、井漏、卡钻甚至埋掉井眼等井下复杂情况。本文通过对施工中钻井液的主要技术难点进行分析，研制了多分支井强封堵防塌聚合物钻井液体系，主要配方：基浆+0.5%KPAM+1%铵盐+1%腐殖酸钾+1%降滤失剂+1%防塌剂+3%NS封堵剂。主要性能：粘度35~50 s，密度1.05~1.2 g/c
张集煤矿位于山东省菏泽市单县县城以东约22 km（见
图1 张集煤矿地理位置
井田内通过钻探工程及巷探工程揭露的地层由老到新有：
奥陶系马家沟群（O2-3m）：主要岩性为灰、深灰色泥岩，砂质泥岩，粉砂岩夹细粒砂岩，多层石灰岩及煤层，主要防掉块、坍塌。
石炭系月门沟群本溪组（C2b）：主要岩性上部为灰、深灰色泥岩和细粒砂岩，下部为紫红、灰绿色铁铝质泥岩。
石炭—二叠系月门沟群太原组（C2P1t）：太原组是重要的含煤地层，含赋存区大部可采、局部可采煤层4层（12下、16上、17和18上煤层），由于井田内揭露下组煤钻孔较少，其可采性和可采范围有待进一步查明，主要防分散、坍塌、缩
二叠系月门沟群山西组（P1-2s）：为灰、灰白色砂岩，深灰色泥岩，粉砂岩和煤层，含植物茎叶碎片及根化石。该组含3层可采或局部可采煤层，即3上和3下、3下2煤层。
二叠系石盒子群（P2-3）：上部为杂色泥岩夹粉砂岩，下部为杂色粉砂岩夹泥岩。
古近系（E）：上部为棕红色粉砂岩夹砾岩，下部为灰色砾岩夹棕色粉砂岩和泥岩。所含砾岩的砾石成分几乎全为石灰岩，砾径大小不一，磨圆度较好。
新近系及第四系地层（N+Q）：岩性主要为黄、棕黄色粘土和砂质粘土，夹不等粒砂层。成岩性较差，一般较松散，主要防分散、坍塌、吸水膨
主孔1个，分支孔5口，钻探工程量设计2140 m，实际钻探工作量见
| 井号 | 侧钻深度/m | 完井深度/m |
|---|---|---|
| T3 | 1006.19 | |
| T3-1′ | 725.69 | 1062.58 |
| T3-4′ | 801.43 | 1067.23 |
| T3-2′ | 746.71 | 1067.80 |
| T3-3′ | 725.00 | 1046.68 |
| T3-5′ | 713.70 | 1001.90 |
图2 现场施工
图3 钻孔结构示意
图4 钻孔三维轨迹
T3孔主要目的层为3上和3下煤层，兼顾柴2煤，对其它煤层不做要求，钻探设计只要求对3上和3下煤层进行取
| 孔号 | 煤层 | 钻探成果 | 测井成果 | 确定成果 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 底板深度/m | 伪厚/m | 采长/m | 底板深度/m | 伪厚/m | 深度/m | 真厚/m | 长度采取率/% | 质量采取率/% | ||
| T3 | 3上 | 893.64 | 2.40 | 2.20 | 893.65 | 2.38 | 893.65 | 2.38 | 92 | 83 |
（1）上部地层较疏松，易发生井壁坍塌。
（2）煤系地层易坍塌、掉块，吸水膨胀。
（3）3号煤层厚度大，煤层质地较脆，节理裂隙发育，易漏失，导致井内液柱压力小，从而导致井壁失稳，产生垮塌、卡钻等复杂情
（4）环保要求高，因沥青类材料含有荧光，属禁止使用产品，增加了护壁的难度。常规的膨润土聚合物钻井液对煤层的污染和对煤层的伤害较
实验用基浆：蒸馏水∶膨润土∶纯碱=100∶6∶0.3（沉化24 h）。取基浆350 mL，将现场的泥页岩+煤样品50 g，进行恒温（90 ℃）滚动16 h，烘干称重，计算岩屑回收率（见
| 配方 | 岩屑回收率（40目）/% |
|---|---|
| 基浆 | 45.5 |
| 1号:基浆+0.5% KPAM+1%铵盐 | 78.4 |
| 2号:基浆+0.5% KPAM+1%铵盐+1%降滤失剂 | 89.8 |
| 3号:基浆+0.5% KPAM+1%铵盐+1%腐殖酸钾+1%降滤失剂 | 95.2 |
| 4号:基浆+0.5% KPAM+1%铵盐+1%腐殖酸钾+1%降滤失剂+1%防塌剂+3%NS封堵剂 | 99.2 |
将钠土制成岩心，用页岩膨胀量测定仪测试，实验结果见
| 配方 | 不同浸泡时间的膨胀量/mm | 相对抑制率/% | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 h | 2 h | 3 h | 4 h | 5 h | 6 h | 7 h | 8 h | ||
| 基浆 | 3.24 | 4.20 | 4.58 | 5.28 | 5.62 | 5.98 | 6.14 | 6.44 | |
| 1号配方 | 1.18 | 1.92 | 2.24 | 2.82 | 3.32 | 3.88 | 4.08 | 4.26 | 33.85 |
| 2号配方 | 1.06 | 1.35 | 1.88 | 2.14 | 2.56 | 2.99 | 3.54 | 3.68 | 42.86 |
| 3号配方 | 1.00 | 1.34 | 1.86 | 2.08 | 2.44 | 2.68 | 2.82 | 3.08 | 52.17 |
| 4号配方 | 0.82 | 1.22 | 1.64 | 1.82 | 2.12 | 2.42 | 2.56 | 2.68 | 58.39 |
根据以上实验，优选使用聚丙烯酸钾（KPAM）作为增粘剂，铵盐作为抑制剂，腐殖酸钾作为降滤失剂，选用纳米NS作为封堵剂，实验配方及性能见
| 开次 | 井径/mm | 套管/mm | 钻井液体系名称 | 钻井液配方 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 一开上 | 311 | 244.5 | 膨润土钻井液 | 0.1%~0.2烧碱+4%~8%膨润土+0.2%~0.3% KPAM | |
| 一开下 | 215.9 | 139.7 | 聚合物防塌钻井液 | 基浆+0.5% KPAM+1%铵盐+1%腐殖酸钾+1%降滤失剂 | 配备随钻堵漏剂 |
| 二开 | 152 | 聚合物防塌封堵钻井液 | 基浆+0.5% KPAM+1%铵盐+1%腐殖酸钾+1%降滤失剂+1%防塌剂+3% NS封堵剂 | 配备随钻堵漏剂 |
| 开次 | 密度/ （g·c | 漏斗粘度/ s | 动切力/Pa | 塑性粘度/（mPa·s） | 初切力/终切力/（Pa/Pa） | API失水量/[mL·(30min | 泥皮厚/mm | pH值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 一开 | 1.03~1.20 | 40~50 | 4~6 | 8~13 | 0~3/1~8 | ≤10 | ≤0.5 | 8~9 |
| 二开 | 1.05~1.20 | 35~50 | 4~6 | 8~13 | 0~3/1~8 | ≤6 | ≤0.3 | 8~9 |
注： 密度按实际需要调整。
本次施工采用聚合物防塌封堵钻井液体系，其组成如下：
（1）基浆为清水加入适量的钠基膨润土。
（2）水解聚丙烯腈铵盐（NH4-NPAN），是一种降滤失剂，且不增粘。由于可提供N
（3）聚丙烯酸钾（KPAM）具有较强的抑制泥页岩分散的能力，具有较强的包被作用，吸附的牢固度较好，一般加量0.1%~0.8%。
（4）纳米NS是一种纳米级的封堵材料，可酸化降解，能显著降低泥浆失水量，封堵微裂隙地层，具有良好的防塌性能，一般加量1%~3%。
（5）火碱、纯碱，综合泥浆酸碱平衡，抑制地层钠、钙等离子
现场使用钻井液性能见
| 井号 | 井段 | 密度/ （g·c | 漏斗粘度/s | 表观粘度/（mPa·s） | 塑性粘度/（mPa·s） | （初切力/终切力）/（Pa/Pa） | API滤失量/[mL·(30min | pH值 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T3 | 新生界 | 1.07~1.15 | 19~23 | 9~12 | 8~13 | 0.5~2/1~4 | 8~11 | 8~9 |
| 基岩 | 1.03~1.11 | 20~21 | 10~12 | 8~13 | 1~3/2~6 | 4~7 | 8~9 | |
| T3-1′ | 新生界 | 1.07~1.15 | 19~23 | 9~12 | 8~13 | 0.5~2/1~4 | 8~11 | 8~9 |
| 基岩 | 1.03~1.11 | 20~21 | 10~12 | 8~13 | 1~3/2~6 | 3~6 | 8~9 | |
| T3-2′ | 新生界 | 1.05~1.15 | 18~22 | 9~11 | 8~13 | 0.5~2/1~4 | 10~12 | 8~9 |
| 基岩 | 1.07~1.13 | 17~20 | 8~10 | 8~13 | 1~3/2~6 | 3~7 | 8~9 | |
| T3-3′ | 新生界 | 1.06~1.17 | 19~22 | 9~11 | 8~13 | 0.5~2/1~4 | 8~12 | 8~9 |
| 基岩 | 1.05~1.14 | 18~20 | 9~10 | 8~13 | 1~3/2~6 | 4~6 | 8~9 | |
| T3-4′ | 新生界 | 1.08~1.16 | 19~22 | 9~11 | 8~13 | 0.5~2/1~4 | 9~13 | 8~9 |
| 基岩 | 1.06~1.15 | 19~20 | 9~10 | 8~13 | 1~3/2~6 | 4~5 | 8~9 | |
| T3-5′ | 新生界 | 1.07~1.17 | 18~23 | 9~12 | 8~13 | 0.5~2/1~4 | 8~10 | 8~9 |
| 基岩 | 1.05~1.14 | 18~21 | 9~11 | 8~13 | 1~3/2~6 | 3~5 | 8~9 |
图5 现场深部煤层取心效果
（1）研制了多分支井用强封堵防塌聚合物钻井液体系。配方：基浆+0.5% KPAM+1%铵盐+1%腐殖酸钾+1%降滤失剂+1%防塌剂+3% NS封堵剂。性能：粘度35~50 s，密度1.05~1.2 g/c
（2）采用聚合物强封堵防塌钻井液体系，顺利完成了1个主井和5个分支井的施工，钻探工程量2506.23 m，地球物理测井工作量6210.10 m。保证了3上（T3主孔揭露深度-853.23 m）、3下（T3主孔揭露深度-867.43 m）的煤层取心率（达92%），井壁未发生垮塌、掉块现象。
参考文献
罗开艳，李巨龙，王冲.煤层气多分支水平井钻井技术研究［J］.科技信息，2011（7）：364-365. [百度学术]
张凯，李七明，王永全.张集煤矿地面区域治理水平分支孔钻效分析及提速对策［J］.钻探工程，2021，48（S1）：181-186. [百度学术]
黄志强，蒋光忠，郑双进，等.煤层气储层保护钻井关键技术研究［J］.石油天然气学报，2010，32（6）：116-118. [百度学术]
黄维安，邱正松，杨力，等.煤层气钻井井壁失稳机理及防塌钻井液技术［J］.煤田地质与勘探，2013（2）：37-41. [百度学术]
罗冠平.抑制性泥浆在新疆淖毛湖煤田东部勘查区中的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（5）：33-36. [百度学术]
罗冠平.LG植物胶无固相冲洗液在富煤二矿906号孔的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（2）：19-22. [百度学术]
张晓静，乌效鸣，蔡记华，等.LG植物胶泥浆在煤田复杂地层钻探中的应用研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2006，33（12）：42-44，49. [百度学术]
黄卫东.无固相泥浆在沉积岩复杂地层钻探中的应用研究.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（12）：10-12，17. [百度学术]
张绍雄，张媛.煤层气开发的多分支水平井钻井技术［J］.石油工业技术监督，2010，26（12）：56-58，66. [百度学术]
胡鹏飞.复杂地质条件下近水平钻孔孔内事故发生原因分析［J］.煤炭与化工，2017（10）：89-91. [百度学术]
申鹏磊.沁水地区煤层气水平对接多分支井钻井工艺研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（6）：65-68. [百度学术]
于文涛，张辉，孙振刚，等.五级分支井井眼连接总成设计及有限元分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（2）：33-36. [百度学术]
单文军，蒋睿，陶士先，等.页岩气钻探冲洗液体系的研究与应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（10）：176-181. [百度学术]
郝海洋，李勇，宋继伟，等.黔西南地区煤系地层井壁稳定技术探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（7）：8-13，33. [百度学术]
刘徐三.水基钻井液防塌封堵材料封堵特性实验研究［J］.钻探工程，2021，48（67）：44-48. [百度学术]
孔勇，杨小华，徐江，等.抗高温强封堵防塌钻井液体系研究与应用［J］.钻井液与完井液，2016，33（6）：17-22. [百度学术]
何恕，王波，陈晓飞，等.页岩长水平段水基钻井液封堵剂优选［J］.重庆科技学院学报（自然科学版），2015，17（5）：47-50. [百度学术]
王力，盟尚志，陈万钢，等.提高煤层强度的钻井液防塌封堵剂的研制［J］.钻井液与完井液，2018，35（5）：46-49. [百度学术]
李之军，蒲晓林，王贵，等.低荧光钻井液防塌封堵新材料及其作用机理［J］.天然气工业，2013，33（9）：97-101. [百度学术]
黄书红，蒲晓林，陈勇，等.新型无荧光防塌封堵剂HSH的研制及机理研究［J］.钻井液与完井液，2013，30（1）：9-12. [百度学术]
李攀义，单文军，徐兆刚，等.成膜防塌无固相体系在金鹰矿区ZK1146 井中的应用研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（10）：26-30. [百度学术]
