适用于软弱煤层的环保型水基钻井液体系研究

引言：

随着非常规油气资源勘探开发的不断深入，软弱煤层钻井面临井壁易坍塌、液体侵入性强等诸多技术难题，严重制约着钻井效率与作业安全。传统钻井液因污染性高或封堵效果差，难以适应绿色、高效的作业需求。研发一套既具良好井壁稳定性，又符合环保标准的水基钻井液体系，已成为当前煤层钻井技术攻关的关键。构建环保、高性能的钻井液技术体系，对于提升煤层钻探质量和推动绿色能源开发具有重要意义。

一、软弱煤层钻井特点与钻井液技术需求分析

软弱煤层作为一种低强度、高含气、高孔隙度的地层类型，在钻井过程中常面临井壁坍塌、缩径、卡钻和井漏等复杂地质问题。这类煤层结构松散，遇水易发生水化膨胀和软化崩解，致使井壁稳定性大幅降低。此外，煤层裂隙发育，渗透性强，易造成钻井液大量漏失，加剧井壁破坏过程。若钻井液选择或性能不当，不仅会影响井眼质量，还可能引发复杂井下工况，导致施工周期延长甚至井筒报废。因此，深入分析软弱煤层的物理力学特性与流体相互作用机制，是钻井液体系设计的基础。

在实际钻井中，为实现对软弱煤层井壁的有效支撑与封堵，钻井液须具备优良的抑制性、封堵性和润滑性。抑制性主要用于防止煤层水化膨胀与剥落，提高井壁完整性；封堵性要求钻井液能迅速封闭裂隙与微孔，防止滤液侵入煤层；润滑性则降低钻具与井壁之间的摩擦，减小黏滞与卡钻风险。此外，优异的流变性能也是关键，能够确保钻屑及时携带并上返，保持井筒清洁。然而，传统的油基或高固相钻井液虽然在性能方面表现良好，但存在污染严重、成本高、回收困难等问题，不符合当前绿色环保的发展趋势。

研制一套适用于软弱煤层的环保型水基钻井液体系显得尤为重要。该体系应在保障井壁稳定与施工安全的前提下，充分满足绿色、低毒、易降解的环境要求。通过引入天然植物胶、可降解封堵剂与低毒抑制剂，可有效提升钻井液的综合性能，实现井壁稳定与环境友好之间的平衡。同时，还应结合煤层本身的储层敏感性特征，精细调控钻井液的化学组成和物理参数，提升其在不同温压条件下的适应能力。如图 1 所示。

图 1 软弱煤层钻井问题与对策图

二、环保型水基钻井液体系的构建与性能优化

针对软弱煤层钻井所面临的特殊工况需求，构建一套高性能、低污染的环保型水基钻井液体系是提高井壁稳定性和保障作业安全的关键路径。在体系构建过程中，需从抑制、封堵、润滑和环保四个核心性能出发，统筹考虑钻井液各组分之间的相互作用，确保体系在复杂煤层环境中具备优良的工程适应性。基础液体系通常采用淡水或矿化水作为连续相，以天然植物胶（如黄原胶、槐豆胶）替代传统黏土或高分子增稠剂，以实现良好的流变控制和环境友好性。针对煤层水敏性强的特点，添加低毒性抑制剂（如聚胺盐、有机胺类化合物）可有效防止煤岩水化膨胀，提高井壁完整性。此外，通过纳米级封堵剂（如纳米硅、微乳化粒子）的引入，进一步强化对煤层微裂隙和孔隙的封堵能力，降低液体渗漏风险。

钻井液体系的性能优化关键在于各组分浓度的匹配与相容性调控。在配方设计中，首先要确保体系具备合适的塑性粘度与动切力，以适应煤层地层压力与流体剪切条件，避免钻井过程中携带能力不足或过度沉降。其次，封堵剂粒径应呈分布式搭配，从而构建多尺度屏障结构，实现有效孔隙填充与滤液隔断。润滑剂方面，可选择植物提取物或表面活性剂类低泡润滑剂，不仅可降低钻具与井壁间的摩擦，还对环境无害。此外，针对不同地温条件下钻井液易发生变性的问题，应对体系进行热滚试验与老化处理优化，确保其在高温环境中流变性能和抑制效果保持稳定。如图 2 所示。

环保型水基钻井液体系构建与优化的流程图

为进一步提升体系的现场适应性与工业应用价值，还需结合煤层钻井实际工况，对钻井液在动态循环、井壁接触、压力梯度等条件下的行为进行模拟研究。同时，应对体系的环境毒性、生物降解速率和残液处理机制进行评估，确保其符合绿色低碳发展要求。

三、钻井液体系应用效果评价与发展前景探讨

环保型水基钻井液体系在实际软弱煤层钻井工程中的应用效果，直接关系到其推广价值与技术可行性。在多个软煤层钻井现场试验中，该体系表现出优异的井壁稳定能力和钻井效率保障能力。施工过程中未出现严重的井塌、卡钻或钻井液大量漏失现象，井径规则，钻具运行顺畅。钻井液滤失量低、返排速度快，有效降低了液侵深度，减少了煤层污染风险。同时，其良好的润滑性能使得摩阻降低，机械钻速提高，缩短了整体钻井周期。对比传统高固相水基钻井液体系，环保型钻井液在封堵性、携带性及井壁保护方面优势明显，井眼质量和完井水平有了显著提升。

从试验数据来看，该体系的流变性能稳定、滤失控制能力强，在 120^∘C 以内仍能保持良好黏度和动切力，不发生明显分层或降解，适用于多种复杂地质条件。抑制性测试表明，煤样浸泡膨胀率显著降低，封堵实验中的渗透率下降幅度可达 80% 以上，进一步证明其有效性。环境安全性方面，所采用的添加剂均为低毒、可降解材料，在钻井废液处理过程中易于分离和净化，显著降低了对周边生态的污染风险。这种高性能、低污染的水基钻井液体系不仅解决了技术瓶颈，还为绿色钻探提供了新方向。

展望未来，环保型水基钻井液体系将在煤层气、页岩气等非常规能源开发中发挥更大作用。随着智能化钻井技术的发展，该体系可与实时监测系统、自动配液系统相结合，实现智能响应与调控，提高钻井过程的安全性与适应性。此外，还需加强其在高温高压、强渗透性煤层中的适应性拓展，并推动绿色钻井液材料标准体系的建立，提升行业整体环保水平。在“双碳”目标和能源转型大背景下，该技术路线将成为推动煤层钻探绿色、高效、安全发展的重要支撑。

结语：

环保型水基钻井液体系针对软弱煤层易塌、易漏等问题，展现出良好的抑制性、封堵性与环境友好性，在保障井壁稳定、提升钻井效率方面具有显著优势。通过科学选材与配方优化，实现了钻井作业与绿色发展的有机统一。随着非常规能源开发深入推进，该体系在实际应用中具有广阔前景。持续技术优化与智能化融合将进一步推动其在复杂地层中的稳定应用，为绿色、安全、高效钻探提供有力支撑。

参考文献：

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