【论文】白杨(本刊青年编委)，等：煤层气储层保护钻井液技术研究进展

煤层气（Coalbed Methane, CBM）是一种优质的清洁能源，其主要成分为甲烷，它生于煤层，藏于煤层， 主要以煤基质表面的吸附态和煤层孔隙中的游离态形式储存于煤层^[1]。中国作为煤炭资源大国，煤层气资源丰富，具有巨大的开发潜力。据统计，中国煤层气资源总储量约为30.8×10¹² m³，主要分布在华北和西北地区，如沁水煤层气田、锡林郭勒煤层气田等^[2-4]。煤层气的高效开发可以有效缓解国家能源短缺、大量依赖进口的现状，也可实现对煤炭资源的综合利用， 优化能源结构。然而，中国煤层气的开发与利用仍处于不全面、不成熟的发展阶段，相对于巨大的资源总量而言产量始终偏低。大量国内外煤层气开发项目已证明，钻井过程中发生的井壁失稳与储层损害是制约煤层气产能的主要原因^[5]。相比于其他类型天然气储层，煤层气储层具有易碎、易损害等特征，这意味着在钻完井及后续生产过程中，不当的操作更可能导致地层损害，恶化天然气的地下流动条件^[6-7]。煤层气的清洁高效开发关键在于维持煤储层的长期产能，确保气井的稳定产出，提高资源回收率。钻井液储层保护技术可以有效减少因储层特殊性质带来的作业风险，减少事故发生频率。如无固相钻井液可以防止固体物侵入导致的储层渗透率降低和微粒运移导致的孔隙堵塞，优化气体流动通道^[8]，延长煤层气资源开发周期。此外，随着技术进步和环保标准的提升，储层保护技术中环保可降解属性愈发重要，对于减少因低效开采与损害解除导致成本增加，推动行业绿色转型具有重要意义^[9]。钻井液作为储层保护工艺强有力技术之一，在煤层气开发中需要满足更高工程标准。储层保护涉及钻井、固井、完井及生产管理等多个环节， 为达到最佳效果，需综合考虑煤层气钻井液对全开发流程的影响，避免因追求封堵成功率等钻井指标而对后续完井与生产造成不可逆损害^[10]。近年来，在各方的持续攻关下，适用于各个区块的储层保护钻井液新技术、新体系不断涌现，但对于这些技术的适用条件和未来发展方向的报道缺少系统的总结归纳，无法反映中国加大煤层气开发力度后钻井液的研究与应用现状。笔者根据近年来煤层气用钻井液的发展情况， 分析了煤层气储层面临的主要损害方式，对煤层气井储层保护钻井液及处理剂的研究与应用情况进行了总结，对储层保护钻井液及处理剂的发展进行了展望， 以支撑技术体系的成熟完善，推动煤层气开发经济化、清洁化。

1 　煤层气储层损害分析

煤层气储层主要为煤层本身，其岩石性质受沉积环境的影响。不同类型的煤岩体具有自身独特的物理和化学特性，这些特性影响了煤层气的生成、赋存和解吸。相比于国外易开发气田，中国煤层气储层因成煤期后构造破坏强烈，经历了较长的压实作用以及煤层气逸散时间，表现出低含气饱和度、低渗透率和低压力的“三低”特性，且具有强烈的非均质性， 在钻进过程中易发生储层损害^[11-13]。

1.1 　敏感性损害

地应力分布特征是影响煤层气成藏的核心因素之一。煤层气储层具有低弹性模量、低硬度和高泊松比等特点，这些特性决定着其割理、裂缝的发育情况和储层压力等，使得应力敏感成为煤层内禀属性。在钻进过程中，储层裂缝在有效应力作用下闭合， 且由于煤岩中塑性成分含量较多，易发生永久形变， 使储层渗透率在有效地层覆压变化时会发生不可逆的损伤^[14]。煤层气储层渗透率与上覆岩层压力存在着明显的动态关联，随有效地层覆压的增加呈指数递减。与一般砂岩相比，煤层岩心的应力敏感性指数较砂岩高出5 ～ 7 倍。当有效围压增加至10 MPa时， 煤层渗透率降至初始渗透率的20% ～ 30%，而砂岩仍能维持原始渗透率的90% ～ 95%^[15]。沁水、鄂东、准南以及发耳等煤层气区块的敏感性研究均表明，渗透率受应力环境影响较大，储层具有较强的应力敏感性。其中，发耳区块实验样品的应力敏感临界值仅为7 MPa，渗透率的损害率高达93.95%，远高于其他敏感性损害^[16-19]。在过平衡钻井中，起下钻作业会导致井筒中液柱压力变化。液柱压力波动引起的裂隙开启与闭合以及原生孔隙的压力变化亦会产生应力敏感性损害，且波动幅度越大，渗透率损害越严重^[20]。另一方面，地应力分布特征也是影响井壁稳定性以及裂缝扩展的重要因素。过平衡钻井中， 当不同方向水平应力分布差值较大时，煤层易沿最大应力方向拓展主裂缝，形成漏失通道；水平应力相近时，硬煤地层形成网状裂缝，软煤地层则先被压缩后起裂。网状裂缝越发达，煤岩强度越小，越易造成井壁坍塌掉块、井壁失稳等复杂发生^[21]。因此应力敏感损害是煤层气储层损害的主要类型。

一般情况下，高阶煤岩由于发育成熟，杂质含量较少，因此具有疏水性，水相作为非润湿性流体在高阶煤岩孔隙通道中基本不会引起水敏和速敏^[22]。然而中国大部分煤层气储层中煤岩成熟度不足，品质较低，具有强烈的非均质性，含有大量泥岩混层。黏土矿物遇钻井液后发生水化，导致岩层基质膨胀， 压缩气体流动通道，进而导致渗透率降低，形成水敏损害。针对某区块煤岩的水敏损害测试结果显示，清水钻井液对储层岩心的渗透率损害率高达79%^[23-24]。另一方面混层区域泥岩与煤岩的岩石力学参数差异导致胶结程度低，加之煤岩割理发育，易破碎且强度低，钻井液易侵入，严重影响井壁稳定性^[25]。有关研究结论结果表明水敏性的矿物成分遇到外来流体后发生水化是导致钻井过程中井壁失稳的重要原因。例如，沁水盆地樊庄煤储层中黏土矿物含量低于25%，然而混层区域复杂的岩性导致低黏土矿物含量岩层遇钻井液后也会使该区块煤层气井井壁发生掉块。高密度、高固相含量的常规钻井液虽然对井壁具有强化封堵作用，但往往会带来颗粒堵塞等次生损害。

1.2 　固相侵入对储层的损害

煤层气开发初期，储层损害机理研究主要集中在如何防止压裂后水锁和钻井时应力敏感，对于固相堵塞裂缝和割理的损害则关注较少。近年来，随着储层损害研究的深入，固相侵入损害越发受到重视。其固相包括钻井液中聚合物、刚性颗粒等外来固相以及因钻头研磨等产生的煤屑、煤粉等^[26]。聚合物（如HPAM）可吸附在通道表面，这种吸附作用使有效裂缝受到挤压变窄，影响气体的流动^[27]。若在相邻多点位上发生吸附，则可能在通道中形成胶凝层， 堵塞裂缝和割理，降低煤层渗透率。

相比于聚合物，煤粉等颗粒的侵入对渗透率影响更为明显。与孔隙气锁等储层伤害类型相比，固体颗粒（煤粉、碳酸钙颗粒等）侵入煤储层孔隙喉道造成的伤害最为明显^[28]。煤粉颗粒的粒径越小，运移能力越强，造成的渗透率损害越严重，且少量的煤粉即可造成较为严重的渗透率损害。当煤粉质量与钻井液滤液质量比达到0.625% 后，渗透率损害率超过50%，渗透率开始急剧降低^[29]。另一方面，由于煤岩硬度较低，应力环境发生变化时固相颗粒易脱离。在正压差作用下，粒径小的煤粉更容易侵入开启的裂缝，发生沉降并搭配钻井液中的煤屑在裂缝内部架桥^[30]。煤颗粒沉降的影响因素包括形态与粒径、表面能以及液相矿化度等。研究表明，在界面张力以及井筒压力波动作用下，煤屑煤粉大量运移， 高表面能使颗粒聚集沉降形成堵塞带；液相矿化度越高，颗粒沉降分层时间越短，其中Mg²⁺、Ca²⁺ 等高价离子因双电层压缩效果更明显，对煤颗粒沉降的影响较大^[31]。

1.3 　表面活性剂对储层的伤害

当钻井液进入煤岩的流动通道后，其中的表面活性剂也可能对储层造成损害。研究表明，随着煤阶的增高，煤岩疏水性增强。含氧官能团会提高煤的亲水性，表面活性剂分子包含大量含氧基团，其在煤层表面的吸附和解吸过程会改变孔隙结构以及影响其他材料的电吸附，进而影响储层的渗透性^[32]。例如，阴离子表面活性剂的损害源于其阴离子基团与煤表面的相互排斥，疏水基团吸附在孔隙表面，未吸附的活性剂分子在孔隙通道中形成胶束；另一方面，阴离子基团对煤屑等颗粒的排斥促进了其在通道中的分散和移动，对储层造成损害^[33]。相比之下， 阳离子和非离子表面活性剂缺乏这种排斥作用，其损害程度相对较低。

综上所述，我国煤岩储层物性复杂，具有“三低” 特性。应力敏感、水敏感损害较强，但基本不会发生速敏。其中，应力敏感损害主要由储层的上覆岩层压力（围压）与孔隙压力的变化引起。固相侵入损害主要由钻井液中聚合物、固相颗粒以及钻进过程中产生的煤屑引发。表面活性剂损害主要集中在阴离子表面活性剂的不合理使用，造成润湿反转以及形成胶束堵塞。针对储层损害方式的研究有助于我国煤层气的长期开发，为储层保护钻井液的研发奠定基础。

2 　煤层气储层保护钻井液技术

钻井液是导致煤层气储层损害的重要因素，同时也是储层损害防治的最有效手段，选用合适的钻井液配方和技术措施，可以有效保护煤层气储层，保持井壁稳定，防止渗透率的降低和与井下复杂事故的发生。

增强钻井液封堵抑制能力、调节钻井液密度、应用可降解处理剂等方式均可对煤储层形成有效保护。经过长期发展，一些钻井液体系具有了“多面手” 属性，可以同时解决多种储层损害问题。笔者从敏感性损害防治、固相侵入损害防治和表面活性剂损害防治3 个方面总结了煤层气钻井液储层保护技术^[34]。

2.1 　敏感性损害防治技术

封堵材料的大小和结构决定着它的性能，合理的材料粒径选择是成功封堵井壁的基础。目前钻井液封堵方式大致可分为2 类：刚性封堵，将具有刚性和不同尺寸的材料填充到地层裂缝或漏失通道的内部或表面，形成物理障碍，包括但不限于填充、架桥等方式；柔性封堵，利用材料的形变能力进入并填充漏失通道，形成封堵层。应力敏感性的实质是应力环境（围压和孔隙压力）变化导致的煤层渗流结构的改变。无论刚性封堵还是柔性封堵，都能够通过封堵材料在目标地层带建立压力隔离带，防止孔隙压力变化导致应力敏感损害。另一方面，钻井液的封堵能力可以阻止钻井液滤液进入地层，防止岩层水化膨胀导致的水敏损害以及井壁失稳^[35]。可借鉴页岩气钻井液研发思路，根据黏土矿物水化膨胀情况进行封堵剂的优选与研发，通过优化增黏剂、降滤失剂和封堵剂等处理剂的加量，实现对微裂缝的强力封堵。王维等^[36] 通过复配不同粒度的超细碳酸钙，显著提高了钻井液的封堵能力，在临汾区块G5-6P1 井和辽河油田黄龙区块B 井、C 井进行了现场应用并取得良好效果。在此类区块中，储层性质与高阶煤岩差别较大，例如黄龙区块B 井仅伊利石含量就达19.91wt%，黏土矿物含量超过50%。因此， 在此类区块成功应用的钻井液体系配方中，处理剂的选择与页岩气钻井液并无较大区别，仍大量使用超细碳酸钙、重晶石等固相颗粒。然而，不能一味将煤岩储层气开发等同于页岩气，需充分考虑储层脆性高、渗透率低、易发生损害等特点。刚性封堵颗粒适用于泥页岩地层，在大部分煤层气储层封堵作业中应优选具有一定抗压强度且可变形的柔性材料， 既能够建立压力隔离带，又可以防止粒径较小的刚性颗粒深入储层内部造成永久堵塞。

不同于刚性封堵方法，柔性材料可以根据漏失通道产生变形，最大限度地占据漏失通道空间并形成封堵层。王建龙^[37] 针对延长气田山西组煤层微裂隙发育、胶结性差、易垮塌等特征，以苯乙烯、甲基丙烯酸丁酯、烯丙基三甲基氯化铵为单体，合成了一种封堵剂CRPA，形成了一套强封堵钻井液体系， 封堵性能优于现场井浆。

绒囊状材料是一种用于煤层气开发的新型封堵材料，在环境变化时可以自主进行结合或分离，其结构由内部气体、表面活性剂和高分子聚合物组成（图1）。其封堵机理是通过绒囊材料中心包裹的气体（称为“气核”），以及围绕气核的表面活性剂膜、高黏水层、高黏水层固定膜、水溶性改善膜、聚合物高分子过渡层等组成的复杂结构来实现的^[38]。室内实验表明，绒囊钻井液与传统KCl 清水钻井液相比， 能够有效封堵煤层中的各级裂隙，降低对煤层气储层的伤害，并且由于其密度较低，能减少应力敏感带来的伤害。因此，绒囊钻井液在煤层气等岩石强度较低的储层开发中具有重要应用价值。郑力会等^[39] 较早进行了绒囊钻井液在封堵、控制煤层气储层伤害等方面的研究，并构建了一套绒囊钻井液体系。该钻井液体系密度为0.85 g/cm³，具有良好的稳定性。其他科研人员就绒囊钻井液进行了现场试验，验证了其储层保护效果。为解决上部砂泥岩混层与下部低压、割理发育煤层带来的“上漏下塌”难题，魏攀峰等^[40] 对钻井液处理剂进行了绒囊材料优选，并在M1-X 井和H3-X 井进行了现场试验。结果表明，该钻井液能控制漏失和防止煤层坍塌。其中，H3-X 井通过调整绒囊钻井液性能有效控制了漏速，并在煤层水平钻进中未发生井下复杂事故，提高了钻井效率。为解决三交区块煤层气钻井面临井漏、井塌和储层伤害等技术难题，冯建秋等^[41] 构建了一套绒囊钻井液体系。室内实验表明，绒囊钻井液注入后煤岩柱状岩心的单轴抗压强度提高了43.3% ；驱替注入压力达到18 MPa，远高于清水钻井液的1.7 MPa。该体系在LL-1 五分支水平井和JX-1 井进行了现场试验。在LL-1 水平井，绒囊钻井液成功将漏失速度控制在2 m³/h 以下；在JX-1 井，该钻井液使用后无复杂情况发生，满足钻进需求。

（资料来源：据本文参考文献[38]，有修改）

绒囊钻井液在煤层气开发中得到逐渐推广，在低压易漏地层具有明显优势。但绒囊钻井液的制备和使用涉及到高分子化学、颗粒工程等多个复杂的技术领域，需要专业的设备和人员进行操作。经过多次钻井液循环后，形成的绒囊数量与结构强度会减少/ 衰减。在后续补充新浆时还需进行小样实验计算各类材料所需用量。因此，特殊的材料和钻井液维护工艺使得绒囊钻井液的成本通常高于传统封堵强化钻井液，在推广时存在一定限制。

将加强封堵性能、有效应力支撑和活度平衡等强化手段相结合以全面增强井壁稳定性的方式也已成为钻井液体系的研发方向之一。陈晓华等^[42] 依据“多元协同”防塌原理研制了QSFT 防塌钻井液体系。实验结果表明，QSFT 防塌钻井液体系具有良好的流变性和滤失性，能有效封堵200 μm 裂缝，承压能力达到6 MPa。同时，流体对煤岩体岩心湿测渗透率的损害低于30%，干测渗透率恢复值超过95%。

钻井液主要通过离子交换和聚合物的封装作用发挥抑制能力^[43]。抑制剂通常包括4 类：①无机盐类抑制剂，功能性阳离子与井壁中阳离子进行交换， 阻止水分子进入；②胺类抑制剂，吸附后压缩黏土晶层使水分子脱离并阻止再次进入；③聚合物类抑制剂，利用聚合物的物理性质（如吸附包被作用、浊点效应等）形成保护膜（区）抑制水化；④复合类抑制剂， 即由上述抑制剂复配而成。为解决新疆额敏县和煤1 井钻进过程中水敏损害与取心困难等问题，王力等^[44] 优选了一套低密度钻井液体系。该体系中基础浆为一开用坂土—CMC 钻井液，抑制剂选用MAN104。现场应用结果表明，该钻井液体系满足勘探需求，无复杂事故发生，绳索取心收获率达88.6%。

黄万龙等^[45] 利用甲基丙烯酸甲酯（MMA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（CPDT）、甲基丙烯酸酐（MAAH）和叔羧基甜菜碱等材料，通过三元共聚的方法合成出了一种超支化聚合物MTA。该处理剂超支化结构中包含大量吸附基团，使得其吸附在裂缝表面时可以阻止水分子进入；吸附在井壁表面时能够抑制水化膨胀，黏土膨胀率相比于3%KCl 溶液降低约50%。后续将MTA 为主处理剂形成的钻井液体系在贵州金佳矿区煤层气X-1 井进行了现场试验，井径扩大率小于5%，具有较好的井壁稳定效果。

钻遇低压、易漏失地层时，可以向液相中加入中空微球降低钻井液密度。材料一般以树脂、玻璃微球为主^[46]。由于中空微球性质稳定、尺寸较大，不会造成储层敏感性损害与侵入堵塞。可以解决煤层气储层压力系数小、承压能力不足，易发生应力敏感损害等复杂问题。周梦飞等^[47] 利用玻璃微球研发了一套低密度的水基钻井液体系，并通过实验筛选了流型调节剂、降滤失剂等处理剂。优选实验结果表明， 该钻井液体系密度降低至0.935 g/cm³，且在扫描电镜（SEM）下观察发现，玻璃微球可以在泥饼中形成致密堆积，具有一定的降滤失效果（图2）。

（资料来源：据本文参考文献[47]）

泡沫钻井液一般由气体（通常为氮气或空气） 和液体以特定比例混合形成，气体以微小的气泡形态分散在液体中，形成具有高黏度和低密度的流体， 常用于低压煤层气开发。其中起泡剂和稳泡剂的加量研究是钻井液性能优化的重点。杨福苗^[48] 对泡沫钻井液处理剂进行了优选，形成了一套适用于保德区块煤层气钻井的微泡钻井液体系。该钻井液体系在保德区块的两口煤层气水平井（WL-1 井和WL-2 井） 进行了现场应用，显著降低了钻井液的漏失量，提高了钻井效率。

纳米材料的应用是近年来泡沫钻井液的重要研究方向之一。主要利用纳米材料的特殊性质来改良泡沫钻井液：纳米材料的尺寸效应、高比表面积和独特的物理化学性质在提高泡沫钻井液的稳定性和携带能力方面展现出巨大潜力。如纳米二氧化硅可以作为稳定剂加入泡沫钻井液中，增强泡沫界面膜强度，从而提高泡沫稳定性。研究结果表明，亲水性纳米材料能提高两性离子起泡剂的泡沫稳定性^[49]。李志勇等^[50-51] 通过室内和模拟实验研究了纳米材料润湿性对泡沫质量的影响，并采用三因素三水平的响应曲面法优化了起泡剂BS-12、亲水性纳米SiO₂ 和增黏剂XC 的加量。根据实验结果优化并形成了一套煤层气用泡沫钻井液体系。优化后的泡沫钻井液体系具有良好流变性能，密度仅为0.81 g/cm³，煤岩岩心气测渗透率恢复率在90% 以上，泡沫半衰期达60 h。现场试验结果进一步验证了该钻井液体系在实际应用中的效果，其中井径扩大率仅为5.12%，无井下复杂事故发生。

泡沫钻井液具有低密度、高黏度和较强的稳定性，保证了滤失屏障的形成，减少钻井液向储层的滤失，避免损害储层渗透性^[52]。同时通过调整气液比控制密度，维持井眼与储层孔隙间的压力平衡，避免压力失衡造成敏感性损害。此外，泡沫钻井液固体含量低，可减少固相处理剂对储层的潜在损害；泡沫层也可在井壁上形成稳定覆盖，防止岩石破碎和固体颗粒进入储层，减少储层污染，符合储层保护技术对于钻井液的“多面手”要求。但泡沫钻井液对泵送设备和钻井液循环系统的密封性能要求较高。目前，煤层气用泡沫钻井液的研究主要集中在泡沫稳定性方面^[53]。随着开发深度的增加，泡沫的抗压强度和抗温性等性能设计也愈发重要。

2.2 　固相侵入损害防治技术

煤层固相侵入损害可通过4 种方式进行防治：减少钻井液中固相颗粒含量；利用无固相钻井液中的聚合物对煤屑的束缚与携带能力，阻止其进一步侵入孔隙及地层深部；研发分散剂或形成稳定的泡沫流体将煤粉携带出井筒；优选破胶剂、生物酶等对滞留在孔隙中的聚合物及时降解。

为减少固相颗粒对煤层气储层的损害，低固相/ 无固相钻井液体系在煤层气的开发中被广泛应用。具体来看，其液相中几乎不含固体颗粒，可以显著减少微粒对储层的堵塞；另一方面，无固相钻井液能够减少对煤层井壁的磨损，从而保护储层的完整性^[54]。针对准南煤田乌鲁木齐矿区煤层气钻井中存在的井壁失稳和固相侵入伤害问题，张天翔等^[55] 依据“多元协同”原理研发了一套无固相低伤害水基钻井液（HP）体系。该体系在北8- 向1 井和北8- 向2 井进行现场试验，井径扩大率分别为6.50% 和6.25%，验证了HP 体系的良好效果。

无固相钻井液易高温降黏，多次循环后流变性调控困难。向聚合物中引入少量疏水基团，溶解后相互聚集使大分子发生缔合，形成较为稳定的空间结构，进而稳定流变性。钻井液进入地层后，虽然分子间氢键因温度上升被破坏，但功能基团间疏水缔合作用效果明显，基本不会发生高温降黏。谢彬强等^[56] 利用AMPS、NVCL 等单体采用自由基胶束聚合法研制了梳型温敏聚合物，提高了无固相钻井液的高温流变性。

成膜钻井液常用于防治页岩水化膨胀，形成的半透膜可以有效控制离子在孔隙附近的浓度分布， 形成渗透压阻止水分子进入。借鉴成膜钻井液的半透膜防治方式，可以设计吸附在井壁用于针对煤屑、煤粉的多层网状结构聚合物。不同于钻井液的成膜封堵作用，用于阻止固相颗粒侵入的聚合物处理剂不会进入到储层中，也不能阻止钻井液滤液进入和压力传递，仅承担“拦截”作用。因此相比于封堵剂，该类型处理剂不会造成气体流动通道堵塞，后续处理时也仅需按照常规洗井流程即可清理，能有效进行固相侵入损害防治。谢彬强等^[56] 利用疏水单体CDMAAC、丙烯酰胺和丙烯酸钠合成了一种疏水缔合聚合物，该处理剂能够吸附在井壁并有效阻止固相颗粒进入地层。刘子雄等^[57] 针对煤粉堵塞问题， 提出利用“超级分子膜（SMF）”阻止大颗粒煤屑进入地层，并研发了复配溶液体系。该体系可根据现场施工情况，调节反应物加量控制网缝大小，对煤屑进行拦截，同时在孔隙中脱落的小粒径煤粉可以通过网缝，进入钻井液中循环排出，有效减少煤屑、煤粉对储层的损害。

钻井液的携带能力越强，越能有效携带和悬浮钻屑，减少钻屑在井底的堆积，确保井眼清洁，避免因钻屑堆积造成的卡钻，提高钻井效率，同时可以有效维持井壁稳定和井眼规则。在储层保护方面， 增强钻井液携带能力可以减少钻屑在井筒的停留时间，降低固相颗粒进入储层的概率。增强钻井液携带能力的主要方式为调节钻井液黏度（聚合物）、应用泡沫悬浮体系以及煤粉分散剂。一般情况下，因储层保护的需要，煤层气钻井液中聚合物含量高，无需特别添加聚合物以增强携岩能力。研发方面侧重于泡沫体系的研发以及分散剂的优选。张双源等^[58] 针对韩城矿区的岩样，从悬浮性、煤岩表面润湿性角度研究了不同种类表面活性剂对于煤粉分散稳定性的影响，并优选了分散剂SDS。李思远^[59] 针对煤粉易聚集沉降的问题，利用分散剂FSJ-01、泡沫稳定剂WPJ-03 和无机盐KCl 等构建了复配泡沫体系。实验结果表明，经过3 次循环后煤粉剩余量不足10%，可以解决煤粉堵塞问题。

煤粉分散剂用于改善煤粉悬浮液的流动性，改变煤粉的润湿性，使其能够稳定悬浮在钻井液中， 防止煤粉颗粒的聚结和沉降，保持钻井液携带能力。然而后续研究表明，随毛细管力的增加，分散剂溶液对煤储层的渗透率损害程度增大^[58]。因此在煤粉分散剂使用时，应配合封堵剂、泡沫体系等共同使用， 避免分散剂进入地层后造成表面活性剂损害。

储层保护钻井液的目的在于减少前期钻完井过程对储层渗透率的伤害。然而钻井液处理剂都会不同程度进入储层并滞留，存在堵塞风险。可降解处理剂的应用能有效避免储层孔隙的堵塞，其可降解特性使残留物在钻井作业完成后及时排出，保持储层渗透率稳定，降解过程如图3 所示。

（资料来源：据本文参考文献[60]）

目前，环保可降解处理剂主要包含可降解聚合物化学破胶剂、生物活性酶两类。化学破胶剂利用自身反应形成的自由基对聚合物分子进行氧化断链，使其分解为小分子并丧失空间结构，进而被洗井清理。生物活性酶则针对特定结构进行剪切和分解，与化学破胶剂相比更具有针对性。例如，葡聚糖酶和PHS 酶对纤维素类高分子聚合物材料的降解具有明显促进作用^[61]。为解决钻井安全与煤层保护之间的矛盾， 许朋琛等^[62] 优选了提切剂BZ-2 和固膜剂GMJ 并进行室内评价。结果表明，BZ-2 在清水和膨润土基浆中的提切性能良好，API 滤失量小于12 mL，利用过硫酸铵降解后残渣量为4.5 mg/L。该钻井液体系在山西沁水盆地南部晋城斜坡带郑庄区块进行了现场试验。结果表明该钻井液体系储层保护效果好，后续生产日产气量较邻井高2 倍以上。为解决沁水盆地15号煤层水平井钻井过程中的坍塌失稳和储层污染问题，耿学礼等^[63] 研制了一种可降解储层保护钻井液体系。该体系包含可降解稠化剂和低温氧化破胶剂， 在室内实验中表现出良好的基础性能以及储层保护性能。实验结果显示，该体系能够稳定井壁，破胶后煤岩渗透率恢复值达到96% 以上。该体系在七元煤矿4 口U 型水平井进行了现场应用，成功实现稳定井壁和保护储层的双重目的。

Nasr-El-Din 等^[64] 研究了生物酶（纤维素酶和淀粉酶）对泥饼中残留降滤失剂的分解作用，并进行泥饼清洗实验。实验结果表明，生物酶可以快速地降解泥饼中的聚合物降滤失剂。碘比色法实验中碘蓝色快速消失也直观表明了降滤失剂DFD 在生物酶条件下的快速降解。张浩东^[65] 通过优选可降解处理剂和生物酶，构建了一套适用于煤层气井的钻井液体系。室内实验表明，该体系具有良好的流变性，泥页岩滚动回收率接近92%，线性膨胀率较清水降低近59%。经生物酶降解后的钻井液在30 min 内黏度降至9 mPa·s，滤失量接近全滤失，渗透率恢复率超过90%，处理剂降解性能良好。

目前，可降解处理剂的降解方式主要为利用化学破胶剂产生的自由基对聚合物分子进行氧化断链。然而，自由基的氧化作用不具有针对性，在对有机大分子降解的同时会造成额外的腐蚀和破坏。且常规化学破胶剂（如过硫酸铵）在运输与保存方面要求较高， 需特殊“照顾”以免失效，这些都增添了额外成本。而生物酶降解技术还停留在“拿来主义”阶段，生物酶在使用过程中存在特定要求且最佳应用范围较小，对温度、pH 值甚至压力都有较高要求，稍微超出最佳条件则会使活性大大降低，影响聚合物降解速率^[66]。目前针对生物酶在地层条件下物化特性的研究尚不充分，多停留在室内实验阶段。

2.3 　表面活性剂对储层伤害的防治方法

为降低阴离子表面活性剂对煤层渗透性造成的不利影响，可以使用阳离子/ 非离子表面活性剂进行替代，并降低液柱压力，防止损害发生。蒋子为等^[67] 研制了一种新型复合表面活性剂，该活性剂由阳离子型表面活性剂YS-1、氟碳类FS-2、非离子型FS-1 复配而成。室内实验表明，经复合表面活性剂处理后， 煤岩与清水的接触角由65.5°增至124.0°，使煤岩由亲水转变为憎水，降低水相侵入，从而防止亲水处理剂停留，保持孔隙与裂缝连通状态，提高了钻井液的储层保护能力。依托该表面活性剂形成的低固相钻井液体系回收率达95.9%。虽然阴离子表面活性剂会对煤层造成伤害，但其亲水性能可以有效降低水锁伤害，经过改良后仍可以在储层保护中发挥作用。Lyu 等^[68] 将可降解的天然表面活性剂大豆磷脂与非离子表面活性剂OP-10 进行复配，形成的钻井液体系能够有效提高气相渗流能力。通过上述研究可知， 在选择表面活性剂类型时应对其可能造成的损害进行全面评估，综合水锁以及固相堵塞等损害程度对表面活性剂进行优选，通过扫描电镜等微观分析手段进行验证，不能因追求单一工艺指标而直接放弃某一类型处理剂。

除此之外，还可利用凝胶类材料形成“自密封” 效应。利用高活性的液体化合物在催化剂的作用下发生反应形成凝胶，由此构成三维网络凝胶结构，束缚进入孔隙中的滤液，进而降低自由水及表面活性剂含量^[69]。杨忠亮^[70] 利用具有强束缚水作用的树脂和成膜剂制成了一种束水凝胶，并构建了一套新型钻井液体系。与清水钻井液相比，该束缚水钻井液的自由水含量更低，因此具有更强的井壁保护能力。该体系在山西沁水盆地的两口煤层气水平井（1 号井和3 号井）进行了现场试验。钻进过程中未发生坍塌、掉块等问题，完井水平段长度达到1 600 m。

3 　发展方向展望

3.1 　深部地层中储层损害防治研究

敏感损害往往涉及多因素的耦合作用，机理复杂^[71-73]，且缺乏准确监测渗透率变化的技术，难以获取实时数据。以上限制使得钻井液敏感防治技术难以建立全面的数学模型与完善的钻井液体系。随着煤层气勘探开发区块不断向深层拓展，以及长水平段钻井成为煤层气开发主流技术，浅层垂直井的应力敏感防治方法不适用于深部长水平井。例如，随着井深增加，泡沫钻井液的稳定性逐渐被破坏并导致钻井液密度呈现非线性增加，井深超过1 500 m 后， 绝大部分泡沫会消失，这意味着钻进到深度阈值时， 钻井液性能会明显恶化。在后续研究中，应理清关键处理剂的作用原理与不足之处，结合深部储层的地层温度压力、流体性质、岩石物理性质等进行改性。如针对高压环境，泡沫钻井液后续研究过程中应抓住泡沫歧化这一作用原理，制备新型无机纳米材料或纳米复合材料，增加液膜厚度，增强纳米材料间的作用力，防止气体逸散；针对高温环境，通过分子设计增加绒囊材料中聚合物的高温响应阈值。与此同时，升级渗透率损害评价装置以满足深部地层条件下原位渗透率损害测定的要求。

3.2 　长水平段固相堵塞防治研究

长水平段聚合物以及固相颗粒的滞留、堵塞问题也是下一步储层损害防治的重点。煤屑需要依靠钻井液携带至井口，对钻井液的携砂能力和流速控制提出了更高要求。长水平井中钻井液流态变化明显， 容易形成涡流、停滞区或分层流动，影响钻井液对固相的有效携带。后续研究中应增强对固相控制的理论认知，提高钻井液体系的携带能力，对聚合物、煤粉分散剂等固相控制处理剂进行改性研究。应用电吸附、螯合等吸附能力更强的作用方式使处理剂附着在煤屑、煤粉表面，以适应深部储层高温高压环境^[74]；此外，可借鉴自降解技术、智能形变聚合物研制等其他石油工程领域有关方法，完善无固相钻井液体系， 解决聚合物因长循环路径和携带固相颗粒导致的黏度降低、脱离液相发生沉降等问题。

3.3 　多类型可降解处理剂研发

环保可降解钻井液有效解决了井壁稳定与储层保护之间的矛盾。但其中聚合物降解方式仍以常规化学破胶剂为主，后续研发应不局限于过氧化盐类，优选更加可靠的自由基发生剂。在聚合物处理剂方面可设计自降解结构，形成生物基可降解聚合物，在特定条件下快速降解。材料来源不限于可再生的生物基聚合物（如聚乳酸、聚羟基烷酸酯等）和对环境条件（如温度、pH 值、离子浓度）敏感的环境响应型降解材料。这些材料在钻井液中能发挥良好的流变性调节、滤失控制等作用，提高钻井液的性能可调控性，同时在地层环境中能快速降解，减少储层损害^[75]。目前环保可降解钻井液体系仍以无固相体系为主，缺少刚性颗粒材料，在高压地层的封堵方面存在欠缺。应针对钻井液的封堵性能进行纳米或微米级的可降解颗粒研究，如淀粉基、纤维素基或壳聚糖基材料， 能有效封堵地层微裂缝，提高钻井液的承压能力，同时在作业完成后能自然降解，减少残留^[76-78] ；可结合润湿性进行天然表面活性剂优选，形成整套可完全降解且性能优良的钻井液体系，与地下“井工厂” 绿色开发模式形成完美配合，真正做到全流程煤层气与煤炭资源一体化绿色高效开发^[79]。

3.4 　钻井液参数优化与维护工艺

煤层气开发相比于其他类型地层，储层保护要求高，应用的钻井液体系如泡沫钻井液体系、绒囊钻井液体系都有不同的配方设计与维护工艺。然而， 钻井作业时对这些特殊类型钻井液的配制、维护处理以及工艺参数设置等复杂性认识不足，仍然以现场技术人员的经验为主，经常为满足某一性能指标而过度处理。后续工程实践中应进行系统性分析和规范化操作，结合施工条件，将实验指标、流程等与现场可监测指标建立可靠联系，把实验技术有效转化为现场应用技术，保证各类型钻井液性能的作用发挥。

4 　结论

1）我国煤岩储层物性复杂，表现出低含气饱和度、低渗透率和低压力的“三低”特性，面临诸多储层保护技术难题，主要包括储层的应力敏感损害、水敏损害导致气体流动通道闭合以及井壁失稳；固相侵入损害导致孔隙、裂缝堵塞，降低气体渗透率；表面活性剂损害在孔隙通道中形成胶束并促进微粒在通道中的分散和移动。

2）随着对煤层气储层地质构造以及储层损害研究的不断深入，储层保护钻井液技术逐渐成熟，在浅层煤层气开发上取得了显著成果。绒囊钻井液、抑制型聚合物钻井液、泡沫钻井液、环保可降解钻井液等多种钻井液体系及新型钻井液处理剂基本解决了目前煤层气开发的技术难题，实现了储层保护目标。

3）未来在深部地层储层损害防治、长水平段固相堵塞防治、多类型可降解处理剂研发以及钻井液参数优化与维护工艺等方面仍需加强研究，以满足煤层气经济化、清洁化及全流程绿色高效开发后续由浅向深的攻关探索。