煤层气是一种主要以吸附状态储存在煤基质表面,部分游离于煤孔隙中的烃类气体,其主要成分为甲烷,是国际上崛起的新型、清洁、优质的非常规天然气能源。我国煤层气储量约36万亿立方米,位居全球第三,可开采总量约10万亿立方米。其中,沁水盆地可开采总量达1万亿立方米以上,是我国煤层气产量最高的含煤盆地。煤层气储层保护钻井液技术是煤层气勘探开发关键技术之一,近年来清水钻井液在沁水盆地煤层气井钻井中被普遍使用,但是目前尚没有形成完整和成熟的煤层气钻井液体系,井壁稳定和储层保护之间的技术矛盾依然突出。针对此现状,本文开展研究设计沁水盆地煤层气井储层保护和井壁稳定双能协同钻井液体系。全文共分为七个章节,主要内容如下:第一章介绍论文的研究背景及研究意义,分析该领域的国内外研究现状与发展现状,同时介绍研究内容和技术路线。第二章以沁水盆地煤储层为研究区,从煤储层地质概况、煤岩物性特征、天然导流裂隙系统等方面进行论述,以此为基础来进一步研究适合沁水盆地煤层气钻井的钻井液体系。重点分析了煤储层天然裂隙系统对钻井工程的影响。此外,通过文献调研和实地考察,基于煤矿井下观测,分析了沁水盆地五个典型煤矿煤储层中天然裂隙的发育类型,并且阐明了煤基质中微裂隙发育特征,为后续钻井液设计和应用奠定地质基础。第三章对生物酶、控降解表面活性剂和防水锁表面活性剂进行优选,初步优选出优选出半纤维素酶和纤维素酶为生物酶单剂,PEG4000,吐温80,ODEP-98为控降解表面活性剂,SPAN80为防水锁表面活性剂;对生物酶和表面活性剂的协同作用进行了分析,揭示了表面活性剂对生物酶降解聚合物过程的调控机理。利用岩心流动仪测试并对比不同时间段的岩心渗流量,直观判断钻井液体系酶解反应的速率,论证出生物酶与表面活性剂的协同作用。然后,对生物酶和表面活性剂协同作用的影响因素进行了探究,包括聚合物不同的分子结构特征、生物酶的来源与组成、表面活性剂的浓度等因素。第四章对煤层气双能钻井液体系进行设计及评价,通过对提粘剂、降失水剂以及抑制剂等处理剂优选,确定基础配方为清水+1%的钙土+0.4%瓜尔胶+1%LVPAC+1.5%KCL+0.2%纯碱。实验优选确定0.2‰纤维素酶+0.2‰半纤维素酶为复合生物酶,复合生物酶对钻井液中聚合物的降解速率和降解率有着明显的提高作用。优化出复配表面活性剂为0.1%SPAN80+0.05%ODEP-98+0.05%吐温80,该复配表面活性剂大幅提升了钻井液储层保护性能。最终优选出的双能钻井液体系配方为清水+1%钙土+0.4%瓜尔胶+1%LV-PAC+1.5%KCL+0.2%纯碱+复合生物酶+复配表面活性剂,并对其流变性、滤失性、p H等基本参数进行了评价。同时,开展膨胀量实验、热滚回收率实验、添加外来物质实验等测试,对研发的钻井液体系进行了抑制性、抗温性、抗盐侵、抗钻屑侵能力等进行了评价,测试结果均满足需求。此外,对双能钻井液的降解性能和储层防伤害性能进行综合评价,其性能表现出色。第五章对煤层气双能钻井液体系的应用效果进行了评价,在测井及取芯方面,双井径曲线数值接近或等于钻头直径,全井平均井径扩大率仅为8.4%,可见双能钻井液与传统钻井液相比,有效地降低了井径扩大率,极大地保障了井壁的稳定,同时施工期间无任何地面、井下事故及其它复杂情况,且岩心采取率为96.8%,证明本钻井液配方在保障安全施工进行的同时,也保证了岩心采取的工作。在排采效果方面,该井产气量是赵庄区块内其他煤层气井的两倍以上,间接反映出应用双能钻井液有效地降低了对储层的伤害,保障了后期煤层气产能的提升。本文的创新点主要为:(1)揭示了钻井液中表面活性剂和生物酶协同作用机理。表面活性剂通过减小钻井液表面张力,降低生物酶在高分子聚合物上的无效吸附,提高了聚合物表面的有效性,促进了生物酶对钻井液的降解作用。优选出的非离子表面活性剂体系FP6(0.1%SPAN80+0.05%ODEP-98+0.05%吐温80)通过对复合生物酶的调控,钻井液降解率提高了6.2%,达到96.2%,并且渗透率恢复值达到93.7%。(2)研发了以生物酶和表面活性剂协同作用为基础的适用于裂隙型煤层气储层的双能钻井液体系。该体系配方为清水+1%的钙土+0.4%瓜尔胶+1%LVPAC+1.5%KCL+0.2%纯碱+复合生物酶+复配表面活性剂,能可靠地实现钻井前期护壁堵漏、后期降解保护储层的双重能效,在沁水盆地赵庄煤层气示范区块取得了良好的应用效果。