涪陵頁巖氣水平井鉆井液防滲漏技術(shù)

譚希碩

(中國石化江漢油田分公司地質(zhì)工程設(shè)計(jì)監(jiān)督中心，湖北潛江433124)

涪陵頁巖氣水平井鉆井液防滲漏技術(shù)

譚希碩

(中國石化江漢油田分公司地質(zhì)工程設(shè)計(jì)監(jiān)督中心，湖北潛江433124)

針對(duì)涪陵地區(qū)頁巖層中層理裂縫發(fā)育的地質(zhì)特性，研制出防滲漏油基鉆井液，用于頁巖氣大位移水平井的鉆井施工。在涪陵大安寨區(qū)塊和涪陵礁石壩區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)使用表明，防滲漏油基鉆井液封堵頁巖層微裂縫防滲漏的效果顯著，鉆井液清洗井眼、穩(wěn)定井壁抑制防塌、潤(rùn)滑防卡的能力滿足涪陵地區(qū)鉆大位移水平井的施工要求。防滲漏油基鉆井液的成功應(yīng)用，提高了機(jī)械鉆速，降低了故障復(fù)雜時(shí)間，縮短了建井周期，為高效開發(fā)頁巖氣資源提供了技術(shù)支撐。

涪陵頁巖氣水平井;微裂縫;防滲漏;油基鉆井液;井壁穩(wěn)定

涪陵地區(qū)頁巖地層受構(gòu)造及成巖作用的影響，頁巖地層的層理裂縫發(fā)育，具有顯著的層理裂縫特征，層中存在著大量的微裂縫及蜂窩狀小孔洞。目前開發(fā)頁巖氣均采用鉆長(zhǎng)段水平井的方式，井眼在頁巖層內(nèi)水平延展過程中，在井底壓差及鉆井液與地層流體活度差的作用下，頁巖地層井壁的強(qiáng)度和應(yīng)力發(fā)生變化，誘發(fā)頁巖微裂縫擴(kuò)展延伸，在液柱壓力的作用下，膠結(jié)質(zhì)量差的微裂縫及蜂窩狀小孔洞位置處極易發(fā)生破裂、張開，形成滲漏(漏失)通道，引發(fā)鉆井液向井筒周邊滲漏(漏失)，當(dāng)鉆井液滲透到頁巖層中天然的縫隙、裂縫及薄弱層面時(shí)，頁巖將膨脹分散，影響井壁的穩(wěn)定性，引發(fā)井眼失穩(wěn)甚至造成鉆井作業(yè)故障及事故。鉆進(jìn)過程中鉆井液的滲漏(漏失)不僅造成井壁失穩(wěn)，而且導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間、工作量、材料消耗量增加，作業(yè)成本上升。頁巖層的滲漏問題，是井壁失穩(wěn)的根源性因素之一，解決了頁巖層的滲漏問題，可望從源頭上有效預(yù)防井壁失穩(wěn)，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井、保障施工安全奠定基礎(chǔ)。

1　防滲漏油基鉆井液的研發(fā)

1．1作用機(jī)理

鉆頁巖氣水平井目前均選用油基鉆井液，油基鉆井液有良好的井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑、防卡和井眼清洗性能［1-2］。由于頁巖層滲漏的危害很大，為了阻止鉆井液及其濾液大量侵入頁巖層微裂縫及蜂窩狀小孔洞，切斷頁巖水化膨脹及垮塌的外在條件，針對(duì)涪陵地區(qū)頁巖氣產(chǎn)層井段巖性特點(diǎn)，研制防滲漏油基鉆井液［3］。通過向鉆井液中恰當(dāng)?shù)靥砑佣喾N封堵材料，使封堵劑擠入微裂縫，使井眼周邊形成致密的保護(hù)帶，以解決頁巖層微裂縫發(fā)育所致的滲漏問題，提高地層的承壓能力，降低漏失的風(fēng)險(xiǎn)。

室內(nèi)試驗(yàn)篩選出FD-C成膜劑、FD-L及FD-F井壁穩(wěn)定劑。FD-C成膜劑是一種油基鉆井液成膜封堵劑，用于提高井壁承壓能力，穩(wěn)定井壁，降低濾失;FD-L及FD-F為瀝青類井壁穩(wěn)定劑，可以在井壁形成致密的瀝青保護(hù)帶，變形后擠入孔隙及裂縫中，封閉濾失通道，達(dá)到穩(wěn)定井壁與降低濾失的作用。使用FD-C、FD-L及FD-F等封堵材料對(duì)于消除壓差卡鉆、抗鹽類污染也有一定的作用。

1．2井壁承壓能力評(píng)價(jià)［4］

室內(nèi)評(píng)價(jià)了FD-C、FD-L、FD-F在油基鉆井液體系中的承壓能力。FD-C加量為3%時(shí)最大的承壓能力達(dá)到5．6 MPa，F(xiàn)D-L加量為3%時(shí)最大的承壓能力為6．3 MPa，F(xiàn)D-F加量為3%時(shí)最大的承壓能力為7．0 MPa，綜合各種因素，這三種封堵材料復(fù)配到油基鉆井液中，承壓能力達(dá)到了9 MPa，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可望有效提高地層的井壁承壓能力。

1．3鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)采用熱滾后的油基鉆井液。在100℃的條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，為了進(jìn)一步考察所建立的油基鉆井液體系，以及各種封堵材料的封堵性能，根據(jù)儲(chǔ)層孔隙度大小，采用不同目數(shù)的砂子進(jìn)行油基鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)。

通過對(duì)三種封堵材料封堵性能評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，三種材料加入后，分別采用40～80目以及80目以上的砂子作填砂管，鉆井液的侵入深度都在2．0 cm以下。試驗(yàn)表明油基鉆井液體系加入封堵材料后在微裂隙中封堵性能較好。

2　鉆井液現(xiàn)場(chǎng)配制與維護(hù)處理

2．1防滲漏油基鉆井液基漿的配制

涪陵防滲漏油基鉆井液配方組分為:柴油+2．4%主乳化劑+1．6%輔乳化劑+1．5%CaO+1%有機(jī)土+1%增粘劑+3%降濾失劑+3%FD-L+3%FD-F+水相+3%FD-C+重晶石。鉆井液的油水比為80∶20。

配方中的處理劑均通過混合漏斗高剪切加入，各處理劑加入的先后順序不能顛倒，且每加入一種處理劑應(yīng)循環(huán)、攪拌20～30 min后再加入下一種處理劑，使處理劑能夠很好地分散到柴油中，確保油基鉆井液的乳化效果。

2．2防滲漏油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)原則與措施

鉆井液的油水比通過乳化劑和CaCl2水溶液來調(diào)節(jié)，前期保持油水比80∶20，后期逐漸提高到90∶10，以獲得良好的高溫流變性，配出的鉆井液應(yīng)始終維持穩(wěn)定的乳化狀態(tài)(電穩(wěn)定性大于600 V)。補(bǔ)充新配的油基鉆井液基液時(shí)，要按照循環(huán)周法細(xì)水長(zhǎng)流形式逐步加入到循環(huán)體系中，保證循環(huán)體系的性能均勻、穩(wěn)定。

控制鉆井液的HTHP濾失量在3 mL以內(nèi)，使井壁上形成光滑薄韌的泥餅，降低鉆具與井壁的摩擦力，提高鉆井液的潤(rùn)滑性，以保證增斜段和水平段的正常鉆進(jìn)。除降濾失劑以外，加入的乳化劑、潤(rùn)濕劑、增粘劑都具有較好的降低濾失的效果。FD-L和FD-F可以有效地提高鉆井液的濾失控制效果，F(xiàn)D-F在降低濾失的同時(shí)對(duì)體系流變影響較小;在需要提粘并降低濾失時(shí)適度加大FD-L的用量是一個(gè)好的選擇。

可通過適當(dāng)增加油基鉆井液中的有機(jī)土含量或加入油基增粘劑等措施來提高鉆井液的動(dòng)切力、靜切力，提高懸浮攜帶能力的同時(shí)封堵微裂縫，達(dá)到提高地層的承壓能力。

鉆進(jìn)過程中充分使用好固控設(shè)備減少鉆井液中的有害固相，維持鉆井液密度在設(shè)計(jì)范圍。如果鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)固相含量升高，用離心機(jī)清除有害固相并結(jié)合加入適量柴油進(jìn)行稀釋，使油基鉆井液性能穩(wěn)定。鉆進(jìn)中使用高溫降濾失劑，控制鉆井液的高溫高壓失水量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求，用油基成膜劑加強(qiáng)泥餅質(zhì)量和鉆井液的封堵性，阻止過多的濾液進(jìn)入地層，提高井壁的穩(wěn)定性，防止頁巖底層水化膨脹坍塌，鉆進(jìn)中適當(dāng)補(bǔ)充乳化劑、樹脂瀝青等維持鉆井液穩(wěn)定性及防塌性，并控制鉆井液粘度65～100 s，動(dòng)塑比不低于0．3，以確保鉆井液的攜砂性。

進(jìn)入水平段之前及時(shí)補(bǔ)充液體瀝青和乳化劑、細(xì)顆粒的封堵材料用以填充井壁，提高鉆井液的防塌、封堵能力，防止頁巖段出現(xiàn)掉塊，滿足水平段頁巖地層的正常鉆進(jìn)。視情況進(jìn)行短期下鉆拉劃井壁，保證井眼干凈、井壁規(guī)則穩(wěn)定。進(jìn)入水平段后，隨著水平段的增長(zhǎng)，及時(shí)補(bǔ)充足量的液體瀝青、乳化劑、潤(rùn)濕劑等提高體系的防塌封堵能力、高溫穩(wěn)定能力，保證水平段的正常鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)中定時(shí)監(jiān)測(cè)油基鉆井液的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定鉆井液維護(hù)處理的方案措施，經(jīng)室內(nèi)小型試驗(yàn)驗(yàn)證后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

3　應(yīng)用效果

3．1涪陵大安寨區(qū)塊

涪陵大安寨區(qū)塊的井均為淺層大位移水平井，技術(shù)套管以下裸眼井段存在多套壓力系統(tǒng)，存在壓力敏感地層，密度窗口窄。井塌、井漏、井噴的風(fēng)險(xiǎn)并存。采用防滲漏油基鉆井液鉆水平段，各井鉆井液使用情況見表1。

表1　涪陵大安寨區(qū)塊鉆井液使用情況表

對(duì)于垂深接近2 000 m的常壓地層而言，用不超過1．2 g/cm3的鉆井液密度即可平衡地層壓力，但從表1中可見，4口井的實(shí)鉆密度均大于1．7 g/cm3。如此高的鉆井液密度，對(duì)于多套壓力系統(tǒng)并存的裸眼井段，鉆井液的承壓、封堵性能不過關(guān)，薄弱層的滲透性漏失量必然非常大。表1中所列各井的鉆井液日補(bǔ)充量很小，表明了使用的防滲漏油基鉆井液的承壓、封堵性能滿足了施工的特殊需求。

同時(shí)，表1中鉆井液的高溫高壓濾失量最大的僅2．2 mL，均未超過設(shè)計(jì)要求的3 mL，濾失量控制得越低，鉆井液的防滲漏、防塌、封堵性能就越強(qiáng)，穩(wěn)定井壁的效果也越明顯。實(shí)測(cè)FY2-2HF井水平段井眼平均井徑擴(kuò)大率7．8%，F(xiàn)Y4-2HF水平段井眼平均井徑擴(kuò)大率6．4%，F(xiàn)Y6-2HF水平段井眼平均井徑擴(kuò)大率僅為5．01%，這些數(shù)據(jù)表明各井的鉆井液防塌、封堵效果顯著，穩(wěn)定井壁抑制防塌的作用突出。

3．2涪陵焦石壩區(qū)塊

在涪陵大安寨區(qū)塊應(yīng)用成功后，隨著中國石化涪陵國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)建設(shè)的全面啟動(dòng)，防滲漏油基鉆井液開始在涪陵焦石壩區(qū)塊大規(guī)模推廣使用，截止到2014年10月底，已完井110多口。涪陵焦石壩頁區(qū)塊首批頁巖氣水平井均為大位移水平井，為了檢驗(yàn)防滲漏的效果，統(tǒng)計(jì)了最先使用防滲漏油基鉆井液施工的3口井水平段鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液日損耗量，焦頁9-2HF井為2．3 m3、焦頁7-2HF井為2．7 m3、焦頁5-2HF井為3．0 m3，與普通油基鉆井液相比降低了40%以上。

表2列出了最先使用防滲漏油基鉆井液施工的3口井實(shí)鉆鉆井液性能。3口井鉆井液使用情況良好，鉆進(jìn)中鉆井液性能穩(wěn)定，抑制防塌、潤(rùn)滑、防漏效果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，解決了頁巖氣長(zhǎng)水平段水平井鉆探中的潤(rùn)滑防卡、懸浮攜帶、井壁穩(wěn)定等各項(xiàng)技術(shù)難題，保障了中國石化涪陵頁巖氣產(chǎn)能示范區(qū)的整體開發(fā)進(jìn)度。

表2　焦石壩已完鉆井油基鉆井液性能表

這3口使用防漏油基鉆井液的水平井在焦石壩區(qū)塊創(chuàng)下多項(xiàng)施工紀(jì)錄:焦頁9-2HF在長(zhǎng)達(dá)1 530 m的水平段施工過程中，未發(fā)生任何井下復(fù)雜，創(chuàng)下了國內(nèi)陸上頁巖氣同類水平井段最長(zhǎng)紀(jì)錄;焦頁5-2HF在1 530 m水平段鉆進(jìn)僅用時(shí)152．5 h，機(jī)械鉆速達(dá)15．81m/h，創(chuàng)造焦石壩地區(qū)水平段鉆進(jìn)單只鉆頭、單根螺桿、一趟鉆的單項(xiàng)記錄;焦頁7-2HF三開水平段復(fù)合鉆進(jìn)突破日進(jìn)尺412 m，創(chuàng)焦石壩工區(qū)三開水平段日進(jìn)尺最高記錄。

4　結(jié)束語

防滲漏油基鉆井液較好地解決了頁巖氣水平井鉆探中防滲漏、穩(wěn)定井壁抑制防塌的難題，鉆井液封堵頁巖層中微裂縫的效果顯著，鉆井液清洗井眼、潤(rùn)滑防卡的能力同樣也滿足了涪陵地區(qū)鉆井地質(zhì)、工程施工的要求，施工中起下鉆、電測(cè)、下套管順利，井壁穩(wěn)定、井眼暢通。防滲漏油基鉆井液的成功應(yīng)用，提高了機(jī)械鉆速、降低了故障復(fù)雜、縮短了建井周期，為高效開發(fā)非常規(guī)頁巖氣資源提供了技術(shù)支撐。但防滲漏油基鉆井液僅僅對(duì)頁巖層中微裂縫的封堵效果顯著，無法有效封堵頁巖層中大的裂縫，應(yīng)用中需要進(jìn)一步研究攻關(guān)，以期研制出能夠封堵較大裂縫的優(yōu)質(zhì)高效防漏鉆井液來滿足安全優(yōu)快施工的需求。

［1］王中華．頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)及選用原則［J］．中外能源，2012(4):43－47．

［2］劉曉東．油基鉆井液的化學(xué)分析測(cè)試研究［J］．石油天然氣學(xué)報(bào)，2012(1):146－148．

［3］岳前升，向興金，李中，等．油基鉆井液的封堵性能研究與應(yīng)用［J］．鉆井液與完井液，2006(5):40－42．

［4］劉清峰，劉建忠，敖耀庭，等．地層承壓能力的影響因素分析［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2011(13):34－37．

Drilling Fluid Anti-Leakage Technology for Shale Gas Horizontal Well of Fuling Area

TAN Xi-shuo
(Design and Supervision Center for Geological Engineering，Jianghan Oilfield，SINOPEC，Qianjiang 433124，Hubei，China)

According to the geological characteristics of the fractured shale bedding layer in Fuling area，the paper develops the anti leakage of oil base drilling fluid for drilling shale gas in large displacement horizontal wells．Early in the anti leakage oil base drilling fluid formulation in Fuling area，the indoor test R＆D achieves a lot of success．The field application in Da’anzhai block site and in Fuling rock dam block shows that the effect of anti leakage of oil base drilling fluid shale on micro crack sealing is remarkable;the drilling fluid cleaning hole，borehole stability of anti sloughing，lubricity and anticard capacity all meet the construction requirements of large displacement horizontal well drilling in Fuling area．The successful application of anti leakage of oil based drilling fluid improves the mechanical drilling speed，reduce the failure of complex time，shortens the drilling cycle，and provides a technical support for the efficient development of shale gas resources．

Fuling shale gas well;micro crack;seepage prevention;oil base drilling fluid;wellbore stability

TE25

B

1008-9446(2015)01-0010-04

2014-12-02

譚希碩(1968－)，男，江蘇徐州人，中國石化江漢油田分公司地質(zhì)工程設(shè)計(jì)監(jiān)督中心工程師，主要從事鉆井液設(shè)計(jì)、監(jiān)督工作。