生物合成基鉆井液在長寧頁巖氣水平井的應用

李茜， 周代生， 彭新俠， 伍葳， 陳驥， 李文哲

（1. 中國石油西南油氣田公司工程技術研究院，成都 618000；2. 中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦，四川瀘州 646000；3. 四川長寧天然氣開發有限責任公司，成都 610017）

0 引言

隨著中國頁巖氣革命序幕的拉開，油基鉆井液技術在中國獲得了空前的發展。但在新環保法及含油廢物處理要求不斷提高的背景下，傳統難降解油基鉆井液面臨極大的挑戰，這也給低毒且可生物降解的合成基鉆井液技術帶來了很大的發展機遇。合成基鉆井液是采用合成油作為基礎油的一種油基鉆井液體系。其是由人工合成或者改性的有機物，再加入處理劑組成的合成基鉆井流體[1-3]。

合成基鉆井液具封堵性強、潤滑性好等傳統礦物油基鉆井液具有的優點，同時又具備對環境危害小、毒性低和可生物降解等優點，是一種可同時滿足高效鉆井作業和環境保護要求的新型鉆井液技術 [5-8]。

四川長寧頁巖氣區塊龍馬溪組水平段長、井壁穩定性差，長期以來使用油基鉆井液鉆井，環保壓力巨大，使其應用受到一定限制。在四川長寧CN-H井龍馬溪井段試用了一種生物合成基環保鉆井液，鉆井過程中該體系表現出優異的性能，實現了龍馬溪組安全快速鉆井。

1 鉆井液體系優選

1.1 長寧地區頁巖氣開發難點

長寧區塊構造位于川南古坳中隆低陡構造區與婁山褶皺帶之間，屬于構造復合體。地層傾角起伏大，地層應力分布不規律，無法求得規律性地層坍塌壓力和漏失壓力；龍馬溪地層巖性成份復雜，碳質含量高，層理發育，水平段易垮塌。鉆井液安全密度窗口需要現場根據井下情況實時調整。通過利用鉆井液強封堵性和化學抑制性來克服地層坍塌壓力不明確的瓶頸[9]。

1.2 生物合成基鉆井液體系

通過室內實驗優選出一套生物合成基鉆井液體系，該鉆井液配方如下。

（46%～50%）生物合成基礎液+3%ATGEL+3%ATMUL+2%ATCOAT+4%ATTROL+2.3%CaO+7.7%CaCl2+H2O+加重劑

主要維護處理劑為ATMUL、 ANCOAT、CaO、ANTROL、 ANTGEL。

該生物合成基鉆井液采用第3代生物合成基液作為連續相，是由植物油經特殊工藝加工而成的改性有機物。該體系抗溫達到200 ℃，使用密度范圍為1.10～2.50 g/cm3。該體系兼備水基鉆井液的環保性與油基鉆井液優越的潤滑、封堵及抑制性。基礎液為植物油，無芳香烴、無毒、無熒光、不含重金屬、可生物降解，現場施工無刺激性氣味，符合HSE要求。該鉆井液對橡膠件無腐蝕，減少了對帶橡膠件儀器（如螺桿、導向工具等）的損傷，延長了使用時間，減少了其維修及保養產生的時間。

對密度為2.1 g/cm3的生物合成基鉆井液進行了室內評價，實驗結果見表1。由表1可以看出，老化前后合成基鉆井液的動塑比均較高，說明其剪切稀釋性較強；體系抑制性強；極壓潤滑系數低于0.1，說明其潤滑性較好；體系具有較強封堵性。體系老化后基本性能未發生太大改變，其抗高溫穩定性較好。

表1 生物合成基鉆井液性能

2 現場應用

2.1 地質工程簡況

2.1.1 長寧CN-H井地質簡況

長寧CN-H井是四川長寧公司部署在長寧背斜構造中奧頂構造南翼的一口頁巖氣水平井開發井，鉆探目的層為志留系龍馬溪組，鉆探目的是開發長寧地區龍馬溪組頁巖氣資源。地質分層自上而下為嘉陵江組、飛仙關組、長興組、龍潭組、茅口組、棲霞組、梁山組、韓家店組、石牛欄組和龍馬溪組。

2.1.2 工程簡況

長寧CN-H井設計井深為4 524 m，完鉆井深為4 630 m，水平段長為1 500 m，全井平均機械鉆速為6.42 m/h，全井鉆井周期為46.93 d。全井井眼穩定，井徑規則，平均井徑擴大率為4.9%，井身結構為四開四完：φ914.4 mm×19.5 m（φ508 mm×19.5 m）+φ406.4 mm×392 m（φ339.7 mm×390.83 m）+φ311.2 mm×1 394 m（φ244.5 mm×1 393.19 mm）+φ215.9 mm×4 630 m（φ139.7 mm×4 625.59 m）。

2.2 現場應用情況

根據該井的地質特征和井身結構確定鉆井液施工重點：一開（0～19.5 m），使用清水鉆進，下入φ508 mm導管封隔地表竄漏層、疏松易垮塌層；二開（19.5～392 m），使用清水鉆進；快速鉆過表層易漏地層，下套管封隔；三開（392～1 394 m），使用聚合物鉆井液；提高抑制性、防塌性鉆至韓家店頂下套管；四開（1 394～4 630 m），繼續使用三開聚合物鉆井液鉆水泥塞，鉆進至井深1 479 m轉換為新型生物合成基環保鉆井液體系。鉆遇地層為韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組，巖性以泥巖夾砂巖頁巖為主，龍馬溪組頁巖易垮塌、易漏、產氣，泥巖易水化分散，造漿性強；鉆井液工作重點是穩固井壁、防漏、防垮塌。應用井段為1 479～4 630 m、段長為3 151 m，平均機械鉆速為6.93 m/h，鉆井周期為25.37 d。

2.2.1 分段鉆井液性能

合成基鉆井液在長寧CN-H井現場應用的分段性能見表2。從表2可以得出，合成基鉆井液的性能穩定，隨著井深的增加、鉆井液密度的提高，漏斗黏度、塑性黏度、動切力、初終切力等性能參數的波動小。

2.2.2 鉆井液維護處理

1）密度。由于使用合成基鉆井液，提高了鉆井液的抑制性， 鉆井液體系能從化學方面在一定程度上解決井壁穩定的問題。因此在滿足井壁穩定的前題下盡可能低地控制鉆井液密度，防止漏失。在實鉆過程中根據井眼狀況及時調整鉆井液密度，以保證井眼安全。

2）油水比。隨密度的增加而提高，鉆井液的油水比始終維持在80/20左右。

3）高溫高壓濾失量。適時補充ATTROL-HT降低高溫高壓濾失量，控制高溫高壓濾失量小于5 mL（120 ℃）。現場實測小于1.0 mL。

4）電穩定性。適時向循環體系中補充ANTMUL和ANTCOAT來提高和穩定合成基鉆井液的電穩定性，始終控制破乳電壓大于400 V。現場實測破乳電壓值均在900 V以上。

5）石灰含量。維持鉆井液中有適量的多余石灰對保持乳化液的高溫穩定性和防止電解質發生電離有著決定性的作用，并為乳化劑和其他處理劑提供適當的堿性環境以獲得較佳的效果。

6）低密度固相含量控制。使用細目數的振動篩布（0.063～0.076 mm），開啟除砂器。

表2 長寧CN-H井四開鉆井用合成基鉆井液性能

3 現場應用效果

3.1 鉆井液常規性能、流變性能對比

生物合成基鉆井液與鄰井油基鉆井液、高性能水基鉆井液使用情況對比見表3。

從表3可以看出，生物合成基鉆井液，高溫下的黏度更低，有利于提高機械鉆速；在同等密度下，合成基鉆井液黏度低于常規油基鉆井液，鉆井液的沿程流阻減小，泵壓更低，有利于強化鉆井參數，提高排量；生物合成基鉆井液還具有優異的剪切稀釋性能，在同等密度下，反應鉆井液剪切稀釋能力的動塑比為0.35 Pa/mPa烏s，遠高于鄰井油基鉆井液的0.11 Pa/mPa烏s，甚至優于同等條件水基鉆井液的0.31 Pa/mPa烏s。合成基鉆井液與親油膠體的配伍性較好，與加重劑相容性較好，使得體系內部液固之間、固固之間內摩擦阻力較低，因此塑性黏度較低；合成基鉆井液動切力更高，其攜帶巖屑的能力更強，在低剪切速率下的結構明顯強于常規油基鉆井液，避免了巖屑床的產生。

長寧CN-H井5次起下鉆均暢通無阻，電測時儀器落井，井底靜止6 d，打撈下鉆一次到底，無沉淀，順利打撈成功；生物合成基鉆井液體系流變性好，起出鉆具清潔，鉆井液黏附少，石牛欄、龍馬溪組巖屑返出層次分明、外形完整、棱角分明（見圖1）。巖屑槽巖屑干燥成型，方便環保收集處理（見圖 2）。

圖1 石牛欄、龍馬溪組返出巖屑

圖2 起鉆清潔的鉆具及返出完整的巖屑

3.2 鉆井液潤滑性能對比

該生物合成基鉆井液具有優異的潤滑性能，鉆具與井壁的摩擦阻力越小，鉆壓越能施加到鉆頭上，機械鉆速越高；生物合成基鉆井液實鉆過程中無論是扭矩還是鉆具摩阻，相比油基鉆井液均有較大幅度的下降。尤其是鉆具摩阻相比油基鉆井液降低10 t，降低幅度達40%；鉆進中扭矩小，起下鉆無阻卡，套管一次性順利下到底。鉆井液性能對比見表3。

3.3 工程施工參數對比

使用合成基鉆井液與油基鉆井液時的工程參數（最優參數）見表4。從表4可見，實際施工中相同排量下合成基鉆井液泵壓更低，有利于強化鉆井參數，提高機械鉆速；長寧CN-H井龍馬溪組使用合成基鉆井液的機械鉆速達到9.74 m/h，比使用油基鉆井液的井提高了2.14 m/h。

表4 長寧CN-H井與鄰井鉆井液工程參數對比（龍馬溪組）

3.4 井徑擴大率

長寧CN-H井四開使用生物合成基鉆井液鉆井過程中井壁穩定，平均井徑擴大率為4.9%，見圖3。

長寧CN-H井四開替入生物合成基環保型鉆井液，完鉆井深為4 630 m，鉆井周期為26 d。截止到完鉆日期，該井刷新了長寧頁巖氣井多項記錄：①實現單只鉆頭“一趟鉆”進尺2 366 m，鉆井周期為13.48 d，刷新了長寧頁巖氣“一趟鉆”進尺和鉆井周期記錄；②水平段長1 500 m，平均機械鉆速為9.74 m/h，鉆井周期為8.58 d，刷新了長寧頁巖氣水平段周期記錄；③完鉆井深為4 630 m，全井平均機械鉆速為6.2 m/h，全井鉆井周期為46.93 d，刷新了長寧頁巖氣井全井鉆井周期記錄。

圖3 長寧CN-H井四開井徑曲線

4 結論與建議

1.生物合成基鉆井液流變性好，具備優越的潤滑、封堵及抑制能力，能夠防止頁巖水平段井壁垮塌、減少阻卡及井下復雜。

2.長寧CN-H井龍馬溪組使用生物合成基鉆井液，鉆井液性能穩定、井壁穩定、井眼規則、起下鉆摩阻小、機械鉆速高，且安全環保，刷新了長寧頁巖氣鉆井周期、機械鉆速等多項紀錄。

3.建議加強合成基鉆井液重復利用技術研發，以推動其在長寧地區的推廣使用。