頁巖氣高性能水基鉆井液技術研究

陳士奎，譚梟麒，王 薦，蔣 卓

（1.中國石化華東油氣分公司南川頁巖氣項目部，重慶南川 408400；2.荊州市漢科新技術研究所，湖北荊州 434000）

我國頁巖氣資源十分豐富，總體儲量與美國相當[1]，因此，隨著美國頁巖氣開發獲得成功，國內頁巖氣的開發也得到普遍關注。我國頁巖氣開發雖然起步較晚，但是發展迅猛，目前涪陵頁巖氣產能示范區年產量已突破100×108m3[2]，這顯示出我國頁巖氣具有巨大的開發潛力。

在頁巖氣鉆井過程中，過去大多數采用油基鉆井液，用來應對頁巖地層層理發育、水敏性強導致的井壁失穩問題以及高摩阻問題[3]。但是，我國頁巖氣產區主要集中在川渝一帶，油基鉆井液容易對周圍生態環境產生不良影響，且油基鉆屑的運輸處理會進一步推高頁巖氣開發成本[4]。因此，開發研究一套適用于頁巖儲層的高性能水基鉆井液體系，具有十分重要的社會效益和經濟效益。

本文從龍馬溪組頁巖失穩機理出發，構建了一套綜合性能與油基鉆井液十分接近的高性能水基鉆井液體系，為頁巖氣高性能水基鉆井液的發展和推廣提供一定的參考。

1 龍馬溪組頁巖組成及井壁失穩機理分析

隆頁2井龍馬溪組泥頁巖X射線分析結果（見表1）及黏土礦物組成分析（見表2）顯示，龍馬溪組泥頁巖黏土礦物含量中等，石英長石等脆性礦物含量較高。黏土礦物中以伊蒙混層和高嶺石含量為主，蒙脫石含量較低。

將隆頁2井巖塊放入水中24 h（見圖1），可以看到巖塊外形保持穩定，但巖塊表面有微裂縫延伸，這表明龍馬溪組泥頁巖水化膨脹性較弱，井壁失穩以濾液進入地層后，巖石結構應力變化導致的剝落掉塊為主。

2 頁巖氣高性能水基鉆井液體系構建

2.1 研究思路

根據頁巖氣的儲層特征，高性能水基鉆井液主要研究思路包括以下幾點：①抑制性：穩定井壁，減少低密度固相分散，便于調控流變性[5]；②封堵性：盡可能降低濾失量，減輕濾液進入地層導致地層應力場的變化[6]；③巖石穩定性：對于巖石強度影響較小，防止剝落掉塊[7]；④潤滑性：摩阻小，扭矩低，確保長水平段順利鉆進[8]。

2.2 技術對策

針對以上需求，研發出頁巖氣高性能水基鉆井液體系兩種核心處理劑：膠束封堵劑HSM、高效潤滑劑LUBE168。

2.2.1 膠束封堵劑HSM 膠束封堵劑HSM是一種嵌段共聚聚醚高分子表面活性劑，其形成的膠束在水溶液中可呈球狀、層狀、棒狀，其尺寸大小在1 nm～100 nm，膠束粒子在孔喉中相互聚集還產生疏水膠團，能夠快速封堵泥巖納米孔喉，阻止鉆井液中的自由水向泥巖深部侵入。

表1 隆頁2井樣品X射線分析

表2 隆頁2井樣品黏土礦物組成分析

圖1 隆頁2井巖塊清水浸泡24 h前后對比（左：浸泡前；右：浸泡后）

表3 高性能水基鉆井液室內評價性能參數

2.2.2 高效潤滑劑LUBE168 高效潤滑劑LUBE168是有機鉬類潤滑劑，其在壓力作用下能夠發生分子內分解，產生MoS2并與金屬表面產生化學吸附，形成高強度極壓膜，該極壓膜能夠隔絕鉆具與地層，并在摩擦時滑動剝落，降低摩擦力。

3 頁巖氣水基鉆井液體系室內評價

3.1 鉆井液基礎性能

配制密度為1.4 g/cm3高性能水基鉆井液室內評價性能參數（見表3）。從表中數據可以看出，熱滾前后體系流變性能均未出現較大變化，熱滾后體系API失水和HTHP（100℃）失水較小，能夠有效減少濾液進入地層。高性能水基鉆井液基礎性能與油基鉆井液基本一致。

3.2 鉆屑滾動回收實驗

稱取30 g 6～10目隆頁2井現場鉆屑，分別倒入裝有350 mL清水、高性能水基鉆井液、聚合物鉆井液、油基鉆井液的老化罐中，在100℃下熱滾16 h，用40目篩回收，洗凈后在105℃烘干4 h，冷卻至室溫稱剩余量鉆屑質量，實驗結果（見表4）。

表4 鉆屑滾動回收實驗對比

3.3 對巖石強度影響

使用隆頁2井鉆屑粉壓制實驗巖心，放入不同體系中，在100℃下浸泡不同時間后取出，測試其單軸抗壓強度，計算與初始狀態下相比，單軸抗壓強度降低的幅度（見圖2）。從圖中可以看出，清水中巖石強度下降幅度在60%以上，而高性能水基鉆井液與油基鉆井液降低幅度均在20%左右。

表5 各體系潤滑性能對比

圖2 不同體系浸泡巖心后巖心強度變化

3.4 潤滑性能

測量各鉆井液體系的泥餅黏滯系數和E-P極壓潤滑系數，為模擬實際工況，分別在鉆井液中加入30%鉆屑粉以模擬鉆井過程中鉆屑對泥漿體系中潤滑劑的吸附。各體系潤滑性能（見表5），高性能水基鉆井液潤滑性能與油基體系十分接近。

4 結論

（1）X衍射結果表明，隆頁2井龍馬溪組頁巖礦物中脆性礦物高，蒙脫石含量低，井壁失穩以濾液進入地層后，巖石結構應力變化導致的剝落掉塊為主。

（2）自主研發構建了一套高性能水基鉆井液體系，通過與KCl-聚合物鉆井液和油基鉆井液各項性能室內評價對比，高性能水基鉆井液性能要遠遠優于KCl-聚合物鉆井液，與油基鉆井液十分接近。