高密度油基鉆井液體系優選及其在頁巖氣水平井的應用

邵 寧， 李子鈺， 于培志

(中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京 100083)

0 引言

隨著清潔能源頁巖氣的發展，國內現已完鉆數百口頁巖氣水平井。為解決井壁不穩定等問題，井眼水平段一般采用油基鉆井液體系，但目前仍未能很好解決井壁穩定性差、井眼軌跡控制難等問題[1-3]。本研究通過優選主乳化劑、降濾失劑和有機土等材料，利用正交試驗適配出一種適用于頁巖氣水平井的高密度油基鉆井液體系，通過對體系進行性能評價，結果表明該體系加重性能穩定，乳化效果好，濾失量低，可有效抑制泥頁巖水化分散，施工應用中無卡鉆、漏失現象，有效地解決了威遠地區泥頁巖層鉆井液高密度條件下井壁失穩、井眼清潔等問題，對于頁巖氣水平井的施工技術發展具有推動意義。

1 區域概況及鉆井液施工難點

長寧-威遠地區位于四川省南部，該地區志留系的龍馬溪組頁巖地層是開發的重點，布井多以叢式水平井的方式，水平段長度均在1000 m以上，鉆井中不僅遇到長水平井潤滑效果差、軌跡控制難和鉆井液攜帶巖屑能力低等問題，同時水平段頁巖地層的應力性垮塌更成為影響安全快速鉆井的難題[4-5]，由于水基鉆井液在抑制性、潤滑效果等方面較油基鉆井液在同等條件下難以解決以上問題，因此油基鉆井液成為其主要技術手段，但長寧-威遠地區在使用油基鉆井液鉆進的過程中依舊存在以下難點[6-9]：

(1)安全密度窗口窄。非常規油氣藏地質條件復雜，具有非均質性，地層坍塌壓力和地層破裂壓力較為接近，低密度容易引起縮徑、卡鉆，密度過高又會發生漏失，長寧-威遠地區目的層位密度當量較高，并且頁巖地層對鉆井液性能要求高，在合適的高密度條件下，普通鉆井液很難滿足其性能要求，施工過程中難以使用合適的密度平衡地層壓力。

(2)井壁穩定性差。地層傾角變化較大，龍馬溪組頁巖層應力系統特別復雜，鉆進中水平段應力釋放易造成剝落掉塊。另外本層位的泥質含量高，水敏性較強，容易出現井壁失穩現象，造成井下復雜情況。

(3)潤滑降阻要求高。水平段長度超過1000 m，潤滑困難，高密度條件下，鉆井液潤滑性能下降，摩阻增大，出現復雜情況的概率增大，另外隨鉆使用旋轉導向技術，需不斷調整鉆井方位變化，對鉆井液潤滑能力提出了更高的要求。

(4)井眼凈化問題。由于水平井造斜段井斜變化大，井眼清潔難度大；同時，因為水平段巖屑的重力作用，高密度鉆井液中重晶石等加重材料本身對攜帶巖屑的能力有影響；再者，施工密度高，泵壓高，排量有限，易形成巖屑床，進一步增加摩阻、扭矩和井下復雜情況的可能性。

因此針對以上難點，需優選出一套適用于威遠地區頁巖氣水平井的油基鉆井液體系，使得其在高密度條件下，體系抑制性好，抗巖屑污染能力強，滿足頁巖地層對鉆井液體系的性能要求，保證該區塊頁巖氣水平井鉆井施工的需要。

與孫義的溝通中，我們發現，盡管數字印刷現時發展的大背景并不樂觀，但孫義對這方領域還是保持著一種相對平和的態度。在他看來，社會化大生產之下，每個企業都能找到自己的位置，而精準營銷也是企業發展的一個方向。東南文化做文創產品，始終堅持三個要素：文化符號、創意設計，以及合適載體——當這三要素找到一個契合點時，產生的產品就是成功的。失之東隅，收之桑榆，文創產品研發仍在艱難探索，但東南文化卻已在具有鮮明個性化的主題文化展館建設上屢有收獲，很明顯，這也是數字印刷應用的重要方向。

2 油基鉆井液處理劑優選

2.1 降濾失劑優選

降濾失劑的作用是為控制鉆井液中的濾液滲入地層，濾液會引起泥頁巖膨脹、剝落、掉塊，出現井壁不穩定，嚴重時引起井下復雜[8-10]。試驗根據現場經濟效益考慮，以油水比(體積比)80∶20為基礎，調節密度至2.0 g/cm3，改變幾種降濾失劑，在130 ℃下高溫老化16 h，測試其性能，試驗結果如表1所示。從數據可以看出，1號和2號的濾失量過大，無法滿足現場需求，3號降濾失劑OBMF的濾失量最低且滿足要求，且對比其他性能參數，3號降濾失劑OBMF對他們的影響最低，因此，選用3號降濾失劑OBMF作為高密度鉆井液體系的降濾失劑。

表1 降濾失劑種類優選

注：基漿為3%主乳化劑+0.5%潤濕劑+2%降濾失劑+2%有機土+2%氧化鈣，密度2.0 g/cm3，油水比80∶20；老化條件為130 ℃、16 h。

2.2 有機土優選

油基鉆井液中有機土用以提高和調節油基鉆井液的粘度[11-12]，試驗選取基漿中添加不同種類有機土來測定性能，并在130 ℃下老化16 h，試驗結果見表2。由結果可以看出3號有機土Dynagel對體系粘度提高作用最明顯，同時其他性能也處于正常范圍內，因此選取3號有機土Dynagel作為高密度油基鉆井液體系的有機土添加劑。

表2 有機土種類優選

注：基漿為3.5%主乳化劑+1.5%輔乳化劑+1%潤濕劑+4%降濾失劑+2%有機土+2%氧化鈣，密度2.0 g/cm3，油水比80∶20；老化條件為130 ℃、16 h。

2.3 乳化劑優選

乳化劑通過在油水界面形成吸附膜、降低油水界面張力等作用以形成穩定的油包水乳化鉆井液體系[12-16]。試驗取3組乳化劑在基漿中進行對比，通過電穩定儀測定破乳電壓作為衡量指標，其性能結果見表3。

表3 乳化劑種類優選

注：基漿為3%乳化劑+0.5%潤濕劑+4%降濾失劑+2%有機土+2%氧化鈣，密度2.0 g/cm3，油水比80∶20；老化條件為130 ℃、16 h。

從結果可以看出，3號破乳電壓值最高，乳化效果最好，滿足現場需要，且其他各項性能滿足要求，故選取3號乳化劑OBMP、OBMS作為高密度鉆井液體系的主、輔乳化劑。

3 油基鉆井液體系配方確定

經過對油基鉆井液處理劑的優選，確定以3號的OBMP為主乳化劑，OBMS為輔乳化劑，保證體系的穩定性，以3號降濾失劑OBMF作為降濾失劑，控制濾失量，減少頁巖的坍塌，提高井壁穩定性，3號有機土Dynagel作為體系的有機土，提高體系粘度，對各種處理劑比例進行正交試驗，優選出適合長寧-威遠地區的高密度油基鉆井液體系比例。正交試驗情況如下：采用四因素三水平正交試驗設計，以鉆井液體系的塑性粘度、動切力、動塑比，高溫高壓濾失量和破乳電壓為指標，優選出最佳比例。四優化因子：主乳化劑、潤濕劑、輔乳化劑、降濾失劑。正交試驗設計的因素和水平見表4。

表4 鉆井液體系正交試驗因素與水平

按照四因素三水平正交試驗的方法，選取9組油水比80∶20、加重至2.15 g/cm3的鉆井液組成配方，經過130 ℃、16 h老化后性能測定結果，性能數據如表5所示。

表5 鉆井液體系正交試驗性能數據

按照正交試驗設計數據處理方法，以現場鉆井液要求性能為判定原則，確定最終比例：油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機土+3%CaO+重晶石。

4 油基鉆井液體系性能評價

4.1 體系加重性能

室內試驗通過評價不同密度下油基鉆井液體系的性能，確定體系的加重穩定性和適合的流變性能。使用重晶石將油基鉆井液體系分別加重至2.1、2.15、2.2 g/cm3，在130 ℃條件下熱滾16 h，老化后性能結果見表6。

由表6可以看出，隨著重晶石加量的提高，不同密度的油基鉆井液體系在老化后破乳電壓都維持在800 V以上，滿足現場要求400 V以上，說明體系的乳化穩定性良好。同時較高的初終切及動切力對于懸浮巖屑及重晶石提供良好支持，說明體系攜帶巖屑能力較強，井眼清潔效果好，尤其在水平段不易形成巖屑床。

表6 鉆井液體系加重試驗性能

注：基漿為油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機土+3%CaO+重晶石；老化條件為130 ℃、16 h。

4.2 抗污染性能

(1)向體系中添加不同比例的水，經過130 ℃、16 h老化后性能測定結果如表7所示。

表7 鉆井液體系抗水污染試驗性能

注：基漿為油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機土+3%CaO+重晶石；老化條件為130 ℃、16 h。

(2)選取相同巖層不同質量的巖屑加入到高密度油基鉆井液體系中，老化條件130 ℃、16 h，評價體系的抗巖屑污染性能，試驗結果見表8。

由表7和表8可以看出，鉆井液中隨著水量的增加，當水量增加至6%時，此時油水比已達到76∶24，破乳電壓依舊維持在400 V以上，滿足現場施工要求，同時粘度及切力變化不大，濾失量略有上升，可見體系的乳化穩定性良好；巖屑加入后，體系粘度變化不大，波動范圍很小，表明體系穩定性好，巖屑對體系的影響小，75 g巖屑已相當于混入18%的比例，遠遠超過正常施工的可能性，各項性能數值依舊保持在可控正常范圍內，說明體系在施工中具有很好的抗巖屑污染能力。

表8 鉆井液體系抗巖屑污染試驗性能

注：基漿為油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機土+3%CaO+重晶石。

上述兩項試驗結果表明，高密度油基鉆井液體系具有良好的抗污染能力。

4.3 抑制性能

抑制性反映了鉆井液穩定井壁的能力。試驗按照測定巖屑回收率的方式測試鉆井液體系的抑制性能，選取現場相同層位巖性的巖屑，6～10目烘干后巖屑50 g，分別加入到清水和高密度油基鉆井液體系中，同時在130 ℃條件下滾動16 h，使用40目過篩，烘干恒定后稱取質量，清水下巖屑剩余11.39 g，計算滾動回收率為22.72%，油基鉆井液巖屑剩余47.56 g，滾動回收率為95.11%，這表明鉆井液具有很好抑制巖屑分散的能力，有利于穩定井壁和減少井下復雜情況的發生。

綜上所述，高密度油基鉆井液體系性能穩定，加重后性能穩定，抑制性和抗污染能力較強，能夠滿足威遠地區對于高密度，強抑制鉆井液的要求，可以用于現場施工。

5 現場應用

威204H37-8井位于四川省內江市資中縣陳家鎮付氏祠村8組，是一口水平開發井，鉆探目的層位為志留系龍馬溪組，屬威遠中奧頂構造南翼。2018年8月11日開鉆，2018年11月1日完鉆，完鉆井深5165 m，水平段入靶點井深3665 m，完鉆出靶點井深5165 m，水平段長1500 m，鉆井周期83 d，三開采用油基鉆井液鉆進，體系比例：基礎油+3%～6%主乳化劑+1%～3%輔乳化劑+1%～3%潤濕劑+2%～4%CaO+1%～3%有機土+4%～6%降濾失劑+15%～20%鹽水(濃度為20%～30%的CaCl2溶液)，在三開長水平段頁巖情況下，順利完鉆，無井漏，井徑規則，測井未見異常，鉆井液性能參數如表9所示。

表9 鉆井液性能

該井維護措施如下：

(1)在配制罐中放入大約罐體容積2/3的基礎油，按比例順序加入有機土Dynagel、主乳化劑OBMP、輔乳化劑OBMS、生石灰，經充分攪拌、循環剪切后，加入預先配制的濃度為25%～30%的氯化鈣鹽水溶液，然后加入降濾失劑OBMF，充分攪拌、循環調整其常規性能，再根據密度需要補充加重劑(加重時加入適量潤濕劑)并充分攪拌、循環均勻。

(2)鉆進過程中要求維護好電穩定性(使用乳化劑和基礎油調節)、HTHP濾失量(使用降濾失劑和封堵劑)和油水比等性能，并控制鉆井液流變性以減小ECD和壓力激動，防止井壁失穩和井漏；同時注意監測鉆井液靜切力，防止重晶石沉降。本井應當注意二氧化碳酸性氣體侵入，加強性能監測，視情況向鉆井液中補充石灰防止酸性氣體污染。

(3)鉆進中100%地使用振動篩，除砂器、除泥器使用率達85%，離心機使用率20%～40%，但在使用離心機時應隨時監測鉆井液性能和密度，發現異常及時處理。掏洗罐池，盡量降低井漿的含砂量和鉆屑含量。

(4)本段在鉆進中參照鄰井實鉆密度，在井壁穩定的前提下盡量按設計低限實施；大斜度井段、水平段中鉆具在井下應保持旋轉或上下運動，并采取分段循環鉆井液清理巖屑床,減少遇阻現象，起鉆前，循環井漿1～2周，起鉆至直井段前再次循環井漿。同時本井段要做好防塌工作，井下若發生坍塌現象時可根據井下實際情況適當提高井漿密度，并增加防塌、封堵處理劑加量。

(5)按設計儲備高密度鉆井液和加重材料，高密度鉆井液循環周期≯7 d。

該油基鉆井液體系性能穩定，有很好的抑制性、潤滑性、攜砂性和油氣層保護作用，在該井長水平段，高密度油基鉆井液施工中無憋泵、脫壓、卡鉆現象，井壁穩定、摩阻低、鉆速快，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，滿足了裸眼水平段高效攜巖的需求。

6 結論與應用建議

(1)通過對主要處理劑優選，針對威遠-長寧地區井壁失穩等問題，正交試驗優化出一套油基鉆井液體系，其比例為：油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機土+3%CaO。

(2)該體系具有良好的流變性，乳化效果好，密度加重可達到2.2 g/cm3，具有良好的抗污染能力，抑制性能強。

(3)通過現場應用表明，高密度油基鉆井液體系濾失量低，流變性好，破乳電壓高，配合施工措施能夠有效解決龍馬溪組層位易坍塌掉塊等難題，三開井段鉆進順利，期間性能穩定，無井漏，很好地滿足了威204H37-8井的施工要求，具有推廣作用。

(4)現場水油鉆井液體系轉換初期，出現破乳電壓較低，乳化穩定性較弱的現象，推測是轉換初期，油水分層，乳化需要一個過程，這項問題值得注意和改進，避免轉換初期出現井下復雜情況。