頁巖氣井環保型強抑制水基鉆井液體系研究與應用

楊建民， 劉 偉， 熊小偉， 王 丹， 王 希， 尹后鳳, 馮 斌

(1中國石油長慶油田分公司采油七廠 2中國石油長慶油田分公司采油三廠 3中國石油渤海鉆探工程公司定向井分公司 4華港燃氣集團有限公司 5玉門油田分公司老君廟采油廠)

隨著國內環保法規制度的完善以及人們環保理念的逐漸增強，在油田鉆井過程中對鉆井液的環保性能的要求越來越嚴格，不僅需要鉆井液體系能夠滿足鉆井工程技術的要求，更要具有良好的環境保護性能，因此，急需研究及開發出無毒、易降解且重金屬含量達標的水基鉆井液處理劑和鉆井液體系[1-12]。

四川盆地某頁巖氣區塊儲層段含有大段泥頁巖，頁巖組成為25%～48%的黏土礦物、20%～35%的石英顆粒、1%～10%的有機質；黏土礦物中伊利石的含量最高，占比為40%～50%左右，伊/蒙混層占比為10%～15%左右，不含高嶺石。由于目標區塊頁巖儲層中黏土礦物含量較高，因此在鉆井過程中極易發生井壁失穩、垮塌等復雜情況。為此，筆者結合目標區塊儲層特點，以環保性能良好的復合抑制劑HBYZ-2和高效潤滑劑CQHY-3為主要處理劑，研究開發出了一套適合于頁巖氣水平井的環保型強抑制水基鉆井液體系，在室內對該鉆井液體系的綜合性能進行了評價，并進行了現場應用試驗，為此類頁巖氣水平井的高效合理開發提供一定的理論依據和技術支持。

一、環保型強抑制水基鉆井液的研制

1. 研制思路

(1)一定的密度范圍和良好的抗溫能力，根據目標區塊地層實際情況，研究出與目前常用油基鉆井液體系密度相當的環保型強抑制水基鉆井液體系，密度調節范圍在1.2～1.4 g/cm3，以平衡地層壓力，并具有良好的抗溫能力。

(2)強抑制防塌性能、良好的潤滑性能及良好的封堵性能。

(3)良好的環保性能，隨著環保法制管理以及環保觀念的加強，油基鉆井液以及合成基鉆井液的應用受到越來越多的限制，因此，需要研制環保性能優良的高性能水基鉆井液以逐漸替代油基鉆井液的使用，這就要求水基鉆井液處理劑以及體系要具備較低的生物毒性和較好的生物降解性，以滿足相關的環保要求。

2. 新型復合抑制劑HBYZ-2的研制及作用機理

2.1 抑制劑HBYZ-2的研制

將馬來酸酐、多羥基三乙胺和水按一定比例混合，攪拌至混合均勻后升高溫度，在70℃～90℃條件下反應3～5 h后，繼續升高溫度至120℃，再繼續反應3～5 h后，降低溫度至80℃，加入無水乙酸，繼續攪拌反應2～3 h后，即得新型復合抑制劑HBYZ-2。

2.2 抑制劑HBYZ-2的作用機理

新型復合抑制劑HBYZ-2分子結構中含有強抑制作用的胺基，其能通過靜電作用吸附在黏土顆粒表面，對黏土顆粒表面的負電荷起到中和作用，降低了黏土顆粒的Zeta電位和黏土晶層間的水化斥力，從而抑制黏土顆粒晶層間的水化膨脹作用；另外，抑制劑HBYZ-2分子結構中還含有吸附作用強的多羥基結構，其能利用靜電作用和氫鍵作用在黏土顆粒表面形成多點吸附，起到壓縮黏土雙電層的作用，縮短了黏土顆粒之間的晶層間距，達到抑制黏土顆粒水化分散的目的。

3. 主要處理劑的優選及評價

3.1 抑制劑的優選及評價

室內研制了新型復合抑制劑HBYZ-2，該抑制劑不含氯離子和重金屬，對水體基本無傷害。采用頁巖滾動回收率實驗評價了其抑制性能,結果顯示,加入新型復合抑制劑HBYZ-2的鉆屑滾動回收率達到73.5%，HBYZ-2具有良好的抑制性能,能較好防止泥頁巖的水化膨脹，起到穩定井壁的作用。

3.2 潤滑劑的優選

在基漿中加入不同類型的潤滑劑，利用EP極壓潤滑儀測定其極壓潤滑系數，優選出性能優良的潤滑劑。基漿配方為：0.2%NaOH+0.3%包被劑PAC-LV+3%降濾失劑CMS-1+0.5%流型調節劑MMF-2+5%超細碳酸鈣+重晶石加重至1.2 g/cm3。實驗結果可知，在基漿中加入不同類型的潤滑劑后，極壓潤滑系數均出現不同程度的下降，其中高效潤滑劑CQHY-3的效果最好，當其加量為2%時，極壓潤滑系數可以降低至0.073，相比較于基漿而言潤滑系數降低率達到了78.01%，起到了良好的潤滑效果。

3.3 處理劑環保性能評價

對優選的新型復合抑制劑HBYZ-2和高效潤滑劑CQHY-3開展了環保性能評價，由實驗結果可知，抑制劑HBYZ-2和潤滑劑CQHY-3的EC50值均達到無毒標準，并且BOD5/COD比值均大于25，達到易降解標準，說明優選的兩種主要處理劑對環境的影響較小，具有良好的環保性能。

4. 體系配方確定

根據以上關鍵處理劑的優選與評價結果，結合目標區塊頁巖氣井儲層段特點，通過大量室內實驗，最終研制出一套環保型強抑制水基鉆井液體系，具體配方為：0.2%NaOH+0.2%～0.4%包被劑PAC-LV+3%～5%降濾失劑CMS-1+0.5%～0.8%流型調節劑MMF-2+1%～2%環保型復合抑制劑HBYZ-2+1%～2%高效潤滑劑CQHY-3+3%～5%防塌劑NFA-25+3%～5%封堵劑FDA-02+5%～8%超細碳酸鈣+重晶石。

二、環保型強抑制水基鉆井液體系性能評價

1. 熱穩定性

室內評價了環保型強抑制水基鉆井液體系在不同溫度下老化前后的流變性和濾失量，評價體系的熱穩定性，實驗結果見表1。

表1 環保型強抑制水基鉆井液體系的熱穩定性

注：鉆井液體系密度為1.2 g/cm3。

由表1實驗結果可知，當老化溫度低于150℃時，體系均具有良好的流變性和較低的濾失量，API濾失量僅為1 mL，HTHP濾失量小于5 mL，說明體系具備良好的熱穩定性和封堵效果；而當老化溫度升高至160℃時，體系黏度和切力出現下降，濾失量有所增大；因此，體系最高抗溫可以達到150℃，能夠滿足目標區塊頁巖氣水平井鉆井施工的要求。

2. 抑制性能和潤滑性能

采用儲層段泥頁巖鉆屑評價了環保型強抑制水基鉆井液體系和現場用油基鉆井液體系的抑制性，包括滾動回收率實驗和線性膨脹率實驗。并利用極壓潤滑儀和黏附系數測定儀評價了兩種鉆井液體系的潤滑性能，實驗結果見表2。

由表2結果可以看出，環保型強抑制水基鉆井液體系對泥頁巖鉆屑的一次、二次滾動回收率均在98%以上，體系的16 h線性膨脹率僅為1%左右，與現場用油基鉆井液體系的抑制性能相當，這說明環保型強抑制水基鉆井液體系具有良好的抑制性能，能夠較好的抑制泥頁巖的水化膨脹，起到穩定井壁的效果。另外，環保型強抑制水基鉆井液體系的極壓潤滑系數和濾餅黏附系數分別為0.071和0.039，性能指標接近現場油基鉆井液體系，說明體系具有良好的潤滑性能，可以滿足現場鉆井時對鉆井液潤滑性的要求。

表2 鉆井液體系抑制性能和潤滑性能實驗結果

注：老化條件為130℃×16 h。

3. 抗污染性能

室內分別使用英國評價土和鉆屑粉(粒徑為0.145 mm)評價了環保型強抑制水基鉆井液體系的抗污染能力，實驗結果見表3。

由表3實驗結果可知，在鉆井液體系中加入不同質量分數的評價土和鉆屑粉后，體系的流變性、濾失量以及濾餅厚度變化不大，說明研制的環保型強抑制水基鉆井液體系具有較強的抗污染能力。

4. 儲層保護性能

目標區塊頁巖氣井儲層段具有低孔、低滲的特點，在保證鉆井施工順利的基礎上，應盡可能的降低鉆井液對儲層滲透率的傷害。室內使用多功能巖心驅替實驗裝置評價了環保型強抑制水基鉆井液對儲層巖心的傷害率，實驗結果表明，環保型強抑制水基鉆井液體系對目標區塊頁巖氣儲層巖心的滲透率傷害率平均值為7.2%，傷害率較低，說明在鉆井過程中鉆井液對地層的傷害影響較小，具有良好的儲層保護性能。

表3 環保型強抑制水基鉆井液體系抗污染能力

注：老化條件為130℃×16 h。

5. 鉆井液體系環保性能

室內評價了環保型強抑制水基鉆井液體系的生物毒性、生物降解性和重金屬含量，實驗結果見表4，其中重金屬含量的測定參照GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》。

表4 鉆井液體系環保性能測試結果

由表4實驗結果可知，環保型強抑制水基鉆井液體系生物毒性EC50值為38 600 mg/L，屬于無毒；BOD5/COD值為39.52%，屬于易降解標準；五種重金屬含量均遠遠低于標準值。說明研制的環保型強抑制水基鉆井液體系具有良好的環保性能。

三、現場應用

應用研制的環保型強抑制水基鉆井液在四川盆地某頁巖氣區塊CX-1和CX-2井進行了現場試驗，應用效果較好，現場施工順利。兩口井從三開井段開始替入環保型強抑制水基鉆井液體系，三開井段所鉆遇地層為上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組，上部以深灰色泥巖、含礫細砂巖以及灰黑色碳質頁巖為主，下部以石灰巖和灰黑頁巖為主，鉆井過程中極易發生井壁失穩、垮塌等復雜情況。CX-1井和CX-2井分別鉆至3 518 m和3 459 m完鉆，水平段長度分別為1 540 m和1 510 m。同區塊內的鄰井M井結構與CX-1和CX-2相似，其使用油基鉆井液進行鉆井，現場兩口井與鄰井的應用效果見表5。

表5 現場兩口井與鄰井應用效果對比

由表5結果可看出，CX-1和CX-2井使用環保型強抑制水基鉆井液取得了較好的現場應用效果，鉆井液流變性能穩定，具有良好的抑制性、潤滑性和濾失造壁性，與油基鉆井液性能相當；鉆井過程中沒有出現垮塌、井壁失穩、黏附卡鉆等復雜情況，鉆進速度較快、井眼規則、泵壓較低、摩阻較小、起下鉆通暢；電測一次成功，下套管固井作業過程順利，鉆井應用效果與使用油基鉆井液體系的鄰井M井相當，說明研制的環保型強抑制水基鉆井液體系能夠應用于頁巖氣水平井鉆井作業。

四、結論

(1)室內通過水溶液聚合的方法研制出了新型復合抑制劑HBYZ-2，其抑制性能明顯優于其他類型的抑制劑；優選了性能優良的高效潤滑劑CQHY-3，其潤滑系數明顯低于其他類型的潤滑劑；另外抑制劑HBYZ-2和潤滑劑CQHY-3還具有良好的環保性能。

(2)環保型強抑制水基鉆井液體系性能評價結果表明，該體系具有良好的熱穩定性、封堵性能、抑制性、潤滑性、抗污染性能、儲層保護性能以及環保性能，并且體系配方簡單，維護方便，適合應用于頁巖氣水平井的鉆井作業。

(3)現場應用結果表明，環保型強抑制水基鉆井液體系性能穩定，鉆井過程中未出現任何井下復雜情況，有效的解決了目標儲層段地層井壁失穩、垮塌等復雜難題，與油基鉆井液體系的應用效果相當，達到了較好的現場應用效果，在四川盆地頁巖氣井勘探開發中具有良好的推廣前景。