臨興致密氣區塊降阻鉆井液研究及應用

賈 佳，夏忠躍，馮 雷，范志坤

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452

目前，致密氣開發由于自然產能低或基本無產能，需要采用低成本高效開發模式。在鉆井作業過程中，多口井出現了托壓、鉆具遇阻、遇卡等高摩阻的情況，部分井由于托壓嚴重，未能鉆至設計井深，提前完鉆，不能實現地質氣藏目的。對現場實際作業進行模擬反演，顯示正常鉆進和下套管過程中的摩阻系數均較高，為了降低摩阻，有必要開展鉆井液相關研究。

1 鉆井液研究

1.1 已鉆井情況

臨興區塊已鉆井顯示，一些井摩阻過大未鉆至設計深度，見表1，部分井設計井深與設計完鉆深度相差275 m，影響了致密氣開發的效果和質量。

表1 高摩阻未正常完鉆井統計表

根據現場實際作業情況，對已鉆井的摩阻系數進行了反演，鉆進過程中裸眼段摩阻系數約0.40，見圖1，比正常摩阻系數0.25大；下套管過程中裸眼段摩阻系數為0.45，見圖2，比正常摩阻系數0.30偏大。為了降低摩阻，有必要開展鉆井液相關研究。

圖1 臨興區塊鉆進過程中摩阻系數

圖2 臨興區塊下套管過程中摩阻系數

1.2 地質特征

臨興鉆遇的地層依次有第四系、三疊系紙坊組、三疊系和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組等[1-2]，見圖3，地層非均質性強，連續性差，具有低孔、低溫、低滲的特點。

圖3 臨興區塊地層情況統計

1.3 地層敏感性分析

為了解地層敏感性情況，對臨興區塊地層開展了堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏分析[3-4]，結果見表2。臨興區塊地層表現為弱堿敏特征，中強水敏特征；臨界流速為0.41 mL/min，中等偏弱速敏；酸敏損害率平均為54.3%，中等偏強酸敏特征；臨界鹽度12 500 mg/L，弱鹽敏特征。

表2 臨興地區儲層敏感性研究分析表

1.4 降阻鉆井液體系的研制

根據臨興地層堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏特征，將超雙疏理論及材料引進到鉆井液體系中，形成了適合臨興區塊KCl雙疏封堵鉆井液體系方案。一般情況下，固相和液相進行接觸時，存在一定的角度，稱為接觸角，接觸角的范圍是0～180°，當接觸角為0時，液體在固體表面完全鋪展開；接觸角是0～90°時，有一定的潤濕性；接觸角大于90°時，液體對固體表面已不呈現潤濕性；當角度增加至130°～140°時，液體呈現對固體表面的排斥性；當接觸角增加到150°以上時，形成“荷花效應”，可以有效排斥固體，見圖4。

圖4 荷花效應示意圖

荷花的自潔效應與表面的微觀結構有很大關系，其葉面上存在著許多復雜的納米和微米級的超微結構，形成了一個又一個的乳突，間距12 μm，每個乳突由直徑為200 nm的突起組成。這些乳突的存在，使得液體接觸荷葉時，只能與類似“山包”的凸起點接觸，不會浸濕葉面。

根據“荷花效應”的原理，研制了超雙疏劑，該雙疏劑由直徑100 nm以下的納米材料組成，該種結構可以在井壁表面形成乳突，當鉆井液與之接觸時，不會浸濕井壁，降低表面張力，實現雙疏效果[5]。利用實驗評價超雙疏劑加量對表明張力的影響規律，結果表明，隨著加量增加，表明張力迅速下降，當質量分數超過1%以后時，表面張力的變化緩慢，當加量增加至3%時，基本趨于穩定，不再變化，見圖5。所以，3%的加量為最優加量[6-7]。

圖5 巖心表面張力隨超雙疏處理劑加量的變化

1.5 提高鉆井液潤滑性

對不同類別潤滑劑對鉆井液潤滑性能的影響進行了實驗研究，結果如圖6所示。根據實驗結果，LUBE潤滑劑的性能比較突出。

使用LUBE作為潤滑劑時，不同加量對潤滑性能的影響不盡相同，如圖7。隨著加量的增加，泥包黏滯系數先下降，當加至1%以后，基本保持不變；隨著加量增加，E-P極壓潤滑系數減少，當加至1%以后，基本保持不變。同時考慮到成本因素，建議后續井作業時，LUBE加量范圍為1%～2%。

圖6 不同種類潤滑劑潤滑性能數據對比

為了進一步降低水平井作業時的摩阻，以緩解托壓問題，研究了石墨加量對潤滑性能的影響，在添加2%LUBE潤滑劑的基礎配方中，分別添加0.5%、1%、1.5%的潤滑劑，考察不同加量對潤滑性能的影響，結果見圖8。

圖8 不同石墨加量時潤滑性能數據對比

隨著加量增加，潤滑性能提高，但0.5%加量以后，潤滑性能提高速率變慢，基本保持一致。所以，對于水平井作業時，建議添加0.5%的石墨來進一步降低作業摩阻。

2 現場應用

對鉆井液進行改進后，鉆井作業中的遇阻、遇卡現象得到了有效控制，同時，水平井的托壓現象也得到了明顯緩解，同時使用水力振蕩器等提效工具[9]，水平井最大井深可以鉆至3 500 m，多口水平井實現了正常完鉆。改進前，水平井鉆井工期約50 d，改進后水平井工期約36 d，工期縮短了28%，如圖9。

圖9 折算成3000 m當量深度水平井改進前后工期對比

3 結論

對影響摩阻較大的鉆井液進行了實驗研究，研制了KCl雙疏鉆井液體系，超雙疏劑的最優加量為3%。對潤滑劑的加量進行了實驗評價，潤滑劑LUBE的最優加量范圍為1%～2%。在此基礎上，繼續添加0.5%的石墨可進一步增強潤滑性能。現場應用表明，改進后的鉆井液可以有效緩解致密氣水平井高摩阻問題，鉆井工期可以縮短28%。