頁巖水平井環保型多硅基水基鉆井液技術

吳雄軍 趙琳 林永學 李海斌 黨冰華

1.中國石化石油工程技術研究院 2.中國石化石油化工科學研究院3.中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 4.中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院

水平井是開發頁巖油氣藏的有效方式,但在鉆井過程中,面臨井壁穩定性差、鉆具受到的摩阻扭矩大、井眼清潔困難等技術難題,配套鉆井液技術面臨巨大的挑戰[1]。油基鉆井液在抑制性、封堵性、潤滑性等方面具有天然優勢,是目前頁巖水平井鉆井的首要選擇,但由于循環利用技術與廢棄物處理技術配套不足,配制成本高、環境污染風險大、后期綜合治理難等問題突出,規模化應用時面臨環境保護與成本控制的雙重壓力[2-8]。基于此,國外在頁巖水平井井壁失穩機理研究的基礎上,開發出了 ULTRADRIL、HYDRAGLYDE、KLA-SHIELD、HYDRO-GUADRTM等多種高性能水基鉆井液體系,并在一定范圍內實施了成功應用,但相關技術高度保密,難以在國內實施經濟化引進與規模化應用[9]。因此,開發適用于我國頁巖水平井鉆井的環保型高性能水基鉆井液具有重要的意義。結合頁巖水平井鉆井液技術難點,通過引入多種硅基處理劑,開發了一種環保型多硅基水基鉆井液體系,并在室內進行了綜合性能評價。現場應用結果表明,該體系能夠有效地避免頁巖水平段井壁失穩、鉆具摩阻扭矩過大、起下鉆遇阻等井下復雜問題,為頁巖油氣藏水平井綠色、高效地開發提供了良好的技術借鑒。

1 頁巖水平井水基鉆井液技術難點

我國頁巖油氣資源埋深超過3500 m,地質條件復雜,且地層差異性大,采用水基鉆井液實施水平井鉆井時,面臨井壁易失穩、摩阻扭矩大、井眼清潔困難3個方面的技術挑戰。因此,所選用的水基鉆井液體系應具有優異的微裂縫封堵能力和水化抑制性能,以盡可能減少鉆井液濾液向頁巖地層的侵入,并降低濾液與地層黏土礦物的水化作用[10]。同時,鉆井液體系還需具有良好的高溫流變穩定性和潤滑性,以能最大限度地清潔井眼,降低鉆具所受到的摩阻和扭矩,從而提高機械鉆速、避免井下復雜情況的發生。

2 環保型多硅基水基鉆井液技術

2.1 鉆井液推薦配方

針對頁巖水平井水基鉆井液技術需求,采用硅酸鉀鈉與硅酸鈉復配,并引入有機硅改性腐植酸鉀鹽、聚倍半硅氧烷等硅基處理劑替代常用的抗高溫磺化處理劑和瀝青等易造成環境污染的鉆井液材料,以抑制性、封堵性、潤滑性和高溫流變穩定性為評判標準,依據GB/T 16783.1-2014《鉆井液現場測試 第1部:水基鉆井液》給出的推薦做法,通過測試向2%(w)～4%(w)的膨潤土漿中加入不同量的硅基處理劑單劑以及根據其組合物時各項性能的變化,確定了具有明顯膠凝沉淀作用的高模數硅酸鉀鈉與硅酸鈉和聚胺作為鉆井液復合抑制劑的最佳配比,優選了能夠提高鉆井液封堵性能和抗高溫性能的有機硅改性腐植酸鉀鹽以及能夠顯著改善鉆井液高溫流變穩定性和潤滑性能的聚倍半硅氧烷的推薦加量,并在傳統硅酸鹽鉆井液配方的基礎上[11],對納米乳液、理想填充劑等配套處理劑的加量進行了優化,得到了環保型多硅基水基鉆井液推薦配方:3.0%(w)膨潤土漿+0.7%(w)氫氧化鉀+1.5%(w)硅酸鈉+2.0%(w)硅酸鉀鈉+3.0%(w)有機硅改性腐植酸鉀鹽+2.5%(w)聚倍半硅氧烷+0.3%(w)聚胺抑制劑+1.5%(w)納米乳液+4.0%(w)理想充填劑+加重劑。

2.2 處理劑生物毒性檢測

按SY/T 16788-2010《水溶性油田化學劑環境保護技術評價方法》對鉆井液推薦配方中所用的主要處理劑進行了生物毒性檢測[12],結果見表1。

從表1可看出,該體系所用的主要鉆井液處理劑的EC50值均在3×104mg/L 以上,達到無毒級別,能夠滿足環境保護需求。

表1 鉆井液處理劑生物毒性檢測

2.3 高溫穩定性能評價

按GB/T 16783.1-2014考察了溫度對鉆井液性能的影響[13],結果見表2。從表2可看出,該體系分別在120℃、150℃和180℃下老化16 h后,鉆井液表觀黏度、塑性黏度以及切力等流變性參數均變化較小,動塑比維持在0.41～0.48,HTHP 失水量≤2.8 m L。說明該體系在180 ℃下,仍具有良好的高溫穩定性能和優異的流變性能。

表2 高溫穩定性能評價實驗

2.4 抑制性評價

依據SY/T 6335-1997《鉆井液用頁巖抑制劑評價方法》,采用取自頁巖水平段的水敏性泥頁巖巖樣,測試并計算了巖樣在不同鉆井液體系中的滾動回收率和線性膨脹率,對比評價了環保型多硅基水基鉆井液的抑制性,結果見表3。從表3可看出:實驗用水敏性巖樣在清水中的滾動回收率為25.05%,線性膨脹率高達33.26%,說明在清水中發生了嚴重的水化膨脹與分散;對比來看,水敏性泥頁巖巖樣在環保型多硅基水基鉆井液中的滾動回收率高達98.53%,線性膨脹率為0.26%,與油基鉆井液的測試結果相當,兩者均明顯優于在鉀胺基聚磺鉆井液中的測試結果,表明環保型多硅基水基鉆井液具有與油基鉆井液相當的抑制性。分析認為,多硅基水基鉆井液所采用的高模數的硅酸鉀鈉具有明顯的膠凝沉淀作用,與硅酸鈉和聚胺抑制劑復配使用時,可以有效地抑制水敏性泥頁巖巖樣的水化,降低巖樣內部的壓力傳遞和毛管壓力。此外,所采用的有機硅改性腐植酸鉀鹽由甲基硅醇與腐植酸接枝縮聚而成,分子結構中含有大量的活性基團,進一步提高了鉆井液體系的黏土水化抑制性能和防止泥頁巖微裂縫擴展的能力。

表3 不同鉆井液體系抑制性評價 %

2.5 封堵性評價

采用Mastersizer-3000激光粒度分析儀測定了環保型多硅基水基鉆井液中固相顆粒的粒度分布,結果見圖1。從圖1可看出,環保型多硅基水基鉆井液中的固相顆粒粒度分布在0.35～30μm,且粒徑分布在1μm 以下的固相顆粒體積分數達到11.02%,粒徑分布在5μm 以下的固相顆粒體積分數達到61.03%,與頁巖地層微裂縫寬度表現出良好的匹配性,在配方中納米乳液和理想充填劑的共同作用下,預期可對頁巖地層微裂縫實施有效封堵。

采用取自焦石壩頁巖氣田龍馬溪組的露頭泥頁巖巖樣,參考高溫高壓鉆井液動態污染評價方法,將鉆井液加熱至180 ℃后,緩慢升高巖樣前端壓力至3.5 MPa,在高溫高壓條件下循環鉆井液,對巖樣前端進行動態污染,通過測試12 h后巖樣前端鉆井液濾液侵入深度模擬評價了不同鉆井液體系對泥頁巖巖樣的封堵性能[14],結果見表4。從表4可看出:采用清水對泥頁巖巖樣進行動態污染時,當巖樣前端壓力增加至1.8 MPa時,清水沿著泥頁巖巖樣中原本存在的裂縫貫穿;采用環保型多硅基水基鉆井液時,巖樣前端壓力升高至3.5 MPa后,鉆井液濾液的侵入深度僅為0.32 cm,與鉀胺基聚磺鉆井液體系和油基鉆井液體系相比,侵入深度更小,表現出優異的微裂縫封堵效果。

表4 不同鉆井液體系對泥頁巖巖樣的封堵性模擬評價

2.6 潤滑性評價

按GB/T 16783.1-2014測試了環保型多硅基水基鉆井液的潤滑性能,并與其他類型的鉆井液體系進行了對比,結果見表5。

表5 不同鉆井液體系潤滑性評價

從表5可看出,環保型多硅基水基鉆井液的極壓潤滑系數為0.081,泥餅黏滯系數為0.042,與油基鉆井液體系相當,明顯優于鉀胺基聚磺鉆井液體系。表明環保型多硅基水基鉆井液具有良好的潤滑減阻性能。分析認為,多硅基水基鉆井液所采用的聚倍半硅氧烷分子為燈籠型結構,具有比有機硅聚硅氧烷更低的表面能和耐熱性能,在鉆井液抑制性能良好的前提下,可通過空間位阻效應,與黏土作用,形成規則的立體有序結構,從而有效地改善鉆井液體系的高溫流變穩定性和潤滑性。同時,體系中所選用的納米乳液和理想充填劑能夠進一步地提高鉆井液對納微米級裂縫的封堵能力,形成致密的泥餅,進一步提高體系潤滑性能。

2.7 環保性評價

依據GB/T 5750-2006《生活飲用水標準檢驗方法》、GB/T 7466-1987《水質總鉻的測定》,分別檢測了常用的鉀胺基聚磺鉆井液和環保型多硅基水基鉆井液的重金屬含量;依據HJ 505-2009《水質 五日生化需氧量的測定 稀釋與接種法》和HJ 828-2017《水質化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》分別測定了兩種鉆井液體系的BOD 值和COD 值,結果見表6。從表6可看出,實驗用鉀胺基聚磺鉆井液重金屬含量超標,且BOD 值/COD 值＜5%,難于生物降解,環境污染風險高。環保型多硅基水基鉆井液重金屬含量均在二級排放標準范圍之內,且BOD 值/COD 值高達31.7%,易生物降解。

表6 不同鉆井液體系環保性評價

表7 東平1井轉換前后鉆井液體系性能

3 現場應用

東平1井是中國石化部署在麻黃山區塊的第一口非常規水平探井,目的層處于張家灘頁巖發育部位。該井采用鉀胺基聚磺鉆井液體系三開鉆進至2866 m后,在炭質泥頁巖段發生嚴重的井壁失穩,被迫填井。側鉆至2802 m 后,再次發生井壁失穩,起下鉆困難,反復劃眼仍難以緩解,被迫提前下入技術套管。按照推薦配方轉換為環保型多硅基水基鉆井液后,通過以膠液的形式適時補充硅酸鉀鈉、有機硅改性腐植酸鉀鹽、聚倍半硅氧烷等處理劑,鉆井液各項性能均得到明顯優化(見表7)。

轉換為環保型多硅基水基鉆井液后,頁巖水平段返出巖屑規則、完整,鉆頭切削痕清晰(見圖2);鉆具摩阻保持在6～8 t,平均機械鉆速達到10.28 m/h,比轉換體系后的設計周期提前2.6 天鉆達設計井深3427 m。測井解釋結果表明,該井頁巖水平段平均井徑擴大率僅為3.85%,取得了與油基鉆井液相當的應用效果。環保型多硅基水基鉆井液體系在東平1井成功解決了頁巖水平段井壁失穩、鉆具摩阻扭矩過大、起下鉆遇阻等井下復雜問題,在國內首次實現了水基鉆井液在頁巖水平段中的應用[15-16]。

4 結論

(1)通過引入硅酸鉀鈉、有機硅改性腐植酸鉀鹽、聚倍半硅氧烷等硅基處理劑,利用硅基處理劑之間的協同增效作用,并選用無毒級別的配套處理劑,構建了一種具有抗高溫、強抑制、強封堵、高潤滑性能的環保型多硅基水基鉆井液體系。

(2)室內評價結果表明,環保型多硅基水基鉆井液體系抗溫180 ℃,流變性能穩定,動塑比維持在0.41～0.48,具有良好的抑制性、封堵性和潤滑性,頁巖滾動回收率98.53%,頁巖線性膨脹率0.26%,HTHP失水量≤2.8 m L,極壓潤滑系數0.081,泥餅黏滯系數0.042。該體系重金屬含量達標,易生物降解,能夠滿足頁巖水平井環保、高效鉆探需求。

(3)環保型多硅基水基鉆井液體系在東平1井的成功應用有效地解決了泥頁巖水平段井壁失穩、鉆具摩阻扭矩過大、起下鉆遇阻等技術問題。鉆進期間未發生任何井下復雜情況,動塑比保持在0.41～0.48,鉆具摩阻6～8 t,平均井徑擴大率僅為3.85%,平均機械鉆速達10.28 m/h,在國內首次實現了水基鉆井液體系在頁巖油氣藏水平井中的應用,為頁巖油氣資源的綠色、高效開發提供了技術支撐。