頁巖氣水平井防塌水基鉆井液體系研究

楊加偉， 熊青山， 吳 勝， 李成龍， 劉 恒

(長江大學石油工程學院， 武漢 430100)

中國的頁巖氣資源分布廣泛、儲量豐富，主要分布在四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地以及松遼盆地等地區，其中四川盆地的長寧和威遠地區是我國率先開展頁巖氣開采的實驗地區，其探明的頁巖氣可開采儲量占比非常高，具有比較廣闊的勘探開發前景[1-3]。頁巖氣儲層與常規儲層相比，通常具有低孔、低滲的特點，并且還普遍具有微裂縫發育以及水敏性較強的特點，在鉆井過程中極易引起黏土水化分散，進而造成井壁失穩、垮塌等井下復雜事故的發生，而鉆井液作為長井段頁巖氣水平井鉆井的關鍵技術，其性能好壞對頁巖氣儲層的開發起著至關重要的作用[4-6]。

油基鉆井液通常具有較強的抑制性、良好的潤滑性以及封堵性能，往往成為頁巖氣水平井鉆井施工的首選，但隨著近年來環保要求越來越嚴格，并且由于油基鉆井液配制和后期處理的成本較高等問題，國內外各大油氣服務公司逐漸將研究的重點轉移到高性能水基鉆井液上來。林永學等[7]總結了中石化近年來油基鉆井液技術研究的進展與應用情況，認為國內的油基鉆井液體系還存在著流變性能較差、高性能處理劑缺乏以及配套技術不夠完善等問題，并且還存在含油鉆屑或廢棄油基鉆井液的處理困難問題等，建議應該加大高性能水基鉆井液的研究與技術攻關，實現頁巖氣的低成本、綠色開發。劉振東[8]分析了油基鉆井液在勝利油田頁巖儲層應用過程中存在的問題，并提出了相應的對策，認為油基鉆井液還存在乳液穩定性差、封堵性能差、原油污染以及油基鉆屑和鉆井液回收處理困難等問題，建議在提高油基鉆井液綜合性能的同時，應采用更先進的方法研究泥頁巖水化穩定性機理，以指導泥頁巖儲層的勘探開發。李文濤等[9]分析了四川頁巖氣井油基鉆井液的損耗問題，認為油基鉆屑攜帶是造成油基鉆井液損害的最主要原因，應該將其進行回收繼續利用，以避免污染環境和資源浪費，并降低鉆井液成本，研究了回收現場鉆井液的設備，評價了回收鉆井液的性能。

與油基鉆井液相比，高性能水基鉆井液具有良好的環保性能和成本優勢，在滿足抑制性、潤滑性和封堵性能要求的前提下，高性能水基鉆井液逐漸成為頁巖氣水平井鉆井液技術發展的趨勢。國外的哈利伯頓、貝克休斯以及斯倫貝謝等油氣服務公司已經研究開發出一系列的頁巖氣井水基鉆井液技術，并在一些油田成功進行了應用[10-14]。而近年來，中國的頁巖氣水基鉆井液技術也取得了一些研究成果，景岷嘉等[15]針對長寧地區龍馬溪組頁巖氣水平井鉆井過程中存在井壁失穩的問題，以疏水抑制劑CQ-SIA和液體潤滑劑CQ-LSA為主要處理劑研制了一套疏水抑制水基鉆井液體系，該鉆井體系具有良好的抑制性能、封堵性能、潤滑性能和抗污染性能，并在現場成功進行了應用，可以滿足長寧地區頁巖氣水平鉆井施工的需要。景豐等[16]針對延長組頁巖氣水平井段易發生井塌、井漏等復雜情況，而使用油基鉆井液容易對環境造成污染的問題，研究了一種可代替油基鉆井液的高性能抑制防塌水基鉆井液體系，該鉆井液體系具有較強的抑制性能和封堵性能，并且兼具良好的潤滑性和熱穩定性，可以滿足延長組頁巖氣井鉆井的需求。林永學等[17]為解決威遠地區深層頁巖氣水平井長水平段井眼失穩的問題，研究了一套強抑制、強封堵水基鉆井液體系，在威頁23平臺3口頁巖氣水平井成功進行了應用，取得了良好的現場應用效果。但整體而言中國的頁巖氣水基鉆井液技術與國外相比仍存在一定的差距，因此，需要針對中國頁巖氣儲層的特點，研究出相應的高性能水基鉆井液體系，為推動中國頁巖氣資源的合理高效開發做出一定的貢獻[18-20]。現以威遠地區頁巖區塊為研究對象，針對頁巖氣水平井井壁坍塌、失穩等問題，通過關鍵處理劑的優選及評價，研究一套適合頁巖氣水平井的新型防塌水基鉆井液體系，室內評價該體系的流變性能、封堵性能、抑制性能、潤滑性能和抗污染性能，并在現場進行應用試驗。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

(1)實驗材料：NaCl、CaCl2、Na2CO3、KCl、降濾失劑PAC-LV、降濾失劑FLO、流型調節劑HZN-2、抑制劑SYH-1、SYH-2、SYH-3、潤滑劑HLB、LUBE、RHJ-101、RHJ-102、RHJ-103、封堵劑FT-102、納米乳液、碳酸鈣、重晶石、膨潤土；儲層段頁巖鉆屑；現場用油基鉆井液。

(2)實驗儀器：ZNN-D6B型六速旋轉黏度計；ZNS-2型中壓濾失儀；KC-GS175型高溫高壓濾失儀；Fann型PPA全自動高溫高壓堵漏儀；NP-03型高溫高壓頁巖膨脹儀；EP-2型極壓潤滑儀；GNF高溫高壓黏附系數測定儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 鉆井液基本性能評價

鉆井液流變性能和切力使用ZNN-D6B型六速旋轉黏度計測定；鉆井液API濾失量使用ZNS-2型中壓濾失儀測定；鉆井液HTHP濾失量使用KC-GS175型高溫高壓濾失儀測定。

1.2.2 封堵性能評價

封堵劑優選采用高溫高壓濾失量實驗結果進行評價，通過測定基漿中加入不同封堵劑后的累積濾失量來評價其封堵性能。鉆井液體系封堵性能評價通過低滲砂盤封堵(permeability plugging apparatus，PPA)實驗來進行，實驗儀器使用Fann型PPA全自動高溫高壓堵漏儀。

1.2.3 抑制性能評價

抑制劑優選采用巖屑滾動回收率實驗結果進行評價，通過測定加入不同抑制劑后儲層段巖屑的滾動回收率來評價其抑制性能。鉆井液體系抑制性能評價通過巖屑滾動回收率實驗和頁巖線性膨脹率實驗來進行，線性膨脹率實驗儀器使用NP-03型高溫高壓頁巖膨脹儀。

1.2.4 潤滑性能評價

潤滑劑優選采用極壓潤滑系數實驗結果進行評價，通過測定基漿中加入不同潤滑劑后的極壓潤滑系數來評價其潤滑性能。鉆井液體系潤滑性能評價通過極壓潤滑系數和高溫高壓黏附系數實驗來進行，極壓潤滑系數測定儀器使用EP-2型極壓潤滑儀，高溫高壓黏附系數測定儀器使用GNF高溫高壓黏附系數測定儀。

1.2.5 抗污染性能評價

在鉆井液體系中加入不同的污染物后，測定體系流變性能、切力和濾失量的變化情況，以此評價鉆井液體系的抗污染性能。

2 結果與討論

2.1 關鍵處理劑優選及鉆井液體系配方

2.1.1 封堵劑優選

封堵劑是防塌水基鉆井液體系的關鍵處理劑之一，性能優良的封堵劑能夠有效降低鉆井液濾液的侵入，進而降低泥頁巖井壁垮塌的風險。參照1.2.2節中的實驗方法，室內采用高溫高壓靜失水實驗方法對不同類型的封堵劑及其復配后的封堵效果進行了評價，實驗用基漿配方為：4%膨潤土漿+0.8%降濾失劑PAC-LV，實驗條件為120 ℃×3.5 MPa，測定30 min內基漿中加入不同封堵劑后的累計濾失量，實驗結果如圖1所示。

圖1 封堵劑優選評價實驗結果Fig.1 Experimental results of plugging agent optimization and evaluation

由圖1結果可知，在基漿中加入不同類型的封堵劑后，高溫高壓濾失量均出現明顯的下降趨勢，其中復配封堵劑5%納米乳液+5%FT-102的封堵效果最好，30 min的累計濾失量僅為5.4 mL，降濾失效果較好。因此，選擇復配體系5%納米乳液+5%FT-102作為新型防塌水基鉆井液體系的封堵劑。

2.1.2 抑制劑優選

頁巖儲層通常含有較多的黏土礦物，在鉆井過程中極易引發黏土顆粒水化膨脹、分散運移的情況，因此，在頁巖氣井用水基鉆井液中必須加入抑制劑來抑制黏土礦物的水化作用。參照1.2.3節中的實驗方法，室內采用測定巖屑滾動回收率的實驗方法對不同抑制劑的效果進行了評價，實驗用巖屑取自目標頁巖氣區塊的儲層段，滾動老化實驗條件為120 ℃×16 h，實驗結果如圖2所示。

圖2 抑制劑優選評價實驗結果Fig.2 Experimental results of inhibitor selection and evaluation

由圖2結果可以看出，目標區塊儲層段巖屑在清水中滾動回收率僅為10%左右，說明該頁巖具有較強的水化膨脹分散作用；加入不同的抑制劑后，巖屑的滾動回收率均有所增大，其中2%抑制劑SYH-3的抑制效果最好，巖屑滾動回收率可以達到85%以上，起到了良好的抑制黏土水化分散的作用。因此，選擇2%SYH-3作為新型防塌水基鉆井液體系的抑制劑。

2.1.3 潤滑劑優選

由于頁巖氣水平井井段較長，井壁與鉆具之間的接觸面積通常比較大，這就需要鉆井液體系具有良好的潤滑性能來降低鉆具與井壁之間的摩阻。參照1.2.4節中的實驗方法，室內采用測定極壓潤滑系數的實驗方法評價了不同潤滑劑的潤滑性能，在基漿(配方同2.1.1節)中加入不同類型的潤滑劑，潤滑劑加量均為3%，實驗溫度為常溫，實驗結果如圖3所示。

由圖3結果可知，在基漿中加入不同類型的潤滑劑后，體系的極壓潤滑系數均出現了不同程度的降低，其中潤滑劑RHJ-102的極壓潤滑系數最小，能夠起到良好的降低摩阻效果。因此，選擇3%RHJ-102作為新型防塌水基鉆井液體系的潤滑劑。

圖3 潤滑劑優選評價實驗結果Fig.3 Experimental results of lubricant optimization evaluation

2.1.4 新型防塌水基鉆井液體系配方

通過對以上關鍵處理劑的優選及評價，并結合流型調節劑、降濾失劑以及重晶石等其他處理劑，形成了一套適合頁巖氣水平井的新型防塌水基鉆井液體系，具體配方為：4%膨潤土漿+0.3%Na2CO3+0.8%降濾失劑PAC-LV +0.15%流型調節劑HZN-2+2%降濾失劑FLO+5%納米乳液+5%FT-102+2%抑制劑SYH-3+3%潤滑劑RHJ-102+7%KCl+重晶石至密度為2.0 g/cm3。

2.2 新型防塌水基鉆井液性能評價結果

2.2.1 基本性能

通過對目標區塊儲層資料的調研分析可知，該區塊頁巖儲層段龍馬溪組的地層溫度一般在120 ℃左右，最高溫度一般不會超過130 ℃，因此，室內測定了在不同溫度老化后新型防塌水基鉆井液體系的流變性能和濾失性能，實驗結果如表1所示。

由表1結果可以看出，新型防塌水基鉆井液體系經過不同溫度老化后流變性能和動切力變化均不大，API濾失量小于1.5 mL，高溫高壓濾失量小于4.5 mL。可見該鉆井液體系經過高溫老化后仍具有良好的流變性能和較低的濾失量，并且還具有良好的耐溫性能。

2.2.2 封堵性能

室內采用低滲砂盤封堵實驗(PPA)對新型防塌水基鉆井液體系的封堵性能進行了評價，并與現場油基鉆井液體系進行對比。實驗條件為120 ℃×7.0 MPa，砂盤的孔徑中值為350 nm，實驗結果如圖4所示。

由圖4結果可以看出，新型防塌水基鉆井液體系的PPA瞬時濾失量和靜態濾失速率分別為0.6 mL和0.33 mL/min，稍高于現場油基鉆井液體系的0.5 mL和0.31 mL/min，但差距不大，說明新型防塌水基鉆井液體系具有良好的封堵性能，能夠有效頁巖儲層中的納米級和微納米級的裂縫，起到良好的井壁穩定效果。

圖4 鉆井液封堵性能評價結果Fig.4 Evaluation results of plugging performance of drilling fluid

2.2.3 抑制性能和潤滑性能

室內采用線性膨脹率和巖屑滾動回收率(120 ℃×16 h)實驗評價了新型防塌水基鉆井液體系的抑制性能，并采用極壓潤滑系數和高溫高壓黏附系數(120 ℃×3.5 MPa)實驗評價鉆井液的潤滑性能，并與現場油基鉆井液體系進行了對比。實驗結果如表2所示。

表1 新型防塌水基鉆井液體系的基本性能Table 1 Basic performance of new anti-sloughing water based drilling fluid system

表2 鉆井液抑制性能和潤滑性能評價結果Table 2 Evaluation results of inhibition and lubrication performance of drilling fluid

由表2結果可以看出，新型防塌水基鉆井液體系具有良好的抑制性能，線性膨脹率和巖屑滾動回收率均與現場油基鉆井液體系相當，可以達到有效抑制泥頁巖水化分散膨脹的目的；另外，新型防塌水基鉆井液體系還具有良好的潤滑性能，極壓潤滑系數和高溫高壓黏附系數也基本與現場油基鉆井液體系相差不大，可以有效降低井壁與鉆具之間的摩擦阻力，避免長水平井段鉆進時出現卡鉆等井下復雜事故的發生。

2.2.4 抗污染性能

在頁巖氣水平井鉆井過程中，不僅要求鉆井液體系具有良好的流變性、抑制性和潤滑性等，還要求其具有較強的抗鹽以及巖屑污染的能力。因此，室內對新型防塌水基鉆井液體系的抗污染性能進行了評價，污染物分別選擇為NaCl、CaCl2和儲層段巖屑，分別測定污染物加入前后鉆井液體系性能的變化情況，鉆井液老化條件為120 ℃×16 h，實驗結果如表3所示。

由表3結果可以看出，新型防塌水基鉆井液體系中加入20%NaCl、2%CaCl2和20%巖屑后，鉆井液的黏度、切力和濾失量出現小幅波動，但整體變化幅度不大，說明鉆井液體系具有良好的抗污染能力，能夠滿足頁巖氣水平井鉆井時對鉆井液性能的要求。

3 現場應用

新型防塌水基鉆井液體系在威遠地區某頁巖氣區塊進行了現場應用試驗，通過調研分析該區塊內前期已鉆水平井的資料，認為該區塊內頁巖氣水平井在鉆遇造斜段時易出現井壁失穩、垮塌等復雜事故，鉆具與井眼之間的摩阻和扭矩較大，鉆井周期較長。而在使用新型防塌水基鉆井液體系的X-101井鉆井施工過程中，較好的解決了以上問題，未出現井壁失穩和垮塌現象，現場鉆井液性能穩定，與前期已鉆井相比較，鉆井時間明顯縮短，達到了良好的鉆井施工效果。具體施工參數對比如表4所示。

表3 鉆井液抗污染性能評價結果Table 3 Evaluation results of anti-pollution performance of drilling fluid

表4 前期已鉆井X-3HM與X-101井鉆井參數對比結果 Table 4 Comparison of drilling parameters between well X-3HM and well X-101

由表4結果可知，與前期已鉆井X-3HM井相比，使用新型防塌水基鉆井液施工的X-101井的水平段鉆速明顯提高，而起下鉆時間、鉆井時間、復雜時間和平均井徑擴大率均明顯下降，說明研究的新型防塌水基鉆井液體系能夠滿足目標區塊頁巖氣水平井的正常鉆井作業的需要。

4 結論

(1)通過大量室內實驗，優選出了性能優良的封堵劑(納米乳液和FT-102復配)、抑制劑(SYH-3)和潤滑劑(RHJ-102)，并在此基礎上結合其他處理劑形成了一套適合頁巖氣水平井的新型防塌水基鉆井液體系。

(2)室內性能評價結果表明，該鉆井液體系具有良好的流變性能、降濾失性能和耐溫性能，此外，體系還具有良好的封堵性能、抑制性能、潤滑性能和抗污染能力，能夠滿足頁巖氣鉆井時對鉆井液各項性能的要求。

(3)現場應用結果表明，使用新型防塌水基鉆井液施工的X-101井施工過程順利，各項鉆井參數均達到設計要求，與前期已鉆井相比，鉆井周期明顯縮短，無井下復雜事故發生，達到了良好的鉆井施工效果。