頁巖氣水基鉆井液抑制性研究

王俊祥楊洋周姍姍(,.長江大學石油工程學院， 湖北 武漢 4000；.荊州嘉華科技有限公司， 湖北 荊州 44000 )

頁巖氣水基鉆井液抑制性研究

王俊祥1楊洋2周姍姍3(1,3.長江大學石油工程學院， 湖北 武漢 430100；2.荊州嘉華科技有限公司， 湖北 荊州 434000 )

目前我國頁巖氣開發多采用油基鉆井液，但是基于油基鉆井液環境污染大、成本高等一系列問題，需要研發一種適用于頁巖氣三開水平段鉆井的水基鉆井液體系。由于頁巖極易水化膨脹，造成井壁失穩，因此要求鉆井液具有很好的抑制性。本文針對涪陵焦石壩頁巖氣田，采用不同的方法，研究了幾種水基鉆井液的頁巖抑制性能，結果顯示選用的幾種水基鉆井液都具有良好的抑制性能，能夠滿足頁巖層段鉆井對抑制性的要求。

頁巖氣；水基鉆井液；抑制性；井壁穩定

2013年3月，中國石化第一個頁巖氣產能建設示范區——涪陵焦石壩頁巖氣田建立。該頁巖氣田開發目的層為志留系龍馬溪組炭質頁巖，三開采用油基鉆井液鉆井，在鉆進過程中，井壁穩定，井徑規則，鉆井液攜巖能力強，滿足了頁巖氣水平段鉆井要求。但是采用油基鉆井液對環保提出了更高的要求，而且成本高，尤其鉆遇漏失地層時，嚴重增加泥漿成本，而且油基鉆井液不利于提高鉆速。因此，有必要探索出一種適合水平段鉆井使用的水基鉆井液。

頁巖氣鉆井過程中，尤其是鉆至水平段，由于儲層的層理或者裂縫發育、蒙皂石等吸水膨脹性礦物組分含量高，防止粘土膨脹、提高井眼穩定性、預防鉆井液漏失和提高鉆速是該井段鉆井液體系選擇要考慮的主要因素。因此，適合水平段鉆井的水基鉆井液體系必須具有很強的抑制性能，才能滿足鉆井的基本要求。

本文涉及到了硅酸鹽體系、CaCl2體系和CPI體系三個鉆井液體系，主要研究其對焦石壩現場鉆屑的抑制性能，評價其是否有足夠強的抑制頁巖水化分散的能力，滿足頁巖氣鉆井的最基本的要求。

1 所選鉆井液配方和基本性能

1.1 鉆井液體系基本配方

本研究選用三種鉆井液體系，其基本配方如下

硅酸鹽鉆井液體系：

淡 水+0.5%JH-PAV-LV+2.0%JH-BioFLO+1.0%SOLTEX +0.1%JH-PLUS+0.1%JH-VIS+0.25%搬 土+10%硅 酸 鉀+5%JLX-B +重晶石

CaCl2鉆井液體系：

淡 水+0.3%JH-PAC-LV+2.0%FLOCAT(白)+2.0%SMP -1+2.0%RS-1+2.0%CMJ+2.5%CPI+20% CaCl2+2%JLX-B+重晶石

CPI鉆井液體系：

淡 水+0.3%VIS+0.5%JH-PAC-LV+2.0%FLOCAT(白) +2.0%RS-1+2.0%SMPC+1.5%PF-SMP-1+2.0%JLX-B +3.0%CPI+重晶石

1.2 鉆井液體系基本性能

測定了三種鉆井液的基本流變性能和漏失性能，見表1。

表1 三個鉆井液體系基本性能

從表1中可以看出，三種鉆井液體系老化前后的流變性能和老化后濾失性能都非常好，能夠滿足頁巖氣水平井鉆井的基本要求。

2 巖性分析

對現場焦頁33-1井取回的巖芯進行了全巖分析和粘土分析，分析結果如下：

表2 巖芯成分分析結果

表3 巖芯粘土成分分析報告

3 抑制性研究

3.1 巖粉CST實驗評價

實驗選用涪陵焦石頁巖氣龍馬溪組巖芯，烘干研磨后過100目標準篩，將三種鉆井液體系中的抑制劑按配方加量配成溶液后加入15%巖粉，在高速攪拌器7000轉/分剪切20秒、60秒、120秒后測定其CST值。實驗結果如圖1。由于選用巖粉和實驗條件完全相同，因此CST值越小，表明該種抑制劑的抑制頁巖分散效果越好。見圖1。

根據圖1可以看出，對比不加任何抑制劑的淡水體系，三種鉆井液體系都具有一定的抑制頁巖分散效果，其中CPI體系抑制效果最差，而CaCl2體系的抑制效果最好。

圖1 不同抑制劑溶液配制巖芯粉漿在不同剪切時間后的CST值

3.2 高溫高壓膨脹性研究

實驗使用TL-3高溫高壓泥頁巖膨脹性測定儀，稱取15g100目現場巖芯粉，置于巖芯模型中在15MPa壓力下壓制1分鐘用作備用巖芯。分別在淡水、3%CPI溶液、10%硅酸鉀溶液和20%CaCl2溶液中，在壓力為1MPa、溫度為80℃條件下測試其16h后的膨脹高度。實驗結果如表4。

表4 巖粉高溫高壓膨脹試驗

實驗表明該巖芯在淡水中具有較強的膨脹性，但是在三種抑制劑溶液中，膨脹性有所抑制，尤其在氯化鈣體系溶液中，膨脹率只有7.25%，抑制效果非常好。

3.3 巖屑滾動回收率研究

實驗中使用的現場鉆屑取自焦頁33-1HF井龍馬溪組2700m～2750m井段，巖性為灰黑色碳質泥巖。該井段鉆屑粘土含量較高，物性較差，鉆屑比較軟，用手可以捏碎。實驗中采用6～10目之間的鉆屑在模擬井底溫度80℃條件下進行滾動回收率實驗，熱滾16h后分別過100目、80目、40目篩，測量回收率；然后將回收的巖屑重復試驗，測定二次回收率。

實驗結果見表5。

從滾動回收率結果來看，該井段鉆屑在淡水中水化分散嚴重，而在三個鉆井液體系中，基本沒有水化分散，二次回收率都在90%以上，說明鉆井液體系具有很強的抑制頁巖水化分散的能力。而且從滾后鉆屑顆粒也可以看出，清水中的鉆屑顆粒完整性不好，顆粒變小，而鉆井液體系中的鉆屑顆粒熱滾前后基本沒什么變化。對比實驗結果可以看出，CaCl2鉆井液體系抑制性要優于其他兩種體系，但三種鉆井液體系差別不大。(實驗中回收率結果＞100%是因為篩網過細導致巖屑中含有部分鉆井液材料顆粒)

表5 三個鉆井液體系二次滾動回收率實驗結果

4 結語

(1)根據回收率實驗，三個鉆井液體系均有很好的抑制性能，回收率均能達到90%以上，能夠很好的抑制頁巖水化分散；綜合CST和高溫高壓水化膨脹實驗結果表明，氯化鈣鉆井液體系優于其它兩中鉆井液體系。

(2)綜合鉆井液的流變性能和抑制性能，所研究的三種鉆井液都能夠達到頁巖氣三開水平鉆井的要求；但是仍需對鉆井液的潤滑性、穩定性、抗侵污性等性能進行進一步深入的研究。

(3)水基鉆井液能否取代油基鉆井液，不僅需要進一步的室內研究評價，而且需要大量現場應用實踐的驗證。

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王俊祥(1992-)，長江大學石油工程學院石油與天然氣工程專業碩士研究生。