頁巖氣井鉆井液井眼強化技術

于成旺， 楊淑君， 趙素娟

（中國石化江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北潛江430211）

國內外在頁巖氣水平井組鉆井過程中，大多數(shù)首選具有強抑制性和良好潤滑性的油基鉆井液體系，以解決長水平井段的井壁穩(wěn)定和高摩阻問題。但隨著頁巖氣開發(fā)的不斷深入，除了要解決長水平井段的諸多技術難題（如：井身軌跡、井眼穩(wěn)定、降阻防卡等）外，對地下和周邊生態(tài)環(huán)境的保護已刻不容緩，所面臨的環(huán)境保護壓力越來越大，國內外各大技術服務公司一直試圖研發(fā)性能類似于油基鉆井液的水基鉆井液，以實現(xiàn)“水替油”，如貝克休斯公司的PERFORMAX、斯倫貝謝M-1公司的ULTRADRIL以及哈利伯頓公司等均已在一些井上成功應用了水基體系和合成基油體系。也有中國公司在四川長寧和威遠頁巖氣區(qū)塊成功應用高性能水基體系鉆成了幾十口井，而且鉆井液密度高達2.0～2.3 g/cm3。隨著開發(fā)的深入和地層特性的變化，如鉆遇破碎帶、裂縫異常發(fā)育的地層，采用油基體系仍然會出現(xiàn)大量掉塊和嚴重井塌。為了解決易破碎性地層又垮又漏的復雜情況，需要及時有效地強化已形成的井眼。在鉆井液中引入井眼強化劑YH11和BT100，室內實驗對加入2種處理劑的鉆井液進行了評價，研究出了一套適用于頁巖氣鉆井液的井眼強化技術。

1 川渝頁巖氣鉆井液技術難點及對策

1.1 地層特點

研究資料表明， 中國與北美地區(qū)主要頁巖地層及井壁失穩(wěn)機理存在很大差異。北美地區(qū)頁巖氣地層黏土礦物含量低，以伊利石為主要黏土礦物，多含蒙脫石和伊/蒙混層，井壁失穩(wěn)主要是含有蒙脫石和伊/蒙混層發(fā)生水化膨脹與分散引起的。而四川龍馬溪組頁巖、五峰組頁巖黏土礦物含量高，以伊利石為主，基本不含蒙脫石和伊/蒙混層。西南石油大學測試發(fā)現(xiàn)川南龍馬溪組頁巖黏土礦物含量高，分別為24.78%和34.56%，以伊利石為主，分別為72.30%和70.35%，不含蒙脫石和伊/蒙混層，黏土礦物表面水化是引起井壁失穩(wěn)的主要原因。

1.2 鉆井液技術主要對策

1）及時強封堵。頁巖地層微裂縫、層理發(fā)育。以孔隙平均直徑為5 nm為例，理論計算這些孔隙在油-水-頁巖中可產生大約30 MPa的壓力，在頁巖毛細管自吸作用下孔隙壓力增加，從而導致脆性頁巖地層剝落、掉塊和垮塌。因此，保證井壁穩(wěn)定的關鍵除了鉆井液能夠提供良好的抑制性之外，及時、高效封堵井壁，在井壁近表面形成致密的封隔帶，阻止鉆井液液柱壓力向井壁孔隙的傳遞，減少液柱壓力支撐井壁的支撐力損失，是提高鉆井液（無論水基還是油基）防塌能力的又一關鍵對策。

2）抑制頁巖表面水化，降低頁巖表面自由能。有效降低頁巖表面自由能，增強頁巖疏水性，可減緩頁巖抗壓強度的降低，有利于頁巖地層的穩(wěn)定。油基鉆井液體系和合成基鉆井液體系具有很好的抑制頁巖水化和分散的能力，因此目前被廣泛應用于頁巖氣井的鉆井過程中。

因此，在鉆井液中引入了井眼強化劑YH11和BT100，研究出了一套適用于頁巖氣鉆井液的井眼強化技術。

2 井眼強化劑作用機理

1）井眼強化劑YH11隨鉆頭破巖時迅速嵌入到井壁孔隙和微裂縫中， 產生沿井眼切線方向的擠壓，無數(shù)已填充微裂縫并大量同時嵌入和擠壓的微粒，可很大程度地降低地層滲透性，在井壁形成籠箍效應，減小了壓差。優(yōu)選粒徑的顆粒和特殊的填充介質，對先期剛性架橋顆粒形成的封堵塞進一步封堵填充，徹底封堵滲濾通道， 強化堵塞體的強度， 提高井壁承壓能力。它能在近井壁帶迅速阻止鉆井液向地層深部滲入，避免濾液對儲層的敏感性損害。

圖1 井眼強化劑YH11作用原理物理模型

2）BT100是以剛性材料和改性有機硅酸鹽類材料組成，剛性類封堵劑主要通過物理成膜作用穩(wěn)定井壁，而改性有機硅酸鹽主要通過化學作用穩(wěn)定井壁（包括自身的化學膠凝反應及其與黏土礦物、鈣鎂離子等的化學反應）。通過封堵材料的物理封堵作用和化學成膜封堵作用在近井壁地帶形成致密且承壓能力強的封堵層，阻止濾液進一步侵入地層，達到持久承壓穩(wěn)定井壁的目的。

BT100中化學成膜材料是控制整個成膜的關鍵，其主要成分為帶負電的改性有機硅酸鹽，其聚集體很小，足以因擴散和水力流動而進入頁巖孔隙中，會克服凝聚而形成三維網狀凝膠結構，同時地層水中的多價金屬離子會快速與這些聚集體反應生成不溶沉淀物，同時能強烈吸附在頁巖上或與泥頁巖發(fā)生化學反應生成有機硅鋁酸鹽凝膠體，有效降低泥頁巖的孔隙尺寸，從而提供物理屏障以防止進一步的濾液侵入和壓力穿透，上述形成凝膠和沉淀的過程非常快，能在發(fā)生較大濾失和壓力穿透前形成。另一方面，降低頁巖滲透率可以提高頁巖-流體膜效率。當然，為防止鉆井液中水向地層侵入，鉆井液中水活度不能高于頁巖水活度。BT100能有效地封固裂縫泥頁巖地層，而生成的凝膠可封堵泥頁巖孔隙和微裂縫。

3 實驗結果與討論

首先在室內進行了YH11作用效果評價實驗和BT100成膜效率實驗，然后加入YH11和BT100配制高性能水基鉆井液體系，進行性能對比評價實驗。高性能水基鉆井液體系配方如下。

3%膨潤土+3%井眼強化劑YH11+4%復合降濾 失 劑 +4% SMP-Ⅱ+（0.5%～2%）PAC-LV+5%納米潤滑劑+1.5%OP-10+0.5%NaOH+0.5%CaO+5%KCl+（0.5%～1%）BT100

3.1 YH11對流變性的影響

YH11對水基鉆井液性能的影響見表1。

表1 YH11對水基鉆井液性能的影響

由表1可知，超細碳酸鈣的顆粒細， 比表面大，表面親水， 加入井漿后， 井漿自由水減少，對流變性影響比較明顯；國外同類產品FLC200含高分子結構的聚合物，由于其具有吸水膨脹性等，F(xiàn)LC200對鉆井液流變性影響明顯；YH11經過特殊表面處理，在明顯降低濾失量的同時，具備高強度封堵性能的基礎上，能最大限度地控制對流變性的影響。

3.2 YH11單劑效果室內評價

3.2.1 滲透/承壓測試

先將210 g河砂（粒徑為0.45～0.90 mm）裝入高壓濾失杯，再加入適量測試漿。測試開始后，將壓力從0增加至0.7 MPa，穩(wěn)壓30 min，然后在60～90 s內將壓力從0.7 MPa增加至5 MPa。在5 MPa下穩(wěn)壓10 min，觀察實驗漿侵入程度及承壓情況。測得聚合物體系完全濾失，無法承壓，加入4%YH11后，在5 MPa下無濾失量，見圖2和表2。

圖2 砂床測試實驗裝置

表2 高壓砂床測試結果

3.3 BT100濾膜膜效率實驗

在初始水力壓差為0的條件下，將巖心上游端和下游端分別通入活度不同的2種流體。若泥頁巖存在一定的膜效率，將使巖樣上下兩端形成一定的化學勢差，流體發(fā)生相應的流動，并引起上下游兩端的壓力發(fā)生變化，通過壓力傳感器和差壓傳感器實時檢測巖樣下端封閉流體的動態(tài)壓力變化，按半透膜的滲透壓計算公式即可計算出泥頁巖的膜效率。根據(jù)國內外研究，泥頁巖滲透率在0.01～0.001 mD左右，甚至更低時才能具有半透膜特征，室內制作出滿足要求的人工巖心，模擬地層水飽和巖樣，將巖心放入夾持器，上端與實驗鉆井液容器連通，按照實驗步驟，進行成膜劑膜效率實驗。

從表3可以看出，在基漿中加入成膜劑后，均能夠提高基漿的膜效率，其中FLC和HPU的膜效率提高率分別為11.1%、22.2%，而BT100膜效率提高率達到55.5%，提高作用顯著。這表明BT100可以在基漿中形成良好而致密的膜，可以提高膜效率，有利于實現(xiàn)泥頁巖的井壁穩(wěn)定。

表3 膜效率實驗數(shù)據(jù)

3.4 YH11-BT100鉆井液體系評價

對影響鉆井液黏度的處理劑PAC-LV的加量進行配伍性實驗，通過對比黏度和濾失量大小確定處理劑加量。然后通過實驗對加入YH11和BT100處理劑的高性能水基鉆井液體系進行評價。

3.4.1 PAC-LV加量配伍性

實驗測試了不同加量PAC-LV對鉆井液性能的影響，結果見表4。當PAC-LV加量為1.0%時，鉆井液的各項性能都優(yōu)于PAC-LV加量為0.5%時，因此確定PAC-LV加量為1.0%。

表4 PAC-LV加量實驗結果

3.4.2 可加重性

頁巖氣地層隨著開發(fā)的深入和地層特性的變化，如鉆遇破碎帶、裂縫異常發(fā)育的地層，采用油基體系仍然會出現(xiàn)大量掉塊和嚴重井塌，甚至出現(xiàn)因井壁垮塌不能得到有效解決而無法繼續(xù)鉆進的情況。為了解決這類地層的防塌問題，目前現(xiàn)場最有效的辦法就是采取適當提高鉆井液密度來支撐井壁，因此，鉆井液體系必須有足夠的固相容納能力，使其在高密度下仍能保持較好的流變性。由表5可以看出，該鉆井液體系在加重到2.08 g/cm3時仍然具有較好流變性，完全滿足安全鉆井的需要。

表5 鉆井液加重至不同密度時性能對比

3.4.3 穩(wěn)定性

將鉆井液加重至2.08 g/cm3后，取350 mL鉆井液放入老化罐，然后放入滾子加熱爐中，150 ℃高溫滾動8 h，靜置24 h后測量老化罐中鉆井液柱上、下層的密度差值，見表6。由表6可知，上、下層密度差值為0.07 g/cm3小于0.1 g/cm3，滿足安全鉆井需要。

表6 沉降穩(wěn)定性實驗結果

3.4.4 抑制性

量取已配制好的鉆井液350 mL，稱取實驗用鉆屑30 g（粒徑為2.00～3.20 mm），稱取抑制劑攪拌均勻后放入老化罐中，然后放入滾動加熱爐中120 ℃下滾動加熱4 h，滾動16 h后用孔徑為0.45 mm篩過濾出未分散的鉆屑，在105 ℃±3 ℃下烘干鉆屑并稱其重量，計算回收率，見表7。

表7 鉆屑回收率實驗結果

由表7可以看出，膨潤土基漿的鉆屑回收率平均值為31.5%，優(yōu)選出的鉆井液的鉆屑回收率平均值達到了91%，由此可見該鉆井液具有很強的抑制性。

3.4.5 攜砂性

室內實驗顯示鉆井液體系動切力及動塑比偏低，考慮到現(xiàn)場應用時因地層造漿、增黏劑廠家及效果不同、裝袋時產生誤差和加處理劑時計量誤差等原因，因此增黏劑的加量根據(jù)實際鉆進情況補充。焦頁105-2井鉆井液性能與鄰井對比見表8，由表8可知，以水基鉆井液的“三低一強”性能為標準，YH11-BT100鉆井液體系與已經成熟應用的KCl聚合物鉆井液體系比較，在“低密度、低黏切”方面，性能可能只是持平，但在“低失水、強抑制封堵”方面，性能優(yōu)勢顯著。在鉆井現(xiàn)場實際應用中，YH11-BT100鉆井液體系的動切力和動塑比均能滿足攜砂要求。

表8 焦頁105-2井鉆井液性能與鄰井對比結果

105-2井的振動篩返砂和巖屑情況見圖3。

圖3 焦頁105-2井的振動篩返砂和巖屑

4 現(xiàn)場應用

鉆井液井眼強化技術在中石化涪陵頁巖氣示范區(qū)應用后取得了良好的效果。

4.1 基本情況

焦頁105-2井是部署在川東南地區(qū)川東高陡包鸞-焦石壩背斜帶烏江3號斷背斜構造的一口評價井，地處重慶市涪陵區(qū)白濤鎮(zhèn)高峰村1組。該井設計井深為4890 m，水平段長為1434.22 m。以上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖氣層段為主要目的層。

4.2 鉆井液配制和維護情況

1）鉆井液配方為 3%膨潤土+3%井眼強化劑YH11+4%復合降濾失劑+4%SMP-Ⅱ+1.0% PAC-LV+（0.5%～1%）BT100+1.5%OP-10+0.5% NaOH+5 %KCl+5%納米潤滑劑+0.5%CaO

2）現(xiàn)場鉆井液維護情況。①固相控制。充分利用現(xiàn)場的三級固控設備，振動篩篩布使用0.063 mm+0.076 mm組合，除砂器使用率100%，離心機使用率高達80%。利用每次接立柱時間檢查篩布，探漏斗沉砂；發(fā)現(xiàn)篩布破損立即更換，漏斗積砂多馬上清除。鉆井液固相含量始終在10%以下。②膠液調整。使用硬度低的水配膠液，若配漿水硬度較高時應先加入純堿，除去水中的Ca2+、Mg2+，以防止SiO32-與鈣、鎂離子結合產生沉淀；膠液中BT100和YH11的加量一般不低于5%，以保持鉆井液的抑制性。③pH值調節(jié)。在YH11-BT100鉆井液體系中，pH值低于11，BT100自身發(fā)生膠凝作用，pH值太高也易造成聚合物絮凝，黏度切力增大。所以鉆井液的pH值應維持在11～13為好。施工過程中依據(jù)現(xiàn)場實際加入適量的燒堿水進行調節(jié)，保持pH值在12～13之間。

4.3 現(xiàn)場應用效果

焦頁105-2井使用該鉆井液體系的井段平均機械鉆速為8.60 m/h，鄰井焦頁5井的平均機械鉆速為3.36 m/h。由此可知該鉆井液體系對比其他水基鉆井液體系在提速方面有明顯優(yōu)勢。

焦頁105-2井二開期間從未發(fā)生過漏失，而鄰井焦頁5井二開共發(fā)生漏失19次，因此該鉆井液體系在預防井漏上起到了關鍵作用。該井自使用強化井眼型高性能鉆井液體系以來，鉆井液流動性好，攜砂良好，振動篩上返出巖屑均勻成型，無大掉塊，井眼環(huán)空暢通，開泵無憋泵現(xiàn)象，定向鉆進無托壓現(xiàn)象。可見，該鉆井液體系的抑制性良好，井壁穩(wěn)定。

5 結論

1.井眼強化技術攻克了頁巖氣鉆井中漏失與垮塌同存的技術難題。

2.由于該鉆井液密度可調范圍大，現(xiàn)場控制在低密度范圍1.14～1.50 g/cm3，該體系抑制能力強，在防漏方面實現(xiàn)了低密度鉆進，并且該鉆井液體系具有良好的成膜封堵效果，解決了井壁穩(wěn)定和承壓能力低的矛盾，減少了井下復雜情況，確保了井下安全，進一步促進了機械鉆速的提高。

3.基于井眼強化技術支持的高性能鉆井液體系抑制能力強，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，潤滑性好，施工井段摩阻、扭矩小，為國家級涪陵頁巖氣示范區(qū)建設提供了技術支撐。