CQH-M2高性能水基鉆井液及其在威204H11-4井的應用

劉政， 李俊才， 李軒， 李茂森， 胡靜， 范勁

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司，成都610051；2. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司生產運行部，成都610051）

0 引言

目前，鉆井液公司的油基鉆井液技術達到國際水平，實現了國產化，但是油基鉆井液具有一些缺點，如成本高，易污染地下環境，油基巖屑及廢棄油基鉆井液處理難度大，堵漏成功率低、固井水泥膠結質量差等[1-2]。近年來，頁巖氣的大規模商業化開發迫在眉睫，因此需要研發一套適合頁巖氣水平井的高性能水基鉆井液體系[3-4]。鉆井液公司2015年研發了CQH-M1高性能水基鉆井液體系，該體系是在經典的聚磺體系的基礎上優化而成，已完成進尺8萬余米，實現了“水替油”，但是該體系的色度、含磺化類處理劑等指標不能滿足新環保法的要求。2017年開始研發CQH-M2高性能水基鉆井液體系，該體系是全聚合物體系，色度淺、不含磺化類處理劑，更加環保。

龍馬溪組頁巖主要由黏土、方解石、石英等礦物組成，其中脆性礦物方解石、石英和長石的含量在56.58%～67%。脆性礦物含量高，說明龍馬溪組頁巖的脆性高，鉆進過程中易發生突發掉塊卡鉆復雜。龍馬溪組頁巖存在明顯的微裂縫和微孔洞。從力學方面講，微裂縫和微孔洞的存在將降低頁巖的力學性能。在液柱壓力、毛細管力等外力的作用下，鉆井液濾液沿著微裂縫、微孔洞進入頁巖。一方面會促進鉆井液濾液與頁巖中黏土礦物的作用，黏土礦物吸水膨脹，頁巖強度減弱，井壁易失穩[5]；一方面會引發水力劈裂作用，促進頁巖破裂。綜上所述，強化封堵是CQH-M2高性能水基鉆井液體系的重點。

1 技術難點和技術對策

1.1 井壁穩定

川渝地區龍馬溪組頁巖的微裂縫和微孔洞發育，微裂縫和微孔洞被鉆井液侵入后，易引起井壁失穩等井下復雜事故[6]。針對龍馬溪組頁巖井壁易失穩問題，采取以下3個方面的技術對策：①選取適當的鉆井液密度以平衡地層坍塌壓力；②強化CQH-M2高性能水基鉆井液的化學抑制性能，防止頁巖吸水膨脹失穩；③控制CQH-M2高性能水基鉆井液具有低的高溫高壓濾失量，一般控制高溫高壓濾失量小于6 mL。

1.2 潤滑性能

目前，川渝地區頁巖氣水平井的水平井段長度在1 500～2 500 m，水平段長，對CQH-M2高性能水基鉆井液的潤滑性能要求高。然而，水基鉆井液的潤滑性和油基鉆井液相比差很多，存在本質區別，這是CQH-M2高性能水基鉆井液的一大難點[7]。

針對水基鉆井液潤滑性差的問題，采取以下2個方面的技術對策：①在CQH-M2高性能水基鉆井液中引入可生物降解的環保型碳醇類潤滑劑TFE，增強潤滑性，控制鉆井液的潤滑系數小于0.1；②在CQH-M2高性能水基鉆井液中引入適量白油，進一步提高鉆井液潤滑性能，解決長水平段水基鉆井液摩阻、扭矩大的難題。

1.3 井眼凈化

通常，川渝地區頁巖氣水平井的水平段長在1 500～2 500 m。水平段長，φ215.9 mm井眼，井眼小，環空間隙小，泵壓較高，排量受限，水平段易形成巖屑床，易誘發井下復雜。水平段易形成巖屑床的問題，可以從3個方面來解決：①工程上在現場泥漿泵的能力范圍內，盡量提高鉆進排量；②CQH-M2高性能水基鉆井液保持較高的終切力和低剪切速率黏度，終切力在8～20 Pa較合適，旋轉黏度計6 r/min讀值在5～9較合適；③工程上接立柱時多拉劃，水平段每鉆進400～600 m短程起下鉆1次，破壞巖屑床。

2 處理劑優選及性能評價

2.1 處理劑優選

2.1.1 抑制劑

選用粒徑2.00～4.00 mm的龍馬溪組頁巖巖屑做滾動回收實驗，在130 ℃下熱滾16 h后用孔徑0.25 mm的分樣篩回收。清水、 1%胺基抑制劑、10%高價金屬離子、 20%高價金屬離子、 復合電解質溶液A、 B、 C的滾動回收實驗結果分別為37%、53%、82%、91%、92%、98%和97.5%?？梢钥闯觯?%胺基抑制劑外，其余樣品對頁巖巖屑均有較好的抑制性能。其中復合電解質溶液B、C的滾動回收率較高，所以優先選擇復合電解質溶液B作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的抑制劑組合。復合電解質溶液B是由二價金屬離子與K+相結合而形成，通過離子交換作用，二價金屬離子和K+與黏土晶格里的Na+發生交換，壓縮黏土膠體的雙電層，從而控制頁巖中黏土的水化分散。

2.1.2 降濾失劑

選用聚合物類降濾失劑PAC-LV、REDUL200、TFJ、TFB，磺化樹脂類降濾失劑SMP-2，褐煤類降濾失劑RSTF，按實驗配方配制的鉆井液在130 ℃下高溫滾動16 h后，測試130 ℃高溫高壓濾失量，結果見表1。表1數據顯示，在復合電解質溶液B中，常用的降濾失劑基本失效，5#實驗配方的降濾失劑效果最好，130 ℃高溫高壓濾失量為4.8 mL；TFB是長江大學合成的新型抗高濃度高價金屬離子聚合物降濾失劑，主聚合物是丙胺酮，分子量較小，一般在5 000～10 000，分子結構中主鏈全是以苯環和C—C單鍵的形式存在，支鏈上的親水基團有羧基、腈基、羥基等，在高濃度金屬離子和高溫條件下，TFB不斷鏈，穩定性好，因此選用TFB作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的降濾失劑。

表1 降濾失劑優選結果（130 ℃、16 h）

2.1.3 潤滑劑

商業銀行在與互聯網金融合作時，主要的目標有兩個：⑴信息實現共享。商業銀行需要利用購物網站與第三方支付平臺對客戶的消費數據進行收集，并在此基礎上提供相應的營銷策略與服務；互聯網機構則需要利用商業銀行來得到所有行業領先企業的相關信息；⑵實現平等配置金融資源。商業銀行需要對自身的優勢資源進行整合，妥善處理中小企業進行融資時所遇到的問題。利用由互聯網金融所收集的交易數據將商業銀行在風險管理方面的優勢充分發揮出來，進而為各中小企業建立起一個完善的在線融資平臺。

選取HB-1、DFR-3、TFE、聚合醇等潤滑劑，進行潤滑劑優選實驗，按實驗配方配制的鉆井液在130 ℃下高溫滾動16 h后，測定鉆井液在50 ℃下的性能，實驗結果見表2。

表2 潤滑劑優選結果（130 ℃、16 h）

由表2可知，潤滑劑TFE的極壓潤滑系數最低0.084，其潤滑性能好，并且其流變性能和高溫高壓濾失量都較好；TFE屬于碳醇類潤滑劑，支鏈含有親水基團羥基，在水基鉆井液中溶解性好，主鏈是親油基團，吸附在頁巖表面，形成一層油膜，從而起到潤滑作用；TFE中不含油，是一種環保型潤滑劑，因此選用TFE作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的潤滑劑。

2.1.4 封堵劑

目前常用的封堵劑主要包含瀝青類、納米封堵類、惰性固相類。該實驗選取的封堵劑有Soltex、YH150、石蠟乳液、DFD-1、TFT、超細碳酸鈣（1 200目，12 μm），按實驗配方配制的鉆井液在130℃下滾動16 h后，測定鉆井液在50 ℃下的性能，結果見表3。表3數據顯示，幾種封堵劑中，TFT的封堵效果最好，130 ℃的高溫高壓濾失量為4.2 mL；TFT是一種磺化瀝青類封堵劑，易分散在水基鉆井液中，軟化點低，90～100 ℃；TFT的分子中含有磺酸基，水化作用強，當吸附在頁巖表面時，可阻止頁巖的水化分散，不溶于水的部分，可以起到填充裂縫的封堵作用；同時，封堵劑TFT對鉆井液的流變性能影響不大，因此選用TFT作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的潤滑劑。

表3 封堵劑優選結果（130 ℃、16 h）

2.2 鉆井液配方及其性能評價

2.2.1 基本性能

經過主要處理劑優選，確定了CQH-M2高性能水基鉆井液體系的配方如下。

復合電解質溶液B+0.5%主聚合物+10%TFB+2%TFE+3%TFT+2%白油+重晶石

密度為2.20 g/cm3的CQH-M2高性能水基鉆井液在130 ℃老化不同時間后，50 ℃測其性能，結果見表4。由表4可知，隨著老化時間的增長，塑性黏度和靜切力略有減小，鉆井液整體流變性能穩定，具有較高的塑性黏度和低的靜切力；130 ℃高溫高壓濾失量都在5.0 mL以內，高溫流變性和降濾失穩定性良好。

表4 CQH-M2高性能水基鉆井液130 ℃老化后的性能

2.2.2 抑制性

2.2.3 封堵性

配制密度2.20 g/cm3的CQH-M2高性能水基鉆井液，測定130 ℃高溫高壓濾失量，每5 min記錄一次濾失量，共計測定1 h，結果見圖1和圖2。

圖1 CQH-M2高性能水基鉆井液濾失量隨時間變化圖

圖2 CQH-M2高性能水基鉆井液的高溫高壓泥餅圖

由圖1、圖2可知，鉆井液130 ℃高溫高壓初始5 min濾失量為1.5 mL，30 、60 min累計濾失量為3.4 和3.6 mL，30 min后濾失量趨于零，有很好的即時和長效封堵效果；濾餅質量薄而有韌性，封堵效果好。

2.2.4 抗污染性能

川渝地區龍馬溪組頁巖層含水量和含鹽量都較低，巖屑污染是CQH-M2高性能水基鉆井液的主要污染源，因此室內只評價巖屑污染情況。在CQH-M2高性能水基鉆井液中加入一定量的巖屑后，130 ℃老化24 h，篩除剩余巖屑后測定鉆井液性能，結果見表5。從表5可知，巖屑加量為12%時，鉆井液的流變性明顯變差；巖屑加量≤9%時，鉆井液的流變性穩定，因此CQH-M2高性能水基鉆井液具有好的抗巖屑污染能力。

表5 CQH-M2高性能水基鉆井液的巖屑污染實驗結果

3 現場應用

威204H11-4井位于四川省內江市威遠縣東聯鎮牛皮場村5組，是1口頁巖氣開發井。第四開龍馬溪組地層采用CQH-M2高性能水基鉆井液鉆進，完鉆井深為5 515 m，井底溫度為135 ℃，水平段長1 800 m，是中國頁巖氣垂深3 500 m以深區域最長水平井。CQH-M2高性能水基鉆井液于2017年5月2 9日1 4∶50入井，入井井深3 116 m，在龍馬溪組地層鉆進進尺2 399 m，7月1 4日1 3∶30完鉆。下套管43.5 h，8月7日下完套管，8月9日順利固井，共入井69.92 d。全程鉆井液性能表現良好，井下安全正常。鉆進期間CQH-M2高性能水基鉆井液的性能如表6所示。從表6可以看出，在應用后期，CQH-M2高性能水基鉆井液體系的塑性黏度、靜切力都成明顯上漲趨勢，流變性控制較困難，但總體性能較穩定，井下安全。在以后應用中，需要解決后期流變性控制難的問題。

表6 威204H11-4井CQH-M2高性能水基鉆井液性能

該井維護措施如下：①使用好固控設備，振動篩使用篩孔為0.064 mm的篩布，一體機使用篩孔為0.061 mm的篩布，篩布勤檢查，發現損壞立即更換。振動篩、除砂器、除泥器100%使用，中、高速離心機配套使用，使用率50%。②由于是新體系第1次投井應用，每天加密監測鉆井液性能，發現性能變化，立即分析原因，制定相對應的處理措施。③勤觀察振動篩返出巖屑情況，有無掉塊，如果有掉塊，應適當提高鉆井液密度，提高封堵劑加量，降低鉆井液的HTHP濾失量，提高鉆井液的封堵防塌能力。④勤了解鉆進過程中扭矩值的變化，如果扭矩值波動大，或起下鉆摩阻增大，應提高潤滑劑和白油的加量，增強鉆井液的潤滑能力。

4 結論與建議

1.川渝地區龍馬溪組頁巖的礦物組成及微觀結構研究表明：龍馬溪組頁巖的脆性高，微裂縫和微孔洞發育，鉆進過程中井壁易失穩、易發生突發掉塊卡鉆復雜。

2.處理劑優選及性能評價表明：CQH-M2高性能水基鉆井液抑制性、封堵性和抗污染性能較好。

3.現場應用表明：CQH-M2高性能水基鉆井液滿足威204H11-4井頁巖氣水平井鉆井需要，鉆進過程中全程鉆井液性能表現良好，井下安全正常。