延長(zhǎng)區(qū)塊陸相頁(yè)巖水基鉆井液性能優(yōu)化評(píng)價(jià)

王波， 李偉， 張文哲， 李紅梅， 王濤

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安 710075）

延長(zhǎng)探區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部的陜北斜坡構(gòu)造帶，2009年延長(zhǎng)石油集團(tuán)開始進(jìn)行陸相頁(yè)巖氣的勘探。目前，探區(qū)內(nèi)的頁(yè)巖氣投產(chǎn)井已達(dá)數(shù)十口，研究工區(qū)為三疊系延長(zhǎng)組和二疊系山西組[1-2]。巖性上，長(zhǎng)7段頁(yè)巖包括黑色/灰色頁(yè)巖、（深）灰色與灰黑色泥巖、灰色粉砂質(zhì)泥/頁(yè)巖以及砂質(zhì)紋層（條帶）；山西組上部為厚層狀深灰色泥巖與灰色、淺灰色細(xì)砂巖，下部為灰黑色泥巖夾薄層細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖及煤層。水平段鉆進(jìn)時(shí)易造成井壁失穩(wěn)，發(fā)生井壁坍塌等事故，是頁(yè)巖氣鉆井的難點(diǎn)[3-6]。為保持頁(yè)巖段井壁穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)外在頁(yè)巖水平段鉆進(jìn)時(shí)多采用油基鉆井液，但油基鉆井液又面臨環(huán)境保護(hù)問題和高成本等壓力[7-9]。為解決延長(zhǎng)頁(yè)巖氣安全、高效鉆井的要求，延長(zhǎng)石油研究院在油基鉆井液基礎(chǔ)上，陸續(xù)研發(fā)了低油水比乳化鉆井液、頁(yè)巖強(qiáng)抑制封堵水基鉆井液PSW-1，并將頁(yè)巖水基鉆井液PSW-1應(yīng)用于延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖氣水平井的鉆井作業(yè)中。根據(jù)施工中出現(xiàn)的問題不斷完善、優(yōu)化鉆井液性能，形成性能可調(diào)的適合陸相頁(yè)巖氣鉆井要求的水基鉆井液。

1 延長(zhǎng)頁(yè)巖水基鉆井液PSW-1應(yīng)用情況

從2009年起，延長(zhǎng)石油集團(tuán)開始對(duì)陸相頁(yè)巖氣進(jìn)行勘探開發(fā)，而長(zhǎng)水平段水平井鉆井技術(shù)是提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)[10]。延長(zhǎng)區(qū)塊陸相頁(yè)巖氣在延長(zhǎng)組、山西組頁(yè)巖層鉆井初期使用油基鉆井液，由于油基鉆井液存在環(huán)境污染及成本高等問題[11-14]，經(jīng)過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，以甲酸鉀、納米剛性封堵劑、納米乳液、聚合醇等為主體，研制出強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵水基鉆井液PSW-1。該鉆井液于2015年9月在延長(zhǎng)區(qū)塊陸相頁(yè)巖氣水平井YYP1-2井從三開斜井段開始第1次試驗(yàn)施工，施工過程中實(shí)測(cè)不同井深PSW-1鉆井液性能，結(jié)果如表1所示。

表1 PSW-1鉆井液在YYP1-2井實(shí)測(cè)性能

現(xiàn)場(chǎng)施工中在鉆至井深3 129.43 m時(shí)，井眼保持穩(wěn)定，鉆井液抑制性、封堵性較好，但由于摩阻較大、脫壓嚴(yán)重，導(dǎo)致無法正常鉆進(jìn)，最終轉(zhuǎn)換為油基鉆井液。由PSW-1鉆井液在YYP1-2井的實(shí)測(cè)性能及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果可知，該鉆井液在延長(zhǎng)區(qū)塊陸相頁(yè)巖水平井鉆井中主要存在以下難題。①鉆井液中提切劑不適用于現(xiàn)場(chǎng)條件。提切劑F5為高分子聚合物，雖在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制成鉆井液使用時(shí)能有效地提高切力，但現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)由于結(jié)構(gòu)較強(qiáng)且現(xiàn)場(chǎng)施工中攪拌分散時(shí)間不充足，導(dǎo)致鉆井液嚴(yán)重堵塞振動(dòng)篩篩布，致使振動(dòng)篩無法正常開啟而影響巖屑篩除；②攜巖能力較差。在鉆進(jìn)過程中去除F5后，鉆井液的切力迅速降低，鉆井液使用過程中塑性黏度較高、靜切力較低，又隨著井深的不斷增加，鉆井液攜帶巖屑、清潔井眼能力變差，導(dǎo)致井底巖屑床不斷沉積，產(chǎn)生摩阻變大、含砂升高等問題；③摩阻較大，鉆進(jìn)時(shí)脫壓嚴(yán)重。摩阻和脫壓產(chǎn)生的原因，一方面是井底巖屑堆積，不能被攜帶出井眼，另一方面由于頁(yè)巖地層特點(diǎn)，泥巖、泥頁(yè)巖、砂泥巖層段占有70%以上，這就要求頁(yè)巖水基鉆井液比一般的鉆井液需具備更優(yōu)異的潤(rùn)滑性[15]。

為了滿足延長(zhǎng)區(qū)塊陸相頁(yè)巖地層的鉆井要求，根據(jù)施工中出現(xiàn)的難題，需對(duì)頁(yè)巖水基鉆井液PSW-1進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選提切劑和潤(rùn)滑劑，研制出新的符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的鉆井液，該鉆井液滿足頁(yè)巖鉆井工程需求。

2 頁(yè)巖水基鉆井液PSW-1性能優(yōu)化評(píng)價(jià)

2.1 提切劑優(yōu)選

在原有鉆井液PSW-1的配方中（4.0%土+ 1.0%提切劑SM-1+0.1%增黏提切劑F5+33%甲酸鹽+2.0%降濾失劑+0.1%降黏劑+9.0%封堵劑+2.0%潤(rùn)滑劑RH220），提切增黏劑F5為大分子量高聚物，由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)黏附振動(dòng)篩篩布，導(dǎo)致鉆井液無法經(jīng)振動(dòng)篩循環(huán)，去除后使用其他類型處理劑替代效果又不理想，使得鉆進(jìn)過程中巖屑不能被有效攜帶出井底，造成巖屑床堆積。筆者經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研與實(shí)驗(yàn)篩選評(píng)價(jià)研究，選出2種提切劑BOP、TQ-1相互配合使用，達(dá)到增黏提切的目的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 提切劑加量對(duì)PSW-1鉆井液性能影響

為了更直觀對(duì)比黏度、切力隨處理劑加量的變化趨勢(shì)，繪制黏度、切力隨加量變化圖，結(jié)果如圖1所示。

圖1 鉆井液黏度、切力隨處理劑加量的變化關(guān)系

由表2及圖1可知，BOP具有較好的增黏提切作用，在原鉆井液中加入0.3%BOP，表觀黏度即可從10增加至41 mPa s、切力提高至4 Pa/9 Pa，但此時(shí)動(dòng)切力較高，動(dòng)塑比達(dá)0.64 Pa/（mPa s），且黏度較高對(duì)鉆井液后期性能維護(hù)帶來困難。因此，在0.2%BOP的基礎(chǔ)上引入另外一種提切降濾失劑TQ-1，其在提高切力的同時(shí)對(duì)黏度的增加相對(duì)較小。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加入0.2%BOP+2.0%TQ-1后，鉆井液表觀黏度為28 mPa s、靜切力為4.5 Pa/10 Pa、動(dòng)塑比為0.47 Pa/（mPa s），具有較好的流變性，能夠滿足水平井巖屑攜帶要求。

2.2 潤(rùn)滑劑優(yōu)化

頁(yè)巖氣水平井鉆井中經(jīng)常會(huì)鉆遇大段泥頁(yè)巖地層，而由于泥頁(yè)巖的巖石性質(zhì)及泥頁(yè)巖的低滲透特性，鉆井液在井壁上較難形成高潤(rùn)滑性泥餅，使得鉆進(jìn)時(shí)鉆具摩阻增大，影響鉆井作業(yè)。原PSW-1鉆井液中抑制封堵劑聚合醇、納米乳液、RL-1等材料雖兼具有潤(rùn)滑作用，但效果有限。使用ZN黏滯系數(shù)測(cè)定儀與EP極壓強(qiáng)度測(cè)定儀，在120 ℃、16 h熱滾后，測(cè)API泥餅黏滯系數(shù)和鉆井液極壓膜強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)方法參照Q/SY 1088—2012《鉆井液用潤(rùn)滑劑技術(shù)規(guī)范》。在基礎(chǔ)鉆井液的基礎(chǔ)上加入潤(rùn)滑劑，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，篩選出一種油脂類潤(rùn)滑劑ORH-1，可提高鉆井液潤(rùn)滑能力，結(jié)果如圖2所示。

由圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)潤(rùn)滑劑ORH-1加量為2%時(shí)，泥餅的黏滯系數(shù)為0.078，極壓膜強(qiáng)度為230 MPa，相比原鉆井液潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)73.4%，極壓膜強(qiáng)度增加了1.88倍，大幅提高了鉆井液潤(rùn)滑性能。當(dāng)繼續(xù)增加潤(rùn)滑劑加量時(shí)鉆井液潤(rùn)滑能力提高有限，綜合考慮成本等因素，確定優(yōu)化后鉆井液潤(rùn)滑劑ORH-1加量為2%。

圖2 ORH-1對(duì)PSW-1鉆井液潤(rùn)滑性的影響

2.3 抑制封堵性

將優(yōu)化后的提切劑、潤(rùn)滑劑按實(shí)驗(yàn)確定的比例替換出原頁(yè)巖水基鉆井液PSW-1中的提切劑、潤(rùn)滑劑等，將新配方命名為PSW-2，配方如下.通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)PSW-2鉆井液的常規(guī)性能及抑制封堵能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3、表4所示。

4%膨潤(rùn)土+0.2%提切劑BOP+2.0%提切劑TQ-1+33%甲酸鹽+2.0%降濾失劑+0.1%降黏劑+9.0%封堵劑+2.0%潤(rùn)滑劑ORH-1

表3 PSW-2鉆井液常規(guī)性能

表4 PSW-1與PSW-2鉆井液抑制封堵能力評(píng)價(jià)

經(jīng)過優(yōu)化后PSW-2鉆井液，黏度適中，具有較好的動(dòng)切力及靜切力，可有效地懸浮攜帶巖屑，中壓濾失量?jī)H為3.2 mL。由于原鉆井液PSW-1中微納米封堵材料及抑制劑充足，自身具有較強(qiáng)的抑制性及封堵能力，優(yōu)選的油脂類潤(rùn)滑劑ORH-1也兼有一定的抑制性，經(jīng)過優(yōu)化后的PSW-2鉆井液滾動(dòng)回收率高達(dá)97.8%，線性膨脹率僅為6.4%，在模擬巖心上測(cè)試的封堵率達(dá)到82.6%，保持較好的抑制封堵能力。該鉆井液在頁(yè)巖氣水平井鉆井中能保持泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定，防止井壁坍塌，并解決了泥頁(yè)巖水平井鉆井的攜巖及潤(rùn)滑難題，有效地?cái)y帶巖屑、清潔井眼、潤(rùn)滑鉆具從而提高鉆速、縮短鉆井周期，滿足頁(yè)巖氣水平井鉆井要求，保證安全快速鉆進(jìn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2016～2017年在延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖氣勘探區(qū)域共完成4口目的層為山西組的頁(yè)巖氣水平井鉆井作業(yè)，為促進(jìn)延長(zhǎng)頁(yè)巖氣低成本高效開發(fā)技術(shù)發(fā)展，使用優(yōu)化后的PSW-2頁(yè)巖水基鉆井液進(jìn)行鉆井作業(yè)。 經(jīng) 過 現(xiàn) 場(chǎng) 試 驗(yàn) 施 工 ，YYP3、YYP4、YYP5、YYP6井等4口頁(yè)巖氣水平井均順利完鉆，PSW-2鉆井液在應(yīng)對(duì)不同情況時(shí)均表現(xiàn)出較好的性能。

以YYP3井為例，YYP3井三開斜井段從井深2 305 m（井斜角為39°）至井深2 667 m（井斜角為89°）經(jīng)歷鉆水泥塞、側(cè)鉆等工況，周期6 d鉆至A靶點(diǎn)；水平段從井深2 667 m至3 715 m完鉆，水平段長(zhǎng)1 048 m，鉆井周期為13 d。期間鉆遇炭質(zhì)泥巖、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖等地層，其中泥巖及砂質(zhì)泥巖鉆遇總長(zhǎng)超過500 m，對(duì)鉆井液的抑制、防塌、攜巖及潤(rùn)滑性提出重大考驗(yàn)。鉆進(jìn)中鉆井液性能變化如表5所示。

表5 YYP3井三開鉆井液性能

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果及鉆井液性能變化可知，該P(yáng)SW-2頁(yè)巖水基鉆井液性能穩(wěn)定，進(jìn)入水平段后動(dòng)切力始終大于12 Pa、靜切力維持在3～4 Pa/7～14.5 Pa，能懸浮和攜帶巖屑，保持井眼清潔。泥巖及炭質(zhì)泥巖中鉆進(jìn)時(shí)濾失量為2.0～2.8 mL、潤(rùn)滑系數(shù)為0.05～0.08，在保持井壁穩(wěn)定的同時(shí)具有較好的潤(rùn)滑性。由測(cè)井資料可知，井徑大多在9 in（228.6 mm）左右，井徑隨井深變化如圖3所示，計(jì)算平均井徑擴(kuò)大率為6.34%，表明PSW-2鉆井液具有良好的穩(wěn)定井壁、防止坍塌的作用。三開鉆井周期短，后期完井作業(yè)順利，無復(fù)雜情況發(fā)生，初步實(shí)現(xiàn)替代油基鉆井液應(yīng)用于陸相頁(yè)巖氣水平井鉆井。

圖3 YYP3井井徑、井斜隨井深變化

4 結(jié)論

1.針對(duì)PSW-1頁(yè)巖水基鉆井液在延長(zhǎng)區(qū)塊陸相頁(yè)巖水平井鉆井中存在的問題，通過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)篩選出提切劑BOP、TQ-1、潤(rùn)滑劑ORH-1，解決攜巖及潤(rùn)滑問題，形成各項(xiàng)性能滿足頁(yè)巖鉆井要求的PSW-2頁(yè)巖水基鉆井液。

2.優(yōu)化后的PSW-2鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該鉆井液能懸浮和攜帶巖屑，保持井眼清潔。濾失量為2.0～2.8 mL，井徑擴(kuò)大率僅為6.34%，具有良好的抑制防塌和穩(wěn)定井壁作用，可替代油基鉆井液用于延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖水平井鉆井作業(yè)。