高性能水基鉆井液在長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊研究與應(yīng)用

萬(wàn) 偉, 葛 煉

(川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司)

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊目的層位于志留系龍馬溪組，常采用油基鉆井液，其具有很強(qiáng)的抑制水化、潤(rùn)滑降阻、抗地層損害以及保護(hù)儲(chǔ)層的能力。隨著我國(guó)新環(huán)保法的正式實(shí)施，廢棄油基鉆井液和油基鉆屑對(duì)環(huán)境影響的要求也更加嚴(yán)格，成為困擾采用油基鉆井液開(kāi)采頁(yè)巖氣井的重大難題。目前，在川渝地區(qū)部分高陡構(gòu)造區(qū)塊和富含大段破碎性頁(yè)巖區(qū)塊采用及時(shí)封堵防塌水基鉆井液體系，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，仍會(huì)出現(xiàn)鉆井液性能不能完全滿足井下需求[1-9]。因此，為解決以上難題，必須研究一套高性能水基鉆井液技術(shù)，達(dá)到提高勘探開(kāi)發(fā)效益、降低環(huán)境保護(hù)壓力的目的。

一、研究思路

本文以長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖為研究對(duì)象，首先，對(duì)其礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果找出井壁失穩(wěn)的主要原因，從而提出高性能水基鉆井液維持井壁穩(wěn)定的技術(shù)措施。其次，根據(jù)提出的技術(shù)措施，通過(guò)對(duì)封堵劑、潤(rùn)滑劑和抑制劑等核心處理劑的優(yōu)選及評(píng)價(jià)，建立一套高性能水基鉆井液體系，保證其具有滿足長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣水平井長(zhǎng)水平段鉆井作業(yè)過(guò)程中所需的技術(shù)要求。最后，由于該區(qū)塊所有井的井身結(jié)構(gòu)、井下工具、鉆井參數(shù)相似，故其在鉆井液性能、機(jī)械鉆速和井徑擴(kuò)大率等方面均具有較高的可比性，能夠很好地反應(yīng)高性能水基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

二、頁(yè)巖礦物成分分析

頁(yè)巖礦物成分分析采用的測(cè)定方法是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的X射線衍射(XRD)分析法，結(jié)合我國(guó)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X衍射分析方法》，對(duì)長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊龍馬溪地層取心獲得的12個(gè)巖樣進(jìn)行分析。

根據(jù)分析可知，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊龍馬溪地層的黏土礦物含量分布為9.98%～15.34%，硬脆性高的石英和斜長(zhǎng)石含量分布為56.97%～66.20%，硬脆性較高的方解石和白云石共計(jì)含量分布為20.54%～25.77%。其中，黏土礦物中含有的非膨脹型黏土礦物伊利石、高嶺石和綠泥石共計(jì)含量分布為79.7%～93.7%，膨脹型黏土礦物蒙脫石含量為0.0%，伊蒙不規(guī)則間層含量分布為6.3%～20.3%。由此可知，該區(qū)塊龍馬溪地層頁(yè)巖以非膨脹型黏土礦物和硬脆性礦物為主，硬脆性越大，頁(yè)巖越易形成網(wǎng)狀微裂縫，鉆進(jìn)過(guò)程中就越容易出現(xiàn)掉塊和破碎性跨塌。鉆井液設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化過(guò)程中，硬脆性垮塌才是龍馬溪地層穩(wěn)定井壁的主要矛盾。

三、頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)頁(yè)巖礦物成分分析可知，頁(yè)巖地層巖性硬脆、層理發(fā)育，頁(yè)巖內(nèi)部發(fā)育有大量層理和微裂縫，在層理和裂縫之間相應(yīng)形成的大量弱面將對(duì)頁(yè)巖力學(xué)強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。因此，對(duì)長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊龍馬溪地層頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)采用電鏡掃描直觀反映頁(yè)巖中微裂縫是否發(fā)育、發(fā)育程度以及微裂縫開(kāi)度大小，是鉆井液設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化的重要輔助方法。

圖1 頁(yè)巖電鏡掃描照片

根據(jù)圖1電鏡掃描照片可知，該區(qū)塊龍馬溪地層頁(yè)巖含有大量開(kāi)度為亞微米級(jí)的微裂縫，且水平層理發(fā)育，呈片狀分布。該特性使得頁(yè)巖在外力的作用下極易沿層理或微裂縫面破壞，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。同時(shí)，在鉆井正壓差和毛細(xì)管力作用下，鉆井液中的液相沿微裂縫侵入，極易誘發(fā)水力尖劈，加劇井壁失穩(wěn)。由此可知，在該區(qū)塊龍馬溪地層鉆進(jìn)過(guò)程中，維持井壁穩(wěn)定應(yīng)著重立足于控制鉆井液中的液相浸入量和浸入深度，保持鉆井液具有較強(qiáng)的封堵能力和失水控制能力，這將是鉆井液設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

四、高性能水基鉆井液技術(shù)措施

本文引入剛性封堵劑和柔性封堵劑進(jìn)行復(fù)配，同時(shí)使其在鉆井液內(nèi)具有適度的級(jí)配和分散狀態(tài)，在鉆井液發(fā)生極少量濾失時(shí)填充、封堵微裂縫，短時(shí)間內(nèi)即可阻止液相的侵入，使其具有較強(qiáng)封堵能力。通過(guò)以下三項(xiàng)技術(shù)措施使其具備更加優(yōu)質(zhì)性能：①優(yōu)選高效潤(rùn)滑劑，尤其是適用于高密度水基鉆井液的潤(rùn)滑劑，同時(shí)復(fù)配防泥包處理劑，從而達(dá)到降低摩阻的目的；②加入流型調(diào)節(jié)劑以提高鉆井液動(dòng)塑比和低轉(zhuǎn)速下有效黏度，改善環(huán)空鉆井液攜巖效果，增強(qiáng)鉆井液懸浮和攜巖能力；③輔以一定量的復(fù)合抑制劑，不僅能夠防止伊蒙不規(guī)則間層吸水造成的井壁失穩(wěn)，而且對(duì)改善高密度鉆井液流變性具有一定作用。

五、高性能水基鉆井液體系配方及性能評(píng)價(jià)

根據(jù)以上高性能水基鉆井液技術(shù)措施，通過(guò)對(duì)剛性封堵劑、柔性封堵劑、高效潤(rùn)滑劑、流型調(diào)節(jié)劑和抑制劑等核心處理劑的優(yōu)選及評(píng)價(jià)，針對(duì)長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊建立了一套密度2.10 g/cm3、抗溫130℃的高性能水基鉆井液體系，并將該體系與目前常用于破碎性地層的及時(shí)封堵防塌鉆井液和目前用于頁(yè)巖氣井水平段的防塌油基鉆井液進(jìn)行了性能、封堵性、潤(rùn)滑性和抑制性等方面的評(píng)價(jià)對(duì)比，其成果配方為：0.6%聚合物降濾失劑+8%樹(shù)脂降濾失劑+4%抗鹽降濾失劑+10%有機(jī)鹽抑制劑+6%無(wú)機(jī)鹽抑制劑+1.5%復(fù)合乳化劑+3%常規(guī)潤(rùn)滑劑+5%高效潤(rùn)滑劑+2%流型調(diào)節(jié)劑+3%改性瀝青封堵劑+4%剛性封堵劑+0.5%堿性調(diào)節(jié)劑+重晶石。

表1 不同鉆井液體系的基本性能

1. 基本性能評(píng)價(jià)

按照成果配方配制密度為2.10 g/cm3的高性能水基鉆井液，同時(shí)配制相同密度的及時(shí)封堵防塌和防塌油基鉆井液，將其在130℃條件下恒溫滾動(dòng)16 h，冷卻至室溫?cái)嚢?0 min，50℃條件下測(cè)試其流變性、API濾失量以及HTHP濾失量等，見(jiàn)表1。

根據(jù)表1可知，在上述三種鉆井液體系中，高性能水基鉆井液具有最低的黏度和切力，在保證能夠懸浮重晶石的前提下有利于鉆井液形成紊流攜帶巖屑，同時(shí)，高性能水基鉆井液API濾失量和HTHP濾失量均較低，優(yōu)于之前采用的及時(shí)封堵防塌鉆井液，與目前頁(yè)巖氣區(qū)塊常用的防塌油基鉆井液相近，表明其具有很好的失水控制能力。

2. 封堵性評(píng)價(jià)

鉆井液的封堵防塌能力是適用于長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊的高性能水基鉆井液面臨的首要技術(shù)難題，如何有針對(duì)性的評(píng)價(jià)鉆井液體系封堵性是關(guān)鍵。本文通過(guò)測(cè)定鉆井液在不同時(shí)間點(diǎn)HTHP濾失量和砂床侵入深度對(duì)不同鉆井液體系的封堵性進(jìn)行評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)分別見(jiàn)圖2和圖3。

根據(jù)圖2、圖3可知，在上述三種鉆井液體系中，高性能水基鉆井液HTHP濾失量最低、砂床侵入深度最小，同時(shí)，在10 min以后，其HTHP濾失量和砂床侵入深度不發(fā)生變化，說(shuō)明高性能水基鉆井液在具有最強(qiáng)的封堵性的同時(shí)，封堵速度也是最快的，具有最高效的封堵效果。

圖2 不同時(shí)間點(diǎn)的HTHP濾失量

圖3 不同時(shí)間點(diǎn)的砂床侵入深度

3. 潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣水平井水平段長(zhǎng)達(dá)1 500 m以上，為避免在長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生托壓或黏附卡鉆而導(dǎo)致的井下復(fù)雜事故，鉆井液體系必須具有很好的潤(rùn)滑性。本文通過(guò)測(cè)定鉆井液的極壓潤(rùn)滑系數(shù)(EP)、濾餅黏附系數(shù)(Kf)和濾餅黏滯系數(shù)(Km)等對(duì)不同鉆井液體系的潤(rùn)滑性進(jìn)行評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同鉆井液體系的潤(rùn)滑性

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知，由于不同鉆井液體系基礎(chǔ)液的區(qū)別，防塌油基鉆井液潤(rùn)滑性始終優(yōu)于其他兩種水基鉆井液，甚至在對(duì)防塌油基鉆井液的濾餅黏附系數(shù)(Kf)進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，因其潤(rùn)滑性高而發(fā)生未黏附導(dǎo)致數(shù)據(jù)未測(cè)出。高性能水基鉆井液的極壓潤(rùn)滑系數(shù)(EP)、濾餅黏附系數(shù)(Kf)和濾餅黏滯系數(shù)(Km)優(yōu)于及時(shí)封堵防塌鉆井液，且與防塌油基鉆井液十分接近，說(shuō)明其具有很好的潤(rùn)滑性。

4. 抑制性評(píng)價(jià)

盡管長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪地層頁(yè)巖以非膨脹型黏土礦物和硬脆性礦物為主，僅含有少量的伊蒙不規(guī)則間層，為了不發(fā)生因黏土礦物水化膨脹引的井壁失穩(wěn)垮塌，鉆井液體系具有一定的抑制性。按照我國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同鉆井液體系的抑制性力進(jìn)行基本測(cè)試。同時(shí)，為了更好的反應(yīng)各種抑制劑的敏感性，采用毛細(xì)管吸收時(shí)間測(cè)試法(CST)對(duì)各種鉆井液體系的抑制性進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同鉆井液體系的抑制性

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可知，由于不同鉆井液體系基礎(chǔ)液的區(qū)別，防塌油基鉆井液抑制性始終優(yōu)于其他兩種水基鉆井液。高性能水基鉆井液在滾動(dòng)回收率、線性膨脹率、毛細(xì)管吸收時(shí)間等方面均優(yōu)于及時(shí)封堵防塌鉆井液，且與防塌油基鉆井液較為接近，說(shuō)明其具有很好的抑制性。

六、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，高性能水基鉆井液在長(zhǎng)寧區(qū)塊五個(gè)平臺(tái)14井次的少量大斜度井段和所有水平井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，累計(jì)進(jìn)尺達(dá)34 016 m。由于該區(qū)塊所有井的井身結(jié)構(gòu)、井下工具、鉆井參數(shù)相似，故其在鉆井液性能、機(jī)械鉆速和井徑擴(kuò)大率等方面均具有較高的可比性。因此，將采用高性能水基鉆井液和防塌油基鉆井液的井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，以反應(yīng)高性能水基鉆井液的應(yīng)用實(shí)效與工業(yè)價(jià)值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同鉆井液體系的應(yīng)用對(duì)比

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)可知，高性能水基鉆井液較防塌油基鉆井液具有更好的流變性和相近的HTHP濾失量，在整個(gè)鉆井過(guò)程中，高性能水基鉆井液攜帶巖屑、穩(wěn)定井壁和潤(rùn)滑防卡能力強(qiáng)，平均機(jī)械鉆速明顯高于防塌油基鉆井液，無(wú)因鉆井液性能造成井下復(fù)雜事故發(fā)生。由于兩套鉆井液體系基液本質(zhì)的不同，在井徑擴(kuò)大率方面，高性能水基鉆井液稍次于防塌油基鉆井液，但差別不大且在可控范圍之內(nèi)。說(shuō)明高性能水基鉆井液對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪地層具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠滿足長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水平井鉆井的需要。同時(shí)，由于基液的不同，高性能水基鉆井液成本降低，約為防塌油基鉆井液的65%左右，并且還降低了鉆屑的處理費(fèi)用，大大降低鉆井綜合成本和環(huán)境損害風(fēng)險(xiǎn)。

七、結(jié)論與建議

(1)通過(guò)X射線衍射分析法分析，該區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖礦物成分以非膨脹型黏土礦物伊利石、高嶺石、綠泥石和硬脆性礦物石英、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石為主，硬脆性垮塌才是該地層井壁失穩(wěn)的主要原因。

(2)通過(guò)電鏡掃描分析，該區(qū)塊龍馬溪地層頁(yè)巖含有大量開(kāi)度為亞微米級(jí)的微裂縫，且水平層理發(fā)育，呈片狀分布，鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)保持鉆井液具有較強(qiáng)的封堵能力和失水控制能力。

(3)通過(guò)對(duì)封堵劑、潤(rùn)滑劑和抑制劑等核心處理劑的優(yōu)選與評(píng)價(jià)，建立了一套綜合性能優(yōu)良，且滿足長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣水平井長(zhǎng)水平段鉆井所需的高性能水基鉆井液體系。

(4)該鉆井液體系對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪地層具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，在長(zhǎng)寧區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間，綜合性能和平均機(jī)械鉆速均優(yōu)于防塌油基鉆井液，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

(5)建議結(jié)合威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖實(shí)際情況，優(yōu)化該高性能水基鉆井液配方，改進(jìn)綜合性能，使其滿足威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖氣井鉆井需求，為高性能水基鉆井液的進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。