涪陵焦頁18-10HF 井水平段高性能水基鉆井液技術

趙素娟，游云武，劉浩冰，周超群，陳長元，羅志剛

（江漢石油工程公司鉆井一公司，湖北潛江 433121）

0 引言

涪陵工區是中國頁巖氣開發的三大頁巖氣區塊之一，油基鉆井液以自身良好的潤滑和抑制性，一直是該地區水平井三開水平段首選鉆井液[1-2]，但油基鉆井液環保壓力大，成本高。基于環保法規和經濟方面的要求，亟需開發可取代油基的環保型水基鉆井液。國內外各大油服公司試圖研發實現水代油高性能水基鉆井液體系，目前各大油田各區塊已有成功應用水基鉆井液的案例[3-7]。

由于涪陵五峰-龍馬溪組頁巖的復雜性，還未在涪陵龍馬溪組五峰組頁巖成功使用過高性能水基鉆井液。以涪陵頁巖區為目標區塊，分析該區塊龍馬溪組-五峰組頁巖特性和存在的技術難點，提出相應水基鉆井液技術對策，研制了配套的高性能水基鉆井液JHGWY-1 體系。利用該體系強封堵、強潤滑和及時封堵裂縫、抑制裂縫擴展的能力，針對性應對涪陵地區水平井三開水平段復雜情況，以期為開采涪陵頁巖氣實現綠色鉆探提供新的思路和技術支撐[8-10]。

1 地質概況及技術難點

1.1 地質組成概況

涪陵焦頁18-10HF 井目的層巖性主要為灰色-黑色頁巖。水平段儲層特征參數表明，儲層品質較好，有效孔隙度為2.7%～6%，平均約為4.2%，滲透率一般小于1 mD，有的甚至小于0.1 mD 總有機碳為2.8%～3.6%,平均為3.3%；地層中微納米孔隙和裂縫發育。巖石中的石英和長石平均含量為36%，方解石和白云石平均含量為29%，平均黏土礦物含量為35%，黃鐵礦含量為1%～3%，表明脆性礦物含量較高，一方面易于壓裂產生網狀縫，同時也易遇水發生自吸，使微裂縫變大，不利于井壁穩定。

1.2 技術難點

焦頁18-10HF 井在施工時，塌、漏、涌、噴等復雜情況都有可能發生，因此鉆井液體系要具有良好的防塌、防漏、抗溫、防油氣層污染等能力。鉆井液工作重點及難點如下。①井壁穩定。龍馬溪-五峰組頁巖地層頁巖脆性礦物含量高，微納米級孔隙裂縫和層理發育，易剝落掉塊，采用水基鉆井液施工易導致泥頁巖吸水膨脹，產生水化剝落、坍塌，造成憋泵、卡鉆、埋鉆具等井下復雜事故。②井眼凈化：當井斜大于45°后就易發生第二洗井區的巖屑攜帶問題，并隨著井斜的增加，鉆具與井壁接觸面積增大，相互之間的摩阻也增大，鉆屑受重力作用下的垂沉，常常在井筒內形成巖屑床，并引起定向施工中的托壓、憋泵、垮塌、阻卡現象，給鉆井的各項施工帶來困難，而且一旦造成井下事故，處理極其困難。③降摩減阻。高性能水基鉆井液相對于油基的潤滑性能稍差，在水平段施工時隨著水平段的延伸，摩阻和扭矩逐步增大，有發生起下鉆困難及卡鉆的風險。④漏失問題。龍馬溪組泥頁巖含微裂縫，要求水基鉆井液具有較強的防漏封堵能力。⑤鄰井壓裂影響：水平段由于鄰井壓裂影響，地層破碎易垮易漏易竄氣，有可能出現溢漏同存的復雜情況。對鉆井液各項性能特別是防塌防漏性能有更高要求。

1.3 鉆井液技術對策

針對地層特點，利用改性多孔納米顆粒吸附封堵、長效潤滑與強抑制相結合的技術對策，構建了JHGWY-1 高性能水基鉆井液體系，體系配方為：（3%～5%）膨潤土+（0.5%～2%）納米吸附封堵劑JHWFD-1+（1%～2%）多級粒配填充防塌封堵劑+（2%～3%）醚化改性淀粉+（2%～3%）AM-PVP-AMPS 三元共聚物降濾失劑+（4%～5%）KCl+（0.5%～1%）端胺基聚醚+（3%～4%）端胺基改性烷基糖苷+（2%～3%）植物油酰胺極壓減摩劑+（0.5%～2%）流型調節劑+（0.5%～1%）CaO+重晶石粉。

在體系配方中，采用多級粒配填充防塌封堵劑和改性納米吸附封堵劑合理的粒度級配，確保鉆遇裂縫結構時及時封堵漏層；通過醚化改性淀粉和AM-PVP-AMPS 三元共聚物降濾失劑在封堵層形成致密泥餅，減少濾液向地層滲透；端胺基聚醚為關鍵抑制組分，與KCl 共同作用抑制頁巖表面水化，降低頁巖表面自由能；端胺基改性烷基糖苷在鉆井液體系中既能夠起到輔助抑制井壁水化作用，又能夠提高泥餅表面光滑度，降低鉆具與井壁之間的摩擦力；植物油酰胺極壓減摩劑在三開水平段起到關鍵潤滑作用，降低鉆桿與巖屑床之間的摩擦，確保快速安全鉆進，有效防止鉆速過低引起的事故復雜。

2 高性能水基鉆井液室內研究

頁巖微納米孔隙和裂縫發育，涪陵區塊頁巖氣地層基本不含蒙脫石，伊/蒙混層較少，黏土礦物表面水化是引起頁巖地層井壁失穩的主要原因。JHGWY-1 鉆井液技術的核心為以下幾點。①瞬時封堵封固。頁巖微納米孔隙發育，為了減少毛細管自吸造成頁巖裂縫擴大進而井壁掉塊坍塌問題，做到微納米封堵封固劑及時進入微裂縫，阻止鉆井液液柱壓力傳遞，做好泥餅形成過程中的硬封堵、軟封堵及粒子級配，強化井壁穩定。②強效抑制頁巖表面水化，降低頁巖表面自由能，端胺基聚醚與KCl 結合，有效抑制頁巖表面水化，有效減緩水相對頁巖強度弱化的影響，保持頁巖地層穩定。③長效潤滑防卡，在定向和水平段，植物油酰胺極壓減摩劑有良好的減摩潤滑性，端胺基烷基糖苷輔助潤滑，形成長效潤滑機制，有效減低在定向和水平段多軌跡鉆井造成的高摩阻高扭矩，滿足本井三開施工需求。

2.1 體系流變性能評價

配制密度范圍為1.38～2.03 g/cm3的鉆井液，對其進行性能評價，流變性和濾失量評價見表1。

表1 不同密度JHGWY-1 鉆井液流變性評價

從表1 可以看出，在密度1.38～2.03 g/cm3范圍內，該體系流變性良好，具有較低的濾失量。在摻雜隨鉆及時封堵材料情況下，泥餅厚度僅有1 mm，且泥餅厚度不隨鉆井液體系密度的增加而變厚，說明鉆井液體系具有良好的濾失造壁性。

2.2 抑制性評價

采用鉀基聚合物鉆井液、油基鉆井液和JHGWY-1 高性能水基鉆井液進行抑制性對比，見表2。鉀基聚合物鉆井液體系中以KCl 保持體系對黏土水化膨脹的抑制性，體系中不含有植物油酰胺潤滑劑，不添加端胺基烷基糖苷輔助抑制與潤滑。由表2 可以看出，經過鉀基聚合物鉆井液浸泡后的標準巖樣的膨脹率為11.9%，而經JHGWY-1 鉆井液浸泡后膨脹率僅為0.6%，接近油基鉆井液的抑制性。同時JHGWY-1 鉆井液頁巖滾動回收率為99%，抑制巖屑分散的能力與油基鉆井液接近。為了模擬現場鉆井液體系對井壁長時間浸泡的影響，采用JHGWY-1 鉆井液對標準巖樣進行48 h 長時間浸泡，浸泡后膨脹率從0.6%增加至0.8%，對頁巖膨脹的影響較小，說明該體系中端胺基聚醚與KCl共同作用有效降低頁巖水化膨脹，具有較強抑制性。

表2 不同鉆井液抑制性對比

2.3 封堵承壓評價

鉀基聚合物鉆井液和JHGWY-1 高性能水基鉆井液在50 ℃下熱滾2 h 后，用高壓砂床測試鉆井液體系的封堵承壓性能，先將210 g 河砂（20～40目）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，穩壓30 min，然后在60～90 s 內將壓力從0.7 MPa 增加至5 MPa，穩壓10 min，無濾液流出，繼續加壓0.5 MPa，直到有澄清濾液流出。鉀基聚合物鉆井液在0.7 MPa 穩壓30 min 的濾失量為10.2 mL，加壓至5 MPa 全部濾失，說明鉀基聚合物鉆井液在加壓條件下無封堵能力。而JHGWY-1 鉆井液體系在0.7 MPa 穩壓30 min 的濾失量僅3.0 mL，加壓10 MPa泥餅破壞，有濾液漏出，說明JHGWY-1 鉆井液封堵承壓性能良好，可在近井壁快速形成封堵帶，及時阻止鉆井液進一步滲入，有利于井壁穩定。

2.4 潤滑性評價

在室內對涪陵工區焦頁XX 井二開井漿進行轉化后的JHGWY-1 鉆井液和井漿以及涪陵現場油基鉆井液體系進行潤滑性對比，如表3 所示。

表3 鉆井液潤滑性能評價

從表3 可以看出，用焦頁XX 井二開完鉆水基井漿轉化而成的JHGWY-1 高性能水基鉆井液與轉化前相比，極壓潤滑系數和泥餅黏附系數均大幅降低。JHGWY-1 高性能水基鉆井液極壓潤滑系數與現場油基鉆井液相差不大，加入的關鍵潤滑劑植物油酰胺極壓減摩劑有良好的減摩潤滑性，端胺基烷基糖苷輔助潤滑，形成長效潤滑機制，使得該體系具有良好的潤滑性。

3 現場應用

3.1 三開井段鉆井液技術特點

該井二開井段為352～2299.08 m，其中1481～2299.08 m 為棲霞組-小河壩組易垮地層，采用鉀基聚合物鉆井液體系鉆進。三開井段為2299.08～4570.03 m，包括小河壩組、龍馬溪組和五峰組，巖性以黑色深灰色泥巖和頁巖為主，泥頁巖層理發育，性脆，易垮塌。地層對三開鉆井液的要求如下：密度為1.38～1.65 g/cm3，漏斗黏度為40～70 s，動切力為6～15 Pa，塑性黏度為12～30 mPa·s，靜切力為2～5/4～10 Pa/Pa，固相含量小于32%，API 濾失量不大于3 mL，泥餅不大于0.5 mm，膨潤土含量小于30 g/L，含砂量小于0.3%，pH 值為9～11，黏滯系數小于0.1，HTHP 濾失量不大于8 mL。

根據地層對三開鉆井液性能要求，配制JHGWY-1 鉆井液，配方如下：（3%～5%）膨潤土+（1%～2%）端胺基聚醚+（1%～2%）納米封堵劑+（5%～8%）多級粒配填充防塌封堵劑+（1%～2%）醚化改性淀粉+（3%～5%）降濾失劑AM-PVP-AMPS 三元共聚物降濾失劑+（2%～3%）PAC-LV+（3%～5%）植物油酰胺潤滑劑+（4%～6%）端胺基烷基糖苷+（5%～8%）KCl+（1.0%～1.5%）CaO+加重劑。

三開進入新地層5～10 m 時，做地破試驗，測得當量鉆井液密度1.75 g/cm3地層不漏；三開鉆井液密度以平衡地層壓力和穩定井壁為原則，定向造斜段維持在1.38～1.40 g/cm3，以利于定向施工；進入水平段前提高至1.45～1.50 g/cm3，后期隨著水平段的延伸及返出砂樣情況進行調整。

在井斜35°～60°井段極易形成巖屑床，且巖屑床有向井底滑動趨勢。提前加入一定量潤滑劑，增強體系潤滑能力；同時逐步提高密度，加強體系對井壁物理支撐；主要以抑制劑和降濾失劑維護改變流型，從層流（動塑比為0.25～0.40 Pa/mPa·s）慢慢過渡到紊流（動塑比為0.15～0.20 Pa/mPa·s）環空上返速度為0.6～0.8 m/s，強調凈化效果。

進入水平段后，鉆具平躺滑動，密度走設計上限；不定期加入潤滑劑和端胺基烷基糖苷，進一步提高體系防塌、潤滑等性能；加大流型調節劑用量形成平板型層流（動塑比為0.36～0.48 Pa/mPa·s），環空返速保持0.5～0.6 m/s，提高有效攜帶能力。

3.2 JHGWY-1鉆井液分段性能

根據三開井段對鉆井液技術要求，鉆井液加重后保證振動篩、除砂器、除泥器的使用率達到100%，離心機使用率達到40%以上。根據情況清除沉砂罐中的沉砂，控制鉆井液的固相含量在28%以內。三開鉆進過程中JHGWY-1 高性能水基鉆井液分段性能如表4 所示。從表4 可以看出，三開鉆進過程中，JHGWY-1 鉆井液體系濾失量控制在2.0 mL 以內，在1.38～1.55 g/cm3密度范圍內均能夠保持很好的流變性，動塑比基本能夠控制在0.5 Pa/mPa·s 以下，膨潤土含量控制在30 g/L 以下，鉆井液綜合性能穩定。

3.3 振動篩返砂情況

該井使用的JHGWY-1 水基鉆井液體系對井壁穩定起到了很好的效果。在鉆井施工過程中，根據井下情況控制合適的密度，盡可能地降低鉆井液的濾失量，提高和改善泥餅質量，減少鉆井液濾液進入地層，起到了很好的防塌和穩定井壁的效果。鉆進過程中振動篩返砂情況如圖1 所示。

表4 焦頁18-10HF 井三開水平段JHGWY-1 鉆井液分段性能

圖1 焦頁18-10HF 井三開振動篩返砂情況

從圖1 可以看出，井下返砂顆粒均勻，無大顆粒掉塊，說明井下鉆井液對井壁沒有不良影響。收集不同井深下振動篩上的砂樣，如圖2 所示。從圖2 可以看出，經JHGWY-1 水基鉆井液體系作業后井深3300 m 處五峰組和井深4430 m 處龍馬溪下部地層灰黑色碳質泥巖的顆粒均勻，砂樣棱角分明，說明JHGWY-1 水基鉆井液體系在井下具有良好的抑制性。砂樣中無大顆粒掉塊，表明JHGWY-1 水基鉆井液具有良好的保護井壁穩定能力。現場作業效果良好。

圖2 現場振動篩撈獲砂樣

3.4 焦頁18-10HF完井情況

焦頁18-10HF 井位于重慶市涪陵區焦石鎮楠木村10 組，是中石化涪陵頁巖氣公司部署在川東高陡褶皺帶萬縣復向斜焦石壩背斜帶焦石壩斷背斜的一口開發井,設計井深4560 m，三開五峰-龍馬溪組地層采用JHGWY-1 高性能水基鉆井液鉆進，完鉆井深4434 m，井底溫度103 ℃，水平段長1378 m。JHGWY-1 高性能水基鉆井液于2019年6 月14 日通過現場配制入井，入井井深2360 m，7 月4 日5 點完鉆，下套管順利，7 月14 日順利固井，固井質量優良。

4 結論

1.JHGWY-1 高性能水基鉆井液體系具有良好的封堵性、潤滑性以及抑制性，滿足頁巖地層對水基鉆井液的要求，具備在涪陵工區易垮塌地層施工的性能。

2.JHGWY-1 高性能水基鉆井液體系在涪陵頁巖氣示范區焦頁18-10HF 井五峰-龍馬溪組頁巖地層施工結果表明，鉆井施工中未出現任何復雜情況，順利鉆達完鉆井深，井眼規則，下鉆和通井順暢，摩阻小，電測和下套管順利，全井未出現井垮，井漏情況。為該區塊使用高性能水基鉆井液提供了有力技術支持。

3.涪陵頁巖氣示范區還有很多水平段超過1800 m 以上的深井，施工難度更大，對水基鉆井液各項性能指標要求更高。該體系在涪陵工區深井長水平段的應用還需進一步驗證。