常壓頁巖氣用“四低四高”油基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

摘? 要：常壓頁巖氣儲層頁理層理、微裂隙發(fā)育，水平井鉆井井壁穩(wěn)定難度大、鉆井液漏失風(fēng)險高，商業(yè)開發(fā)降本提效需求迫切。為此文章研發(fā)了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩(wěn)定性高的“四低四高”油基鉆井液體系，室內(nèi)結(jié)果表明其整體性能指標達到或優(yōu)于國外同類技術(shù)水平。該油基鉆井液在武隆和梨樹等常壓氣區(qū)塊多口井成功應(yīng)用，現(xiàn)場油水比可降至60/40，較以往技術(shù)單井平均減少基礎(chǔ)油用量約50t，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟效益。本研究對于常壓頁巖氣水平井鉆井液成本控制具有重要意義和參考價值。

關(guān)鍵詞：常壓頁巖氣;水平井;油基鉆井液;性能控制

中圖分類號：TE254.3? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0012-04

Abstract： Normal pressure shale gas reservoir has plenty of stratifications and microfractures， so it was a great challenge fordrilling a horizontal well to maintain borehole wall stability， control drilling fluid loss and reduce commercial development cost. Therefore， an oil-base drilling fluid formation was researched， which had the characters of low viscosity， low filtration loss， low dosage， low oil-water ratio， high breaking of emulsion voltage， high shear force， high dynamic plastic ratio， high stability. The experimental results display that the performance of this formation is up to or better than that of similar foreign technologies. This oil-based drilling fluid has been successfully applied in many wells in Wulong and Lishunormal pressuregas blocks. The oil-water ratio waskeptat 60/40， which saved about 50 tons base oil every well and reduced the cost of drilling fluid. This study has great significance and reference value for the cost control of drilling fluid in normal pressure shale gas horizontal wells.

Keywords： normal pressure shale gas; horizontal well; oil base drilling fluid; performance control

1 概述

2008年以來，由于頁巖油氣勘探開發(fā)和復(fù)雜深層鉆探需求的大幅增多，我國油基鉆井液技術(shù)發(fā)展迅速[1-2]，技術(shù)水平快速提高。截止2018年底，我國已經(jīng)實現(xiàn)了頁巖氣水平井用油基鉆井液技術(shù)的完全自主化，打破了早期國外技術(shù)在該領(lǐng)域的壟斷，充分保障了中國石化涪陵、中國石油長寧-威遠兩大國家級頁巖氣田的建設(shè)與開發(fā)。

隨著國內(nèi)頁巖氣資源勘探開發(fā)的深入，以重慶武隆、彭水五峰組-龍馬溪組地層和吉林梨樹斷陷營城組營地層為代表的常壓（壓力系數(shù)1.0～1.2）頁巖氣資源成為關(guān)注的熱點[3]。區(qū)別于涪陵與威遠-長寧，上述常壓儲層頁理層理和微裂隙更加發(fā)育，水平井鉆井井壁穩(wěn)定難度更大、鉆井液漏失風(fēng)險更高，如何在充分保障水平井鉆井安全的前提下、充分降低鉆井成本成為常壓頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。

針對上述問題和商業(yè)開發(fā)需求，本文聚焦常壓頁巖儲層的地質(zhì)特征、長水平井鉆井安全、優(yōu)質(zhì)、高效施工的綜合要求，研制了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩(wěn)定性高的“四低四高”油基鉆井液體系，在重慶武隆和吉林梨樹等常壓氣區(qū)塊多口井成功應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟效益。

2 體系構(gòu)建

常壓頁巖儲層不僅頁理、層理發(fā)育，而且由于地質(zhì)演變過程中歷經(jīng)了多期構(gòu)造運動[4]，其裂隙更加發(fā)育。頁巖氣商業(yè)開發(fā)為了獲得更高產(chǎn)能，儲層水平段通常長達800～2000m，這給常壓頁巖氣水平井施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)，施工中井壁失穩(wěn)風(fēng)險更高、井眼凈化難度更大、頁巖漏失問題愈加突出。為此，常壓頁巖氣水平井用油基鉆井液必須具有良好的乳化穩(wěn)定性能、突出的微裂隙封堵效果和出眾的井眼清潔功能。為了達到上述鉆井液性能要求，本文對常壓頁巖水平井用油基鉆井液體系組成進行了構(gòu)建[5]：

（1）乳化穩(wěn)定性是體系穩(wěn)定的基礎(chǔ)。高效的乳化劑可以保障油基鉆井液中水相的充分乳化，最大程度降低頁巖的水化，這對于常壓頁巖井筒的穩(wěn)定尤為重要。根據(jù)HydropHile-LipopHile Balance原理[6]，選用高效乳化劑，以保障低油水比下的乳化穩(wěn)定。

（2）頁巖有效封堵是井下安全的保障。利用掃描電鏡SEM等分析手段，對武隆、梨樹等地區(qū)的頁巖巖心進行了微觀分析，獲得了頁巖的微裂縫和孔隙的尺度范圍，進而選擇合理粒徑范圍隨鉆封堵材料[7]，強化井筒，降低消耗、減少漏失。

（3）合理流變性能是水平井井眼清潔的關(guān)鍵。基于提高頁巖長水平井攜巖能力、凈化井筒的目的，需使用可提升油基鉆井液結(jié)構(gòu)力的流型調(diào)節(jié)劑，并盡可能降低漏斗黏度與塑性黏度，維持較高的動塑比，有效地控制合理的流變性能，確保井眼清潔、保障施工安全。

（4）低油水比是降低油基鉆井液成本的核心。武隆、梨樹區(qū)塊常壓頁巖儲層鉆探采用的鉆井液密度范圍為1.10～1.40g/cm3，基于現(xiàn)有油水乳化穩(wěn)定和流變性能控制水平，油水比宜控制在60/40～70/30，施工中應(yīng)結(jié)合實鉆安全盡可能維持在上述范圍的下限。這有利于減少基礎(chǔ)油用量、降低鉆井液的總體成本。

3 體系配方與性能

3.1 配方組成

依據(jù)上述的構(gòu)建思路與設(shè)計原則，在新型乳化劑、強力封堵劑和提切劑等關(guān)鍵處理劑優(yōu)選的基礎(chǔ)上，通過大量室內(nèi)實驗，獲得了常壓頁巖水平井用“四低四高”油基鉆井液的配方組成：

基礎(chǔ)油+1.5%主乳化劑+0.5%輔乳化劑+鹽水（CaCl2質(zhì)量分數(shù)為20%～35%）+2.0%CaO+1.0%有機土+2.0%降濾失劑+0.3%提切劑+3.0%～5.0%封堵劑+加重劑，油水比60/40～70/30。

按照上述“四低四高”油基鉆井液配方組成，依據(jù)GB/T 16783.2中所述配制程序與測定方法，室內(nèi)對密度為1.20～1.40g/cm3的配方120℃16h老化后的各項性能進行了評價，同時與國外Schlumberger公司的MEGADRIL油基鉆井液的性能進行了對比，實驗結(jié)果見表1。

表1數(shù)據(jù)表明，上述油基鉆井液在油水比60/40～70/30條件下經(jīng)120℃老化后破乳電壓均高于550V，說明該鉆井液乳化穩(wěn)定;在1.20～1.40g/cm3范圍內(nèi)，塑性黏度在22～27mPa·s，動切力為8～11Pa，具有高于0.35的動塑比和低剪切轉(zhuǎn)速下的讀值，顯示了良好的低黏度、高切力流變特征，說明攜巖能力出眾，可有效降低環(huán)空壓耗、保障頁巖氣長水平段的井眼清潔和井下安全;同時數(shù)據(jù)還顯示其高溫高壓濾失量均低于3.0mL，這對于維持井壁穩(wěn)定和降低鉆井液消耗均具有重要的意義。

綜上所述，上述體系具有塑性黏度低、濾失量低、油水比低、處理劑加量低和穩(wěn)定性高、破乳電壓高、切力高、動塑比高的“四低四高”突出特征。與國外先進油基鉆井液Schlumberger公司的MEGADRIL相比，常壓頁巖水平井用“四低四高”整體性能指標達到同等技術(shù)水平，在油水比、動塑比等指標方面同比更具優(yōu)勢，這使得其更具技術(shù)競爭力。

3.2 抗污染性能評價

基于常壓頁巖氣水平井施工工況，“四低四高”油基鉆井液現(xiàn)場受到的污染主要包括替漿用水、鉆屑和固井沖洗液三個方面，室內(nèi)評價了密度為1.20g/cm3時三種因素對其性能的影響，實驗結(jié)果見表2、表3和表4。

表2實驗?zāi)M了油基鉆井液轉(zhuǎn)換過程中，替漿水侵入后對其性能的影響。數(shù)據(jù)顯示，當模擬的替漿水侵入“四低四高”油基鉆井液后，會引起黏切的升高和濾失量的略微上升，還會導(dǎo)致破乳電壓的降低，這均是由于作為分散相的水量增加所致。當模擬替漿水侵入量達到15%時，此時油基鉆井液的油水比已達54/45，破乳電壓為425V，尚高于業(yè)界安全值400V，表明其具有良好的抗水污染的能力，這對于鉆井液轉(zhuǎn)換工藝過程控制，“四低四高”油基鉆井液維持性能穩(wěn)定具有重要的指導(dǎo)意義。

由表3數(shù)據(jù)表明，5～10目的大顆粒頁巖鉆屑侵入“四低四高”油基鉆井液后，其破乳電壓、切力等各項性能幾乎無變化，展現(xiàn)出優(yōu)良污染能力。粒徑180～200目的鉆屑粉加入后對油基鉆井液破乳電壓影響很小，但塑性黏度、切力均有一定程度的增長。當鉆屑粉加量至12%時，塑性黏度增幅達36%，表明小粒徑鉆屑的持續(xù)增加將不可避免地導(dǎo)致油基鉆井液中固相內(nèi)摩擦加劇，此時必須需通過離心機高速分離的方式將其去除，以保持鉆井液流變性能穩(wěn)定。

表4數(shù)據(jù)表明，水平井固井作業(yè)時，固井油基沖洗液的混入會導(dǎo)致“四低四高”油基鉆井液破乳電壓下降，當沖洗液混入10%時，油基鉆井液表現(xiàn)為黏切升高、破乳電壓降低，整體性能保持穩(wěn)定。但隨著固井液侵入量持續(xù)增加至15%時，乳化穩(wěn)定性變差，破乳電壓降至業(yè)界安全值400V以下，高溫高壓濾失量也迅速增加，表明乳化穩(wěn)定性大幅下降。由于油基沖洗液中含有大量親水性的表面活性組分，這些組分的侵入導(dǎo)致油基鉆井液中油水乳化液滴界面吸附的表面活性組分的重新分布，使得乳化液滴的界面膜強度降低甚至破乳，表現(xiàn)為油基鉆井液破乳電壓的大幅降低。因此，基于回收后油基鉆井液乳化穩(wěn)定與提高重復(fù)使用的目的，水平井固井替漿過程中，應(yīng)加強替漿終點的判斷，以減少固井用油基沖洗液混入“四低四高”油基鉆井液的數(shù)量。

3.3 封堵性能評價

電鏡掃描SEM測試顯示武隆和梨樹區(qū)塊常壓頁巖地層微裂隙的尺度分布于50nm～20um，為了有效模擬上述尺度的頁巖微裂隙的封堵，本文采用粒徑尺度為2um的PPA陶瓷砂盤模擬頁巖地層，具體測試程序如下：在PPA測試樣杯中裝入陶瓷砂盤，然后加入含有不同封堵劑加量的四低四高”油基鉆井液，密封后開啟測定程序，測定120℃下3.0MPa和4.5MPa不同壓差下30min的砂盤濾失量，實驗結(jié)果見表5。

模擬封堵實驗結(jié)果表明，當“四低四高”油基鉆井液在未加封堵材料時，在3.0MPa和4.5MPa的壓差下，PPA封堵實驗的高溫濾失量為2.2mL和3.8mL。當加入微納米粒度尺度、合理級配的封堵劑后，其在PPA封堵實驗中的濾失量大幅度降低，封堵效果顯著提升。當不同規(guī)格的納微米封堵劑加量增至5.0%時，3.0MPa和4.5MPa壓差下的高溫濾失量均降至0mL，表明納微米顆粒的粒徑與模擬的微裂隙的尺度實現(xiàn)了良好的匹配，同時封堵材料的有效濃度可以在陶瓷砂盤表面形成致密的封堵層，使得其承壓能力顯著提升。

4 應(yīng)用及效果

基于常壓頁巖水平井用“四低四高”油基鉆井液體系研究，結(jié)合重慶武隆和吉林梨樹等常壓氣區(qū)塊施工要求，現(xiàn)場通過油水比維護、封堵防漏控制等措施實現(xiàn)了該技術(shù)多口井的成功應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟效益。本文以隆頁A井為例予以介紹。

4.1 隆頁A井概況

隆頁 A井是中國石化武隆常壓頁巖氣區(qū)塊的一口開發(fā)井，該井鉆探目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組和五峰組，地層壓力系數(shù)為1.10，屬典型常壓頁巖儲層。隆頁A井采用三級井身結(jié)構(gòu)，三開包括造斜井段與水平井段，設(shè)計完鉆井深4954m。基于提高鉆井速度的目的，該井采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方式。為充分保障鉆井井下安全，同時降低成本，采用“四低四高”油基鉆井液技術(shù)施工。

4.2 關(guān)鍵維護控制工藝

4.2.1 采用低油水比乳液補充消耗

鉆進中，采用油水比60/40乳液補充鉆井液消耗，該措施不僅可以保障鉆井液的總量，還可以有效維持全井鉆井液的油水比在70/30～60/40，利于黏切的合理控制。

4.2.2 監(jiān)測與控制流變性能與固相含量

（1）每班次監(jiān)測流變性能與固相含量，利用固控設(shè)備和乳液調(diào)整，將密度1.25～1.30g/cm3范圍的鉆井液漏斗黏度控制在50～65s、動切力控制在8～14Pa。

（2）120目及以上高頻振動篩和除砂除泥一體機24h運轉(zhuǎn)、間歇使用高速離心機，將低密度固相含量控制在5.0%以下。

4.2.3 及時補充隨鉆封堵材料，強化封堵、降低消耗

使用多種納微米尺度的封堵劑，維持濃度在4-5%的濃度用量，將高溫高壓濾失量控制在低于4.0mL，單位進尺鉆井液消耗量控制在不高于0.07m3/m，強化井筒、節(jié)約成本。

4.3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場應(yīng)用表明，隆頁A井三開采用“四低四高”油基鉆井液技術(shù)施工效果顯著，累計進尺1982m，各井段鉆井液性能見表6。“四低四高”油基鉆井液技術(shù)整個施工過程油水比均低于70/30，較同區(qū)域傳統(tǒng)油基鉆井液技術(shù)同比降低約15%，累計節(jié)約基油55t，降本顯著;低黏高切流變性能突出，攜巖返砂正常，保障了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井速度的充分釋放，機械轉(zhuǎn)速較鄰井同比提升30%，鉆井周期縮短12d，提速效果突出;隨鉆封堵效果明顯，單位進尺鉆井液消耗降至0.07m3/m，較該區(qū)塊平均消耗量降幅達24m3，有效節(jié)約鉆井液成本。

5 結(jié)論與建議

（1）基于常壓頁巖儲層特征，聚焦長水平井施工安全和降本提速的需求，研發(fā)了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩(wěn)定性高的“四低四高”油基鉆井液體系。

（2）室內(nèi)結(jié)果表明“四低四高”油基鉆井液油水比可達60/40、破乳電壓高于550V、動塑比大于0.35，整體性能指標達到或優(yōu)于國外同類先進技術(shù)水平。

（3）“四低四高”油基鉆井液在武隆和梨樹等常壓氣區(qū)塊多口井成功應(yīng)用，較以往技術(shù)單井平均減少基礎(chǔ)油用量約50t，鉆井液消耗量同比減少20%以上，經(jīng)濟效益顯著。

（4）“四低四高”油基鉆井液對于常壓頁巖氣水平井鉆井液成本控制具有重要意義，建議推廣應(yīng)用。

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