適用于深層頁巖氣儲層的高效水基鉆井液體系研究及應用

鄧 虹, 殷 鴿, 王獅軍, 王 乾, 崔金明, 劉青松

(1長江大學 2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第三鉆井分公司)

我國深層頁巖氣儲量豐富，主要分布在涪陵、威遠、長寧等地區。為防止深層頁巖氣水平井長水平段鉆進時出現井壁失穩的現象，通常采用油基鉆井液進行鉆井，但隨著近年來環保壓力的增大，以及油基鉆屑處理難度大、成本較高等問題，制約了油基鉆井液的大規模推廣應用[1-5]。適用于頁巖氣井的水基鉆井液技術在國內部分區塊已得到成功應用，而針對深層頁巖氣開發的鉆井液技術研究則相對較少。因此，需要研究更加清潔高效的水基鉆井液體系來滿足深層頁巖氣開發的需求[6-11]。

涪陵地區龍馬溪組頁巖氣儲層埋深達到3 900 m以上，地層溫度在140℃左右，屬于典型的深層頁巖氣儲層。筆者以涪陵深層頁巖氣儲層為研究對象，通過處理劑的優選，研制了一套適合深層頁巖氣的高效水基鉆井液體系，對鉆井液體系的綜合性能進行了評價，并在現場進行了成功的應用，為涪陵深層頁巖氣水平井的順利施工提供了一定的技術支持。

一、深層頁巖氣井水基鉆井液處理劑優選

深層頁巖氣高效水基鉆井液不僅需要具有較強的抑制性，以防止黏土水化膨脹分散,還需要具有良好的封堵性能，對頁巖儲層的微裂縫進行有效封堵，防止鉆井液濾液等水相的侵入，同時還需要具有良好的潤滑性能，以滿足深層頁巖氣水平井長水平段鉆井的需要[12-13]。

1. 抑制劑優選

室內通過巖屑滾動回收率實驗評價了不同抑制劑的抑制性能，實驗用巖屑為目標區塊儲層龍馬溪組巖屑，實驗溫度為140℃，實驗結果見表1。

表1 抑制劑優選實驗結果

由表1實驗結果可知，加入不同類型的抑制劑后，巖屑的滾動回收率均出現不同程度的升高現象，且隨著抑制劑加量的增大，滾動回收率逐漸增大。其中復合抑制劑HMYJ-1的效果最好，當其加量為1.0%時，目標區塊巖屑的滾動回收率能夠達到98%以上。復合抑制劑HMYJ-1中含有大量的陽離子吸附基團，能夠通過吸附作用對黏土顆粒表面的負電荷起到中和作用，降低黏土表面的靜電斥力，起到抑制水化分散的作用；另外復合抑制劑HMYJ-1中還含有大量的陰離子親水基團，其能在黏土表面通過氫鍵作用形成一層水化膜，可以有效延緩水分子與黏土顆粒表面的接觸，起到抑制黏土水化膨脹的效果。

2. 封堵劑優選

在基漿中加入不同類型的封堵劑評價其封堵效果，實驗儀器為高溫高壓失水儀，實驗溫度為140℃，基漿配方為：1.0%膨潤土漿+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH +0.2% LV- PAC+1.5%降濾失劑FY-2+1.0%復合抑制劑HMYJ-1，實驗結果見表2。

表2 封堵劑優選實驗結果

由表2實驗結果可知，基漿中加入不同類型的封堵劑后，高溫高壓濾失量均出現不同程度的下降現象，且隨著封堵劑加量的增大，濾失量逐漸減小。其中基漿中加入納米復合封堵劑SRT-1的封堵效果最好，當其加量為5.0%時，高溫高壓濾失量僅為5.4 mL，起到了良好的封堵效果。納米復合封堵劑SRT-1具有平均粒徑小、易形變、表面積較大等優點，在高溫高壓條件下，納米粒子會發生變形，從而易于進入微小孔隙產生有效封堵，達到降低濾失量的目的。

3. 潤滑劑優選

室內通過潤滑系數實驗評價了不同潤滑劑的效果，實驗用儀器為極壓潤滑儀，實驗溫度為常溫，空白基漿配方同封堵劑優選基漿配方相同，實驗結果見表3。

表3 潤滑劑優選實驗結果

由表3實驗結果可知，基漿中加入不同類型的潤滑劑后，極壓潤滑系數均出現不同程度的下降現象，且隨著潤滑劑加量的增大，極壓潤滑系數逐漸下降。其中高效潤滑劑SRHJ-2的潤滑效果最好，當其加量為2.0%時，極壓潤滑系數能夠達到0.109。高效潤滑劑SRHJ-2分子中的長鏈烷基能夠通過物理和化學吸附作用吸附在巖石或鉆具的表面，形成一層致密的油膜，從而能夠有效降低摩阻，防止出現卡鉆事故，提高鉆井效率。

4. 高效水基鉆井液體系配方

通過以上處理劑的優選評價實驗，并結合涪陵地區深層頁巖氣儲層鉆井現場的實際情況，最終確定高效水基鉆井液體系的配方為：1.0%膨潤土漿+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH +0.2% LV-PAC+1.5%降濾失劑FY-2+1.0%復合抑制劑HMYJ-1+5.0%納米復合封堵劑SRT-1+2.0%高效潤滑劑SRHJ-2+重晶石粉加重。

二、高效水基鉆井液體系性能評價

1. 基本性能

按照上述鉆井液體系配方，調整重晶石粉的加量，將鉆井液體系加重至不同密度(2.0～2.2 g/cm3之間)，在實驗溫度為140℃下滾動老化16 h，然后測定其流變性及失水量，實驗結果見表4。

表4 高效水基鉆井液體系基本性能

由表4實驗結果可知，不同密度的高效水基鉆井液體系在140℃下老化后流變性能穩定，濾失量較小，能夠有效避免水相侵入儲層造成的井壁失穩，基本性能良好。

2. 抑制性能

室內使用高溫高壓線性膨脹儀對比評價了目標區塊巖屑在清水、3%KCl溶液、油基鉆井液和高效水基鉆井液中膨脹量，實驗溫度為140℃，實驗壓力為0.7 MPa，鉆井液密度為2.0 g/cm3。實驗結果見圖1。

圖1 巖屑在不同介質中的膨脹曲線

由圖1結果可知，目標區塊儲層頁巖巖屑在清水中的膨脹量較大，達到了1.7 mm；而在高效水基鉆井液和油基鉆井液中的膨脹量均較小，分別為0.08 mm和0.05 mm，說明優選的高效水基鉆井液對目標區塊巖屑具有良好的抑制性能。

3. 潤滑性能

室內通過測定極壓潤滑系數和濾餅黏滯系數對比評價了高效水基鉆井液和油基鉆井液的潤滑性能，實驗用儀器為極壓潤滑儀和濾餅黏滯系數測定儀，鉆井液密度為2.0 g/cm3,實驗溫度為常溫，實驗結果見表5。

表5 鉆井液體系潤滑性能評價結果

由表5結果可知，研制的高效水基鉆井液體系的極壓潤滑系數和濾餅黏滯系數均與油基鉆井液體系相當，說明該鉆井液體系具有良好的潤滑性能，能夠滿足頁巖氣井長水平段鉆井對鉆井液潤滑性能的要求。

4. 封堵性能

室內使用砂床實驗評價了高效水基鉆井液、磺化鉆井液以及油基鉆井液體系的封堵性能，鉆井液密度均控制在2.0 g/cm3，實驗結果見圖2。

由圖2結果可知，三種鉆井液體系中，磺化鉆井液體系的侵入深度稍大，實驗時間為30 min時，侵入深度達到了6.8 mm，封堵性能相對較差；而高效水基鉆井液和油基鉆井液體系的封堵性能相當，30min侵入深度分別為6 mm和5 mm。這說明優選的高效水基鉆井液體系具有良好的封堵性能，能夠有效避免水相侵入對頁巖儲層造成的傷害。

圖2 不同鉆井液體系砂床侵入深度

5. 抗污染性能

在優選的高效水基鉆井液體系中加入不同類型的污染物(儲層鉆屑、膨潤土以及CaCl2)，測定鉆井液體系老化后的各項性能，評價體系的抗污染性能。實驗溫度為140℃，實驗時間為16 h，鉆井液密度為2.0 g/cm3，實驗結果見表6。

由表6實驗結果可知，優選的高效水基鉆井液體系經過膨潤土、鉆屑和CaCl2污染后，流變性能變化不大，切力和失水量變化也不明顯，表明該體系具有較強的抗污染能力。

表6 鉆井液體系抗污染性能評價結果

三、高效水基鉆井液體系現場應用效果

高效水基鉆井液體系在涪陵地區某深層頁巖氣井(A井)進行了成功應用，該井設計井深為4 571 m，水平段長度為1 428 m，采用四開井身結構，在四開鉆完水泥塞后替入高效水基鉆井液體系，順利鉆至完鉆井深5 120 m，最大井斜為105.12°，水平段的平均井斜為99.25°，起下鉆、電測、下套管等作業過程順利，未出現井下復雜情況。

高效水基鉆井液在整個四開井段鉆井過程中性能穩定，表現出良好的抑制性和潤滑性，在鉆井過程中未出現固相沉降、井壁失穩以及起下鉆困難等情況，井眼規則，作業過程順利，鉆井液各項性能均滿足深層頁巖氣井鉆井施工的要求。A井與使用油基鉆井液的鄰井B井的現場鉆井液基本性能對比見表7，兩口井的工程數據對比見表8。

表7 高效水基鉆井液與油基鉆井液性能對比

表8 A井和B井工程數據對比

由表7和表8結果可知，在兩口井的水平段鉆進期間，高效水基鉆井液與油基鉆井液的基本性能參數相當，高溫高壓濾失量和起下鉆摩阻稍高于油基鉆井液，仍在合理的設計范圍內，機械鉆速、完鉆周期以及平均井徑擴大率等參數均與油基鉆井液體系相當，兩口井施工過程中均沒有發生掉塊、坍塌、井壁失穩等井下復雜事故，施工過程順利。說明研制的高效水基鉆井液體系能滿足深層頁巖氣井鉆井的要求。

四、結論

(1)室內通過抑制劑、封堵劑和潤滑劑等處理劑的優選與評價，研究出了一套適合深層頁巖氣儲層的高效水基鉆井液體系，綜合性能結果表明，體系具有良好的流變性能、抑制性能、潤滑性能、封堵性能以及抗污染性能，能夠滿足涪陵深層頁巖氣水平井鉆井作業施工的需要。

(2)高效水基鉆井液體系在涪陵地區深層頁巖氣區塊的A井進行了成功應用，施工過程中鉆井液體系性能穩定，與油基鉆井液體系的性能相當，能夠滿足涪陵地區深層頁巖氣井的鉆井要求。