適合頁巖儲層的強抑制防塌水基鉆井液體系

王佩平

（中石化西南石油工程有限公司鉆井一分公司，成都 610500）

0 引言

中國的頁巖氣資源儲量十分豐富，具有較好的勘探開發前景。長水平段水平井鉆井通常是頁巖氣井開發的重要方式，由于頁巖儲層通常具有黏土礦物含量高以及微裂縫發育等特點，在水平井鉆進過程中容易出現井壁失穩、井眼垮塌以及起下鉆困難等復雜情況[1-2]。油基鉆井液通常具有較強的抑制性、潤滑性以及封堵性能，可以解決頁巖氣水平井鉆井過程中出現的以上問題，但隨著近年來環境保護要求的提高，以及油基鉆屑和后期廢棄物的處理成本較高等問題，制約了油基鉆井液的大規模推廣應用。因此，研究高性能水基鉆井液來代替油基鉆井液，成為頁巖氣田高效開發的關鍵技術之一[3-6]。

國外針對頁巖氣儲層水基鉆井液的研究取得了比較多的研究成果，如哈里伯頓、貝克休斯以及斯倫貝謝等油田服務公司均已開發出適合頁巖氣井的高性能水基鉆井液體系[7-9]。而國內針對頁巖氣水基鉆井液的研究起步較晚，并且中國的頁巖氣田地層特征與國外也不盡相同，因此從整體來看，國內的頁巖氣高性能水基鉆井液技術仍相對缺乏[10-18]，未能實現大規模的推廣應用。以威遠地區W-X1 井為研究對象，在分析了該井地質概況和鉆井液技術難點的基礎上，通過研制新型多氨基頁巖抑制劑HCA-3、復合封堵劑和高效潤滑劑RMLUB-1 等主要處理劑，研究了一種適合該地區頁巖儲層的強抑制防塌水基鉆井液體系，室內評價了鉆井液體系的綜合性能，并在W-X1 井得到了成功應用。

1 地質概況及鉆井液技術難點與對策

1.1 地質概況

威遠地區W-X1 井目的層巖性主要為灰褐色泥頁巖，地層孔隙度主要分布在2.5%～5.8%，平均孔隙度為3.7%，地層滲透率主要分布在0.032～6.581 mD，平均為0.563 mD，地層中發育有大量的微裂縫和微孔隙，裂縫寬度主要分布在40～290 nm，最大寬度大于1 μm。地層礦物中石英含量平均為34.6%，碳酸鹽礦物含量平均為13.5%，黏土礦物含量平均為47.8%，其中黏土礦物中伊利石的含量最高，其次為伊/蒙混層，含有少量的高嶺石，不含蒙脫石，屬于弱膨脹強分散性的頁巖。

1.2 鉆井液技術難點

根據以上威遠地區W-X1 井地質概況的分析結果及同區塊內其他頁巖氣井的鉆井施工經驗，設計該井的鉆井液時將面臨以下幾個方面的技術難點。①井壁穩定問題。該井黏土礦物含量較高，且以脆性黏土礦物伊利石為主，鉆井過程中鉆井液的液相進入地層易引起黏土水化分散剝落、掉塊以及坍塌的現象，造成井壁失穩等井下復雜事故。因此，應強化鉆井液的抑制性。②漏失問題。該井地層中微裂縫和微孔隙發育，在鉆井過程中鉆井液的壓差以及毛細管力的共同作用下，液相容易沿著裂縫進入地層，使裂縫擴展、地層破碎，并降低泥頁巖的力學強度，從而造成井壁垮塌現象。因此，應加強鉆井液的封堵性能。③井眼清潔及降低摩阻。在頁巖氣井鉆井過程中，隨著井斜的變大，鉆屑容易在井筒內沉積形成巖屑床，造成憋泵、阻卡等現象的發生；另外隨著頁巖氣井水平段長度的增大，摩阻和扭矩不斷增大，容易造成卡鉆、起下鉆困難。因此，要求鉆井液體系具有良好的流變性和潤滑性能。

1.3 鉆井液技術對策

1）研究高性能抑制劑。針對威遠地區W-X1井頁巖氣儲層特點，研制了一種新型多氨基頁巖抑制劑HCA-3，其分子結構中含有較多的季銨鹽離子、活性氨基以及烷基疏水基團，屬于一種帶正電荷的復合化合物。與其他常用頁巖抑制劑相比，其不僅具有較強的抑制黏土水化膨脹、分散的作用，還可以有效降低表面張力和改變巖石表面的潤濕性，使頁巖表面更加疏水，從而有助于降低毛細管力，減弱頁巖的自吸水作用。

2）選擇合適的封堵材料。根據威遠地區W-X1井地層微裂縫發育的特點，研制了一種復合封堵劑（主要包括剛性封堵材料超細碳酸鈣、柔性封堵材料RSF-1 和微納米封堵材料NSP-1）。其中剛性封堵材料包括不同粒徑的超細碳酸鈣，主要針對大孔徑的裂縫和孔隙進行架橋封堵，在此基礎上，再通過微納米封堵材料的填充作用和柔性封堵材料的韌性變形作用對小孔隙和微小裂縫進行進一步的封堵，可以在井壁上快速產生高強度、致密的封堵層，防止鉆井液濾液等水相過多地進入地層，避免出現井壁垮塌等井下復雜情況。

3）提高鉆井液體系的潤滑性能。為提高鉆井液體系的潤滑性能，降低頁巖氣水平井鉆井過程中的摩阻，室內研制開發了一種高效潤滑劑RMLUB-1，其含有多個羥基和烷基吸附基團，能夠通過多位點吸附的方式在鉆具或井壁巖石表面產生強力吸附，從而形成具有較大強度的潤滑膜，降低鉆具與井壁之間的摩擦力。

2 強抑制防塌水基鉆井液體系構建

2.1 多氨基頁巖抑制劑作用機理及性能評價

2.1.1 抑制劑作用機理

新型多氨基頁巖抑制劑HCA-3 的抑制機理與常用的無機鹽抑制劑和陽離子抑制劑有所不同，主要表現為以下幾點。①多氨基頁巖抑制劑HCA-3分子通過靜電引力和氫鍵吸附作用可以在黏土顆粒表面產生多點位吸附，使黏土顆粒表面被充分包裹，從而阻止水分子的進入，并且可以中和黏土表面的部分負電荷，使黏土顆粒之間的靜電排斥力減弱，防止黏土顆粒的分散運移；②多氨基頁巖抑制劑HCA-3 分子中游離的季銨鹽離子和活性氨基可以嵌入黏土層間替換出其中的水化陽離子，降低黏土顆粒的電位值，使黏土層間距離減小的同時，還可以排擠出其中的水分子，從而起到抑制黏土顆粒水化膨脹的作用；③多氨基頁巖抑制劑HCA-3 分子中的烷基疏水基團朝外排列，在黏土顆粒表面形成一層穩定的疏水層，可以改變巖石表面的潤濕性，使其更加疏水；此外，HCA-3 分子還具有一定的表面活性，可以降低表面張力，從而使頁巖自吸水作用的毛細管力降低，有效減弱頁巖的水化作用。可以看出，新型多氨基頁巖抑制劑HCA-3 主要通過多點位吸附、層間陽離子置換、表面活性以及潤濕性等各方面的協同作用來達到較強的抑制性能，下面分別通過頁巖抗壓強度實驗、滾動回收率實驗、黏土層間距實驗、表面張力實驗以及潤濕性能實驗來進一步驗證抑制劑HCA-3 的作用機理。

2.1.2 頁巖抗壓強度及滾動回收率評價

為了直觀地考察多氨基頁巖抑制劑HCA-3 的抑制性能，開展了巖心單軸抗壓強度實驗和頁巖滾動回收率實驗。巖心單軸抗壓強度實驗采用相同規格的W-X1 井儲層頁巖巖心，評價其在不同溶液中浸泡后的巖心單軸抗壓強度，頁巖滾動回收率實驗采用磨碎后的儲層頁巖巖心，實驗條件均為120℃×72 h，實驗結果見表1。由表1 可以看出，頁巖巖心在不同抑制劑溶液中浸泡后，其單軸抗壓強度均出現一定程度的下降（初始抗壓強度為38.6 MPa），而其在多氨基頁巖抑制劑HCA-3 溶液中浸泡后的抗壓強度下降程度較小，當HCA-3 加量為2%以上時，巖心單軸抗壓強度可以保持在35 MPa以上；另外，頁巖在多氨基頁巖抑制劑HCA-3 溶液中的滾動回收率也較大，當HCA-3 加量為2%以上時，滾動回收率可以達到95%以上。由此可知多氨基頁巖抑制劑HCA-3 對W-X1 井儲層頁巖的抑制性能明顯優于KCl 和聚胺，能夠起到良好的抑制黏土水化分散的作用。

表1 巖心單軸抗壓強度及頁巖滾動回收率實驗結果

2.1.3 抑制劑HCA-3對黏土層間距的影響

為考察多氨基頁巖抑制劑HCA-3 對黏土層間距的影響，采用X 射線衍射實驗測定了不同濃度HCA-3 處理后的鈉膨潤土的c-軸間距，實驗結果見表2。由表2 可以看出，在濕態下，膨潤土中的鈉離子以水合鈉離子的形式存在，使得層間距增大，加入抑制劑HCA-3 后，層間距明顯減小；在干態下，由于吸附水被烘干，膨潤土的層間距有所減小，且使用抑制劑HCA-3 處理后的膨潤土層間距也進一步減小，這說明抑制劑HCA-3 較好地抑制了膨潤土的層間水化作用。

表2 抑制劑HCA-3 對黏土層間距的影響

2.1.4 表面活性及潤濕性能評價

為考察多氨基頁巖抑制劑HCA-3 的表面活性和潤濕性能，測定了不同濃度HCA-3 溶液的表面張力和經過其浸泡后的巖樣表面的接觸角變化情況，實驗結果見表3。可以看出，與清水相比，加入不同濃度的HCA-3 后，溶液的表面張力明顯減小，表現出一定的表面活性。而與干巖樣相比，經過HCA-3 溶液浸泡后的巖樣表面接觸角明顯增大，親水性減弱，這會減弱巖樣中毛細管附加壓力引起的液相自吸作用，使液相不易進入頁巖儲層深部，從而有利于提高頁巖地層的穩定性。

表3 抑制劑HCA-3 表面活性及潤濕性能評價結果

2.2 復合封堵劑性能

在基漿中加入復合封堵劑（5.0%超細碳酸鈣+4.0%RSF-1+1.0%NSP-1），評價了其對高溫高壓濾失量和泥餅滲透率的影響，基漿配方如下。

3.0%膨潤土漿+0.3%Na2CO3+0.5%流型調節劑+2.0%聚合物降濾失劑+2.0%多氨基頁巖抑制劑HCA-3+重晶石粉（密度加至1.4 g/cm3）

實驗條件均為120 ℃×3.5 MPa，實驗結果見表4。由表4可以看出，在基漿中加入復合封堵劑后，高溫高壓濾失量和泥餅滲透率均出現明顯降低，這說明研制的復合封堵劑具有加好的協同增效能力，可以通過不同顆粒級配以及封堵劑顆粒的變形作用形成比較致密的封堵層，從而實現降低泥餅滲透率和濾失量的目的。

表4 復合封堵劑性能評價實驗結果

2.3 高效潤滑劑性能

在基漿中加入不同濃度的高效潤滑劑RMLUB-1 來評價其潤滑效果，結果見圖1。由圖1 可知，隨著基漿中高效潤滑劑RMLUB-1 加量的增大，極壓潤滑系數逐漸下降，當潤滑劑加量為2%時，極壓潤滑系數可以降低至0.1 以下，潤滑系數降低率可以達到70%以上，再繼續增大潤滑劑的加量，潤滑系數降低幅度不再增大。因此，綜合考慮經濟因素，推薦高效潤滑劑RMLUB-1 的最佳加量為2.0%。

圖1 潤滑劑性能評價實驗結果

2.4 鉆井液配方確定

通過對關鍵處理劑的研制和性能評價，結合W-X1 井的現場實際情況，確定了適合頁巖儲層的強抑制防塌水基鉆井液的配方如下。

3.0%膨潤土漿+0.3%Na2CO3+0.5%流型調節劑+2.0%聚合物降濾失劑+2.0% 多氨基頁巖抑制劑HCA-3+5.0%超細CaCO3+4.0%RSF-1+1.0%NSP-1+2.0%高效潤滑劑RMLUB-1+重晶石粉

3 強抑制防塌水基鉆井液性能評價

3.1 基本性能

根據現場實際情況，分別調整鉆井液密度為1.4、1.5 和1.6 g/cm3，并分別測定其在120 ℃下老化前后的性能變化，結果見表5。

表5 強抑制防塌水基鉆井液基本性能（120 ℃、16 h）

由表5 可知，在不同密度下鉆井液老化前后的流變性能變化不大；隨著密度的升高，鉆井液的濾失量和潤滑系數有所增大，但變化幅度較小，說明研制的強抑制防塌水基鉆井液具有良好的流變性能、降濾失性能和潤滑性能。

3.2 抑制性能

測定W-X1 井地層巖樣在鉆井液中浸泡后的Zeta 電位值，浸泡時間為24 h，浸泡溫度為120 ℃，鉆井液密度為1.4 g/cm3，測得頁巖巖樣在自來水、聚磺鉆井液、聚胺鉆井液和強抑制防塌鉆井液中浸泡后的Zeta 電位值分別為-46.2、-22.7、-15.8和-9.3 mV，其在強抑制防塌鉆井液中浸泡后的Zeta 電位值的絕對值最小。這說明研制的強抑制劑防塌水基鉆井液具有良好的抑制性能，其能通過吸附及嵌入黏土晶層的作用在巖石表面形成阻水膜和封固層，中和黏土顆粒表面的負電荷，壓縮雙電層，降低Zeta 電位，從而降低頁巖巖樣的活性，達到抑制頁巖水化分散膨脹的目的。

3.3 封堵性能

3.3.1 高溫高壓PPA濾失實驗

采用滲透率封堵儀PPA 對強抑制防塌水基鉆井液體系的封堵性能進行了評價，實驗用陶瓷濾片型號為10#，實驗條件為120 ℃×3.5 MPa，結果見表6。由表6 可以看出，強抑制劑防塌水基鉆井液體系的高溫高壓PPA 濾失量和濾失速率均與油基鉆井液相差不大，說明研制的強抑制劑防塌水基鉆井液夠在頁巖地層條件下形成比較致密的濾餅，對頁巖地層中的微裂縫和微孔隙產生有效的封堵，從而阻止鉆井液濾液進入頁巖儲層，降低濾失量，起到良好的穩定井壁的效果。

表6 鉆井液體系封堵性能測試結果（ρ=1.4 g/cm3）

3.3.2 壓力傳遞實驗

采用頁巖壓力傳遞實驗裝置進一步評價了強抑制防塌水基鉆井液體系的封堵性能，實驗用巖樣取自W-X1 井，實驗時上游壓力設置為2.65 MPa，下游壓力設置為0，結果見圖2。由圖2 可以看出，3%KCl 中沒有封堵材料，下游壓力迅速升高，實驗時間為2.0 h 左右時，壓力即達到2.65 MPa；而研制的強抑制防塌水基鉆井液體系中由于含有不同類型的封堵材料，可以對巖樣中的微裂縫和孔隙進行有效封堵，達到阻緩壓力傳遞的功能，隨著實驗時間的延長，下游壓力有小幅升高，然后趨于穩定，說明該水基鉆井液體系具有良好的封堵能力。

圖2 壓力傳遞實驗結果

3.4 抗污染性能

在強抑制防塌水基鉆井液中分別加入一定量的氯化鈣、氯化鎂、氯化鈉、膨潤土和鉆屑粉，測定鉆井液體系污染后的流變性和濾失性，實驗條件為120 ℃×16 h，鉆井液密度為1.4 g/cm3，實驗結果見表7。由表7 可以看出，鉆井液中加入幾種常見的污染物后，體系的黏度、切力和濾失量均未發生明顯改變，這說明研制的強抑制防塌水基鉆井液體系具有良好的抗污染性能，可以滿足頁巖儲層水平井鉆井施工的需求。

表7 鉆井液體系抗污染性能評價結果

4 現場應用

4.1 現場鉆井液性能

威遠地區W-X1 井水平段長度為1435 m，地層溫度在110～120 ℃，該井長水平段鉆進時存在地層易失穩、垮塌、起下鉆摩阻較大以及水基鉆井液體系的流變性能難以控制等問題，使用研制的強抑制防塌水基鉆井液在該井三開水平段進行了應用，取得了良好的施工效果。根據W-X1 井三開井段設計時對鉆井液體系的技術要求，視具體情況適當補充抑制劑和潤滑劑等處理劑，并控制鉆井液體系的固相含量在30%以下。其中，部分井段現場鉆井液性能見表8。從現場數據可以看出，強抑制防塌水基鉆井液在W-X1 井水平段鉆井過程中的流變性能較為穩定，濾失量、固相含量和潤滑系數均較小，鉆井液各項性能指標均維持在設計范圍內。

表8 W-X1 井水平段現場鉆井液分段性能

4.2 井壁穩定效果

W-X1 井在三開井段鉆井過程中，根據井下實際情況調整鉆井液的密度，適時補充封堵材料和降濾失材料，從而改善泥餅的質量，降低濾失量，減少濾液進入地層。同時在鉆遇易垮塌井段時，應保持鉆井液性能的穩定，避免大幅度的調整鉆井液體系的性能。

在該井三開井段鉆井時始終未出現掉塊、坍塌等井壁失穩現象，井下返出的鉆屑顆粒比較均勻，棱角分明，說明該鉆井液體系抑制性能良好；鉆井過程中起下鉆順暢，未發現卡鉆、遇阻以及鉆頭泥包等現象，鉆井過程順利，井眼穩定，平均井徑擴大率僅為3.07%，遠低于使用其他水基鉆井液的鄰井，說明該鉆井液體系起到了良好的防塌以及井壁穩定效果。另外，該井平均機械鉆速達到了7.64 m/h，相比鄰井提高了20%以上。這說明研制的強抑制防塌水基鉆井液體系能夠適應頁巖儲層鉆井施工的需要，具有良好的推廣應用價值。

5 結論

1.根據威遠地區W-X1 井地質概況及鉆井液技術難點分析結果，研制了一種新型多氨基頁巖抑制劑HCA-3，該抑制劑可以提高目標區塊頁巖的抗壓強度和滾動回收率，能夠有效降低膨潤土的層間距，并且具有一定的表面活性和潤濕性能，可以通過多點位吸附、層間陽離子置換、表面活性以及潤濕性等各方面的協同作用來達到較強的抑制性能。

2.以新型多氨基頁巖抑制劑HCA-3、復合封堵劑以及高效潤滑劑RMLUB-1 為主要處理劑，研制了一套適合頁巖儲層的強抑制防塌水基鉆井液體系，體系綜合性能評價結果表明，該鉆井液體系在不同密度范圍內均具有良好的流變性能、降濾失性能和潤滑性能，此外，該體系還具有較強的抑制性能、封堵性能和抗污染能力，可以滿足頁巖氣儲層鉆井作業的需求。

3.現場應用結果表明，強抑制防塌水基鉆井液在W-X1 井三開水平段鉆井施工過程順利，現場鉆井液性能穩定，未出現井壁失穩等現象，提高了鉆井效率，可以在同類頁巖氣區塊中進行推廣應用。