長慶致密氣超長水平段水基鉆井液技術

胡祖彪，張建卿，王清臣，孟凡金，侯博，張勤，屈艷平

（川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安 710018）

伴隨著我國天然氣需求量的不斷增長，致密氣藏研究取得了長足進步，在油氣資源品位日趨劣質化的現狀下，有力支撐了致密砂巖氣藏的快速增儲上產。目前國內在施工水平段長度超3000 m 的水平井時，為降低摩阻扭矩和保證井壁穩定，一般都使用油基鉆井液，但油基鉆井液存在成本高、污染大、鉆屑不易處理等問題，因此長慶致密氣長水平段水平井均采用水基鉆井液體系進行鉆井施工，均順利完井。最深完鉆井深為8008 m，最長水平段為4466 m，創亞洲陸上最長水平段記錄，目前只有美國在二疊系盆地完成這樣超長的水平井。

1 施工概況

致密氣井區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗境內，為三開井身結構的開發水平井，主要鉆探目的增加單井產量，目的層位為盒8 下亞段，表1 為這3 口井的施工概況。致密氣鉆遇地層從上至下為第四系，白堊系環河組、華池組、洛河組，侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組和二疊系的石千峰組、石盒子組。第四系為膠結疏松黃土層，膠結差，可鉆性好，易漏、易坍塌。侏羅系安定組、直羅組和延安組為砂巖地層，埋藏淺，欠壓實，易發生滲漏。三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組為深灰色、灰黑色泥巖、頁巖與灰色、灰綠色粉砂巖互層，易油氣侵、易垮塌，劉家溝組存在裂縫和孔隙發育，易井漏。二疊系的石千峰組、石盒子組深灰色泥巖、紅色泥巖、黑色泥巖、頁巖與砂巖混層，易坍塌。靖50-26H1 井實鉆井身結 構 為：φ346.1 mm×500 m+φ273.1 mm×500 m；φ222.3 mm×3270 m+φ177.8 mm×3270 m；φ152.4 mm×7388 m+φ114.3 mm×7388 m；造斜點為井深600 m。

表1 超長水平段水平井概況

2 巖石組構及特征分析

2.1 巖石礦物組成

選取靖50-26H1 井周邊幾口井盒8 目的層的泥巖進行XRD 全巖組分分析，結果見表2。從表2 可以看出，盒8 目的層的泥巖均以伊利石和伊蒙混層為主，相對含量均在30%左右，無蒙脫石，并伴有少量的綠泥石和高嶺石，黏土礦物總量在75%～85%之間。由此可知，盒8 泥巖中含有較大量的可水化膨脹黏土礦物伊蒙混層，并伴有較大量的硬脆性的伊利石，黏土礦物的分布不均，造成泥巖水化時不均勻膨脹，從而加劇力學強度降低，造成井壁失穩。

表2 周邊井目的層石盒子8 層泥巖巖性分析 %

2.2 泥巖理化特征分析

2.2.1 巖石微觀結構

除組分外，巖樣中微裂縫是否發育、發育的程度及微裂縫開度的大小是鉆井液性能優化的另一重要因素。巖樣掃描電鏡觀測照片見圖1。圖1 可以看出，所測試的巖樣微裂縫、微孔洞都較為發育。

圖1 巖樣掃描電鏡觀測照片

2.2.2 陽離子交換容量

靖50-21H2、靖57-27H1、靖45-24H2、靖45-24H1、靖45-24H1、靖57-28XH1 井的陽離子交換容量分別 為238.1、164.3、374.3、386.6 和287.9 mmol/kg。由此可知，幾個巖樣的CEC 值普遍較大，表明巖樣的水化分散能力較強，并且不同巖樣的CEC 差別較大，表明黏土礦物含量的離散性較大，地層的非均質性較強。

2.2.3 比表面積

通過實驗，測試了頁巖比表面積和平均孔徑分布，測得石盒子8 地層泥巖的比表面積分布在5.884～12.957 m2/g，平均為9.231 m2/g，頁巖中平均孔徑分布在4.762～20.194 nm 范圍內。泥巖中孔隙多以納米孔存在，孔隙所產生的毛細管自吸效應加劇了液相向巖心內部侵入，阻止液相侵入的關鍵一方面是必須能有效封堵頁巖中存在的此類納米孔隙，另一方面可改變頁巖表面潤濕性，減弱毛細管附加動力效應。

3 鉆井液技術難點

3.1 泥巖防塌難度大、易失穩

1）泥巖微裂縫和微孔隙發育明顯，在鉆井壓差、毛管力以及化學勢的作用下，水相將沿微裂縫或微裂紋侵入地層，一方面降低弱結構面間的摩擦力，進而削弱泥頁巖的力學巖石強度而導致井壁垮塌；另一方面，侵入的液相將產生水力尖劈作用，導致地層破碎、誘發井壁失穩。

2）黏土礦物以伊利石、伊蒙混層為主，鉆井液與巖石的相互作用，導致泥巖地層強度降低，坍塌壓力增大，加劇井壁失穩。黏土礦物中的伊蒙混層含量較大，膨脹性相對較大，不膨脹的礦物包圍在膨脹礦物周圍，造成膨脹壓差，引起井壁失穩。

3.2 水平段井眼清潔難度大

由于該井水平段超長，靶點多，井眼軌跡不平滑，鉆具與井壁的間隙不穩定，鉆井液遲到時間長，鉆屑上返過程中和井壁、鉆具碰撞的機會更大，鉆屑行進軌跡和上返速度頻繁受影響，更容易沉降；單根鉆進開泵期間，鉆屑不能及時返至地面，測斜和接鉆具期間，鉆屑易沉降。

3.3 水平段降摩減阻困難

水平段長度大，鉆具與井壁接觸面多，且長水平段攜巖困難，易形成巖屑床，造成摩阻增大。與油基鉆井液相比，水基鉆井液潤滑性差。對于性能相當的油基鉆井液和水基鉆井液，在相同條件下，水基鉆井液的潤滑系數比油基鉆井液小65%左右。該井采用水基鉆井液鉆進，降摩減阻的難度非常大。

4 水基鉆井液優選及性能評價

4.1 關鍵處理劑優選

4.1.1 抑制劑

將鄰井巖屑加入到1%自行研制的陽離子抑制劑CZ 和15%的NaCl，KCl，HCOONa 和HCOOK等5 種抑制劑的溶液中，測試巖屑的滾動回收率和加入巖屑后的表觀黏度，結果見表3。由表3 可知，巖屑在CZ 溶液中的滾動回收率最高，且其在加入巖屑后，表觀黏度上升幅度最小，表明CZ 抑制巖屑水化分散的能力最佳，因此抑制劑選擇CZ。

表3 巖屑在不同抑制劑溶液中的回收率

4.1.2 封堵劑

分別選擇不同封堵劑在滲透率儀上做透水實驗，結果見表4。從表4 可知，封堵劑A 的封堵性最好，所以封堵劑選擇封堵劑A?；鶟{配方如下。

表4 在基漿中加入不同封堵劑的透水實驗

基 漿：1.5%PAC-LV+2.0%BLA-MV+1.0%CZ+4.0%膨潤土+30.0%可溶性加重劑

4.1.3 增黏劑

井眼清潔能力低會加劇巖屑床的形成，增大摩阻，增加井下安全風險。因此需要優選高性能的增黏劑，提高鉆井液的動塑比、低剪切速率黏度和低剪切速率切力LSYP，并且為了降低水平段的循環壓耗，還需要具有低塑性黏度的特點?？疾旎鶟{加入自行研制復合增黏劑CQZN、XCD，PAC-HV 和CMC-HV 等4 種增黏劑后的流變性，結果見表5。由表5 可以看出，基漿加入CQZN 后的塑性黏度最低，低剪切速率切力最高，動塑比最高，符合本井鉆井液性能的要求，因此，增黏劑選用CQZN。

表5 基漿加入不同增黏劑前后的流變性能

4.1.4 潤滑劑

潤滑劑是降摩減阻的關鍵處理劑，關系著能否延長水平段的長度。優選潤滑劑原則是潤滑能力強、黏度效應低。使用極限壓力潤滑儀和旋轉黏度計測試基漿加入潤滑劑A、B、C、D 前后的潤滑系數和表觀黏度，結果見表6。

表6 基漿加不同潤滑劑前后的潤滑系數降低率和表觀黏度

由表6 可知，基漿加入潤滑劑A 和C 后，潤滑系數降低率較大，且黏度效應低。因此，初選潤滑劑A 和C，并將其進行復配，4%潤滑劑A 和2%潤滑劑C 復配的潤滑系數降低率最大，黏度效應也不高。因此，潤滑劑選用4%潤滑劑A 和2%潤滑劑C 進行復配。

4.2 鉆井液配方的確定及性能評價

4.2.1 鉆井液配方的確定

通過優選關鍵處理和正交實驗，確定了水基鉆井液的基本配方如下。

3%CQZN+1.5%PAC-LV+2.0%BLA-MV+1.0%CZ+3.0%封堵劑A+4.0%膨潤土+30.0%可溶性加重劑+4.0%潤滑劑A+2.0%潤滑劑C

4.2.2 性能評價

測試優選水基鉆井液的流變性能并與靖中北地區致密氣水平井現用鉆井液（配方為（0.1%～0.2%）PAC-HV+（2.0%～3.0%）SMP-2+（2.0%～3.0%）瀝 青+（2.0%～3.0%）SMC+（3.0%～5.0%）ZDS+（3.0%～5.0%）LG130+15.0%CQFY-1+潤滑劑+重晶石）進行對比，結果見表7。由表7 可以看出，優選的水基鉆井液在井眼清潔、封堵性、潤滑性和防漏等方面的表現均優于現用水基鉆井液。

表7 不同水基鉆井液的關鍵性能

將優選的和現用的鉆井液直接進行高溫高壓流變性實驗，實驗儀器使用美國千德樂工業儀器公司生產的7600 型超高溫高壓流變儀，實驗數據見表8。由表8 可知，優選水基鉆井液的高溫高壓流變性能更好，鉆井液黏度穩定，抗溫均可達180 ℃以上。

表8 不同水基鉆井液的高溫高壓流變性

5 現場施工

5.1 施工概況

如表9 所示，水平段按照“高動塑比、強封堵、強抑制、強潤滑”的思路施工，施工中控制漏斗黏度為60 s、動切力為15 Pa，動塑比為0.5～0.6 Pa/mPa·s。鉆遇灰色泥巖時，封堵劑A 的加量提高到5.0%左右，提高泥餅封堵性，CZ 的加量提高到1.5%左右，增強抑制性；鉆遇黑色泥巖和炭質泥巖時，封堵劑A 加量提高到6.0%，強化泥餅封堵性，CZ 加量提高到2.0%，進一步增強抑制性，同時將API 濾失量控制在2.0 mL 以下。

表9 3 口井完井液性能

5.2 效果評價

5.2.1 降摩減阻效果顯著

3 口井完鉆摩阻均在500 kN 左右，為長水平段的順利鉆井打下堅實的基礎，降低了井下安全風險。3 口井的水平段摩阻均較低，并且可以推斷出，水基鉆井液還具有施工更長水平段的能力。

5.2.2 抑制性強

水平段鉆井液具有較強的抑制性，固相含量維持在較低水平，均在10%以下，固相的粒度分布合理。其中靖50-26H1 井固相的粒度分布范圍為0.2～70 μm 之間，其中1 μm 以下顆粒體積占比16.25%，1～10 μm 之間顆粒體積占比61.21%，10～70 μm 顆粒體積占比22.54%，說明鉆屑凈化及時，沒有進一步水化分散而成為固控設備無法清除的劣質固相。較好的抑制性保證了更好的井壁穩定、整口井施工平穩，水平段鉆進過程中未出現井壁坍塌的掉塊；水平段鉆遇的泥巖未出現井壁失穩現象；每次起下鉆均順利，未出現遇阻現象。

6 結論與建議

1.通過3 口致密氣超長水平段水平井的鉆井施工數據分析，水基鉆井液能夠進行超長水平段水平井的鉆井施工，并且還能夠滿足5000 m 水平段水平井的施工要求。致密氣石盒子組地層泥巖的微裂縫、微孔洞都較為發育，通過強封堵措施，能夠取得較好的防塌效果。

2.CQSP-RH 水基鉆井液較原體系具有更好的封堵性、潤滑性和井眼清潔能力，更能滿足超長水平段的防塌、降摩減阻等井下施工要求。