頁巖氣水平井高密度白油基鉆井液體系研究與應用

張冬明

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163000）

頁巖氣作為非常規資源的重要組成部分，具有巨大的資源潛力，已成為當前能源開發的重點。由于頁巖地層微裂縫發育，巖石膠結性差、層理薄，容易發生井壁剝落和垮塌等復雜。與此同時，長寧地區頁巖氣儲層異常高壓，高密度鉆井液體系沉降穩定性與流變性控制間的矛盾尤為突出，極大限制了鉆井液體系的攜巖能力。為此，筆者針對長寧頁巖氣地層的上述難題，開展關鍵處理劑研究與評價，形成了適用于長寧地區頁巖地層的高密度白油基鉆井液體系。現場試驗過程中，該體系表現出良好的防塌效果和攜巖能力，綜合性能滿足頁巖地層長水平段水平井鉆井需求。

1 高密度白油基鉆井液體系研究

為滿足長寧地區環保及鉆井需求，體系的研發重點是在優選環保型基礎油和保證加重材料沉降穩定的同時，盡可能降低體系的整體粘度，提高抗污染能力。另外，強化體系的防塌能力，實現體系對頁巖地層的有效封堵，保證井壁穩定。

1.1 基礎油優選

柴油的芳烴含量可達20%以上，運動粘度3～8mm2/s，輕質白油的芳烴含量0.5%～5%，運動粘度2～5mm2/s，相對于柴油，輕質白油具有更低的芳烴含量和運動粘度，更加符合長寧地區的環保要求和高密度鉆井液體系的粘度限制。通過開展不同運動粘度白油與2.0g/cm3密度鉆井液體系配伍性評價，以體系低粘高切為目標，最終優選出了運動粘度3.0mm2/s 的W1-110輕質白油作為基礎油，實驗結果見表1。

表1 輕質白油對高密度體系流變性影響

1.2 關鍵處理劑優選

針對白油芳香烴含量低，乳化劑對白油的乳化效果相對較差的問題，研選了兼具主乳、輔乳、潤濕功能的三合一乳化劑SCHR 作為體系核心處理劑，該乳化劑在白油中的乳化率達到98%，其潤濕能力還可改善加重材料的表面親油性，有效解決了高密度白油基鉆井液體系破乳電壓低、加重材料分散性差的問題，實驗結果見圖1。室內評價表明，在高密度白油基鉆井液體系中，隨著乳化劑SCHR加量的增加，體系破乳電壓逐漸升高，并且隨著加重材料的有效分散，體系的高溫高壓濾失性也得到有效改善。

為保證高密度鉆井液體系的沉降穩定性，提高有機土加量是最為有效的方法，但大量的加重材料將導致體系粘度和切力急劇增大，流變性控制困難。為此，優選了在白油中膠體率可達88%的高效有機土HOYT，配合乳化劑對加重材料的潤濕效果，使得有機土加量在0.5%情況下即可保證2.0g/cm3密度體系靜止72h無沉降，實驗結果見表2。

表2 有機土加量對體系流變性的影響

通過評價封堵材料對體系高溫高壓濾失量和泥餅滲透率的影響，優選出了親油性復合封堵材料FHCM與剛性封堵材料TG-2，兩種材料對泥餅滲透率的降低率分別是81.9%和91.9%，可有效提高泥餅質量，實現高密度鉆井液體系的超低濾失，實驗結果見表3。

表3 封堵劑對濾失量和泥餅滲透率的影響

1.3 體系配方

以低粘、低濾失、無沉降為目標，最終形成了密度2.0g/cm3的白油基鉆井液體系配方：輕質白油+5%三合一乳化劑+1%有機土+3%降濾失劑+2%CaO+3%封堵劑+30%CaCl2水溶液+重晶石（油水比85∶15）。

2 高密度白油基鉆井液性能評價

2.1 高溫高壓流變性

利用Fan ix77 型全自動高溫高壓流變儀模擬不同井深對應的井底溫度和地層壓力，對密度2.0g/cm3體系進行流變性評價，實驗結果見表4，該體系在高溫高壓條件下依然保持低粘高切良好的流變特性。

表4 高密度體系高溫高壓流變性評價

2.2 抗污染性

參照《川渝頁巖氣水平井油基鉆井液技術規范》中的性能要求，開展密度2.0g/cm3白油基鉆井液體系抗污染性評價。隨著鹽水和巖屑粉加量的增加，體系粘度與切力均有所增加，受AV≤90mPa·s和G10min＜15Pa的限制，該體系最終可抗土侵20%、鹽水侵20%，實驗結果見圖2，體系整體性能未發生明顯惡化，各項性能指標滿足現場施工要求，具有較好的抗污染能力。

2.3 封堵性評價

針對長寧頁巖氣地層的地質條件，利用Fan 滲透性堵漏測試儀在150℃、壓差3.5MPa條件下，開展不同孔縫尺寸低滲砂盤封堵性評價實驗，以證鉆井液體系對地層孔縫的封堵效果，數據見表5。實驗結果表明，高密度白油基鉆井液體系在高溫高壓條件下可對10～100μm孔縫形成有效封堵。

表5 高密度體系低滲砂盤封堵性評價

3 現場試驗

高密度白油基鉆井液在長寧地區YG-204井開展現場試驗，鉆探目的是開發龍馬溪組頁巖氣產能，地層巖性以頁巖為主，完鉆井深5751m，垂深3841m，水平段長1551m，井底實測溫度148℃，鉆井液性能如表6所示。該井水平段施工過程中，為配合物探地震施工，連續等停15d，并且為防止信號干擾，無法長時間開泵循環，在此期間未發生重晶石沉降和鉆井液性能惡化等問題，驗證了高密度白油基鉆井液體系良好的流變特性和高溫穩定性。該井電測、下套管一次性到底，平均井徑擴大率為10.48%，其出色封堵防塌能力和攜巖能力能夠滿足頁巖地層長水平段水平井的的鉆井施工需求。

表6 現場鉆井液體系實際性能

4 結論

（1）針對長寧地區頁巖氣地層的鉆井液施工難點，研選了環保型基礎油、三合一乳化劑等配套處理劑，并形成了一套高密度白油基鉆井液體系；

（2）高密度白油基鉆井液體系在2.0g/cm3密度條件下具有較好的流變性、乳化穩定性、封堵防塌和抗污染能力，解決了體系破乳電壓低和流變性控制困難的難題；

（3）現場應用結果表明，高密度白油基鉆井液體系憑借優異的封堵能力和流變特性，能夠解決頁巖氣水平井井壁穩定性差、攜巖困難等技術難題，綜合性能滿足長寧地區頁巖氣地層的鉆井需求。