致密砂巖油氣藏高效穩(wěn)定鉆井液技術(shù)研究

房偉超

（大慶鉆探鉆井三公司，黑龍江 大慶 163000）

致密砂巖油氣藏目前已經(jīng)成為國內(nèi)勘探開發(fā)的主力陣地，致密砂巖的高效攜巖、潤滑以及頁巖油氣鉆井施工中的井壁穩(wěn)定問題極為突出。國外已經(jīng)形成了成熟的致密砂巖油氣藏鉆井液技術(shù)，特別是應(yīng)用油基鉆井液保障頁巖油氣藏開發(fā)方面取得了良好的效果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。而國內(nèi)油田在致密油藏鉆井液研究和應(yīng)用技術(shù)方面相對薄弱，因此有必要開展致密砂巖油氣藏鉆井液技術(shù)研究，取得關(guān)鍵性技術(shù)的突破，本文以國內(nèi)油田F 區(qū)塊為研究對象開展研究，為致密砂巖油氣藏的有效開發(fā)做好技術(shù)保障。

1 致密砂巖油氣藏高效穩(wěn)定鉆井液技術(shù)難點(diǎn)分析

研究區(qū)塊是國內(nèi)某油田F 區(qū)塊，針對該區(qū)塊油藏特點(diǎn)，分析致密砂巖小井眼水平井鉆井液技術(shù)難題。基于井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理和數(shù)學(xué)模型，預(yù)測地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力，設(shè)計(jì)合理的鉆井液密度。優(yōu)選植物油、液體石蠟和表面活性劑等反應(yīng)，研制高效潤滑劑，優(yōu)選鉆井液流型調(diào)節(jié)劑和抑制劑，通過配方優(yōu)化，研制致密砂巖水平井強(qiáng)抑制鉆井液體系，進(jìn)行綜合性能評價(jià)。

F區(qū)塊油藏類型屬于致密油藏，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變，在鉆井施工中存在諸多技術(shù)難題，其中鉆井液問題有[1]：

（1）上部地層主要是明化鎮(zhèn)組、館陶組和東營組，地層有大段沉積層，主要成分為泥質(zhì)，蒙脫石比重大，鉆井過程中容易出現(xiàn)造漿，很可能出現(xiàn)鉆井液侵蝕地層現(xiàn)象，所以鉆井液流變性強(qiáng)，不太容易進(jìn)行把控。

（2）鉆井至目的層段沙河街組后，巖性以泥頁巖、砂巖為主，巖性不均質(zhì)性強(qiáng)，變化快，部分地層泥頁巖容易被鉆井液侵蝕出現(xiàn)水化現(xiàn)象，容易出現(xiàn)坍塌崩裂。

（3）致密砂巖油藏鉆井進(jìn)入目的層段沙河街組后開始造斜，在鉆井傾角增大后，鉆井側(cè)壁受力嚴(yán)重，加上鉆井液沖刷侵蝕，井壁破損、碎裂程度較強(qiáng)。如果鉆井質(zhì)量控制不佳，很容易出現(xiàn)鉆井事故。

（4）深部鉆井段中的鉆屑返出距離過長，加上井下環(huán)境惡劣，巖屑受到重力作用下加劇了返排難度。此時(shí)需要鉆井液攜帶能力加強(qiáng)才能保證鉆井正常進(jìn)行，否則容易出現(xiàn)起下鉆遇阻等問題。

（5）致密砂巖鉆井中很多是小井眼開發(fā)，鉆井過程中鉆具和井壁距離過小，接觸面積大，加大了鉆井摩阻，容易出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，此時(shí)更需要鉆井液的潤滑性來保證鉆井施工順利進(jìn)行。

2 致密砂巖油氣藏高效穩(wěn)定鉆井液技術(shù)對策

根據(jù)F 區(qū)塊致密砂巖小井眼水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)[2]，基于“多元協(xié)同”井壁穩(wěn)定理論[3]，提出“加強(qiáng)抑制水化性能—提高封堵性能阻緩壓力傳遞—增強(qiáng)潤滑性能降低摩阻—合理密度有效應(yīng)力支撐”的鉆井液技術(shù)對策。

2.1 加強(qiáng)抑制水化性能

由于在上部地層鉆井過程中容易出現(xiàn)的“水化”現(xiàn)象，可以在鉆井液中加大大分子聚合物的含量，這樣可以把巖屑包被其中，延緩分散程度，有效降低“水化”現(xiàn)象發(fā)生。鉆至目的層段沙河街組的泥頁巖層時(shí)可以通過在加入多種抑制劑，來提高鉆井液的穩(wěn)定性，控制泥巖水化現(xiàn)象，增大鉆井段泥巖的強(qiáng)度。

2.2 提高封堵性能阻緩壓力傳遞

在鉆井液體系中增加封堵性材料可以有效地提高定向井鉆井造斜段和水平段巖壁穩(wěn)定程度，在鉆井井眼表面形成一層均勻的致密層，防止裂縫、微裂縫的形成，減少應(yīng)力值。一是可以減少鉆井液入侵井壁巖層保護(hù)井壁巖層穩(wěn)定性，提高巖壁強(qiáng)度；二是增大鉆井液體系自身的壓力值，能夠增強(qiáng)鉆井井壁和鉆井液的壓力，支撐保護(hù)井壁完整性。

2.3 增強(qiáng)潤滑性能降低摩阻

井眼小導(dǎo)致環(huán)空間隙小，鉆進(jìn)過程中摩阻扭矩增大，鉆井液的潤滑性能是影響摩阻系數(shù)最直接的因素，增加鉆井液的潤滑性能都能夠起到立竿見影的效果，因此可研選高效潤滑劑，提高鉆井液潤滑性能，降低鉆井摩阻。

2.4 合理密度有效應(yīng)力支撐

根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)合理的鉆井液密度是保證鉆井施工順利進(jìn)行，提高鉆井施工質(zhì)量的必要條件和前提。對此必須實(shí)測鉆井過程中的各項(xiàng)壓力值，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算鉆井液密度。一般需要模擬巖層孔隙壓力、井底巖層的坍塌壓力、破裂壓力以及鉆井鉆井掘進(jìn)過程中的產(chǎn)生的各種應(yīng)力值，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化各段的鉆井液體系密度。

3 致密砂巖油氣藏高效穩(wěn)定鉆井液處理劑研選

3.1 流型調(diào)節(jié)劑優(yōu)選

鉆井工程中鉆井液是保證鉆井施工正常進(jìn)行的必要因素，其功能主要是保持井眼內(nèi)部壓力防止井壁坍塌、清潔井眼并攜帶巖屑返出地面、平衡地層壓力和冷卻潤滑等作用。其中攜帶巖屑返出地面是保證鉆井正常進(jìn)行的先決條件，根據(jù)鉆遇地層不同，井眼凈化因素也不一樣，主要受鉆井液流型、流態(tài)、懸浮、密度，鉆具的鉆速、巖屑性質(zhì)等等。特別是在致密砂巖油氣藏鉆井的長井段鉆井過程中，必須優(yōu)化鉆井液體系的流變性能，保證其性能完成復(fù)雜情況下的鉆進(jìn)要求。

根據(jù)國內(nèi)外鉆井資料以及室內(nèi)模擬可以發(fā)現(xiàn)[4]，鉆井液的一般流態(tài)為層流狀態(tài)，屬于非牛頓流體的塑性流體類型，只有提高其動切力和動塑比（通常大于0.5），才能提高攜帶包裹鉆井巖屑的能力。但是在致密砂巖油氣藏鉆井施工過程中，由于大多采用水平井，其長水平段壓差大，距離長，應(yīng)該加大鉆井液的動切力，保證動塑比。

在4.0%華濰鈉土基漿中等量加入不同種類的增粘劑，測試其120℃熱滾16h 前后的流變性及濾失性能。由表1可以看出，當(dāng)加量為0.2%時(shí)，CMC-LV 熱滾后的表觀粘度最大，熱滾前后粘度變化不明顯，動切力較大，動塑比高，攜巖效果好，而且其API 濾失量最低。因此，選擇CMC-LV作為體系增粘劑。

表1 增粘劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 防塌劑優(yōu)選

前面對致密砂巖油氣藏鉆井難點(diǎn)分析中可以看出，在淺部油層和長水平段鉆井過程中都有可能出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，特別是在長水平段鉆進(jìn)過程中更是需要鉆井液中增加抑制防塌劑來保證井壁坍塌現(xiàn)象發(fā)生。調(diào)研國內(nèi)外常用鉆井防塌劑類型主要有以下幾種類型[5]：水活度降低型、濾液增粘型、封堵型、潤濕性改變型、低水化能型、泥餅致密型、橋聯(lián)型和化學(xué)膠結(jié)型。對此進(jìn)行室內(nèi)模式試驗(yàn)來驗(yàn)證這幾種防塌劑的性能優(yōu)劣（圖1）。

圖1 抑制劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可知，聚胺抑制劑（SDJA-1）和有機(jī)鹽有很好的頁巖回收率和較低的頁巖膨脹率，表明其具有良好的抑制頁巖膨脹作用。

有機(jī)鹽是堿金屬低碳有機(jī)酸鹽、有機(jī)酸銨、有機(jī)酸季銨的復(fù)合物，它們在水中有很高溶解度，能形成密度較高的水溶液[6-7]。有機(jī)鹽鉆井液是基于低碳原子（C1-C6）堿金屬（第一主族）有機(jī)酸鹽、有機(jī)酸銨鹽、有機(jī)酸季銨鹽的鉆井液完井液體系。有機(jī)鹽鉆井液具有很低的水活度、能夠形成雙電層等特點(diǎn)，從而較強(qiáng)地抑制坂土分散。

3.3 高效潤滑研制及性能評價(jià)

鉆井液能給鉆桿、鉆具等鉆井工具提供冷卻和潤滑功能，特別是在深層長水平段鉆井過程中潤滑性是保證鉆井是否成功的關(guān)鍵性因素。現(xiàn)在國內(nèi)外常用的鉆井液水基類型能夠達(dá)到的摩阻范圍大約在0.20~0.35，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用可以在鉆井液中添加部分潤滑類添加劑，可以使摩阻降低至0.10，但是添加劑的費(fèi)用和用量較大，現(xiàn)場應(yīng)用水基類型通常能過保證在0.2 的摩阻，對于普通鉆井是可以達(dá)到鉆井要求的，但是不能滿足致密砂巖的長水平段鉆井要求。為此如何提高水基鉆井液體系的潤滑性能是致密砂巖油氣藏鉆進(jìn)的一項(xiàng)重要研究課題。

3.3.1 鉆井液潤滑性影響因素研究

影響鉆井液潤滑性的主要因素有[8]：膨潤土、劣質(zhì)固相顆粒、重晶石、鹽以及聚合物等，鉆井液的潤滑作用會隨著膨潤土、劣質(zhì)固相、重晶石等的含量的升高而下降；而某些高分子聚合物如聚陰離子纖維素、磺化酚醛樹脂等具有良好的降濾失、改善泥餅質(zhì)量、減少鉆柱摩阻的作用，有利于提高鉆井液潤滑性的作用。

加入到鉆井液中的潤滑劑通過吸附固相顆粒，使固相顆粒的表面性質(zhì)發(fā)生改變，可以有效降低摩擦系數(shù)。

3.3.2 高效潤滑劑的研制

由于F 區(qū)塊鉆井采用的小井眼、水平段的開發(fā)方式，針對該區(qū)塊特點(diǎn)，開發(fā)了一種高效潤滑劑。

根據(jù)潤滑劑的潤滑機(jī)理，潤滑劑的研制思路如下：吸附性應(yīng)較強(qiáng),且大幅度降低表面張力，選用親水基強(qiáng)而又有多個疏水支鏈的表面活性劑。實(shí)驗(yàn)選取植物油、液體石蠟和表面活性劑反應(yīng)制得高效潤滑劑BD-1，并對其潤滑性進(jìn)行了評價(jià)對比，結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，在有機(jī)胺鉆井液體系中加入高效潤滑劑后，潤滑系數(shù)小于0.1，由于高混油鉆井液的潤滑性。

圖2 潤滑性對比實(shí)驗(yàn)

（1）潤滑劑對鉆井液流變性和濾失性的影響。現(xiàn)場常用的水基鉆井液體系為聚磺抗高溫鉆井液體系。聚磺抗高溫鉆井液體系配方：4%膨潤土+0.2%Na2CO3+0.8%NaOH+0.3%KPAM+0.2%FA367+3%SMP-1+1.5%SPNH+3%磺化瀝青+1.5%降失水劑SD101+2%防塌劑KFT。

分別測定了潤滑劑加量為2%和4%時(shí)鉆井液的流變性和濾失性，結(jié)果如表2 所示，可以看出，當(dāng)加量為2%時(shí)潤滑劑對鉆井液的流變性和濾失性影響非常小，當(dāng)潤滑劑加量為4%時(shí)，鉆井液的塑性粘度增加但不明顯。

表2 潤滑劑BD-1對鉆井液流變性和濾失性的影響

（2）潤滑劑對鉆井液高溫高壓潤滑性的影響。采用LEM-4100 潤滑性綜合評價(jià)儀考察了潤滑劑BD-1對鉆井液高溫高壓潤滑性的影響，測試條件為：120℃/3.5MPa，測試結(jié)果如圖3 所示。評價(jià)結(jié)果表明，隨潤滑劑加量增加，兩種鉆井液體系的高溫高壓摩擦系數(shù)均明顯下降，當(dāng)其含量超過4%時(shí)，變化不明顯。

圖3 潤滑劑BD-1加量對鉆井液高溫高壓摩擦系數(shù)的影響

4 致密砂巖油氣藏高效穩(wěn)定鉆井液研制及應(yīng)用

針對F區(qū)塊地層特點(diǎn)，研制出強(qiáng)抑制鉆井液體系，利用其強(qiáng)抑制、高效潤滑的特點(diǎn)來保證正常鉆進(jìn)，解決穩(wěn)定井眼和水平段順利延伸的難題。配方中引入聚胺抑制劑、有機(jī)鹽抑制劑、水基高效潤滑劑，優(yōu)選剛性封堵劑和降濾失劑，提高體系封堵性能，使體系具有優(yōu)良的抑制性、潤滑性、封堵承壓能力、防塌能力。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，確定了強(qiáng)抑制鉆井液體系的配方：5%膨潤土漿+0.15%PAM+0.3%水解聚丙烯晴銨鹽+0.5%~1%SDJA-1+0.3%~0.5%LV-CMC+2%~3%SMP+3%納米乳液+15%有機(jī)鹽+15%高效潤滑劑BD-1+3%超鈣+1%DSP-2+1%抗鹽防塌降濾失劑+0.1%乳化劑。

綜合性能評價(jià)：體系抗溫能力達(dá)到150℃，抗粘土污染達(dá)到5%，現(xiàn)場巖屑回收率大于90%。

5 小結(jié)

針對致密砂巖油氣藏鉆井難點(diǎn)，在F 區(qū)塊采用的小井眼、長水平段的開發(fā)方式，優(yōu)選了聚胺抑制劑和有機(jī)鹽抑制劑等鉆井液防塌抑制劑。實(shí)驗(yàn)選取植物油、液體石蠟和表面活性劑反應(yīng)研制了高效潤滑劑BD-1，優(yōu)于高混油鉆井液的潤滑性。研制了致密砂巖水平井強(qiáng)抑制鉆井液體系，配方中引入聚胺抑制劑、有機(jī)鹽抑制劑、水基高效潤滑劑，配合使用屏蔽暫堵技術(shù)，使體系具有優(yōu)良的抑制性、潤滑性、承壓能力、防塌能力。體系抗溫能力達(dá)到150℃，抗粘土污染達(dá)到5%，現(xiàn)場巖屑回收率大于90%，具有優(yōu)良的抑制性能。