明顯森 賀 海 王星媛

中國石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院 油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點實驗室

四川長寧區(qū)塊頁巖氣水平井水基鉆井液技術(shù)的研究與應(yīng)用

明顯森 賀 海 王星媛

中國石油川慶鉆探鉆采工程技術(shù)研究院 油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點實驗室

長寧龍馬溪頁巖礦物組分分析表明，頁巖礦物主要以石英、方解石和黏土礦物為主，屬于硬脆性水敏地層。為了保證水基鉆井液能夠在長水平段頁巖中鉆進，且不發(fā)生井壁失穩(wěn)、井壁垮塌等井下復(fù)雜情況，經(jīng)過大量室內(nèi)研究，研制出以疏水抑制劑CQ-SIA和高效液體潤滑劑CQ-LSA為主要處理劑的頁巖氣水基鉆井液體系。室內(nèi)評價表明，該水基鉆井液抑制能力優(yōu)越，滾動回收率達到97.6%；在100 ℃溫度下恒溫靜置48 h后，未出現(xiàn)重晶石沉降現(xiàn)象，流變性能穩(wěn)定；能夠抵抗30%(w)的巖屑污染。現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，該鉆井液性能穩(wěn)定，潤滑性好，抑制能力強，保證了順利鉆進、電測、通井、下套管施工作業(yè)，能夠滿足長寧頁巖氣井鉆井的需要。

頁巖氣水基鉆井液 水平井 頁巖 性能 現(xiàn)場應(yīng)用

頁巖氣開發(fā)具有資源潛力大、開采壽命長和生產(chǎn)周期長等優(yōu)點，已成為當前能源界研究的熱點[1-3]。由于頁巖地層層理發(fā)育，水敏性強，長水平井鉆進的突出問題就是井壁失穩(wěn)問題，采用油基鉆井液鉆進頁巖層是目前常用的方法，但油基鉆井液存在成本高和污染環(huán)境等缺陷，使其應(yīng)用和推廣受到一定限制[4-5]。在對頁巖理化性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，從頁巖氣井水基鉆井液抑制水敏性地層頁巖水化分散能力，對發(fā)育性裂微縫封堵，地層溫度環(huán)境中抗溫能力，以及抵抗巖屑污染方面出發(fā)，通過室內(nèi)研究，形成了一套適合在頁巖層鉆進的水基鉆井液體系，同時評價了該體系的主要性能指標，并在現(xiàn)場成功應(yīng)用，為頁巖氣水基鉆井液的進一步研究和發(fā)展提供了一定的參考。

1 頁巖組成及井壁失穩(wěn)機理分析

1.1四川長寧龍馬溪頁巖礦物組分分析

對四川長寧龍馬溪組和五峰組頁巖進行的X射線衍射實驗表明，該區(qū)塊頁巖礦物主要以石英、方解石和黏土礦物為主。黏土礦物中伊利石平均質(zhì)量分數(shù)為95%，含有少量的高嶺石、綠泥石、伊/蒙混層，不含蒙脫石(見表1和表2)。經(jīng)過對礦物組分分析，認為抑制頁巖地層黏土礦物水化分散和膨脹以及防止頁巖剝落垮塌是頁巖水基鉆井液研究的重點[6-7]。

表1 四川長寧區(qū)塊某井取樣頁巖礦物種類和含量Table1 TypesandcontentofshalemineralinawellofChangning，Sichuanw/%頁巖層位石英鉀長石斜長石方解石白云石黃鐵礦黏土礦物總量龍馬溪24．10．45．832．89．54．423．0五峰39．60．65．219．76．14．224．6

表2 四川長寧區(qū)塊某井取樣頁巖黏土礦物相對含量Table2 Relativecontentsofshaleclayminerals inawellofChangning，Sichuan w/% 頁巖層位蒙脫石伊/蒙伊利石高嶺石綠泥石龍馬溪2．592．21．53．8五峰3．190．22．34．4

1.2頁巖微觀結(jié)構(gòu)

實驗用巖屑取樣取自四川長寧龍馬溪頁巖，對頁巖切片，選取新鮮斷面進行電鏡掃描分析。從電鏡掃描圖圖1可看出，頁巖微孔隙發(fā)育良好，裂縫寬度為5～10 μm，頁巖表觀形態(tài)由不連續(xù)的頁巖堆砌、膠結(jié)而成，層狀構(gòu)造明顯，體現(xiàn)出頁巖脆、強度低的特點。將切片后的頁巖樣在去離子水中浸泡24 h。對比浸泡前后電鏡掃描圖發(fā)現(xiàn)，微裂縫明顯變寬而且沿著疊成邊緣處展開，明顯可以看見有新縫的出現(xiàn)，這是頁巖水敏性特點的體現(xiàn)(見圖2)。

1.3頁巖氣水基鉆井液體系研究思路及重點

頁巖井壁失穩(wěn)，主要是因為頁巖不穩(wěn)定水敏性的特點，鉆井液穿過地層裂隙、裂縫和弱的層面后，鉆井液與頁巖相互作用改變了頁巖的孔隙壓力和頁巖強度，最終影響了頁巖的穩(wěn)定性[8-9]。針對頁巖地層井壁失穩(wěn)，頁巖表面水化、潤濕性、頁巖裂縫發(fā)育良好等諸多因素，對于鉆進長水平段頁巖地層技術(shù)難題，應(yīng)從保證井壁穩(wěn)定的思路出發(fā)，研制出適合在頁巖層鉆進的水基鉆井液體系。應(yīng)重點考慮：①滿足高密度水基鉆井液需要，具有高固相容量的特點；②強抑制能力，抑制頁巖水化分散膨脹；③強封堵性，有效封堵頁巖微孔隙；④潤滑性好，在長段頁巖水平段鉆進時摩阻小、扭矩低；⑤良好的攜帶巖屑能力，避免巖屑床的形成，保證井眼清潔；⑥抗污染能力強，抗地層水污染、巖屑污染，保證鉆井液性能穩(wěn)定；⑦熱穩(wěn)定性好，長時間在井底高溫環(huán)境中，鉆井液性能穩(wěn)定，不發(fā)生高溫固化、處理劑高溫降解等一系列造成鉆井液性能突變的現(xiàn)象。

根據(jù)以上思路，經(jīng)過大量的理論研究和室內(nèi)實驗，研制出一套適合在頁巖層鉆井的水基鉆井液體系，并在現(xiàn)場成功應(yīng)用。

2 頁巖氣水基鉆井液體系室內(nèi)評價

2.1頁巖氣水基鉆井液配方及性能參數(shù)

通過大量室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗，本實驗的頁巖氣水基鉆井液主要以疏水抑制劑CQ-SIA和潤滑劑CQ-LSA為主要處理劑。CQ-SIA分子鏈中同時具有親水基和親油基兩種官能團，該雙親特性能使親水的巖石或巖屑表面發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，在巖石表面形成一層疏水膜，阻止自由水進入巖石內(nèi)部，實現(xiàn)其抑制作用[10]；CQ-LSA具有特定的基團與結(jié)構(gòu)，在表面活性劑的作用下能在親水的鉆具、泥餅和地層巖石表面形成親油膜，能夠大幅度降低摩阻，提供較好的潤滑能力；同時，該體系在其他處理劑的協(xié)同作用下，如通過納米材料提高鉆井液對頁巖的封堵效率，隨著納米材料在黏土上吸附量的增加，其在黏土表面形成油膜，阻止水的侵入，降低濾液侵入地層；磺化材料提高鉆井液的抗溫性和低失水；使用復(fù)合鹽來降低濾液活度，以及復(fù)配使用聚合醇保證鉆井液的潤滑性。

頁巖氣水基鉆井液配方：0.2%(w)～0.5%(w)土漿+0.2%(w)NaOH+0.5%(w)～0.8%(w)PAC-LV+3.0%(w)～5.0%(w)SMP-3+1.0%(w)～3.0%(w)防塌封堵劑+1.0%(w)～2.0%(w)聚合醇+0.4%(w)～1.0%(w)CQ-SIA抑制劑+20%(w)～30%(w)復(fù)合鹽+0.8%(w)～1.6%(w)納米封堵劑+0.8%(w)～1.0%(w)表面活性劑+3.0%(w)～5.0%(w)CQ-LSA潤滑劑+重晶石。

表3 頁巖氣水基鉆井液室內(nèi)配方性能參數(shù)Table3 Performanceparametersofshalegaswaterbaseddrillingfluid實驗編號實驗條件密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaFL/mLHTHP，100℃/mL1熱滾前1．9747．541．06．51．5/7．00．43．4100℃，16h1．9750．042．08．01．5/8．50．63．82熱滾前2．0360．551．09．52．0/9．00．83．6100℃，16h2．0367．059．08．02．0/111．03．9

表3是按上述配方配制的不同密度水基鉆井液在室內(nèi)的性能參數(shù)。對比熱滾前后數(shù)據(jù)，鉆井液性能穩(wěn)定，中壓失水最低為0.4 mL、高溫高壓失水小于4.0 mL，降低了濾液對地層的污染從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；高溫熱滾后，性能均未出現(xiàn)較大變化，黏度、切力和失水仍能保持較低值，說明該體系具有較好的熱穩(wěn)定性。

2.2頁巖滾動回收實驗

稱取50 g、過2.0～3.35 mm篩孔的四川長寧龍馬溪頁巖，分別與清水、鉀聚磺水基鉆井液、頁巖氣水基鉆井液倒入老化罐中，在100 ℃、16 h熱滾老化，用孔徑為0.45 mm的篩網(wǎng)回收，在105 ℃下烘干4 h，再冷卻2 h后，稱量巖樣質(zhì)量，計算回收率，對該鉆井液抑制能力進行評價，實驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 頁巖滾動回收率實驗Table4 Cuttingrecoveryofshalesamples實驗編號實驗配方回收巖屑/g回收率/%1350mL清水+50g頁巖20．4540．92350mL鉀聚磺水基鉆井液+50g頁巖36．1572．33350mL頁巖氣水基鉆井液+50g頁巖49．4397．6

表4表明，頁巖屬水敏性地層，與水相互作用后會水化分散、膨脹，巖屑回收率低。頁巖在鉀聚磺水基鉆井液中作用后，頁巖回收率為72.3%，與頁巖氣水基鉆井液相互作用后，頁巖回收率為97.6%，因該體系中抑制劑雙親特性，CQ-SIA吸附在頁巖表面使其由水潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐櫇?，阻止自由水進入頁巖內(nèi)部。滾動回收實驗表明，該頁巖氣水基鉆井液具有較好的抑制能力，能夠有效地抑制頁巖的水化膨脹和分散。

2.3熱穩(wěn)定性實驗

按上述配方，配制密度為2.03 g/cm3的鉆井液，測試常溫下的性能，之后將鉆井液放入老化罐，在120 ℃滾子爐中分別恒溫靜置16 h、24 h和48 h，考察溫度對鉆井液性能的影響。

表5 鉆井液熱穩(wěn)定性實驗評價Table5 Evaluationexperimentofthermalstabilityofdrillingfluid實驗條件密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaFL/mLHTHP，100℃/mL靜置前2．0360．551．09．52．0/9．00．83．6100℃，16h2．0367．059．08．02．0/11．01．03．9100℃，24h2．0368．558．010．52．0/11．51．03．9100℃，48h2．0370．559．511．02．0/12．51．24．1

表5表明：該頁巖氣水基鉆井液在100 ℃下分別恒溫靜置16 h、24 h、48 h后，隨著恒溫靜置時間增加，切力、失水有小幅度上升，但性能參數(shù)仍然維持較適宜的范圍；鉆井液黏度、切力、失水無較大變化，熱穩(wěn)定性能力好，長時間靜置未出現(xiàn)高溫分層、重晶石沉淀等現(xiàn)象；在產(chǎn)層溫度下，鉆井液中各種處理劑未發(fā)生高溫降解、高溫固化等復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，表明鉆井液的性能參數(shù)穩(wěn)定，具有較好的熱穩(wěn)定性。

2.4抗污染能力評價實驗

將龍馬溪頁巖制成過0.045 mm篩孔的巖屑粉，將頁巖粉按照10%(w)、20%(w)和30%(w)的加量加入到鉆井液中，在120 ℃、16 h熱滾條件下，考察頁巖粉對鉆井液性能的影響，評價頁巖氣水基鉆井液的抗污染能力。

表6 鉆井液抗污染能力評價實驗Table6 Evaluationexperimentofanti?pollutionabilityofdrillingfluid實驗編號w(巖屑)/%密度/(g·cm-3)AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaFL/mL101．9545．539．06．51．5/5．00．52101．9550．544．06．51．5/10．00．83201．9556．550．06．51．5/12．01．24301．9558．549．09．52．0/17．01．8

表6表明，隨著頁巖粉加量逐漸增加，鉆井液表觀黏度、塑性黏度、靜切力、中壓失水量上漲明顯。因該體系具有高固相容量的特點，當頁巖粉加量大于20%(w)以后，黏切有所增加；當加量達到30%(w)時，切力成倍增加，但流變性仍然較好。這說明，該頁巖氣鉆井液體系能夠承受30%(w)頁巖粉的污染，抗污染能力強。

3 頁巖氣水基鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

3.1基本情況

長寧X平臺地處宜賓市珙縣，屬長寧區(qū)塊區(qū)域構(gòu)造，長寧X-8井于2016年4月28日四開2 271 m井深替入頁巖氣水基鉆井液，在Φ215.9 mm井眼鉆進，于6月7日鉆進至5 350 m完鉆，最大井斜104°，最大狗腿9.93°/30 m。該頁巖氣水基鉆井液入井55天，鉆井液性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、剝落、垮塌等井下復(fù)雜情況。電測、通井一次到位，下套管順利，固井成功，頁巖氣水基鉆井液應(yīng)用成功。

3.2不同井段鉆井液性能參數(shù)

鉆進中記錄、收集四開各不同密度段的鉆井液性能參數(shù)，實時對鉆井液進行監(jiān)測，掌握其變化規(guī)律，找到維護處理方法，為順利鉆井提供了技術(shù)保障，鉆井液性能參數(shù)見表7。

通過對比長寧X-8井頁巖氣水基鉆井液和長寧Y-1井油基鉆井液性能參數(shù)可知，頁巖氣水基鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動切力均比油基鉆井液低，靜切力和高溫高壓失水稍高，但均在設(shè)計范圍以內(nèi)。說明該頁巖氣水基鉆井液各性能參數(shù)與油基鉆井液比較接近，在進入A點后龍馬溪頁巖水平段鉆進期間，未出現(xiàn)沉砂卡鉆等現(xiàn)象，攜帶巖屑能力強，盡可能地清除了巖屑床，保證了井眼的清潔；長寧X-8井在最大井斜為104°，最大狗腿9.93°/30 m的井眼軌跡下，對比同類型井段，起下鉆摩阻小得多，直觀地表征了該頁巖氣水基鉆井液的潤滑能力，為順利鉆井、起下鉆、下套管提供了有利保障。

3.3陽離子交換容量

表7 長寧X?8井和長寧Y?1井四開鉆井液性能參數(shù)Table7 PerformanceparametersofdrillingfluidforthemainholeinChangningX?8andY?1well鉆井液體系井深/m密度/(g·cm-3)FV/sAV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/PaGel/PaAPI/mLHTHP100℃/mLpH值頁巖氣水基鉆井液A點3850～B點53502．00～2．0360～7658．0～68．052．0～63．07．0～10．0(1．5～2．0)/(9．0～17．0)1．6～2．03．8～5．69．0油基鉆井液A點3450～B點49501．90～2．0063～7958～8453～718～15(1～2．5)/(5～12．5)2．6～3．09．5

表8 四開鉆井期間各井段密度與MBT值關(guān)系Table8 RelationshipbetweendensityandMBTvalueofeachsection井段井深/m密度/(g·cm-3)MBT/(g/L-1)直井段22761．495直井段2276～28281．49～1．715～6造斜段2828～30201．94～1．976～8造斜段3020～38502．00～2．037．8～9．0水平段3850～53502．00～2．038．5～10．5

表8表明，該頁巖氣水基鉆井液體系膨潤土含量低至5 g/L，隨著在新地層鉆進，MBT值有小幅度增加，在頁巖水平段鉆進時仍然維持在較低范圍(8.5～10.5 g/L)，說明該水基鉆井液能夠有效地抑制頁巖水化分散，鉆井液性能沒有因巖屑污染而造成突變，抑制能力優(yōu)越。

4 結(jié)論與建議

(1) 礦物組分分析表明，長寧區(qū)塊頁巖礦物主要成分以石英、方解石和黏土礦物為主；由電鏡掃描分析可知，頁巖微孔隙發(fā)育良好，層狀構(gòu)造明顯，體現(xiàn)出脆、強度低的特點；頁巖地層黏土礦物水化分散和膨脹以及防止頁巖剝落垮塌是頁巖水基鉆井液研究的重點及難點。

(2) 研制出以疏水抑制劑CQ-SIA和潤滑劑CQ-LSA為主要處理劑的頁巖氣水基鉆井液體系，同時通過納米材料提高鉆井液對頁巖的封堵效率，降低濾液侵入地層；磺化材料提高鉆井液的抗溫性和低失水；使用復(fù)合鹽來降低濾液活度，以及采用聚合醇保證鉆井液的潤滑性。在多種處理劑的協(xié)同作用下，該體系表現(xiàn)出較好的抑制能力、潤滑能力、抗溫能力以及較強的抗污染能力。

(3) 通過在長寧X-8井現(xiàn)場運用，入井55天后順利鉆達至井深5 350 m，起下鉆順利，電測、通井一次到位，套管順利到位，固井成功。

(4) 建議加大對頁巖氣水基鉆井液抗溫能力的研究，滿足深井高溫頁巖層鉆井的要求；開展頁巖氣水平井鉆井井壁穩(wěn)定性研究，加大對新型強抑制性水基鉆井液研究。

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Researchandapplicationofwater-baseddrillingfluidtechnologyofSichuanChangningblockshale-gashorizontalwell

MingXiansen,HeHai,WangXingyuan

CCDCDrilling&ProductionTechnologyResearchInstitute，Guanghan，Sichuan，China;Oil&GasFieldAppliedChemistryKeyLaboratoryofSichuanProvince,Guanghan，Sichuan,China

Changning Longmaxi shale mineral components are mainly composed of quartz, calcite and clay mineral, and it belongs to brittle and water sensitive formation. In order to satisfy the needs that water base drilling fluid can drill in the long horizontal section of shale, and also the underground complex situation such as well-bore instability and sidewall collapse can not happen, through a large number of laboratory studies, the drilling fluid system was formulated with a hydrophilically inhibitive agent CQ-SIA and a high performance lubricant CQ-LSA as the core additive of the formulation, which was suited to drilling in shale formation. The experimental results showed that the water base drilling fluid had excellent inhibition ability and the rolling recovery rate was 97.6%; after 48 hour static at 100 ℃, the phenomenon of barite settlement did not happen, and the rheological property was stability; the system could resist the 30% plus amount of debris pollution. The field application showed that the drilling fluid had stable performance, good lubrication performance, and strong inhibition ability. It could ensure the smooth drilling, electrical measurement, drifting and running casing construction operations. The system could meet the need of Changning shale gas well drilling.

shale-gas water-based drilling fluid, horizontal well, shale, performance, field application

TE254.4

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.05.014

2017-03-27；編輯馮學(xué)軍

明顯森(1985-)，工程師，現(xiàn)就職于中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，主要從事油田化學(xué)相關(guān)工作。E-mail498352730@qq.com