楊弘毅

(中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司，天津 300457)

為了滿足頁巖氣儲層長水平段安全、快速、高效鉆井的需求，油氣公司主要使用油基鉆井液體系進(jìn)行鉆井施工作業(yè)，油基鉆井液體系具有較優(yōu)的抑制性能和潤滑性能，但是其配制成本也相對較高，并且廢棄鉆井液以及油基鉆屑的后期處理工藝比較復(fù)雜，處理費(fèi)用也比較高。此外，隨著國家對環(huán)保要求的越來越嚴(yán)格，油基鉆井液的大規(guī)模使用受到越來越多的限制[1-3]。因此，開發(fā)高性能的水基鉆井液來替代油基鉆井液是頁巖氣儲層鉆井發(fā)展的一種趨勢[4-8]。

目前，已有將開發(fā)出的高性能的水基鉆井液體系成功用于頁巖氣儲層的鉆井應(yīng)用中，并取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果[9]。國內(nèi)的頁巖氣水基鉆井液技術(shù)由于起步較晚，與國外相比發(fā)展相對較慢[10-12]。以涪陵地區(qū)某頁巖氣區(qū)塊水平井為研究對象，分析了該區(qū)塊水平井鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)，提出了針對性的解決措施，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)，開發(fā)了一套適合涪陵頁巖氣水平井開發(fā)的高效水基鉆井液體系，對其耐溫性能、抑制性能、潤滑性能、抗污染性能和生物毒性進(jìn)行了評價(jià)，為涪陵地區(qū)頁巖氣水平井的高效鉆井開發(fā)提供一定的技術(shù)支持。

1 涪陵頁巖氣水平井鉆井技術(shù)難點(diǎn)及對策

頁巖儲層由于黏土礦物含量較高，在鉆井過程中容易發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。通過分析涪陵地區(qū)頁巖氣儲層特征及現(xiàn)場鉆井施工資料，認(rèn)為該地區(qū)頁巖氣水平井鉆井過程中存在以下技術(shù)難點(diǎn)：①頁巖儲層鉆井過程中的井壁失穩(wěn)問題；②頁巖儲層長水平段鉆進(jìn)時(shí)摩阻較高等問題；③鉆井液對環(huán)境的污染等問題。

針對以上技術(shù)難點(diǎn)，可通過增強(qiáng)鉆井液體系的抑制性能來解決井壁失穩(wěn)問題，在鉆井液體系中加入新型頁巖抑制劑HUB-1 能夠有效抑制頁巖的水化膨脹分散，避免井壁坍塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。在鉆井液體系中加入高效潤滑劑RYH-4 可以有效提高體系的潤滑性能，降低水平段鉆進(jìn)時(shí)的摩阻，避免卡鉆、起下鉆困難等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。此外，為解決鉆井液造成環(huán)境污染問題，可使用無毒、低毒的鉆井液處理劑。

2 高效水基鉆井液體系配方

分析了涪陵地區(qū)頁巖氣儲層特征及水平井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合涪陵區(qū)塊現(xiàn)場使用的水基鉆井液體系，通過室內(nèi)大量的處理劑優(yōu)選及評價(jià)結(jié)果，開發(fā)了一套適合涪陵區(qū)塊頁巖氣水平井的高效水基鉆井液體系，具體配方(w)為：3%淡水土漿+0.3%NaOH+0.15% Na2CO3+0.5%增黏劑ZNN-1+3%降濾失劑JLS-2+3%新型頁巖抑制劑HUB-1+2.5%納米封堵劑NMT-D+4%超細(xì)碳酸鈣+2.5%高效潤滑劑RYH-4+3% KCl，以重晶石加重至鉆井液體系密度1.5 g/cm3。

3 高效水基鉆井液體系性能評價(jià)

3.1 耐溫性能評價(jià)

由于涪陵地區(qū)目標(biāo)區(qū)塊頁巖氣儲層段地層溫度一般不超過140 ℃，為了評價(jià)高效水基鉆井液體系的耐溫性能，將鉆井液體系在不同溫度條件下老化后，測定其流變性以及失水量的變化情況，滾動老化時(shí)間為16 h，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 高效水基鉆井液體系耐溫性能評價(jià)

由表1 可見：高效水基鉆井液體系經(jīng)過不同溫度老化后，表觀黏度、塑性黏度和切力值均有所降低，但整體變化幅度不大。鉆井液體系經(jīng)過140 ℃高溫滾動老化后，API 濾失量小于1 mL，高溫高壓濾失量小于5 mL，表明開發(fā)的高效水基鉆井液體系具有良好的耐溫性能。

3.2 抑制性能評價(jià)

為了考察高效水基鉆井液體系的抑制性能，室內(nèi)使用涪陵地區(qū)目標(biāo)區(qū)塊頁巖氣儲層段鉆屑評價(jià)了鉆井液體系的滾動回收率，并與清水和常用油基鉆井液體系的滾動回收率進(jìn)行對比，試驗(yàn)溫度為140℃，試驗(yàn)時(shí)間為16 h，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 高效水基鉆井液體系抑制性能評價(jià)

由表2 可見：目標(biāo)區(qū)塊儲層段鉆屑在清水中的滾動回收率只有38.8%，而在高效水基鉆井液的滾動回收率達(dá)到98%以上，與常用油基鉆井液體系基本相當(dāng)，表明室內(nèi)研制的高效水基鉆井液體系具有良好的抑制性能，可以有效抑制頁巖的水化膨脹分散。

3.3 潤滑性能

室內(nèi)使用極壓潤滑儀和泥餅黏附系數(shù)測定儀評價(jià)了高效水基鉆井液體系的潤滑性能，并與常用油基鉆井液體系進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 高效水基鉆井液潤滑性能評價(jià)

由圖1 可見：室內(nèi)研制的高效水基鉆井液體系的極壓潤滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)均與常用油基鉆井液體系相差不大，表明高效水基鉆井液體系具備較好的潤滑性能，可以降低頁巖氣水平井鉆井過程中的摩阻，確保安全快速鉆井。

3.4 抗污染性能

為了考察高效水基鉆井液體系的抗污染性能，室內(nèi)使用NaCl，CaCl2和巖屑作為污染物加入到鉆井液體系中，然后測定鉆井液體系表觀黏度和高溫高壓濾失量的變化情況。鉆井液體系老化溫度為140 ℃，老化時(shí)間為16 h，高溫高壓濾失量測定條件為溫度140 ℃，壓力3.5 MPa，時(shí)間30 min，試驗(yàn)用巖屑粉碎后過0.125 mm(120 目)篩。試驗(yàn)結(jié)果分別見圖2、圖3 和圖4。

圖2 高效水基鉆井液抗NaCl污染性能評價(jià)

由圖2 可見：隨著NaCl 加量(w，下同)的逐漸增大，高效水基鉆井液體系的表觀黏度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，高溫高壓濾失量逐漸增大，當(dāng)NaCl 加量超過16%之后，表觀黏度和高溫高壓濾失量均顯著增大，所以高效水基鉆井液體系抗NaCl 加量最高為16%。

圖3 高效水基鉆井液抗CaCl2污染性能評價(jià)

由圖3 可見：隨著CaCl2加量的逐漸增大，高效水基鉆井液體系的表觀黏度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，高溫高壓濾失量逐漸增大，當(dāng)CaCl2加量超過1.5%之后，表觀黏度顯著下降，高溫高壓濾失量顯著增大，因此高效水基鉆井液體系抗CaCl2加量最高可達(dá)1.5%。

圖4 高效水基鉆井液抗巖屑污染性能評價(jià)

由圖4 可見：隨著巖屑加量的逐漸增大，高效水基鉆井液體系的表觀黏度和高溫高壓濾失量均逐漸增大，當(dāng)巖屑加量超過18%之后，表觀黏度和高溫高壓濾失量均顯著增大，因此高效水基鉆井液體系抗巖屑加量最高可達(dá)18%。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知，室內(nèi)研制的高效水基鉆井液體系具有良好的抗NaCl，CaCl2和巖屑污染性能，能夠滿足目標(biāo)區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井施工的需要。

3.5 生物毒性評價(jià)

為了考察高效水基鉆井液體系的生物毒性，參照中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 111—2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法發(fā)光細(xì)菌法》，對比評價(jià)了常用油基鉆井液和高效水基鉆井液體系的生物毒性，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3 可見：常用油基鉆井液體系的EC50 值為0.8 g/L，屬于中毒級別，而室內(nèi)研制的高效水基鉆井液體系的EC50 值可達(dá)到30 g/L 以上，屬于無毒級別，對環(huán)境基本無害，能夠滿足頁巖儲層鉆井開發(fā)對鉆井液環(huán)保性能的要求。

表3 高效水基鉆井液生物毒性評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

1)針對涪陵地區(qū)頁巖氣水平井鉆井過程中存在的井壁失穩(wěn)、摩阻較高以及鉆井液環(huán)境污染等問題，分析了該地區(qū)頁巖氣儲層特征及現(xiàn)場常用鉆井液體系的使用情況，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)，開發(fā)了一套適合涪陵地區(qū)頁巖氣水平井的高效水基鉆井液體系。

2)高效水基鉆井液具體配方(w)為：3%淡水土漿+0.3% NaOH+0.15% Na2CO3+0.5% 增黏劑ZNN-1+3%降濾失劑JLS-2+3%新型頁巖抑制劑HUB-1+2.5%納米封堵劑NMT-D+4%超細(xì)碳酸鈣+2.5%高效潤滑劑RYH-4+3%KCl，以重晶石加重至1.5 g/cm3。

3)綜合性能評價(jià)結(jié)果表明：該高效水基鉆井液體系具有良好的耐溫性能、抑制性能、潤滑性能、抗污染性能和環(huán)保性能，能夠滿足涪陵地區(qū)頁巖氣水平井鉆井施工對鉆井液性能的要求。