雷正勇，許明標，2，由福昌，郭遠曜，周文

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州434000）

據(jù)統(tǒng)計，我國頁巖氣可采儲量是常規(guī)天然氣資源的1.6 倍，開發(fā)潛力巨大。同時，頁巖氣的成藏特征決定了它的開發(fā)方式大多以大位移井、叢式水平井為主。而在長段水平井的鉆進過程中，由于頁巖地層具有微裂縫和層理發(fā)育、儲層水敏性強等特性，往往極易發(fā)生井壁失穩(wěn)、井漏和井眼縮徑等復(fù)雜工況[1-3]。同時還常常伴隨著井眼清潔困難、地層污染嚴重以及高摩阻引起的起下鉆困難，以及憋扭矩引發(fā)的鉆具扭轉(zhuǎn)振動破壞等問題。目前市面上常見的水基鉆井液體系難以滿足長水平段鉆進的要求。而當前普遍采用的油基鉆井液往往又面臨著高昂的成本以及日趨嚴格的環(huán)保要求等實際問題。因此，建立一套有效針對頁巖層水平段鉆井的水基鉆井液體系迫在眉睫。大量的研究數(shù)據(jù)表明，硅酸鹽鉆井液體系對泥頁巖地層有很強的抑制封堵能力。筆者通過在硅酸鹽體系的基礎(chǔ)上引入一種具有一定封堵能力的水基潤滑劑，構(gòu)建了一套適用于頁巖氣水平鉆井的水基鉆井液體系，系統(tǒng)分析評價了該體系的各項性能指標。

1 頁巖層水基鉆井液技術(shù)難點

1.1 井壁穩(wěn)定問題

基于頁巖氣儲層獨特的理化性質(zhì)和開采方式，鉆進過程中井眼穩(wěn)定問題尤為突出，主要原因如下。

1）頁巖地層含有大量膨脹性黏土礦物組分。當鉆井液中離子濃度與地層流體礦化度差異較大時，由于滲透壓差的作用，地層與井筒流體間發(fā)生水運移，同時伴隨大量水化離子進入地層和黏土晶層之間，導(dǎo)致黏土水化膨脹，破壞巖石結(jié)構(gòu)導(dǎo)致強度降低，引發(fā)井壁失穩(wěn)。其次，鉆井液水相部分滲入頁巖后，頁巖中可溶性鹽組分溶解，使得頁巖孔洞增多，頁巖強度降低，頁巖井壁應(yīng)力分布改變，進而導(dǎo)致不穩(wěn)定的井眼環(huán)境[4]。

2）泥頁巖本身層理和微裂縫發(fā)育。正常鉆進時，由于井筒流體的支撐，頁巖微裂縫由閉合狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閿U張狀態(tài)，此外再加上微裂縫本身的毛細滲透作用，使得鉆井液中的水相沿著微裂縫和層理面侵入巖層。與此同時縫間充填物和破碎的巖石的水化膨脹對滲流通道起了一種支撐作用，這種“水楔作用”進一步破壞井壁微結(jié)構(gòu)，加速了壓力的傳導(dǎo)，使得流體滲流尖劈形成的錐進破壞不斷推進到地層深部，引發(fā)井壁失穩(wěn)[5-6]。

1.2 高摩阻扭矩以及井眼清潔

在頁巖地層鉆進的過程中，隨著井斜角和水平段位移的增加，鉆柱自身重力在井壁上的分量愈來愈大，迫使鉆柱緊貼井壁，在摩阻、扭矩劇增的同時還會加速鉆柱與套管鞋的之間磨損。此外扭矩的增大還會引起鉆柱反轉(zhuǎn)產(chǎn)生鉆柱橫向振動造成鉆柱失效[7]。

井眼清潔效率同樣影響鉆井液體系潤滑效果。在井筒流體循環(huán)過程中，基于斜井段和長水平井段特殊的水動力條件，鉆屑更容易發(fā)生沉積形成巖屑床從而進一步增大扭矩。同時在斜井段，堆積的巖屑在自重作用下發(fā)生滑移，堵塞井眼，嚴重時還可能會導(dǎo)致鉆具被埋卡。更重要的是，在解決井眼清潔能力的同時，還必須兼顧平衡好ECD 的問題，防止井漏或井涌等復(fù)雜的發(fā)生[8]。

2 鉆井液技術(shù)路線

2.1 井壁失穩(wěn)解決對策

鑒于頁巖氣井壁失穩(wěn)機理的復(fù)雜多元性，單一地從降低黏土膨脹壓的角度出發(fā)難以解決問題。通過對硅酸鹽抑制機理的大量分析調(diào)研，認為硅酸鉀體系既有一定抑制黏土水化膨脹的能力，又能通過成膜效應(yīng)有效封堵地層滲流通道，可能是解決頁巖地層井壁失穩(wěn)的有效途徑[9]。

為確定硅酸鹽穩(wěn)定頁巖的能力，實驗采用同源龍馬溪組頁巖，鉆取相同規(guī)格巖心，評價各類頁巖穩(wěn)定劑溶液高溫浸泡（90 ℃）后的巖心單軸抗壓強度。此外還測試了不同抑制劑下的頁巖膨脹率。實驗結(jié)果如圖1、表1 所示。

圖1 不同單劑浸泡72 h 后巖心單軸抗壓強度

表1 常溫常壓下不同單劑頁巖線性膨脹率

實驗結(jié)果表明，硅酸鉀相對于其他抑制劑，不僅可以有效抑制泥質(zhì)組分水化膨脹，還能一定程度上提升巖石本身強度，是理想的泥頁巖穩(wěn)定劑。這一方面是因為硅酸鉀具備優(yōu)異的成膜特性，能吸附在巖石表面形成一層薄膜，減緩水分子侵入地層的速度的同時在黏土礦物表面形成水化膜，降低黏土水化速率[10]；另一方面則是因為硅酸根在擴散進入巖層內(nèi)部時，隨著環(huán)境pH 值的降低，會迅速縮聚成為多聚硅酸形成凝膠凍，同時還有部分與高礦化度地層水中的金屬陽離子反應(yīng)生成沉淀，二者協(xié)同高效封堵巖石孔隙滲流通道，阻止破壞進一步向地層深處推進；此外，當溫度高于80 ℃時，其硅醇基與黏土礦物的鋁醇基發(fā)生縮合反應(yīng)產(chǎn)生膠結(jié)性物質(zhì)，將黏土等礦物顆粒膠結(jié)成牢固整體，提升巖石強度[11]。

實際觀察高溫浸泡后巖心表面后發(fā)現(xiàn)（圖2），硅酸鉀浸泡巖樣表面結(jié)有較厚白色硅酸鹽膜層，其中兩塊樣本由于黏土與硅酸鹽之間的化學(xué)作用而牢固黏連在一起；氯化鉀實驗組則巖樣表面硬度下降，去離子水組除強度降低外還有部分巖屑脫落，這些現(xiàn)象進一步印證了相對其他頁巖穩(wěn)定劑，硅酸鉀確實具有強抑制性和成膜封堵能力以及膠結(jié)提升巖石強度的特性，是優(yōu)良頁巖穩(wěn)定劑。

圖2 高溫浸泡巖心表面狀態(tài)

2.2 降摩減阻途徑

為解決水基鉆井液潤滑性的問題，實驗室開發(fā)了一種聚酰胺樹脂類潤滑劑MULFLUB。該潤滑劑具有多個含強吸附基團的鏈段，能以多位點吸附的方式高效包被在鉆柱、井壁表面，并在經(jīng)過多層次吸附反轉(zhuǎn)形成次生結(jié)構(gòu)后，將鉆柱與井壁之間的障礙摩擦轉(zhuǎn)變成為潤滑膜層之間的滑動摩擦，有效降低摩阻扭矩。相較一般潤滑劑而言，這種特殊吸附方式也決定了相同濃度下它能形成更加牢固致密的疏水薄膜，獲得更好的潤滑性能，同時對于金屬鉆具還能起一定的緩蝕保護作用[12]。

實驗現(xiàn)象顯示，在1.5%江漢膨潤土漿中加入5%MULFLUB 后，黏土顆粒從水溶液中分離并懸浮于液體上層（A），說明MULFLUB 確實能在黏土顆粒表面覆膜形成疏水膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)潤滑功能。分別調(diào)整分散液pH 至9（B）和加入端二胺（C），被MULFLUB 包覆的黏土顆粒在水相中均勻分散。這是因為堿性環(huán)境使得分子末端基團離子化，呈現(xiàn)親水性，吸附層外側(cè)親水性隨之增強，同時靜置后（B′）組膨潤土分散明顯好于（C′）組，證明引入端二胺能輔助增溶該潤滑劑。

圖3 靜置10 d 前后的潤滑劑包覆后的膨潤土漿分散狀態(tài)

后續(xù)實驗利用Fann 極壓潤滑儀測試其不同濃度下潤滑系數(shù)，并對比其他潤滑功能流體性能參數(shù)（圖4），結(jié)果表明15%MULFLUB 溶液已經(jīng)具備媲美白油基的潤滑性能。并且通過抗磨實驗?zāi)ズ邸⒛グ哒掌瑢Ρ龋▓D5）可以發(fā)現(xiàn)，相較于地層水組和白油組的大面積磨斑，邊緣毛刺狀的不規(guī)則磨痕又或是大量分布的縱向擦痕，MULFLUB 實驗組不僅磨斑面積小，而且表面光滑，泛有金屬光澤，同時其抗磨砝碼質(zhì)量達到10 kg，耐磨性能遠超常規(guī)水基低摩阻體系。印證了MULFLUB 優(yōu)異的潤滑抗磨能力。

圖4 不同種類潤滑劑MULFLUB 性能對比

圖5 不同潤滑劑的抗磨實驗擦痕對比

2.3 封堵降濾失處理

實際應(yīng)用過程中，鉆井液不同功能的實現(xiàn)過程往往是相互影響而非完全孤立的作用。特別是對頁巖長水平段鉆井而言，其封堵能力、濾失造壁性嚴重影響井壁穩(wěn)定和實際潤滑效果，濾失過大會增加井壁失穩(wěn)風險并且污染儲層，過厚的濾餅則會造成實際摩阻扭矩劇增。如何正確處理這兩者之間的關(guān)系，是解決頁巖氣鉆井液技術(shù)難題的關(guān)鍵。

為了解決這一問題，實驗室篩選出一種淀粉微球DP-14。其中值粒徑均為7.38 μm，顆粒粒徑從0.67μm 到14.66 μm 均有廣泛分布（圖6），能協(xié)同其他高分子聚合物及剛性的屏蔽暫堵材料，實現(xiàn)良好的顆粒級配。同時還具有一定微膨脹變形封堵能力和疏水結(jié)構(gòu)，能更好應(yīng)對復(fù)雜孔隙條件，有效封堵滲流通道。

圖6 淀粉微球粒度微分分布和累計分布

實際對比不同淀粉微球加量下的硅酸鉀體系的泥餅滲透率（圖7）發(fā)現(xiàn)，隨著淀粉微球加量增加，泥餅滲透率迅速下降；此外常溫條件下當1.5%實驗組實驗壓差由3.5 MPa 提高到 4.0 MPa 時其滲透率由0.132 mD 降至0.11 mD。以上兩組實驗共同說明了淀粉微球能通過顆粒級配和變形封堵這兩種作用，有效降低泥餅的滲透率，從而達到降低體系濾失量的目的。

圖7 不同淀粉微球加量下泥餅滲透率變化

此外，研究還發(fā)現(xiàn)多功能潤滑劑MULFLUB能有效降低膨潤土漿濾失量（圖8）。原因是被MULFLUB 包覆的不同粒級的黏土顆粒會在壓差的作用下堆積擠壓，能在泥餅表面形成近乎連續(xù)的疏水層，達到降失水的目的。

圖8 不同加量MULFLUB 下膨潤土漿的濾失量

3 鉆井液體系構(gòu)建與評價

基于上述研究以及大量評價篩選實驗，最終構(gòu)建了一套適用頁巖地層大位移井的水基鉆井液體系（見表2）。該體系整體pH 值控制為約11.6，具有優(yōu)異的降摩阻和濾失造壁性能以及頁巖強抑制能力。

表2 低摩阻硅酸鉀體系配方

3.1 不同密度下體系的流變、濾失、潤滑性能

測試體系在不同密度下的性能變化，如表3 所示。各密度下該體系高溫高壓濾失量低于6 mL,潤滑系數(shù)在0.08 左右，具備較好的濾失造壁能力和優(yōu)良的潤滑性能。同時，除開燒堿外，鉆井液中的ORGAM 溶液能很大程度上維持體系的強堿性，實際老化前后鉆井液pH 值均保持在11.40 以上，此時硅酸根多以低聚體的形式存在，各高分子處理劑優(yōu)先于低聚硅酸吸附在黏土表面，所以漿體呈現(xiàn)老化前后整體流變參數(shù)變化不大的情形[13]。此外，該體系剪切稀釋性很好，整體動切力在6～8 Pa 左右，1.6 g/cm3下，切力保持在4.5 Pa/8.5 Pa 左右，使得該體系具備優(yōu)良的攜巖能力，能很好維持井眼清潔，并盡可能降低ECD 大小。

表3 低摩阻水基鉆井液不同密度下性能變化（90 ℃、16 h）

3.2 抗污染能力

由于引入了總量為12%的硅酸鉀和有機鹽，該體系中具有大量Na+、K+。這些金屬陽離子一方面削弱了黏土層間的靜電斥力，另一方面基于K+的固定作用共同抑制了黏土的水化膨脹。同時高濃度陽離子體系也避免了在高礦化度地層水侵入時體系劇烈的性能變化。此外，體系中的MULFLUB、VINPY 和其他高分子材料吸附在黏土表面，由于其空間位阻效應(yīng)和對分散黏土的吸附固定，防止了黏土的進一步聚結(jié)和重度絮凝?；谏鲜鰴C理，該體系應(yīng)當具備較強抗污染能力，實驗結(jié)果見表4。

表4 低摩阻水基鉆井液不同侵污條件下鉆井液性能變化（90 ℃、16 h）

實際實驗結(jié)果顯示，體系在經(jīng)過膨潤土、鉆屑、地層鹽水的侵污后，其流變參數(shù)和濾失量仍然能保持穩(wěn)定，證實了該體系的抑制和抗鹽能力，說明該體系能很好適應(yīng)頁巖地層復(fù)雜環(huán)境。

4 結(jié)論

1.該低摩阻體系基于硅酸鉀可以形成凝膠、沉淀和吸附膜的特性以及膠固黏土組分的能力，能有效封堵頁巖孔隙滲流通道。同時體系本身還具有很強的抑制性和抗污染能力，能很好應(yīng)對頁巖地層井壁失穩(wěn)和體系性能穩(wěn)定性的問題。

2.該體系潤滑系數(shù)在0.08 左右，抗磨砝碼質(zhì)量達到10 kg。具有媲美油基鉆井液的潤滑性能和抗磨能力以及優(yōu)良的濾失造壁性能，能很好滿足頁巖氣大位移井低摩阻、低扭矩、低濾失的要求。在提倡降本增效以及環(huán)保壓力日益增大的今天，有望成為替代油基鉆井液的可行方案。