張立新，劉 瑞

（1.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，新疆 輪臺(tái) 841600；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

近年來(lái)，頁(yè)巖氣等非常規(guī)資源探勘開發(fā)逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。頁(yè)巖遇水極易膨脹分散，從而造成井壁失穩(wěn)［1-2］，影響生產(chǎn)效率。油基鉆井液潤(rùn)滑性好，抑制性能強(qiáng)，能夠有效抑制頁(yè)巖水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定［3-6］。

我國(guó)川渝地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，油基鉆井液已成為該地區(qū)頁(yè)巖氣水平井的核心技術(shù)之一［7-8］。但是，川渝地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層深，地層壓力系數(shù)大，井壁失穩(wěn)問題嚴(yán)重［9-10］，水平段鉆進(jìn)過程中對(duì)油基鉆井液性能要求嚴(yán)格。

陽(yáng)101H3-6 井是位于四川省瀘州區(qū)塊一口頁(yè)巖氣水平井，目的層位志留系龍馬溪組，四開設(shè)計(jì)斜深3120～5517 m。該井水平段長(zhǎng)，目的層位龍馬溪組地層壓力系數(shù)預(yù)測(cè)高達(dá)2.10，地層層理發(fā)育，井底溫度較高，給井壁穩(wěn)定和清潔，以及鉆井液體系的穩(wěn)定都帶來(lái)了困難。采用了高密度油基鉆井液技術(shù)，并引入了新型主乳化劑I 型，井眼凈化效果好，井壁穩(wěn)定，無(wú)嚴(yán)重井下復(fù)雜情況，順利完鉆。

1 鉆井技術(shù)難點(diǎn)及鉆井液對(duì)策

1.1 井壁穩(wěn)定問題

根據(jù)鄰井陽(yáng)101H3-8、陽(yáng)202-H2 等井況資料與相關(guān)地質(zhì)資料顯示，龍馬溪組頁(yè)巖脆性指數(shù)高，地層壓力系數(shù)高，地層層理發(fā)育，水平段鉆進(jìn)過程中極易發(fā)生井壁失穩(wěn)。

主要采取以下技術(shù)措施解決井壁穩(wěn)定問題：

（1）選用高密度油基鉆井液，平衡地層壓力，保持井壁穩(wěn)定；

（2）通過調(diào)整基礎(chǔ)油與CaCl2水溶液，維持穩(wěn)定的油水比，減少頁(yè)巖的水化膨脹，降低井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)儲(chǔ)備足夠量的封堵與防塌材料，可根據(jù)井下實(shí)際情況適當(dāng)添加封堵劑與防塌劑，提高鉆井液防塌封堵能力，減少井壁失穩(wěn)；

（4）根據(jù)應(yīng)用情況適當(dāng)調(diào)整降濾失劑加量，使高溫高壓濾失量≯3 mL。

1.2 井眼凈化問題

陽(yáng)101H3-6 井四開井段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2397 m，井斜角大，水平段長(zhǎng)，在重力作用下，長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)過程中極易形成巖屑床，井眼凈化難度大。該井鉆井液密度要求高，固相含量高，鉆井液粘度易升高［11］，攜巖能力受到影響，進(jìn)一步加劇了巖屑床的沉淀堆積。巖屑床易引起摩阻扭矩的增大，造成井下復(fù)雜。因此，鉆井液需具備合適的粘度與切力，且能夠保持穩(wěn)定，以保證良好的攜巖能力。

為保證井眼凈化效果，有效清理巖屑床，降低摩阻扭矩，避免井下復(fù)雜事故，主要采取以下維護(hù)措施：

（1）引入新型乳化劑，施工中監(jiān)測(cè)鉆井液性能，維持合適的粘度與切力，保證油基鉆井液能夠有效攜巖；

（2）鉆進(jìn)中鉆具保持旋轉(zhuǎn)或上下活動(dòng)，分段循環(huán)鉆井液，起鉆前需循環(huán)井漿1～2 個(gè)循環(huán)，起鉆至直井段時(shí)需再次循環(huán)。

1.3 穩(wěn)定性問題

高密度油基鉆井液對(duì)溫度變化更為敏感［12］，陽(yáng)101H3-6 井井底溫度約150 ℃，鉆井液循環(huán)過程中溫度變化大，流變性與穩(wěn)定性難以維護(hù)。為保證良好的流變性與穩(wěn)定性，主要采取以下措施：

（1）引入新型乳化劑，提高鉆井液的穩(wěn)定性，根據(jù)破乳電壓值調(diào)整基礎(chǔ)油和乳化劑加量比例，調(diào)控CaCl2水溶液濃度，使鉆井液破乳電壓值始終保持在400 V 以上；

（2）加強(qiáng)鉆井液固相含量控制，全程開啟振動(dòng)篩，除砂器、除泥器使用率達(dá)到85%，離心機(jī)使用率在20%～40%，離心機(jī)使用時(shí)加強(qiáng)密度監(jiān)測(cè)，如遇到異常情況及時(shí)處理。

2 高密度油基鉆井液配方優(yōu)選

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

乳化劑能夠降低油水界面張力，形成牢固的吸附膜，從而使油基鉆井液保持穩(wěn)定的油包水乳化狀態(tài)［13-14］；濾液滲入地層易引起泥頁(yè)巖膨脹掉塊，造成井壁失穩(wěn)，鉆井液中必須加入合適的降濾失劑，控制濾失量［15］。新型主乳化劑Ⅰ型以有機(jī)酸、有機(jī)胺與二元酸酐為主要原料經(jīng)過縮聚反應(yīng)合成，其分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)強(qiáng)親水的酰胺基，同時(shí)在其末端含有羧基，能夠有效降低油水界面張力，具有較高的乳化率，同時(shí)具備優(yōu)異的抗溫抗鹽性能。通過引入主乳化劑Ⅰ型，以主乳化劑、輔乳化劑、降濾失劑、潤(rùn)濕劑為優(yōu)化因子，設(shè)計(jì)了四因素三水平正交試驗(yàn)，各因素與水平見表1。其余實(shí)驗(yàn)條件為：油水比80∶20（柴油∶25%CaCl2水溶液），1%有機(jī)土，3%CaO，重晶石加重至密度2.2 g/cm3。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2.2 配方確定

按照四因素三水平正交試驗(yàn)規(guī)則，配置9 組油基鉆井液，150 ℃老化16 h 后，測(cè)取鉆井液流變性、破乳電壓與高溫高壓濾失量，結(jié)果如表2 所示。

表2 鉆井液正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of the drilling fluid

按照正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理規(guī)則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際需求，確定最終高密度油基鉆井液配方為：2%主乳化劑＋3%輔乳化劑＋3%潤(rùn)濕劑＋4%降濾失劑＋1% 有機(jī)土＋3%CaO，油水比80∶20（柴油∶25%CaCl2水溶液），現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各處理劑加量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 高密度油基鉆井液性能評(píng)價(jià)

3.1 基本性能

優(yōu)選的高密度油基鉆井液基本性能如表3 所示，150 ℃老化16 h 后，鉆井液性能變化不大，高密度條件下重晶石無(wú)沉淀現(xiàn)象，流變性良好，破乳電壓值高，乳化效果好，高溫高壓濾失量為2.0 mL，性能滿足需求。

表3 鉆井液基本性能Table 3 Basic performance of the drilling fluid system

3.2 抑制性評(píng)價(jià)

通過巖屑滾動(dòng)回收和線性膨脹的方法評(píng)價(jià)高密度油基鉆井液的抑制性。

巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)方法：取粒徑6～10 目的層位巖屑50 g，倒入裝有清水與油基鉆井液的老化罐中，150 ℃老化16 h 后，過40 目篩，充分清洗烘干后稱取剩余巖屑質(zhì)量，計(jì)算滾動(dòng)回收率。

線性膨脹采用HTP-2A 型高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法為：取烘干后頁(yè)巖10 g 置于巖心套管模具內(nèi)，然后置于壓力機(jī)上14 MPa 壓置5 min 以上，利用頁(yè)巖膨脹儀測(cè)取在油基鉆井液與清水環(huán)境下16 h 的膨脹率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：清水巖屑剩余12.26 g，滾動(dòng)回收率24.52%；油基鉆井液巖屑剩余47.42 g，滾動(dòng)回收率達(dá)94.84%。線性膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高密度油基鉆井液對(duì)陽(yáng)101H3-6 井目的層巖屑的膨脹率為0.64%，而清水膨脹率高達(dá)36.6%。

綜合上述實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明高密度油基鉆井液抑制性強(qiáng)，能夠抑制頁(yè)巖的分散，有利于保持井壁的穩(wěn)定，減少?gòu)?fù)雜情況。

3.3 抗污染性評(píng)價(jià)

陽(yáng)101H3-6 井主要污染源來(lái)自巖屑，主要評(píng)價(jià)了高密度油基鉆井液抗巖屑污染性能。在鉆井液中加入不同比例10～20 目的層位巖屑，150 ℃老化16 h 后，測(cè)取鉆井液基本性能，結(jié)果如表4 所示。由表4可見，巖屑對(duì)鉆井液性能影響較小，各項(xiàng)指標(biāo)在合理范圍內(nèi)，性能滿足施工需求。

表4 巖屑污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of cuttings pollution

3.4 小結(jié)

綜上所述，高密度油基鉆井液抑制性能良好，有利于井壁穩(wěn)定，減少事故發(fā)生；抗巖屑污染能力較強(qiáng)，能夠保持性能穩(wěn)定。高密度油基鉆井液能夠滿足陽(yáng)101H3-6 井長(zhǎng)水平段需求，可用于實(shí)際施工。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

陽(yáng)101H3-6 井實(shí)際完鉆井深6050 m，A 靶點(diǎn)井深3920 m，水平段長(zhǎng)2130 m，水平位移2615 m。該井2020 年5 月28 日完成油基鉆井液轉(zhuǎn)換，2020 年7月21 日順利完鉆，鉆進(jìn)過程安全，無(wú)井下復(fù)雜事故。水平段鉆進(jìn)過程中，高密度油基鉆井液性能穩(wěn)定，破乳電壓值保持在400 V 以上；抑制性與封堵性強(qiáng)，井壁穩(wěn)定；粘度、切力保持在合適范圍內(nèi)，攜巖能力強(qiáng)，井眼凈化效果好，鉆進(jìn)過程中摩阻扭矩低。施工過程中，采用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向＋螺桿”的鉆具組合進(jìn)行滑動(dòng)鉆進(jìn)，配合高密度油基鉆井液技術(shù)，保證了陽(yáng)101H3-6 井水平段的順利鉆進(jìn)，大幅度地提高了鉆進(jìn)效率。高密度油基鉆井液性能如表5 所示。

表5 陽(yáng)101H3-6 井高密度油基鉆井液性能Table 5 Properties of the high density oil based drilling fluid for Well Yang101h3-6

5 結(jié)論

（1）結(jié)合鄰井井況資料與相關(guān)地質(zhì)資料，分析了陽(yáng)101H3-6 井長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)技術(shù)難點(diǎn)，提出了高密度油基鉆井液技術(shù)對(duì)策。

（2）引入了新型主乳化劑，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析，優(yōu)選出了適用于陽(yáng)101H3-6 井長(zhǎng)水平段的高密度油基鉆井液，配方為：2%主乳化劑＋3%輔乳化劑＋3%潤(rùn)濕劑＋4%降濾失劑＋1%有機(jī)土＋3%CaO，油水比80∶20（柴油∶25%CaCl2水溶液）。

（3）評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明，該鉆井液具備良好的流變性，性能穩(wěn)定，抑制性能良好，抗污染能力強(qiáng)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，該高密度油基鉆井液性能穩(wěn)定，破乳電壓高，流變性良好，粘度、切力合適，抑制性強(qiáng)。陽(yáng)101H3-6 井超長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)過程中，井眼凈化效果好，井壁穩(wěn)定，無(wú)嚴(yán)重井下復(fù)雜情況，順利完鉆，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)日常維護(hù)措施與工程措施，高密度油基鉆井液使用中性能穩(wěn)定，大幅提高了鉆進(jìn)效率，可在類似頁(yè)巖氣水平井水平段推廣應(yīng)用。