長寧區(qū)塊頁巖氣水平井無土相油基鉆井液技術(shù)

凡　帆，王京光，藺文潔

(1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710021；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710021)

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長寧區(qū)塊頁巖氣水平井無土相油基鉆井液技術(shù)

凡帆1,2，王京光1,2，藺文潔1,2

(1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710021；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西西安 710021)

針對四川長寧區(qū)塊頁巖氣水平井應(yīng)用的有土相油基鉆井液存在的流變性差、易誘發(fā)井漏等技術(shù)難題，開展了無土相油基鉆井液技術(shù)研究。為提高油基鉆井液的電穩(wěn)定性和懸浮性，研制了復合型乳化劑G326和油溶性聚合物增黏劑G336，并確定了無土相油基鉆井液配方。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，與有土相油基鉆井液相比，無土相油基鉆井液具有更強的電穩(wěn)定性和更低的終切力，有利于預防高密度條件下油基鉆井液的稠化和復雜地層漏失問題。無土相油基鉆井液在長寧區(qū)塊某平臺4口頁巖氣水平井進行了現(xiàn)場應(yīng)用，這4口井井壁穩(wěn)定，無縮徑無掉塊，起下鉆暢通，井眼始終處于良好凈化狀態(tài)，平均機械鉆速提高37.8%。研究結(jié)果表明，無土相油基鉆井液解決了傳統(tǒng)高密度油基鉆井液因結(jié)構(gòu)強度大而易誘發(fā)井漏的問題，滿足了長寧區(qū)塊頁巖氣水平井安全快速鉆井的需要。

水平井；無土相鉆井液；油基鉆井液；頁巖氣；長寧區(qū)塊

隨著長寧區(qū)塊頁巖氣大規(guī)模開發(fā)，長寧某平臺“一場雙機”工廠化現(xiàn)場被定為國家級頁巖氣開發(fā)示范區(qū)示范點[1-3]。該平臺的頁巖氣水平井設(shè)計為三開井身結(jié)構(gòu)，采用空氣/氮氣鉆至儲層頂部后，為保證井下安全改用油基鉆井液繼續(xù)鉆進[4-6]。目前，常規(guī)油基鉆井液主要使用有機土來提高其黏度和切力，直接影響其流變性和攜巖能力[7-8]，但高密度有土相油基鉆井液的流變性難以控制，塑性黏度高，終切力高，為了防止加重材料大量沉淀，往往需要大幅度提高其黏度，但鉆井液黏度太高，易造成起下鉆遇阻，下鉆到底開泵困難，從而導致頁巖地層發(fā)生誘發(fā)性井漏[9]。為此，筆者研制了乳化劑和增黏劑2種油基鉆井液核心處理劑，開發(fā)了一種適合頁巖氣井鉆井的無土相油基鉆井液，并在長寧區(qū)塊進行了現(xiàn)場試驗，取得了良好的實鉆效果。

1　關(guān)鍵處理劑的研制

無土相油基鉆井液中由于失去有機土的協(xié)同作用，其電穩(wěn)定性受到嚴重影響，表現(xiàn)為破乳電壓很低，油水極易分層。目前，國內(nèi)FB鉆井液(柴油基油基鉆井液)配方為：0號柴油+15.0%CaCl2溶液(CaCl2質(zhì)量分數(shù)為20.0%)+2.5%主乳化劑MM+1.5%輔乳化劑MC+1.5%潤濕劑HW+3.0%降濾失劑FC+1.8%堿度調(diào)節(jié)劑Ca(OH)2+0.5%增黏劑HH+重晶石粉；國外MD鉆井液(低毒油基鉆井液)配方為：氣制油Saraline185V+20.0%CaCl2溶液(CaCl2質(zhì)量分數(shù)為20.0%)+3.0%乳化劑VM+2.0%潤濕劑VW+2.0%降濾失劑FM+1.8%堿度調(diào)節(jié)劑Ca(OH)2+0.6%增黏劑HH+重晶石粉。分別配制FB和MD鉆井液，開展了有機土對無土相油基鉆井液性能的影響試驗，結(jié)果見表1。

表1有機土對無土相油基鉆井液性能的影響

Table 1The effect of organic clay on drilling fluid with clay oil base

鉆井液體系有機土加量,%破乳電壓/V密度/(kg·L-1)油水穩(wěn)定性加重材料懸浮性FB2.04501.20無分層無沉淀0 900.89分層大量沉淀MD2.010001.20無分層無沉淀0 2100.90分層大量沉淀

從表1可以看出，要構(gòu)建無土相油基鉆井液，需解決無土相油基鉆井液電穩(wěn)定性差和加重材料懸浮性差這2個關(guān)鍵難題。為此，筆者研制了2種關(guān)鍵處理劑：復合型乳化劑G326和油溶性聚合物增黏劑G336。

1.1復合型乳化劑G326

在裝有攪拌器、回流冷凝管、溫度計的三頸燒瓶中，加入適量的有機伯胺和醇類溶液，充分攪拌，加熱到一定溫度，緩慢加入適量的天然脂肪酸，保溫反應(yīng)數(shù)小時后，通過減壓蒸餾對回收醇類，即得到復合型乳化劑G326。室內(nèi)測試結(jié)果表明，該乳化劑能夠形成具有一定黏彈性的界面膜，顯著降低界面張力，在油水界面排列緊密且具有潤濕性能，可將加重材料的親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油性，從而保證加重材料的懸浮穩(wěn)定性，配制高密度油基鉆井液時無須使用潤濕劑，簡化了常規(guī)油基鉆井液的配方，現(xiàn)場維護容易。復合型乳化劑G326的加量對油基鉆井液破乳電壓的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1　G326加量對油基鉆井液破乳電壓的影響Fig.1　The effect of volumes of compound emulsifier G326 on emulsion breaking voltage of oil based drilling fluid

由圖1可知，當復合型乳化劑G326加量大于2%時，油基鉆井液的破乳電壓升高較快。例如，當G326加量由3%增加到5%時，其破乳電壓由852 V快速增加到1 663 V。當乳化劑加量為3%時，油基鉆井液的破乳電壓已經(jīng)能夠滿足需要，因此G326加量優(yōu)選為3%～4%。

在均不加潤濕劑的條件下，在油基鉆井液中分別加入乳化劑VM(國外產(chǎn))和G326，測試其流變性。結(jié)果表明，加入乳化劑VM的油基鉆井液，在六速旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)子上殘留了大量加重材料，說明加重材料沒有完全被潤濕；而加入乳化劑G326的油基鉆井液，在六速旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)子上僅殘留少量鉆井液，說明乳化劑G326對于加重材料具有潤濕功能，這有利于順利起下鉆，并減少潤濕劑的加量，降低鉆井液成本[10-11]。

1.2油溶性聚合物增黏劑G336

在裝有攪拌器、回流冷凝管、溫度計的三頸燒瓶中，加入適量的脂肪酸二聚體和甲苯溶液，充分攪拌，加熱到一定溫度，緩慢加入適量的大分子胺和引發(fā)劑，通入氮氣保護進行聚合反應(yīng)，反應(yīng)完成后，通過減壓蒸餾回收甲苯，即得到油溶性聚合物增黏劑G336。在室內(nèi)將增黏劑G336與幾種常用增黏劑加入到基漿，測試基漿的性能，以考察不同增黏劑的性能，結(jié)果見表2?；鶟{配方為白油+3.0%乳化劑G326+20.0%CaCl2溶液(CaCl2質(zhì)量分數(shù)為20.0%)+1.8%堿性調(diào)節(jié)劑Ca(OH)2+2.0%降濾失劑G328+重晶石粉。

表2　添加不同增黏劑的基漿性能測試結(jié)果

注：①為在150 ℃溫度下滾動6 h。

由表2可知，增黏劑G336和G322能夠顯著增強基漿的懸浮穩(wěn)定性，熱滾后無稠化現(xiàn)象且破乳電壓較高，因此優(yōu)選G336作為主要增黏劑，G322作為輔助增黏劑。

在基漿中分別加入不同加量的主增黏劑G336和輔助增黏劑G322，然后測試其的流變性，結(jié)果見表3和表4。

表3G336加量對油基鉆井液流變性的影響

Table 3The effect of additive amount of viscosifier G336 on rheological properties of drilling fluids

G336加量,%表觀黏度/(mPa·s)塑性黏度/(mPa·s)動切力/Pa動塑比0.28161510.070.33211920.110.38232030.150.45382260.270.50403280.25

表4G322加量對油基鉆井液流變性的影響

Table 4The effect of additive amount of assistant viscosifier G322 on rheological properties of drilling fluids

G322加量,%表觀黏度/(mPa·s)塑性黏度/(mPa·s)動切力/Pa動塑比0.10151410.070.30201640.250.50262060.300.70352690.351.004630160.531.206142190.45

由表3可知，隨著主增黏劑G336加量增大，鉆井液的塑性黏度和動切力均升高，加量為0.33%時鉆井液的動塑比增幅較大，增幅達57.14%,但加量大于0.45%后，鉆井液的塑性黏度迅速升高而動塑比降低。因此，確定主增黏劑G336的加量為0.33%～0.45%。

由表4可知，加入輔助增黏劑G322后，鉆井液的動塑比明顯提高，動切力大幅度增加，而塑性黏度增加了14%～200%，鉆井液流變性得到明顯改善，有利于在低剪切速率下攜帶巖屑。當G322加量為0.30%時,鉆井液動塑比增幅很大，達到257.14%，但當其加量大于1.00%時，鉆井液的塑性黏度迅速升高而動塑比開始降低。因此，確定輔助增黏劑G322的加量為0.30%～1.00%。

2　無土相油基鉆井液性能評價

經(jīng)過室內(nèi)大量試驗，確定無土相油基鉆井液配方為白油+3.00%乳化劑G326+20.00%CaCl2溶液(CaCl2質(zhì)量分數(shù)為20.0%)+1.80%堿性調(diào)節(jié)劑Ca(OH)2+0.45%主增黏劑G336+0.60%輔助增黏劑G322+2.00%降濾失劑G328+重晶石粉。

2.1不同密度無土相油基鉆井液的流變性

按照無土相油基鉆井液基本配方，配制不同密度無土相油基鉆井液，并測試其流變性能，結(jié)果見表5。

由表5可知，隨著密度增大，油基鉆井液的塑性黏度和切力也相應(yīng)增大，密度達2.40 kg/L時，流變性依然良好。為防止在現(xiàn)場應(yīng)用過程中鉆井液發(fā)生稠化，需要適當提高油水比。

表5　不同密度無土相油基鉆井液的主要性能參數(shù)

2.2無土相油基鉆井液與有土相油基鉆井液的性能對比

配制無土相油基鉆井液和有土相油基鉆井液，其中，無土相油基鉆井液配方為白油+3.00%乳化劑G326+20.00%CaCl2溶液(CaCl2質(zhì)量分數(shù)為20.0%)+1.80%堿性調(diào)節(jié)劑Ca(OH)2+0.45%增黏劑G336+0.60%輔助增黏劑G322+2.00%降濾失劑G328+重晶石粉，有土相油基鉆井液配方為氣制油Saraline185V+20.0%CaCl2溶液(CaCl2質(zhì)量分數(shù)為20.0%)+2.0%有機土+1.8%堿性調(diào)節(jié)劑Ca(OH)2+3.0%乳化劑VM+2.0%潤濕劑VW+2.0%降濾失劑FM+0.6%增黏劑HH+重晶石粉。2種油基鉆井液的密度均為2.0 kg/L，測試2種鉆井液在150 ℃溫度下滾動6 h前后的破乳電壓及終切力，結(jié)果見表6。

表6無土相油基鉆井液與有土相油基鉆井液主要性能對比試驗結(jié)果

Table 6Main performance comparason an test results witn clay-free oil based drilling fluid and clay oil based drilling fluid

試驗條件破乳電壓/V終切力/Pa無土相油基鉆井液有土相油基鉆井液無土相油基鉆井液有土相油基鉆井液熱滾前15811108711熱滾后1396983814

由表6可知，在密度和油水比相同的條件下，無土相油基鉆井液具有更強的穩(wěn)定性以及更低的終切力，只需要很小的驅(qū)動力，即可破壞無土相油基鉆井液的空間結(jié)構(gòu)，解決了高密度有土相油基鉆井液因結(jié)構(gòu)強度太大導致的憋泵、開泵壓力過高和當量循環(huán)密度過大誘發(fā)井漏等問題[12-14]。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

長寧區(qū)塊某平臺共布置6口水平井，均設(shè)計采用三開井身結(jié)構(gòu)，三開φ215.9 mm直井段韓家店組至石牛欄組底部采用空氣/氮氣鉆井，鉆探目的層為下古生界龍馬溪組頁巖層，水平段設(shè)計長度1 500 m。由于龍馬溪組頁巖地層層理和微裂縫發(fā)育，同時存在高壓氣層和承壓能力較低的易漏地層，鉆井過程中易出現(xiàn)噴漏同層。該平臺C1井和C6井因使用的高密度有土相油基鉆井液流變性差，鉆進過程中誘發(fā)漏失，造成了嚴重的經(jīng)濟損失和井控風險。為此，該平臺C2井、C3井、C4井和C5井使用了無土相油基鉆井液進行鉆井施工，并取得良好的應(yīng)用效果，有效解決了長寧區(qū)塊頁巖氣水平井水平段井壁穩(wěn)定難度大和漏失風險高等技術(shù)難題。

3.1無土相油基鉆井液的配制

現(xiàn)場配制無土相油基鉆井液時，首先將白油加入1#罐，按鉆井液配方加入所需的乳化劑、增黏劑、輔助增黏劑及降濾失劑，充分攪拌使其混合均勻；在2#罐按要求配好質(zhì)量分數(shù)為20.0%的CaCl2溶液，緩慢加入1#罐中，邊攪拌邊加入Ca(OH)2固體，形成穩(wěn)定的乳狀液后，測試其性能(見表7)，待性能達到要求后，加入重晶石粉以達到所要求的鉆井液密度[15-17]。

3.2應(yīng)用效果分析

1) 井下故障減少。C1井和C6井在鉆進龍馬溪地層時使用了高密度有土相油基鉆井液，因鉆井液結(jié)構(gòu)強度大、當量循環(huán)密度高而誘發(fā)地層漏失。C1井發(fā)生4次井漏，漏失油基鉆井液220 m3，處理井漏損失工時19 d；C6井發(fā)生8次井漏，漏失油基鉆井液達640 m3，處理井漏損失工時25 d。C2井、C3井、C4井和C5井在三開井段鉆進龍馬溪地層時使用了無土相油基鉆井液，降低了因鉆井液結(jié)構(gòu)強度太大誘發(fā)井漏的風險，保障了井下安全，縮短了鉆井周期，同時降低了油基鉆井液的損失。其中C1井和C2井所用鉆井液的性能對比見表8。

表7　現(xiàn)場用無土相油基鉆井液的性能

注：老化條件為150 ℃溫度下滾動6 h。

表8長寧C1井和C2井所用鉆井液的性能

Table 8Performance of drilling fluids in Well Changning C1 and C2

井號井深m密度/(kg·L-1)破乳電壓/V塑性黏度/(mPa·s)動切力/Pa終切力/PaC12085.001.958655211142528.001.989235612162947.001.9612325913193128.001.9511466314203517.001.9612386215213842.001.9613466514214026.001.9512536615224153.001.951484711723C22098.001.93106739792430.001.9499938892803.001.93118042993180.001.949554111103440.001.9310393812103762.001.9411344212114059.001.9513564413114128.001.951279431212

2) 鉆井提速效果明顯，鉆井成本降低。C2井、C3井、C4井和C5井三開井段平均機械鉆速為6.82 m/h、平均鉆井周期為30.2 d，與C1井和C6井的平均機械鉆速(4.24 m/h)和平均鉆井周期(56.6 d)相比，平均機械鉆速提高了37.8%，平均鉆井周期縮短了26.4 d，有效降低了鉆井成本。

4　結(jié)　論

1) 自主研制的乳化劑G326對加重材料具有潤濕效果，可在實際應(yīng)用中不加或少加潤濕劑，不僅簡化了鉆井液配方，而且降低了鉆井液成本。

2) 室內(nèi)試驗結(jié)果表明，無土相油基鉆井液可抗溫150 ℃，密度可達2.40 kg/L，破乳電壓大于800 V，油水比為75/25～90/10，高溫高壓濾失量小于5.2 mL，與常規(guī)有土相油基鉆井液相比，在高密度條件下具有更高的穩(wěn)定性及較低的終切力。

3) 在長寧區(qū)塊某平臺4口頁巖氣水平井的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，無土相油基鉆井液具有良好的穩(wěn)定性和流變性，能有效減少井漏，提高鉆井速度，降低鉆井成本，為頁巖氣的高效開發(fā)提供技術(shù)保障。

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[編輯滕春鳴]

Clay-Free Oil Based Drilling Fluid Technology for Shale Gas Horizontal Wells in the Changning Block

FAN Fan1,2,WANG Jingguang1,2,LIN Wenjie1,2

(1.NationalEngineeringLaboratoryofLow-permeabilityOil&GasExplorationandDevelopment,Xi’an,Shaanxi,710021,China; 2.Drilling&ProductionEngineeringTechnologyResearchInstituteofCNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.Ltd.,Xi’an,Shaanxi,710021,China)

Due to fact that the conventional clay oil based drilling fluid used in shale gas horizontal wells in the Changning Block,Sichuan Basin,is poor in rheology and easy to induce lost circulation,the clay-free oil based drilling fluid has been studied.To enhance the electric stability and suspension performance of the proposed oil based drilling fluid,the composite emulsifier G326 and oil-soluble polymer viscosifier G336 were developed,and determined the formula for the clay-free oil based drilling fluid.Indoor test results showed that the clay-free oil based drilling fluid had a higher electric stability and lower final gel strength than conventional clay oil based drilling fluids,which is faverable for eliminating the thickening problem of oil based drilling fluids and lost circulation in complicated formations in the case of high density.When the clay-free oil based drilling fluid was deployed in four shale gas horizontal wells in the Changning Block,drilling operations were performed smoothly with stable borehole wall,no tight hole and sloughing,smooth tripping and clean wellbore,average ROP enhanced by 37.8%.Research results showed that the clay-free oil based drilling fluid could prevent the lost circulation that caused by conventional oil based drilling fluid with high density due to its high structural strength,which can meet the need of drilling shale gas horizontal wells fast and safely in Changning Block.

horizontal well; clay-free drilling fluid; oil based drilling fluid; shale gas; Changning Block

2015-12-23；改回日期：2016-06-15。

凡帆(1986—)，男，湖北仙桃人，2008年畢業(yè)于長江大學應(yīng)用化學專業(yè)，2011年獲西南石油大學應(yīng)用化學專業(yè)碩士學位，工程師，主要從事鉆井液完井液技術(shù)研究。E-mail：gcy_fan043@cnpc.com.cn。

中國石油天然氣集團公司科技項目“西部大慶建設(shè)長慶鉆完井整體提速及壓裂一體化技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗”(編號：2013T-0105-001)部分研究內(nèi)容。

?鉆井完井?doi:10.11911/syztjs.201605006

TE254+.3

A

1001-0890(2016)05-0034-06