美國Eagleford區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)

杜玉寶，朱磊

(中海油研究總院，北京 100028)

美國Eagleford區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)

杜玉寶，朱磊

(中海油研究總院，北京 100028)

介紹了頁巖氣開發(fā)目前常用的鉆井液體系，針對(duì)油基鉆井液存在污染大、費(fèi)用高以及鉆井工期長等問題，展開水基鉆井液體系開發(fā)研究。對(duì)在美國Eagleford區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井液應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)，有效地解決了油基鉆井液污染大、頁巖氣鉆井工期長的問題。通過分析頁巖井壁化學(xué)失穩(wěn)機(jī)理，總結(jié)頁巖氣油基鉆井液和水基鉆井液的綜合性能指標(biāo)和成本，現(xiàn)場的成功應(yīng)用以及研究結(jié)果表明了頁巖氣水平井油基鉆井液和水基鉆井液都適用未來的頁巖氣儲(chǔ)層開發(fā)，但隨著環(huán)保要求的越來越嚴(yán)格，未來頁巖氣水基鉆井液將具有廣泛的應(yīng)用前景，為水基鉆井液在頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了借鑒。

鉆井工期；井壁化學(xué)失穩(wěn)；頁巖氣儲(chǔ)層開發(fā)；水基鉆井液

頁巖氣是指蘊(yùn)藏在頁巖層中的可供開采的非常規(guī)天然氣資源，其主要成分是甲烷，中國的頁巖氣可采儲(chǔ)量較大。目前，美國是對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)歷史悠久也是技術(shù)最為成熟的國家，美國的頁巖氣勘探開發(fā)具有產(chǎn)量攀升快、工作量很大、后續(xù)資源開發(fā)潛力大等特點(diǎn)[1]，對(duì)全球的頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生很大的影響[2,3]。

鉆井液技術(shù)是解決頁巖氣勘探開發(fā)的重要技術(shù)，因此解決降摩阻、井壁穩(wěn)定以及巖屑床的清除[4,5]等是鉆井液選取及設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題。油基鉆井液具有抗鹽、抗高溫、強(qiáng)抑制能力、強(qiáng)抗污染能力、有助于井壁穩(wěn)定性和潤滑性、保護(hù)頁巖氣儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)[6～8]；但是它也存在著使用成本相對(duì)較高、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)較大等諸多問題。鑒于以上原因應(yīng)考慮水基鉆井液體系，要求這種水基鉆井液應(yīng)與油基鉆井液性能比較接近。因此，頁巖氣水基鉆井液體系應(yīng)重點(diǎn)解決好如下難題[9～11]:熱穩(wěn)定性差，易高溫凝膠化；井壁穩(wěn)定性差；潤滑防卡能力；抗污染性能差，維護(hù)處理起來工作量較大。

以美國Eagleford區(qū)塊為例，分析其頁巖氣水平鉆井液技術(shù)。

1 美國Eagleford區(qū)塊頁巖氣開發(fā)和鉆井液技術(shù)發(fā)展概況

1.1頁巖氣井工廠化和新型鉆機(jī)

美國Eagleford區(qū)塊頁巖氣工廠化鉆井主要是對(duì)工廠化鉆井以及叢式井場批量鉆井等一些新型鉆完井作業(yè)模式的統(tǒng)稱，是指利用一系列標(biāo)準(zhǔn)化的裝備和服務(wù)在同一區(qū)塊集中布置大批量相似井鉆井，以生產(chǎn)或裝配流水線的方式實(shí)現(xiàn)鉆完井的一種作業(yè)方式，這種作業(yè)方式具備低成本、高效率等優(yōu)點(diǎn)。工廠化作業(yè)模式通過利用快速移動(dòng)式鉆機(jī)對(duì)同一井場的多口井進(jìn)行批量式鉆完井，一種是批量鉆完井后把鉆機(jī)搬走，利用工廠化壓裂模式進(jìn)行壓裂和投產(chǎn)；另一種是流水線的方式，鉆完一口再壓裂一口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊鉆井、邊壓裂、邊生產(chǎn)。目前非常規(guī)油氣開發(fā)比較先進(jìn)的國家通常采用這種作業(yè)模式，這種作業(yè)模式作業(yè)效率較高，一個(gè)6口井井場的區(qū)塊如果采用這種最新的同步作業(yè)模式比以前節(jié)約62.5%的時(shí)間。

美國Eagleford頁巖氣鉆井采用“自走式”(便攜模塊化設(shè)計(jì))的Sparta鉆機(jī)，2014年新增80～100臺(tái)新鉆機(jī)(70%來自于排名前三的陸地鉆機(jī)生產(chǎn)商)，從2012年第一季度，鉆井周期下降了21%，降至18d/井。水平井作業(yè)效率由2012年第四季度的不到20%增加到2014年初的70%，以與中國海洋中油總公司(CNOOC)合作的Cheseapeake公司為例，其鉆機(jī)搬遷時(shí)間由之前的7.78d降低為3.67d，大幅度地提高了鉆井效率，節(jié)約了成本。

1.2美國頁巖氣鉆井液技術(shù)發(fā)展

在長水平段(1200m左右)的鉆井作業(yè)中，由于頁巖地層裂縫的發(fā)育不僅容易發(fā)生泥頁巖水化膨脹縮徑、垮塌、井漏等諸多問題而產(chǎn)生井下復(fù)雜事故，同時(shí)地層污染的問題、攜巖以及摩阻也同樣非常突出，因此鉆井液性能的好壞將直接影響到儲(chǔ)層保護(hù)的效果、鉆井效率以及井下復(fù)雜事故的發(fā)生率。鑒于以上原因，從鉆井液方面講，井眼清潔技術(shù)、降摩阻技術(shù)以及井壁的穩(wěn)定性技術(shù)等技術(shù)都將成為頁巖氣水平井鉆完井中的關(guān)鍵性技術(shù)；在實(shí)施這些技術(shù)的過程中，同時(shí)將會(huì)面臨巖屑床清除、降摩阻以及井壁穩(wěn)定等難題。美國頁巖氣鉆井液的發(fā)展經(jīng)歷了從最開始的原油基鉆井液發(fā)展到現(xiàn)如今使用的環(huán)保高性能頁巖氣開發(fā)水基鉆井液。美國頁巖氣水平井鉆井主要采用油基鉆井液體系，為了滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求，近年來，Eagleford區(qū)塊大量采用水基鉆井液進(jìn)行水平井的開發(fā)，其類似于油基鉆井液的高性能滿足了頁巖氣水平井的鉆井需要，未來的應(yīng)用前景將十分廣闊。

2 頁巖氣儲(chǔ)層特征和井壁化學(xué)失穩(wěn)機(jī)理

頁巖油氣儲(chǔ)層黏土礦物含量(一般高于20%，有的甚至高達(dá)60%)大大高于常規(guī)油氣儲(chǔ)層(一般小于20%，很多小于10%)，因而水敏性會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)油氣藏。頁巖油氣儲(chǔ)層微孔隙和裂隙往往比較發(fā)育，措施不當(dāng)往往會(huì)造成固液相的大量侵入，堵塞頁巖中游離氣和解吸氣的滲流通道以及影響解吸過程，導(dǎo)致頁巖油氣產(chǎn)量下降，如圖1所示。

圖1 頁巖中游離氣解析擴(kuò)散過程

水或?yàn)V液進(jìn)入后容易破壞泥頁巖膠結(jié)性，破壞其原有的平衡，導(dǎo)致巖石的碎裂，如圖2所示。泥頁巖表面縱橫交織的微裂縫在鉆開井眼后快速開啟，同時(shí)在正向壓差的作用下，鉆井液濾液沿毛細(xì)管和微裂縫侵入泥頁巖內(nèi)部；當(dāng)濾液完全充滿一個(gè)巖塊周圍的微裂縫時(shí)會(huì)對(duì)巖塊完成一次“水力切割”，此時(shí)巖塊便會(huì)與周圍的巖體分開，表現(xiàn)在宏觀上為泥頁巖的剝落掉塊。

圖2 水浸泡頁巖前后的變化情況

圖3 A3H井的鉆井示意圖

因此頁巖氣水平井油基鉆井液應(yīng)具有的性能：①抑制、防塌潤滑；②封堵技術(shù)(封堵微裂縫，井眼加固)；③活度平衡。而頁巖氣水平井水基鉆井液設(shè)計(jì)需要考慮：①對(duì)于黏土礦物含量高，需要考慮水基鉆井液的抑制性；②對(duì)于封堵地層微裂隙需要減少濾液侵入和壓力傳遞；③對(duì)于泥頁巖滲透水化需要降低水基鉆井液水活度；④對(duì)于泥頁巖表面水化，需要改變水基鉆井液表面潤濕性，減少自由水的毛細(xì)管自吸；⑤對(duì)于潤滑和摩阻，需要提高水基鉆井液潤滑能力。

3 美國Eagleford區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井液體系應(yīng)用實(shí)例

3.1油基鉆井液體系在Eagleford區(qū)塊的應(yīng)用

以A3H井為例，鉆井液服務(wù)商為Newpark公司。A3H井的鉆井示意圖如圖3所示，在一開中由于巖屑床以及疏松砂巖問題，鉆井液利用淡水+膨潤土+石灰配制，塑性黏度為35～50mPa·s；二開使用隔離液，用相對(duì)密度為1.26的油基鉆井液頂替水基鉆井液作業(yè)，加入瀝青提高體系降失水性能，合理使用乳化劑提高乳化效果和高溫穩(wěn)定性。?12in井段采用Newpark公司的Gel/PHPA聚合物水基鉆井液體系，水平段?8in井段主要采用Newpark公司的OptiDrill油基鉆井液體系。上述2種鉆井液體系性能如表1所示。

表1 表層和技術(shù)井段鉆井液體系性能

注：Vhthp為高溫高壓濾失量，下同。測試溫度為120℃。

由于考慮了油基鉆井液的重復(fù)利用，使得二開油基鉆井液的累計(jì)費(fèi)用僅為6.472萬美元，費(fèi)用低于高性能水基鉆井液。

3.2高性能水基鉆井液在Eagleford區(qū)塊應(yīng)用

貝克休斯公司2012年8月研發(fā)的LATIDRILL水基鉆井液體系，是一種專為非常規(guī)頁巖氣大位移水平井鉆井設(shè)計(jì)的鉆井液，應(yīng)用在Eagleford和Niobrara區(qū)塊可以提高井眼質(zhì)量，提高鉆井效率，其穩(wěn)定性、鉆進(jìn)速度及性能與油基鉆井液體系相當(dāng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用證實(shí)，LATIDRILL水基鉆井液成本效益與油基鉆井液相當(dāng)，有時(shí)甚至高于油基鉆井液。

LATIDRILL水基鉆井液在Eagleford頁巖氣水平井應(yīng)用情況如表2所示。

一開鉆井液配方為：膨潤土(4000lbs)+堵漏劑MIL-FLUG FINE(825gal)+井眼清潔劑NEW-DRILL(25gal)+井眼清潔劑MD(75gal)+防泥包劑SOAP-STICK(60個(gè))+稀釋劑SAPP。(1lb=0.4536kg，1gal=3.7850L)。

二開增斜段配方為：重晶石(3.85t)+潤滑劑ECCO-LUBE(220gal) +氧化褐煤BIO-LOSE(750lbs) +稀釋劑DRILL THIN(500gal)+聚陰離子纖維素MILPAC(1850lbs)+KOH(750lbs)+堵漏劑LD-9(10gal)+多功能添加劑LATI-BASE(2000lbs) +穩(wěn)定井壁潤滑劑LATI-MAGIC(3000lbs)+潤滑提速劑LATIRATE(1250gal)。

二開水平段配方為：重晶石(3.72t)+潤滑劑ECCO-LUBE(330gal)+氧化褐煤BIO-LOSE(1750lbs)+稀釋劑DRILL-THIN 450lbsDRILL-ZAND(1000lbs)+KOH(1000lbs)+堵漏劑LD-9(10gal)+多功能添加劑LATI-BASE(2000lbs)+穩(wěn)定井壁潤滑劑LATI-MAGIC(60000lbs)+潤滑提速劑LATIRATE(2250gal)。

堵漏材料為：MIL-CARB(碳酸鈣)、堵漏劑CHEK-LOSS、片狀碳酸鈣SOLUFLAKE、LC LUBE(石墨堵漏潤滑劑)、LD-9/LD-8、檸檬酸鈉、Black Magic SFT(碳酸鋅)。

該水基鉆井液特征與優(yōu)勢表現(xiàn)在LATIDRILL所含成分可以防止頁巖膨脹，防止井眼擴(kuò)大，從而保證整個(gè)井筒完整性。由于井壁穩(wěn)定，作業(yè)商可以鉆進(jìn)更遠(yuǎn)更快，擴(kuò)大井眼與儲(chǔ)層接觸，最大程度地提高產(chǎn)能。與油基鉆井液相比，該水基體系產(chǎn)生的循環(huán)和井底溫度比油基體系低，從而提高井下鉆井工具的可靠性，并延長工具壽命，單口井水基鉆井液費(fèi)用在19萬美元左右。

表2 LATIDRILL水基鉆井液在Eagleford頁巖氣水平井應(yīng)用情況

注：μp為塑性黏度;τ為動(dòng)切力;VAPI為API濾失量。

4 結(jié)論

1)現(xiàn)有美國Eagleford頁巖氣鉆井通過使用井工廠、流水線鉆井模式和“自行”便攜式鉆機(jī)以及配套的鉆井液技術(shù)使得鉆井的工期和費(fèi)用大幅度降低。

2)油基鉆井液體系基本上可以適用于所有頁巖氣地層，在環(huán)保允許的條件下，頁巖氣鉆井可優(yōu)先考慮使用油基鉆井液。

3)廣泛使用油基鉆井液可減少鉆井復(fù)雜事故發(fā)生，由于油基鉆井液的重復(fù)利用性好，總體上節(jié)約了鉆井成本。

4)對(duì)于環(huán)境要求嚴(yán)苛的頁巖氣區(qū)塊，采用高性能水基鉆井液進(jìn)行勘探開發(fā)，可解決環(huán)保問題。

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[編輯] 帥群

TE254

A

1673-1409(2017)19-0053-04

2016-10-20

杜玉寶(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油及煤層氣鉆井技術(shù)研發(fā)與設(shè)計(jì)工作，duyb3@cnooc.com.cn。

[引著格式]杜玉寶，朱磊.美國Eagleford區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(19):53～56.