強封堵油基鉆井液體系的研究和應(yīng)用

唐國旺， 宮偉超， 于培志

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

強封堵油基鉆井液體系的研究和應(yīng)用

唐國旺， 宮偉超， 于培志

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

基于頁巖氣井水平段易失穩(wěn)，油基鉆井液漏失將會造成巨大的經(jīng)濟損失，因此水平段對油基鉆井液體系的性能要求越來越高。針對以上問題，通過正交試驗研制了一種新型的強封堵油基鉆井液體系，室內(nèi)試驗證明該體系具有良好的抗污染性、乳化穩(wěn)定性、失水量低、流變性好、粘度和切力適中。焦頁195-1HF井的現(xiàn)場應(yīng)用和與鄰井焦頁200-1HF井等數(shù)口井的對比，強封堵油基鉆井液體系的應(yīng)用大大降低了漏失風(fēng)險和漏失成本，節(jié)省了11 d的工期，在頁巖氣開采中具有良好的應(yīng)用前景。

頁巖氣井；油基鉆井液；強封堵；堵漏

0 引言

隨著頁巖氣的快速發(fā)展，油基鉆井液也迎來了新的發(fā)展機遇；油基鉆井液由于獨特的抗高溫、井壁穩(wěn)定、潤滑性能好、摩阻低、對油氣層的傷害小、可循環(huán)利用等優(yōu)點，在越來越多的頁巖氣水平井段得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但油基鉆井液的高成本也對其自身提出了很高的要求，防止油基鉆井液的漏失是降低成本的首要問題。因此，研制一種強封堵性油基鉆井液體系就變的至關(guān)重要[2-4]。

由于被探明的國內(nèi)頁巖氣區(qū)塊越來越多，頁巖氣的商業(yè)開發(fā)越來越深入，降低井內(nèi)油基鉆井液漏失量將會大大降低鉆井成本。油基鉆井液堵漏問題是鉆井的首要問題，目前國內(nèi)大多數(shù)堵漏材料都是水基堵漏材料，與油基鉆井液體系不具有良好的配伍性，通常會破壞油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性。筆者通過室內(nèi)研究，確定了一批油基堵漏材料，通過現(xiàn)場應(yīng)用證明了其良好的配伍性和封堵性。

重慶市南川區(qū)平橋北區(qū)塊龍馬溪組龍三段厚 220 m，巖性為灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖；龍二段厚 50 m，巖性為深灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、含灰泥巖；龍一段厚 115 m，巖性為灰黑色頁巖、硅質(zhì)頁巖，下部富含筆石；該地層易發(fā)生鉆井事故，要注意防漏、防塌、防噴[5-7]。同時鄰井經(jīng)常出現(xiàn)井漏事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失，嚴重延誤了施工工期，對順利開采帶來了諸多問題，解決井漏問題變的至關(guān)重要；因此研制了一種強封堵油基鉆井液體系，有效地解決了該區(qū)塊的井漏問題；現(xiàn)場應(yīng)用(與鄰井對比)取得了良好的應(yīng)用效果[8-11]。在同一鉆井平臺上節(jié)約了工期11 d，降低了數(shù)百萬的鉆井成本。

1 試驗儀器及材料

1.1 試驗儀器

雙葉片高速攪拌機，青島海通達專用儀器廠；六速旋轉(zhuǎn)粘度計，青島海通達專用儀器廠；電穩(wěn)定性測定儀，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓濾失儀器，青島海通達專用儀器廠。

1.2 試驗材料

主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、有機土、降失水劑，河南龍翔化學(xué)試劑有限公司提供；CaO、CaCl2，北京奧利提供；柴油，市售；水，北京市海淀區(qū)自來水；重晶石粉，工業(yè)級。

2 體系配方的優(yōu)選

2.1 油水比的確定

油基鉆井液具有良好的穩(wěn)定性、流變性、抗溫性能，然而油水比對它的這些性能有著較大影響，如圖1所示。不同油水比老化后的性能表明，隨著油水比的增加，破乳電壓ES升高，濾失量增大，表觀粘度和塑性粘度降低。油水比=70/30時，破乳電壓>600 V。綜合考慮油基鉆井液的成本、破乳電壓、失水量問題，確定體系的最佳油水比=70/30。

圖1 油水比對鉆井液性能的影響

2.2 主要處理劑的優(yōu)化

以基本配方為基礎(chǔ)，測定熱滾后的各項性能，采用五因素三水平正交試驗設(shè)計[11-14]，以鉆井液體系的塑性粘度PV、動切力YP、動塑比YP/PV、高溫高壓濾失量FLHTHP和破乳電壓ES為指標，優(yōu)選出最佳配方。五優(yōu)化因子：主乳化劑，輔乳化劑，潤濕劑，有機土，降濾失劑。正交實驗設(shè)計的因素與水平見表1所示。

按照五因素三水平正交試驗的規(guī)則，選取18組鉆井液組成配方，經(jīng)過 150 ℃、16 h、1.60 g/cm3、油/水=70/30老化后性能測定結(jié)果見表2所示。

表1 鉆井液體系優(yōu)化因素與水平 %

表2 老化后正交試驗相關(guān)數(shù)據(jù)

通過正交試驗分析確立最優(yōu)配方為：2.5%主乳化劑+1.5%輔乳化劑+1%潤濕劑+3%有機土+2.5%降失水劑+2%CaO+25%CaCl2水溶液+重晶石(密度為1.6 g/cm3)；測定最優(yōu)配方的性能如表3所示。

表3 最優(yōu)配方老化前后的性能

通過表3可以看出，最優(yōu)配方配制的油基鉆井液流變性良好，粘度和切力適中，破乳電壓>600 V，遠遠大于施工要求的400 V；失水量僅為2.8 mL，總體性能都滿足了現(xiàn)場施工要求。

2.3 強封堵油基鉆井液體系封堵劑的研究

頁巖氣水平段井況比較復(fù)雜，根據(jù)水平段的井壁坍塌機理，在油基鉆井液體系的基礎(chǔ)上進行了封堵性研究，通過在油基鉆井液體系中加入高軟化點乳化瀝青、隨鉆堵漏劑、柔性堵漏劑和剛性堵漏劑等封堵材料形成了一套防塌、防漏、防溢流的強封堵油基鉆井液體系。研究顯示封堵材料具有良好的封堵效果，能夠有效地封堵頁巖小裂縫，降低油基鉆井液的失水量和滲透性消耗。各種封堵劑的種類和功能如表4所示。

表4 封堵劑的種類和功能

室內(nèi)評價各種單劑和油基鉆井液體系單獨作用時的配伍性。確定其是否會破壞油基鉆井液體系的穩(wěn)定性，試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

將封堵材料按照一定比例(乳化瀝青∶剛性堵漏劑∶隨鉆堵漏劑∶柔性堵漏劑=1∶1∶2∶0.5)加入到油基鉆井液體系中，具體配方為：2.5%主乳化劑+1.5%輔乳化劑+1%潤濕劑+3%有機土+2.5%降失水劑+2%CaO+25%CaCl2水溶液+重晶石(密度為1.6 g/cm3)+1%乳化瀝青+1%剛性堵漏劑+2%隨鉆堵漏劑+0.5%柔性堵漏劑。由該配方配制的強封堵油基鉆井液體系現(xiàn)場得到了有效的應(yīng)用，表6是井漿的性能和加入封堵劑后(強封堵油基鉆井液體系)井漿的性能。

2.4 強封堵油基鉆井液體系抗污染性能的研究

表5 封堵劑單獨作用時的配伍性及效果

表6 井漿和加3%復(fù)合堵漏劑后的強封堵油基鉆井液體系性能

針對龍馬溪組地層特點，本地層油基鉆井液主要受到巖屑和水的污染，為此采用龍馬溪組巖屑和南川地下水評價了強封堵油基鉆井液的抗水污染和抗巖屑污染能力。評價結(jié)果如表7和表8所示。

表7 強封堵油基鉆井液體系抗水污染試驗結(jié)果

由表7、表8可知，隨著水的增加破乳電壓略有下降，當(dāng)水的侵入量為15%時，此時油水比為65/35，破乳電壓為489 V，仍然大于最低要求的破乳電壓400 V；粘度和切力都略有上升，但是流變性依舊很穩(wěn)定，說明此時的強封堵油基鉆井液體系仍然滿足施工要求，抗水侵能力優(yōu)異。同時隨著鉆屑含量的增加，粘度和切力都有所上升，破乳電壓基本穩(wěn)定，失水量略有增加；但是總體都可以滿足施工要求，說明強封堵油基鉆井液體系抗巖屑污染能力強。上述試驗說明強封堵油基鉆井液體系具有良好的抗水侵和巖屑污染能力。

表8 強封堵油基鉆井液體系抗巖屑污染試驗結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 強封堵油基鉆井液現(xiàn)場配制

(1)油相配制：根據(jù)泥漿罐配制泥漿油水總體積量，按照配方設(shè)計計算柴油以及其他處理劑的加量，將柴油打入泥漿罐中，打開攪拌器進行攪拌，按照比例依次加入主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、降濾失劑、有機土和生石灰等化學(xué)處理劑，每種處理劑添加速度控制在2～3袋/min，每種物料加完后攪拌0.5～1 h，生石灰加完后攪拌2 h。

(2)油基鉆井液密度調(diào)控：用配漿漏斗加入所需的重晶石，達到設(shè)計密度。配制過程中根據(jù)油基鉆井液量及基液密度精確計算重晶石用量，并均勻攪拌。

(3)油水混合：根據(jù)油水室內(nèi)研究的比例，將配置好的水溶液注入柴油中，加完后盡量長時間攪拌。并隨時觀察監(jiān)測體系性能。

(4)封堵劑的加入：在油基鉆井液正常開鉆后，直接向井漿中均勻加入堵漏材料，控制在每5 min加入一袋(桶)。同時堵漏材料要交叉加入，避免一種堵漏材料加完之后加入另外一種。

3.2 強封堵油基鉆井液現(xiàn)場維護

(1)密度控制。通過加入柴油降低密度、離心機除去固相降低其含量的方式降低密度。提高鉆井液密度可以通過重晶石增加鉆井液密度。

(2)流變性調(diào)控。①降低油水比，或者增加水溶液含量；通過加入增粘劑增大親油增粘劑等親油膠體的含量；加入重晶石等材料也可以增加切力，在采取上敘措施時，要及時加入乳化劑和潤濕劑。②增大油水比，或者利用固控設(shè)備及時清除鉆屑，可以有效降低切力。

(3)濾失量調(diào)控方法。濾失量增大，可能是油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性受到破壞導(dǎo)致濾失量增大，通過及時補充乳化劑，可以有效提高井漿的穩(wěn)定性。

(4)乳化穩(wěn)定性調(diào)控。通過添加乳化劑和潤濕劑調(diào)節(jié)油基鉆井液的穩(wěn)定性，并注意及時調(diào)整油水比，高油水比也可以增加油基鉆井液乳化穩(wěn)定性。

(5)堿度。石灰是主要調(diào)節(jié)油基鉆井液堿度的材料，正常鉆進過程中堿度控制在 1.5～2.5，在鉆井過程中，如果堿度降低需要及時補充石灰，保證堿度在正常范圍內(nèi)。

(6)油水比的調(diào)整。根據(jù)檢測油水比情況進行調(diào)整。

(7)隨著水平位移的增加，巖屑攜帶難度增加，可以通過補充提切劑進一步提高鉆井液粘度和切力。為保證井眼清潔，可采取 2柱一短起，4柱一長起的方式，保持井眼暢通。

(8)完鉆前調(diào)整鉆井液性能保持穩(wěn)定，如有必要，可采取倒劃眼的方式，確保完井作業(yè)的順利實施。

3.3 應(yīng)用效果

焦頁200-1HF井于2017年2月16—23日期間共進行多次承壓堵漏，累積漏失鉆井液超過200 m3，延誤了工期，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

焦頁195-1HF井通過使用強封堵油基鉆井液體系，鉆井過程中沒有出現(xiàn)惡性漏失，通過與焦頁200-1HF井對比縮短了工期11 d，節(jié)約了成本數(shù)百萬，如表9所示。鉆井過程中在4456 m龍馬溪組出現(xiàn)一定的漏失，大約每小時漏失4m3。通過增加封堵劑的加量，得到了良好的封堵效果，阻止了漏失的發(fā)生。

表9 焦頁195-1井和焦頁200-1井施工情況對比

強封堵油基鉆井液體系在焦頁195-1HF井的應(yīng)用表明，強封堵油基鉆井液體系成本降低顯著，油水比控制在70/30～80/20，破乳電壓穩(wěn)定在500～1300 V，失水量控制2 mL以下，粘度和切力合適，粘度控制在25～45 mPa·s，切力控制在5～15 Pa，均符合設(shè)計要求，具有良好的應(yīng)用效果。同時鉆井過程中攜巖效果好，每日進尺200多米，日消耗鉆井液10 m3左右；不僅降低了漏失風(fēng)險，出現(xiàn)漏失時通過增加封堵劑的加量有效地預(yù)防了漏失，降低了漏失成本。

4 結(jié)論

(1)通過正交試驗優(yōu)化出了一套油基鉆井液體系，通過添加一定比例的封堵劑形成了一套強封堵油基鉆井液體系，該體系通過現(xiàn)場應(yīng)用和鄰井的對比體現(xiàn)了優(yōu)異的性能。

(2)強封堵油基鉆井液體系具有良好的流變性，潤滑性能優(yōu)異，抗污染效果好，破乳電壓穩(wěn)定且越用越好；高溫高壓失水量小，非常符合頁巖氣水平井的開采。

(3)應(yīng)用強封堵油基鉆井液，通過與焦頁200-1HF井對比，強封堵油基鉆井液有效地降低了施工工期11天，避免了惡性漏失，降低了數(shù)百萬的成本。

(4)為了進一步降低頁巖氣開采成本，應(yīng)該針對不同區(qū)塊開展更多的關(guān)于油基鉆井液堵漏的研究，推進油基鉆井液的快速發(fā)展，為頁巖氣的開采提供技術(shù)保障。

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ResearchandApplicationofStrongPluggingOil-basedDrillingFluidSystem

/TANGGuo-wang,GONGWei-chao,YUPei-zhi

(School of Engineering and Technology, China University of Geoscience 〈Beijing〉, Beijing 100083, China)

Due to the instability of shale gas horizontal well, oil-based drilling fluid leakage will cause a great economic loss; so the property requirement of oil-based drilling fluid system is higher and higher. In view of the above issues, a new type of strong plugging oil-based drilling fluid system has been developed by orthogonal test; the laboratory tests show that this system has excellent stain resistance, emulsifying stability, low fluid loss, good rheology, moderate viscosity and shear force. By the application of strong plugging oil-based drilling fluid system, well Jiaoye195-1HF shows that the leakage risk and loss cost are greatly reduced compared to well Jiaoye200-1HF which used common drilling fluid and several other wells; in this circumstance, 11 days are saved; this strong plugging drilling fluid system has good application prospect.

shale gas well; oil-based drilling fluid; strong plugging; leaking stoppage

2017-06-28；

2017-08-28

中國博士后科學(xué)基金項目“適用于頁巖氣水平井水基鉆井液技術(shù)研究”(編號：H29216)

唐國旺，男，漢族，1991年生，在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，從事油基鉆井液方面的研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號，986732206@qq.com。

于培志，男，漢族，1961年生，教授，從事鉆井液及油田化學(xué)處理劑的研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號，yupz@cugb.edu.cn。

P634；TE254

A

1672-7428(2017)11-0021-05