高效環(huán)保型頁巖氣開發(fā)水基鉆井液體系研究

李 林 黃文章 向 林 李 敏 鄧 磊 朱力敏 沈 麗

高效環(huán)保型頁巖氣開發(fā)水基鉆井液體系研究

李 林1黃文章1向 林1李 敏1鄧 磊1朱力敏1沈 麗2

1.重慶科技學院化學化工學院 2.重慶大學化學化工學院

目前在頁巖氣水平段鉆井過程中常用油基鉆井液,但存在一系列環(huán)保問題。因此,有必要研究出一種可替代油基鉆井液的高效環(huán)保型水基鉆井液體系。針對涪陵礁石壩區(qū)塊龍馬溪-五峰組頁巖氣地層的實際情況,通過老化前后流變性、高溫膨脹率、滾動回收率、常溫中壓失水、高溫高壓失水以及極壓潤滑摩阻系數(shù)等實驗,以KCl和甲酸鈉為抑制劑、準納米顆粒與新型Soltex復(fù)配、高效潤滑劑與乳化劑復(fù)配,研制出一種強抑制性、強封堵和良好潤滑性的高效環(huán)保型水基鉆井液體系。性能評價結(jié)果表明,該體系膨脹率為5.12%、FLAPI為1.6 m L、FLHTHP為4.8 m L、Kf為0.14,能夠滿足水平段泥頁巖地層鉆進的要求。

頁巖氣 水基鉆井液 強抑制 強封堵 良好潤滑性

由于油基鉆井液對環(huán)境不友好和成本高等問題,制約了油基鉆井液的使用。因此,國內(nèi)外技術(shù)人員針對頁巖氣水平井鉆井的技術(shù)難題和環(huán)保要求,力求研發(fā)出一種可替代油基鉆井液的高效水基鉆井液[1-2],如斯倫貝謝M-I公司水基鉆井液體系[3-4]、哈里伯頓公司水基鉆井液體系[5]、貝克休斯的高性能水基鉆井液體系[6]、美國Newpark公司的新型水基鉆井液體系[7-8]以及我國中國石油研制的CQH-M1和DRHPW-1兩套頁巖氣水基鉆井液體系[9],其中一些鉆井液技術(shù)已在水平井上成功應(yīng)用。但目前在涪陵焦石壩區(qū)塊尚無使用水基鉆井液鉆井成功的案例。

涪陵焦石壩區(qū)塊龍馬溪-五峰組主要為硬脆性泥頁巖,微裂縫和層理發(fā)育,而目前使用的聚合物KCl鉆井液體系在抑制性、封堵性等方面無法滿足水平井鉆井的需求[10]。因此,需要研制出一種強抑制性、強封堵和良好潤滑性的高效環(huán)保型水基鉆井液體系,用于涪陵焦石壩區(qū)塊龍馬溪-五峰組泥頁巖的鉆進。在基本配方的基礎(chǔ)上,對抑制劑和降濾失劑進行優(yōu)選,研制出一套高效水基鉆井液體系,室內(nèi)評價了該體系的熱穩(wěn)定性、抑制性、封堵性和潤滑性。

1 高效水基鉆井液的研制

1.1 高效水基鉆井液的研制思路

(1)密度設(shè)計范圍。根據(jù)涪陵礁石壩區(qū)塊龍馬溪-五峰組頁巖氣地層的實際情況,研發(fā)出與現(xiàn)階段油基鉆井液體系的密度相當、范圍在1.3～1.5 g/cm3的鉆井液體系,可以有效地防止地層的垮塌。

(2)強泥頁巖抑制性。通過開展大量膨脹率、滾動回收率實驗,使體系對龍馬溪-五峰組泥頁巖具有很好的抑制性。

(3)良好的封堵能力。采用準納米顆粒與新型Soltex結(jié)合的封堵體系,可以有效降低水基鉆井液體系濾失量,防止濾液進入地層,造成井壁的應(yīng)力垮塌。

(4)良好的降摩阻效果。在體系中加入高效潤滑劑,大大降低了鉆井液體系的摩阻,防止卡鉆的情況出現(xiàn)。

1.2 泥頁巖抑制劑的優(yōu)選

絮凝實驗是評價抑制劑對黏土水化分散抑制作用最直觀的評價手段之一,絮凝物界面的高度越低,表明絮凝效果越好,抑制劑對黏土的抑制作用也越好。KCl、甲酸鈉、CaCl2和硅酸鉀的絮凝實驗見圖1。

從圖1可看出,1#樣品沒有絮凝現(xiàn)象,2#樣品絮凝量小于5 m L,3#樣品略低于5 m L,4#樣品在6 m L左右,5#樣品在9 m L左右。在這4種抑制劑中,KCl絮凝效果最佳,其次是甲酸鈉。因此,本實驗選用KCl和甲酸鈉為體系的抑制劑。

1.3 降濾失劑的優(yōu)選

實驗選用在水基鉆井液中常用的具有良好效果的降濾失劑進行優(yōu)選,實驗結(jié)果見圖2。

基本配方:清水+0.6%(w)膨潤土 +1%(w)NaOH+0.8%(w)HZ-01(護膠劑)+5%(w)HW-01(穩(wěn)定劑)+降濾失劑+8%(w)HR-01(封堵劑)+8%(w)防卡潤滑劑+2%(w)乳化劑+2%(w)超細CaCO3+12%(w)KCl+11%(w)甲酸鈉+重晶石(ρ=1.2 g/cm3)。

從圖2可看出,準納米顆粒與新型Soltex復(fù)配使用時,鉆井液濾失量明顯降低。其中,HJ-01的降濾失量效果最佳。因此,本實驗選用HJ-01為體系的降濾失劑,加量為7%(w)。

2 高效水基鉆井液體系的性能評價

2.1 高效水基鉆井液體系的配方

在基本配方的基礎(chǔ)上,對抑制劑和降濾失劑進行優(yōu)選,最終得到高效水基鉆井液體系,其配方為:水+0.6%(w)膨潤土+1%(w)NaOH+0.8%(w)HZ-01(護膠劑)+5%(w)HW-01(穩(wěn)定劑)+7%(w)HJ-01(降濾失劑)+8%(w)HR-01(封堵劑)+8%(w)防卡潤滑劑+2%(w)乳化劑+2%(w)超細CaCO3+12%(w)KCl+11%(w)甲酸鈉+重晶石。

2.2 熱穩(wěn)定性

高效鉆井液體系的熱穩(wěn)定性性能見表1。從表1可知,優(yōu)選出的抑制劑、降濾失劑和體系中的其他處理劑有很好的復(fù)配性。高效水基鉆井液在室溫下具有較好的流變性能和較低的濾失量,在130℃下老化后,其表觀黏度、塑性黏度和動切力都略有降低,濾失量基本沒有變化,說明高效水基鉆井液的熱穩(wěn)定性良好。

表1 高效水基鉆井液體系的基本性能(130℃滾動16 h)Table 1 Basic performances of high efficient water-based drilling fluid system(130℃,rolling for 16 h)

2.3 抑制性能評價

2.3.1 高溫高壓膨脹性分析

實驗選用龍馬溪-五峰組露頭頁巖和膨潤土作巖樣,使用HTP-3A型高溫高壓泥頁巖膨脹儀分別測量巖樣在油基鉆井液、KCl聚磺鉆井液和高效水基鉆井液的膨脹率,結(jié)果見表2。

表2 3種鉆井液體系的高溫高壓膨脹率數(shù)值Table 2 High temperature and high pressure expansion rate of three kinds of drilling fluid systems

從表2可看出:兩種巖心在3種鉆井液體系中都具較低的膨脹性;KCl聚磺鉆井液體系的膨脹率明顯高于油基鉆井液體系和高效水基鉆井液體系的膨脹率;高效水基鉆井液體系與油基鉆井液體系的膨脹率差別不大。

2.3.2 巖屑滾動回收率分析

取龍馬溪-五峰組露頭2.00～3.35 mm頁巖樣品40 g,在120℃的條件下,使用HGRL-4A型變頻高溫滾子加熱爐進行滾動回收率實驗。熱滾16 h后,過0.425 mm篩,稱量回收巖屑質(zhì)量,測量其滾動回收率,實驗結(jié)果見表3。

表3 3種鉆井液體系的滾動回收率Table 3 Rolling recovery of three kinds of drilling fluid systems

從表3可看出,龍馬溪-五峰組露頭頁巖在清水和3種鉆井液體系中基本沒有水化,滾動前后巖屑質(zhì)量變化極小,說明龍馬溪-五峰組露頭頁巖水化膨脹能力很低。

通過表2和表3的實驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn),高效水基鉆井液體系能夠有效地抑制泥頁巖的水化分散,有利于井壁穩(wěn)定,能滿足頁巖氣鉆井時所需強抑制性的要求。

2.4 封堵性和潤滑性評價

2.4.1 濾失封堵性分析

高效水基鉆井液體系選用準納米顆粒與新型Soltex復(fù)配使用的封堵體系,通過對KCl聚磺鉆井液體系和高效水基鉆井液體系所形成的濾餅進行電鏡掃描(見圖3和圖4)評價高效水基鉆井液體系的封堵性能。

通過對比圖3和圖4,可看出高效水基鉆井液體系是通過不同粒徑的剛性顆粒和塑性顆粒來封堵濾餅的微裂縫,并致密填充。從圖2可看出,高效水基鉆井液體系的常溫中壓失水量僅有1.6 m L,高溫高壓失水量也只有4.8 m L。說明該體系封堵效果非常好,能滿足頁巖氣鉆井時所需強封堵的要求。

2.4.2 潤滑性分析

體系中加入高效潤滑劑,可在鉆具表面形成憎水膜,同時乳化劑起協(xié)同作用,有效降低了體系的摩阻。使用EP-B型極壓潤滑儀評價了高效水基鉆井液體系的潤滑性,實驗結(jié)果見表4。

表4 高效水基鉆井液體系的摩阻系數(shù)Table 4 Friction coefficient of high efficient water-based drilling fluid system

從表4可看出,高效水基鉆井液體系的摩阻系數(shù)＜0.15,達到頁巖氣鉆井時所需潤滑性的要求。

3 結(jié)論

(1)通過分析涪陵礁石壩區(qū)塊龍馬溪-五峰組頁巖氣地層的實際情況,有針對性地研制出一套高效水基鉆井液體系,其配方為:水+0.6%(w)膨潤土+1%(w)Na OH+0.8%(w)HZ-01(護膠劑)+5%(w)HW-01(穩(wěn)定劑)+7%(w)HJ-01(降濾失劑)+8%(w)HR-01(封堵劑)+8%(w)防卡潤滑劑+2%(w)乳化劑+2%(w)超細CaCO3+12%(w)KCl+11%(w)甲酸鈉+重晶石。

(2)室內(nèi)實驗評價表明:高效水基鉆井液體系具有以下特征:①接近于油基鉆井液體系的強抑制性;②較好的熱穩(wěn)定性,熱滾前后體系性能變化不大,熱滾后FL(API)僅有1.4 m L;③強封堵性,FL(API)=1.6 m L、FL(HTHP)=4.8 m L;④良好的潤滑性,Kf=0.14;因此,高效水基鉆井液能滿足頁巖氣鉆井的基本要求。

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Study of water-based drilling fluid system with high efficiency and environment-friendly for shale gas development

Li Lin1,Huang Wenzhang1,Xiang Lin1,Li Min1,Deng Lei1,Zhu Limin1,Shen Li2
1.Chemistry and Chemical Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing,China;2.Chemistry and Chemical Engineering,Chongqing University,Chongqing,China

At present,oil-based drilling fluids are commonly used in the drilling process of shale gas,but there are a series of environmental problems of oil-based drilling fluids.Therefore,it is necessary to develop an efficient and environmental friendly water-based drilling fluid system which can replace oil-based drilling fluid.In this paper,aiming at the actual situation of shale gas strata in Longmaxi-Wufeng Formation of Fuling reef dam block,the experiments,such as rheological property,high temperature expansion rate,rolling recovery rate,normal temperature medium pressure water loss,high temperature high pressure water loss and extreme pressure lubrication friction coefficient were carried out before and after aging,then using KCl and sodium formate as inhibitors,compounding quasi-nano-particles with the new soltex,and compounding efficient lubricant with emulsifier compound,a efficient environment-friendly water base drilling fluid system with strong inhibitory,strong sealing and good lubrication was developed.The performance evaluation results show that the expansion rate is 5.12%,FL(API)=1.6 m L,FL(HTHP)=4.8 m L,Kf=0.14,which can meet the requirement of horizontal shale formation drilling.

shale gas,water-based drilling fluid,strong inhibition,strong sealing,good lubrication

重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新計劃項目“高效環(huán)保型頁巖氣開發(fā)水基鉆井液體系研究”(YKJCX1620505)。

李林(1991-),男,在讀碩士研究生,主要從事油氣田應(yīng)用化學方面的研究。E-mail:295022312@qq.com

TE254

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.013

2017-04-15;編輯:馮學軍