適用于頁巖氣井的強抑制防塌高性能水基鉆井液體系

陳庚緒，劉奧，王茜，曾東初，嚴康

（長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100）

0 引言

頁巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源，近年來已成為眾多石油科研工作者研究的熱點。威遠區(qū)塊是我國目前大力投入開發(fā)的三大頁巖區(qū)塊之一，區(qū)塊內的M井區(qū)以淺層水平井為主，儲層段巖樣黏土礦物質量分數在30%以上，水敏性較強；頁巖壓實程度較高，結構致密，且發(fā)育微裂縫，在鉆井過程中極易發(fā)生井壁失穩(wěn)、垮塌等復雜情況。前期一直采用油基鉆井液鉆進，而油基鉆井液普遍存在鉆屑含油量高、處理費用高昂等缺點，并且隨著近年來環(huán)保壓力的增大，急需開發(fā)性能優(yōu)良的水基鉆井液來適應頁巖氣井鉆井作業(yè)的需要［1-6］。為此，筆者通過關鍵處理劑的評價及優(yōu)選，并配合其他處理劑，形成了一套適合于頁巖氣井的強抑制防塌高性能水基鉆井液體系，為高性能水基鉆井液的進一步研究和發(fā)展提供了一定技術支持。

1 作用機理

強抑制防塌高性能水基鉆井液主要由強抑制劑、高效鋁基微納米聚合物封堵劑、高效潤滑劑、降濾失劑以及輔助處理劑構成。該鉆井液體系的主要處理劑為新型陽離子復合抑制劑DY-Ⅱ，其是一種陽離子聚合物和硅酸鹽的復合物。由于在陽離子聚合物分子鏈中引入了胺基等官能團，使DY-Ⅱ能夠很好地進入黏土晶層間隙，通過吸附和離子交換作用使黏土上下晶層緊密地結合在一起，從而有效阻止黏土晶層吸水產生膨脹；考慮到一般抑制劑的抑制能力往往會隨著頁巖中蒙脫石質量分數的增加而減弱，而硅酸鹽的抑制能力不受蒙脫石質量分數的影響；通過陽離子聚合物和硅酸鹽的協(xié)同作用，使黏土顆粒表面能夠形成牢固的吸附層，發(fā)揮出強烈的抑制黏土水化作用。

高效鋁基微納米聚合物封堵劑是由微米級和納米級鋁基聚合物復合而成的，其進入地層后能夠沉積在頁巖孔喉內，形成一種物理屏蔽封堵區(qū)域，達到封堵頁巖儲層微裂縫以及增強井壁穩(wěn)定性的目的。強抑制防塌高性能水基鉆井液體系具有強抑制性、強封堵性、強潤滑性等特點，能夠有效防止頁巖氣水平井鉆井施工過程中的井壁失穩(wěn)等問題［7-10］。

2 關鍵處理劑的評價與優(yōu)選

2.1 抑制劑DY-Ⅱ

針對頁巖氣水平井鉆井過程中對鉆井液的抑制性要求較高，結合不同抑制劑的作用機理，研制出了一種新型陽離子復合抑制劑 DY-Ⅱ［11-14］。

2.1.1 抑制黏土造漿實驗

分別在清水、不同質量分數的DY-Ⅱ水溶液、7%KCl水溶液中加入5%膨潤土，高速攪拌20 min，在70℃下滾動老化16 h，使用六速旋轉黏度計分別測定其600轉讀數；然后再加入5%膨潤土，重復上述操作，直至測定黏度超出量程為止。實驗結果見圖1。由圖1可知：7%KCl水溶液中加入55%膨潤土后，600轉讀數達到270左右；而1.0%，1.5%，2.0%的DY-Ⅱ水溶液中加入55%膨潤土后，600轉讀數在60以下，說明DY-Ⅱ具有較強的抑制黏土造漿的能力。

圖1 抑制黏土造漿實驗結果

2.1.2 滾動回收率實驗

將目標井區(qū)儲層段泥頁巖鉆屑過6～10目篩后，稱取40g分別加入清水、不同質量分數的DY-Ⅱ水溶液、7%KCl水溶液中，在120℃下滾動老化16 h，測定鉆屑滾動回收率。實驗結果見表1。

表1 滾動回收率實驗結果

由表1可知，當水溶液中DY-Ⅱ的質量分數達到1.5%時，鉆屑的滾動回收率可以達到90%以上，說明DY-Ⅱ能夠較好地抑制鉆屑水化分散，從而可以有效防止井壁失穩(wěn)現象的發(fā)生。

2.2 封堵劑

將不同封堵劑加入基漿中，在120℃下老化16 h后，使用高溫高壓濾失儀分別測定不同封堵配方的濾失體積（V）隨時間（t）的變化情況。實驗溫度為120℃，壓差為3.5 MPa。實驗結果見圖2和表2。基漿配方為：3%膨潤土+0.8%PAC-LV+3%抗溫耐鹽型降濾失劑+3%KCl+重晶石。

圖2 加入不同封堵劑后濾失體積隨時間的變化情況

表2 加入不同封堵劑后高溫高壓濾失量和濾失速率

由以上實驗結果可知，基漿中加入不同的封堵劑后，濾失量和濾失速率均有不同程度的降低。基漿+4%鋁基微納米聚合物封堵劑AY-2的高溫高壓濾失量和濾失速率最小，所以選擇AY-2作為鉆井液體系的封堵劑。

2.3 潤滑劑

在基漿（配方同2.2）中加入不同的潤滑劑，采用EP極壓潤滑儀測定極壓潤滑系數，實驗結果見表3。實驗結果表明：RSJ-1的極壓潤滑系數最小，與基漿相比，潤滑系數降低率達60.42%。所以，選擇RSJ-1作為鉆井液體系的潤滑劑。

表3 潤滑劑優(yōu)選實驗結果

3 鉆井液體系性能評價

3.1 綜合性能

基于新型陽離子復合抑制劑DY-Ⅱ為主要處理劑，結合封堵劑和潤滑劑的優(yōu)選評價，研制出一套適合于頁巖氣井的強抑制防塌高性能水基鉆井液體系，并對體系的綜合性能進行了評價，實驗結果見表4。其中，體系配方為：（0.2%～0.5%）膨潤土+0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+（0.5%～0.8%）PAC-LV+（2%～4%）抗溫耐鹽型降濾失劑+（3%～5%）AY-2+（1.0%～2.0%）DY-Ⅱ+（1%～3%）RSJ-1+（8%～10%）復合無機鹽+（1%～2%）表面活性劑+重晶石。從表4可以看出，該體系具有較好的流變性、較低的濾失量，在不同溫度下老化后流變性能穩(wěn)定，具有良好的抗溫性。

3.2 抑制性和潤滑性

研制的強抑制防塌高性能水基鉆井液體系，抑制性較強，頁巖滾動回收率、16 h線性膨脹率和現場油基鉆井液相近，能夠有效抑制頁巖水化膨脹，有利于井壁穩(wěn)定；加入優(yōu)選的潤滑劑RSJ-1后，該體系具有良好的潤滑性，能夠滿足頁巖氣水平井長水平段鉆井的需要（見表5）。

表4 強抑制防塌高性能水基鉆井液綜合性能

表5 抑制性和潤滑性評價結果

3.3 封堵性

使用高溫高壓滲透性封堵儀PPT（Fann公司）評價鉆井液體系的封堵性，選用的過濾介質為500×10-3μm2的陶瓷濾盤（孔喉直徑為 8 μm），在 120℃，3.5 MPa下測定鉆井液體系的濾失量。實驗結果見表6。

表6 高溫高壓滲透性封堵測試結果

由表6可知，強抑制防塌高性能水基鉆井液的濾失量和濾失速率均較小，和現場油基鉆井液相當，說明該體系具有良好的封堵性，能夠有效封堵頁巖儲層的微裂縫，達到穩(wěn)定井壁的目的。

3.4 抗污染能力

室內評價了鉆井液體系的抗污染能力，結果見表7。鉆屑為目標區(qū)塊儲層段泥頁巖鉆屑，過孔徑為0.145mm的篩網；在120℃下老化16 h后測量鉆井液性能。實驗結果表明，強抑制防塌高性能水基鉆井液在加入膨潤土、CaCl2以及不同質量分數的鉆屑后，性能變化不大，說明該體系具有較強的抗污染能力。

表7 強抑制防塌高性能水基鉆井液抗污染能力

4 現場應用效果

將室內研制的強抑制防塌高性能水基鉆井液體系在威遠地區(qū)M井區(qū)進行了現場應用試驗，體系應用于W-3井的四開井段。該井段鉆遇地層為下志留統(tǒng)龍馬溪組，從四開3 950 m井深時開始替入強抑制防塌高性能水基鉆井液體系，鉆進至5 470 m完鉆，水平段長1 520 m，最大井斜角為 102°，最大狗腿度為 11.2（°）/30 m。根據以往鉆完井資料，該區(qū)塊水平井在水平段鉆井過程中易出現井壁失穩(wěn)、垮塌、剝落等井下復雜情況，且起下鉆摩阻大，易出現鉆頭泥包等現象。在W-3井的現場施工過程中，強抑制防塌高性能水基鉆井液體系性能穩(wěn)定，未出現井壁失穩(wěn)現象，潤滑性及防泥包效果也比較突出。W-3井與使用油基鉆井液的鄰井W-4井的現場鉆井液基本性能對比見表8。

從表8可以看出，在2口井水平段鉆進期間，水基鉆井液的各項性能參數與油基鉆井液基本相當，靜切力和高溫高壓濾失量稍高于油基鉆井液，仍在鉆井液設計的合理范圍內。W-3井在3 950～5 470 m的水平段鉆進期間，泵壓為19～23 MPa，起下鉆平均摩阻不超過180 kN。摩阻較小，泵壓低，井眼規(guī)則，起下鉆暢通，未出現井壁垮塌、沉砂卡鉆、鉆頭泥包等現象，鉆屑攜帶能力強，電測、下套管一次成功，作業(yè)過程順利。這說明強抑制防塌高性能水基鉆井液體系能夠滿足威遠地區(qū)M井區(qū)頁巖氣井的鉆井需要。

表8 現場水基鉆井液與油基鉆井液性能對比

5 結論

1）研制了新型陽離子復合抑制劑DY-Ⅱ，室內評價結果表明，DY-Ⅱ能夠較好地抑制黏土造漿和鉆屑水化分散，抑制性優(yōu)異。

2）以DY-Ⅱ為主要處理劑，結合封堵劑和潤滑劑的優(yōu)選評價，形成了一套強抑制防塌高性能水基鉆井液體系。該體系綜合性能良好，具有較強的抑制性、封堵性、潤滑性和抗污染能力。

3）強抑制防塌高性能水基鉆井液體系在威遠地區(qū)M井區(qū)W-3井的現場施工順利，體系性能穩(wěn)定，與鄰井W-4井現場油基鉆井液性能相當，表現出良好的抑制防塌能力，能夠滿足威遠地區(qū)M井區(qū)頁巖氣井的鉆井需要。