CQH-M2高性能水基鉆井液及其在威204H11-4井的應(yīng)用

劉政， 李俊才， 李軒， 李茂森， 胡靜， 范勁

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，成都610051；2. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司生產(chǎn)運(yùn)行部，成都610051）

0 引言

目前，鉆井液公司的油基鉆井液技術(shù)達(dá)到國際水平，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，但是油基鉆井液具有一些缺點(diǎn)，如成本高，易污染地下環(huán)境，油基巖屑及廢棄油基鉆井液處理難度大，堵漏成功率低、固井水泥膠結(jié)質(zhì)量差等[1-2]。近年來，頁巖氣的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)迫在眉睫，因此需要研發(fā)一套適合頁巖氣水平井的高性能水基鉆井液體系[3-4]。鉆井液公司2015年研發(fā)了CQH-M1高性能水基鉆井液體系，該體系是在經(jīng)典的聚磺體系的基礎(chǔ)上優(yōu)化而成，已完成進(jìn)尺8萬余米，實(shí)現(xiàn)了“水替油”，但是該體系的色度、含磺化類處理劑等指標(biāo)不能滿足新環(huán)保法的要求。2017年開始研發(fā)CQH-M2高性能水基鉆井液體系，該體系是全聚合物體系，色度淺、不含磺化類處理劑，更加環(huán)保。

龍馬溪組頁巖主要由黏土、方解石、石英等礦物組成，其中脆性礦物方解石、石英和長石的含量在56.58%～67%。脆性礦物含量高，說明龍馬溪組頁巖的脆性高，鉆進(jìn)過程中易發(fā)生突發(fā)掉塊卡鉆復(fù)雜。龍馬溪組頁巖存在明顯的微裂縫和微孔洞。從力學(xué)方面講，微裂縫和微孔洞的存在將降低頁巖的力學(xué)性能。在液柱壓力、毛細(xì)管力等外力的作用下，鉆井液濾液沿著微裂縫、微孔洞進(jìn)入頁巖。一方面會(huì)促進(jìn)鉆井液濾液與頁巖中黏土礦物的作用，黏土礦物吸水膨脹，頁巖強(qiáng)度減弱，井壁易失穩(wěn)[5]；一方面會(huì)引發(fā)水力劈裂作用，促進(jìn)頁巖破裂。綜上所述，強(qiáng)化封堵是CQH-M2高性能水基鉆井液體系的重點(diǎn)。

1 技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)對策

1.1 井壁穩(wěn)定

川渝地區(qū)龍馬溪組頁巖的微裂縫和微孔洞發(fā)育，微裂縫和微孔洞被鉆井液侵入后，易引起井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜事故[6]。針對龍馬溪組頁巖井壁易失穩(wěn)問題，采取以下3個(gè)方面的技術(shù)對策：①選取適當(dāng)?shù)你@井液密度以平衡地層坍塌壓力；②強(qiáng)化CQH-M2高性能水基鉆井液的化學(xué)抑制性能，防止頁巖吸水膨脹失穩(wěn)；③控制CQH-M2高性能水基鉆井液具有低的高溫高壓濾失量，一般控制高溫高壓濾失量小于6 mL。

1.2 潤滑性能

目前，川渝地區(qū)頁巖氣水平井的水平井段長度在1 500～2 500 m，水平段長，對CQH-M2高性能水基鉆井液的潤滑性能要求高。然而，水基鉆井液的潤滑性和油基鉆井液相比差很多，存在本質(zhì)區(qū)別，這是CQH-M2高性能水基鉆井液的一大難點(diǎn)[7]。

針對水基鉆井液潤滑性差的問題，采取以下2個(gè)方面的技術(shù)對策：①在CQH-M2高性能水基鉆井液中引入可生物降解的環(huán)保型碳醇類潤滑劑TFE，增強(qiáng)潤滑性，控制鉆井液的潤滑系數(shù)小于0.1；②在CQH-M2高性能水基鉆井液中引入適量白油，進(jìn)一步提高鉆井液潤滑性能，解決長水平段水基鉆井液摩阻、扭矩大的難題。

1.3 井眼凈化

通常，川渝地區(qū)頁巖氣水平井的水平段長在1 500～2 500 m。水平段長，φ215.9 mm井眼，井眼小，環(huán)空間隙小，泵壓較高，排量受限，水平段易形成巖屑床，易誘發(fā)井下復(fù)雜。水平段易形成巖屑床的問題，可以從3個(gè)方面來解決：①工程上在現(xiàn)場泥漿泵的能力范圍內(nèi)，盡量提高鉆進(jìn)排量；②CQH-M2高性能水基鉆井液保持較高的終切力和低剪切速率黏度，終切力在8～20 Pa較合適，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)6 r/min讀值在5～9較合適；③工程上接立柱時(shí)多拉劃，水平段每鉆進(jìn)400～600 m短程起下鉆1次，破壞巖屑床。

2 處理劑優(yōu)選及性能評價(jià)

2.1 處理劑優(yōu)選

2.1.1 抑制劑

選用粒徑2.00～4.00 mm的龍馬溪組頁巖巖屑做滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)，在130 ℃下熱滾16 h后用孔徑0.25 mm的分樣篩回收。清水、 1%胺基抑制劑、10%高價(jià)金屬離子、 20%高價(jià)金屬離子、 復(fù)合電解質(zhì)溶液A、 B、 C的滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為37%、53%、82%、91%、92%、98%和97.5%?？梢钥闯?，除1%胺基抑制劑外，其余樣品對頁巖巖屑均有較好的抑制性能。其中復(fù)合電解質(zhì)溶液B、C的滾動(dòng)回收率較高，所以優(yōu)先選擇復(fù)合電解質(zhì)溶液B作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的抑制劑組合。復(fù)合電解質(zhì)溶液B是由二價(jià)金屬離子與K+相結(jié)合而形成，通過離子交換作用，二價(jià)金屬離子和K+與黏土晶格里的Na+發(fā)生交換，壓縮黏土膠體的雙電層，從而控制頁巖中黏土的水化分散。

2.1.2 降濾失劑

選用聚合物類降濾失劑PAC-LV、REDUL200、TFJ、TFB，磺化樹脂類降濾失劑SMP-2，褐煤類降濾失劑RSTF，按實(shí)驗(yàn)配方配制的鉆井液在130 ℃下高溫滾動(dòng)16 h后，測試130 ℃高溫高壓濾失量，結(jié)果見表1。表1數(shù)據(jù)顯示，在復(fù)合電解質(zhì)溶液B中，常用的降濾失劑基本失效，5#實(shí)驗(yàn)配方的降濾失劑效果最好，130 ℃高溫高壓濾失量為4.8 mL；TFB是長江大學(xué)合成的新型抗高濃度高價(jià)金屬離子聚合物降濾失劑，主聚合物是丙胺酮，分子量較小，一般在5 000～10 000，分子結(jié)構(gòu)中主鏈全是以苯環(huán)和C—C單鍵的形式存在，支鏈上的親水基團(tuán)有羧基、腈基、羥基等，在高濃度金屬離子和高溫條件下，TFB不斷鏈，穩(wěn)定性好，因此選用TFB作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的降濾失劑。

表1 降濾失劑優(yōu)選結(jié)果（130 ℃、16 h）

2.1.3 潤滑劑

商業(yè)銀行在與互聯(lián)網(wǎng)金融合作時(shí)，主要的目標(biāo)有兩個(gè)：⑴信息實(shí)現(xiàn)共享。商業(yè)銀行需要利用購物網(wǎng)站與第三方支付平臺對客戶的消費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并在此基礎(chǔ)上提供相應(yīng)的營銷策略與服務(wù)；互聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)則需要利用商業(yè)銀行來得到所有行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)的相關(guān)信息；⑵實(shí)現(xiàn)平等配置金融資源。商業(yè)銀行需要對自身的優(yōu)勢資源進(jìn)行整合，妥善處理中小企業(yè)進(jìn)行融資時(shí)所遇到的問題。利用由互聯(lián)網(wǎng)金融所收集的交易數(shù)據(jù)將商業(yè)銀行在風(fēng)險(xiǎn)管理方面的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，進(jìn)而為各中小企業(yè)建立起一個(gè)完善的在線融資平臺。

選取HB-1、DFR-3、TFE、聚合醇等潤滑劑，進(jìn)行潤滑劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，按實(shí)驗(yàn)配方配制的鉆井液在130 ℃下高溫滾動(dòng)16 h后，測定鉆井液在50 ℃下的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 潤滑劑優(yōu)選結(jié)果（130 ℃、16 h）

由表2可知，潤滑劑TFE的極壓潤滑系數(shù)最低0.084，其潤滑性能好，并且其流變性能和高溫高壓濾失量都較好；TFE屬于碳醇類潤滑劑，支鏈含有親水基團(tuán)羥基，在水基鉆井液中溶解性好，主鏈?zhǔn)怯H油基團(tuán)，吸附在頁巖表面，形成一層油膜，從而起到潤滑作用；TFE中不含油，是一種環(huán)保型潤滑劑，因此選用TFE作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的潤滑劑。

2.1.4 封堵劑

目前常用的封堵劑主要包含瀝青類、納米封堵類、惰性固相類。該實(shí)驗(yàn)選取的封堵劑有Soltex、YH150、石蠟乳液、DFD-1、TFT、超細(xì)碳酸鈣（1 200目，12 μm），按實(shí)驗(yàn)配方配制的鉆井液在130℃下滾動(dòng)16 h后，測定鉆井液在50 ℃下的性能，結(jié)果見表3。表3數(shù)據(jù)顯示，幾種封堵劑中，TFT的封堵效果最好，130 ℃的高溫高壓濾失量為4.2 mL；TFT是一種磺化瀝青類封堵劑，易分散在水基鉆井液中，軟化點(diǎn)低，90～100 ℃；TFT的分子中含有磺酸基，水化作用強(qiáng)，當(dāng)吸附在頁巖表面時(shí)，可阻止頁巖的水化分散，不溶于水的部分，可以起到填充裂縫的封堵作用；同時(shí)，封堵劑TFT對鉆井液的流變性能影響不大，因此選用TFT作為CQH-M2高性能水基鉆井液體系的潤滑劑。

表3 封堵劑優(yōu)選結(jié)果（130 ℃、16 h）

2.2 鉆井液配方及其性能評價(jià)

2.2.1 基本性能

經(jīng)過主要處理劑優(yōu)選，確定了CQH-M2高性能水基鉆井液體系的配方如下。

復(fù)合電解質(zhì)溶液B+0.5%主聚合物+10%TFB+2%TFE+3%TFT+2%白油+重晶石

密度為2.20 g/cm3的CQH-M2高性能水基鉆井液在130 ℃老化不同時(shí)間后，50 ℃測其性能，結(jié)果見表4。由表4可知，隨著老化時(shí)間的增長，塑性黏度和靜切力略有減小，鉆井液整體流變性能穩(wěn)定，具有較高的塑性黏度和低的靜切力；130 ℃高溫高壓濾失量都在5.0 mL以內(nèi)，高溫流變性和降濾失穩(wěn)定性良好。

表4 CQH-M2高性能水基鉆井液130 ℃老化后的性能

2.2.2 抑制性

2.2.3 封堵性

配制密度2.20 g/cm3的CQH-M2高性能水基鉆井液，測定130 ℃高溫高壓濾失量，每5 min記錄一次濾失量，共計(jì)測定1 h，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 CQH-M2高性能水基鉆井液濾失量隨時(shí)間變化圖

圖2 CQH-M2高性能水基鉆井液的高溫高壓泥餅圖

由圖1、圖2可知，鉆井液130 ℃高溫高壓初始5 min濾失量為1.5 mL，30 、60 min累計(jì)濾失量為3.4 和3.6 mL，30 min后濾失量趨于零，有很好的即時(shí)和長效封堵效果；濾餅質(zhì)量薄而有韌性，封堵效果好。

2.2.4 抗污染性能

川渝地區(qū)龍馬溪組頁巖層含水量和含鹽量都較低，巖屑污染是CQH-M2高性能水基鉆井液的主要污染源，因此室內(nèi)只評價(jià)巖屑污染情況。在CQH-M2高性能水基鉆井液中加入一定量的巖屑后，130 ℃老化24 h，篩除剩余巖屑后測定鉆井液性能，結(jié)果見表5。從表5可知，巖屑加量為12%時(shí)，鉆井液的流變性明顯變差；巖屑加量≤9%時(shí)，鉆井液的流變性穩(wěn)定，因此CQH-M2高性能水基鉆井液具有好的抗巖屑污染能力。

表5 CQH-M2高性能水基鉆井液的巖屑污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

威204H11-4井位于四川省內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣東聯(lián)鎮(zhèn)牛皮場村5組，是1口頁巖氣開發(fā)井。第四開龍馬溪組地層采用CQH-M2高性能水基鉆井液鉆進(jìn)，完鉆井深為5 515 m，井底溫度為135 ℃，水平段長1 800 m，是中國頁巖氣垂深3 500 m以深區(qū)域最長水平井。CQH-M2高性能水基鉆井液于2017年5月2 9日1 4∶50入井，入井井深3 116 m，在龍馬溪組地層鉆進(jìn)進(jìn)尺2 399 m，7月1 4日1 3∶30完鉆。下套管43.5 h，8月7日下完套管，8月9日順利固井，共入井69.92 d。全程鉆井液性能表現(xiàn)良好，井下安全正常。鉆進(jìn)期間CQH-M2高性能水基鉆井液的性能如表6所示。從表6可以看出，在應(yīng)用后期，CQH-M2高性能水基鉆井液體系的塑性黏度、靜切力都成明顯上漲趨勢，流變性控制較困難，但總體性能較穩(wěn)定，井下安全。在以后應(yīng)用中，需要解決后期流變性控制難的問題。

表6 威204H11-4井CQH-M2高性能水基鉆井液性能

該井維護(hù)措施如下：①使用好固控設(shè)備，振動(dòng)篩使用篩孔為0.064 mm的篩布，一體機(jī)使用篩孔為0.061 mm的篩布，篩布勤檢查，發(fā)現(xiàn)損壞立即更換。振動(dòng)篩、除砂器、除泥器100%使用，中、高速離心機(jī)配套使用，使用率50%。②由于是新體系第1次投井應(yīng)用，每天加密監(jiān)測鉆井液性能，發(fā)現(xiàn)性能變化，立即分析原因，制定相對應(yīng)的處理措施。③勤觀察振動(dòng)篩返出巖屑情況，有無掉塊，如果有掉塊，應(yīng)適當(dāng)提高鉆井液密度，提高封堵劑加量，降低鉆井液的HTHP濾失量，提高鉆井液的封堵防塌能力。④勤了解鉆進(jìn)過程中扭矩值的變化，如果扭矩值波動(dòng)大，或起下鉆摩阻增大，應(yīng)提高潤滑劑和白油的加量，增強(qiáng)鉆井液的潤滑能力。

4 結(jié)論與建議

1.川渝地區(qū)龍馬溪組頁巖的礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)研究表明：龍馬溪組頁巖的脆性高，微裂縫和微孔洞發(fā)育，鉆進(jìn)過程中井壁易失穩(wěn)、易發(fā)生突發(fā)掉塊卡鉆復(fù)雜。

2.處理劑優(yōu)選及性能評價(jià)表明：CQH-M2高性能水基鉆井液抑制性、封堵性和抗污染性能較好。

3.現(xiàn)場應(yīng)用表明：CQH-M2高性能水基鉆井液滿足威204H11-4井頁巖氣水平井鉆井需要，鉆進(jìn)過程中全程鉆井液性能表現(xiàn)良好，井下安全正常。