頁(yè)巖氣水平井強(qiáng)封堵油基鉆井液技術(shù)

趙海鋒 王勇強(qiáng) 凡 帆

（低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室·川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院長(zhǎng)慶分院，陜西 西安 710018）

0 引言

頁(yè)巖油氣在美國(guó)的成功勘探開(kāi)發(fā)，推動(dòng)了全球頁(yè)巖油氣的開(kāi)發(fā)熱潮，我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，頁(yè)巖氣的資源潛力巨大，川渝地區(qū)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量居全國(guó)首位［1］。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中主要采用水平井的開(kāi)發(fā)方式，對(duì)于水平井而言，存在頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定、長(zhǎng)水平段的摩阻、水平井段的井眼清潔等難點(diǎn)，因此對(duì)鉆井液提出了更高的要求［2-4］。通常認(rèn)為，油基鉆井液在頁(yè)巖氣水平井防塌方面具有水基鉆井液無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。井壁穩(wěn)定問(wèn)題不是首要問(wèn)題，但在反承包項(xiàng)目的Q區(qū)塊施工中鉆遇微裂縫發(fā)達(dá)的易塌地層，尤其是破碎帶地層鉆進(jìn)中常規(guī)油基鉆井液并未達(dá)到防塌要求，多次發(fā)生井壁坍塌、卡鉆等問(wèn)題，亟需開(kāi)發(fā)一種強(qiáng)封堵油基鉆井液解決上述難題。

1 地層特征及坍塌原因分析

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

Q區(qū)塊是四川反承包項(xiàng)目的一個(gè)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)主要區(qū)塊，項(xiàng)目初期該區(qū)塊嘗試采用水基鉆井液，井塌嚴(yán)重，后改為國(guó)外油基鉆井液體系，井塌問(wèn)題并未顯著改善。油基鉆井液在施工過(guò)程中，需要鉆穿近300 m的破碎帶地層。遇到的突出問(wèn)題是斜井段掉塊多、井塌嚴(yán)重。XX-19井是四川反承包項(xiàng)目的Q區(qū)塊開(kāi)發(fā)初期的一口頁(yè)巖氣水平井，下套管前曾經(jīng)多次通井，頻繁遇阻，多次劃眼，劃眼期間依然阻卡嚴(yán)重，常出現(xiàn)憋泵，憋停頂驅(qū)，卡鉆，每次解卡后均有大批掉塊集中返出，只有第一趟通井通至目的井深，其后的2趟通井未能通至井深且越來(lái)越淺，最終套管未能下至目的井深，報(bào)廢水平段儲(chǔ)層進(jìn)尺300 m。

1.2 地層巖性

反承包項(xiàng)目的Q區(qū)塊破碎帶地層以高脆性的頁(yè)巖為主，其中伊利石含量22%，石英含量52%，蒙脫石含量4%，陽(yáng)離子交換容量＜10%，屬于低水敏性頁(yè)巖。電鏡掃描照片表明，坍塌井段天然微裂縫發(fā)育，通常伴隨著有機(jī)物延伸，天然微裂縫寬度2～10 μm。

1.3 原因分析

該地層高脆性礦物含量高，存在大量微裂縫，巖層硬而脆，易失穩(wěn)坍塌是導(dǎo)致井底復(fù)雜的根本原因。大量天然微裂縫伴隨著有機(jī)物延伸，使用的國(guó)外寬濾失油基鉆井液體系對(duì)濾失量控制較為寬松，大量濾液侵入溶解地層中的膠結(jié)有機(jī)物，產(chǎn)生次生微裂縫，大量濾液沿著次生微裂縫繼續(xù)侵入，從而對(duì)頁(yè)巖穩(wěn)定產(chǎn)生破壞作用，引起巖層脫落。隨著鉆井液中的濾液向距井眼更遠(yuǎn)的地方擴(kuò)散，頁(yè)巖中的濾液量增多，應(yīng)力增大，導(dǎo)致井壁坍塌、井眼擴(kuò)大，因此增強(qiáng)油基鉆井液的封堵性能是解決這一難題的關(guān)鍵［5］。

2 解決思路

通過(guò)對(duì)失穩(wěn)坍塌原因分析，明確了增強(qiáng)鉆井液封堵性能和降低濾失量是解決這一難題的關(guān)鍵。作為研究重點(diǎn)方向，選用的封堵劑須滿足下列條件：① 剛性粒徑要與微裂縫匹配，快速填充，迅速降低鉆井液對(duì)地層的侵入，對(duì)微裂縫產(chǎn)生初步封堵；②可變形處理劑，在剛性顆粒處理劑形成的填充層上形成更為致密的封堵層，增強(qiáng)封堵強(qiáng)度。兩者協(xié)同使得鉆井液能夠在井壁表層很淺的地方盡快（形成井壁的同時(shí)）形成封堵層，從而起到封堵防塌作用。

3 封堵材料優(yōu)選與體系性能影響評(píng)價(jià)

剛性顆粒材料的主要作用是在可變形材料起作用之前快速填充，迅速形成封堵層，降低濾失量。因此封堵作用時(shí)間是評(píng)價(jià)剛性顆粒材料的關(guān)鍵指標(biāo)?？勺冃翁幚韯┑闹饕饔檬窃趧傂灶w粒處理劑形成的填充層上形成更為致密的封堵層，增強(qiáng)封堵強(qiáng)度。因此將最終的高溫高壓濾失量作為評(píng)價(jià)可變形材料的關(guān)鍵指標(biāo)。若最終的高溫高壓濾失量曲線平緩，濾失量增加量很小，表明此時(shí)油基鉆井液在砂盤上形成了致密的封堵層，能夠基本隔絕鉆井液對(duì)巖層的侵入。

3.1 剛性顆粒封堵材料的優(yōu)選

為此使用OFITE滲透性封堵儀測(cè)試油基鉆井液在砂盤上最初6分鐘的高溫高壓濾失量，以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考查超細(xì)剛性顆粒封堵材料的瞬時(shí)封堵性能。結(jié)果如圖1所示。根據(jù)川渝地區(qū)其它頁(yè)巖氣項(xiàng)目施工油基鉆井液基本配方：工業(yè)白油+20%氯化鈣鹽水+3.0%油基鉆井液用復(fù)合型乳化劑G326-HEM+2.0%氫氧化鈣+1.0%油基鉆井液降濾失劑腐植酸酰胺G328+0.5%增粘劑 聚酰胺G336+0.5%提切劑 脂肪酸酯G322+3.0%超細(xì)顆粒封堵材料+加重材料。

圖1 超細(xì)顆粒封堵材料的優(yōu)選圖

由圖1結(jié)果可知，隨著粒徑的增大，瞬時(shí)濾失量亦隨之增大。超細(xì)顆粒A是一種惰性固體顆粒，在試驗(yàn)的5種材料中粒徑最小，其濾失量亦最小，表明可以在較短時(shí)間內(nèi)形成封堵層，迅速阻止鉆井液對(duì)地層的侵入，為可變形材料進(jìn)一步形成致密層創(chuàng)造良好的條件。

3.2 可變形封堵材料的優(yōu)選

使用OFITE滲透性封堵儀測(cè)試油基鉆井液在砂盤上最后10分鐘的高溫高壓濾失量，以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考查可變形封堵材料的強(qiáng)化封堵性能。結(jié)果如圖2所示。油基鉆井液基本配方：白油+20%氯化鈣鹽水+3.0%復(fù)合型乳化劑G326-HEM+2.0%氫氧化鈣+3.0%降濾失劑G328+0.5%增粘劑聚酰胺G336+0.5%提切劑脂肪酸酯G322+3.0%超細(xì)顆粒封堵材料A+2%可變形封堵材料+加重材料。

圖2 可變形封堵材料的優(yōu)選圖

由圖2可知，加入油基鉆井液用降濾失劑改性樹脂G331-TEX和SOLTEX的油基鉆井液在砂盤上的高溫高壓濾失量明顯小于其它兩種材料。濾失量曲線平緩，濾失量增加量很小，表明此時(shí)油基鉆井液在砂盤上形成了致密的封堵層，能夠基本隔絕鉆井液對(duì)巖層的侵入?？紤]到成本因素，選用改性樹脂G331-TEX作為體系的可變形封堵材料。

3.3 體系的降濾失性能

通過(guò)封堵試驗(yàn)得到油基鉆井液配方：白油+20%氯化鈣鹽水+3.0%復(fù)合型乳化劑G326-HEM+2.0%氫氧化鈣+3.0%降濾失劑G328+0.5%提切劑脂肪酸酯G322+3.0%超細(xì)顆粒封堵材料A+2%改性樹脂G331-TEX+重晶石。測(cè)試強(qiáng)封堵油基鉆井液體系在不同密度下的基本性能，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在不同密度下，鉆井液的高溫高壓濾失量均較低，且具有良好的乳化性能和流變性能。

表1 不同密度下油基鉆井液體系性能表

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 應(yīng)用概況

研制的強(qiáng)封堵油基鉆井液在四川反承包項(xiàng)目Q區(qū)塊成功應(yīng)用四口井，累計(jì)進(jìn)尺12 000 m。設(shè)計(jì)井深均為3 660 m，700 m～3 660 m井段采用強(qiáng)封堵油基鉆井液，其中XX-H3井歷時(shí)21天完鉆，創(chuàng)該區(qū)塊最快鉆井記錄。項(xiàng)目初期應(yīng)用國(guó)外油基鉆井液，氣井的鉆井周期為83天。強(qiáng)封堵油基鉆井液應(yīng)用過(guò)程中采用“超細(xì)顆粒封堵材料A+可變形封堵材料G331-TEX”相結(jié)合的手段，既強(qiáng)化了鉆井液的即時(shí)封堵性能亦增強(qiáng)了封堵層的強(qiáng)度，配合嚴(yán)格控制濾失量等措施取得了良好的防塌效果。井段鉆進(jìn)時(shí)鉆井液密度高達(dá)2.20 g／cm3，起下鉆時(shí)，井筒內(nèi)替換成密度2.40 g／cm3油基鉆井液，鉆井液流變性良好，應(yīng)用井段未出現(xiàn)大掉塊，井眼清潔，起下鉆順暢。優(yōu)良的鉆井液性能保證了雙扶通井、電測(cè)、下套管、固井等作業(yè)施工順利?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，其井徑規(guī)則，井壁穩(wěn)定，鉆井液攜砂能力強(qiáng)，潤(rùn)滑性好，施工工藝簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)容易，無(wú)需頻繁的處理。

4.2 強(qiáng)封堵油基鉆井液與國(guó)外鉆井液對(duì)比

強(qiáng)封堵油基鉆井液與項(xiàng)目初期國(guó)外油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)性能對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

4.3 體系封堵性能強(qiáng)，井眼規(guī)則

在鉆進(jìn)過(guò)程中，返出的巖屑棱角分明，泥頁(yè)巖無(wú)分散，表明體系抑制性能高；現(xiàn)場(chǎng)基本無(wú)掉塊，從返出巖屑可以判斷井下井壁穩(wěn)定（圖3），井眼干凈。此前，該區(qū)塊施工的水平井掉塊嚴(yán)重（圖4），幾乎每次起下鉆均有大量掉塊。鉆井液優(yōu)化前后施工的井段井徑對(duì)比見(jiàn)圖5。

表2 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能對(duì)比表

圖3 同區(qū)塊老井的掉塊圖

圖4 優(yōu)化后返出的鉆屑圖

圖5 鉆井液優(yōu)化前后施工的井徑對(duì)比圖

4.4 體系防塌性能強(qiáng)，流變性好，井眼清潔

該區(qū)塊項(xiàng)目初期所鉆的鄰井從斜井段下部開(kāi)始大量掉塊，所用的鉆井液流變性較差，切力較低，無(wú)法攜帶出井底掉塊，劃眼時(shí)頻繁遇卡，只能頻繁打稠塞處理，導(dǎo)致鉆井液粘切過(guò)高，劃眼后期又誘發(fā)嚴(yán)重井漏。XX-H3井在斜井段1 600 m后，將鉆井液密度逐步提到2.20 g／cm3，鉆進(jìn)過(guò)程中體系流變性能穩(wěn)定，攜砂性能強(qiáng)，未出現(xiàn)井漏、井塌等復(fù)雜情況。體系的動(dòng)切力數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 油基鉆井液體系動(dòng)切力隨井深的變化圖

5 結(jié)論

1）破碎帶地層存在大量裂縫、微裂縫，油基鉆井液的濾液對(duì)地層的膠結(jié)物具有溶解作用，是引起巖層開(kāi)始脫落的原因，增強(qiáng)封堵性特別是即時(shí)封堵性能是解決這一難題的重要途徑；

2）超細(xì)顆粒封堵材料具有粒徑小、封堵快的優(yōu)勢(shì)，可以迅速嵌入微裂縫中快速降低鉆井液中的濾液侵入，為其它封堵材料進(jìn)一步封堵提供良好的基礎(chǔ)；

3）封堵劑G331-TEX能夠在超細(xì)顆粒封堵材料形成的封堵層表面，進(jìn)行可變形封堵，形成致密的外層封堵層，增強(qiáng)鉆井液的封堵效果；

4）采用“超細(xì)剛性顆粒封堵材料A+可變形封堵材料 G331-TEX”相結(jié)合的手段對(duì)油基鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化，既強(qiáng)化了鉆井液的瞬時(shí)封堵性能亦增強(qiáng)了封堵層的強(qiáng)度；

5）強(qiáng)封堵油基鉆井液體系在破碎帶應(yīng)用4口水平井，累計(jì)進(jìn)尺12 000 m。其中XX-H3井歷時(shí)21天完鉆，創(chuàng)該區(qū)塊最快鉆井記錄。井眼規(guī)則，應(yīng)用井段井眼擴(kuò)大率最大5.2%。