威遠(yuǎn)區(qū)塊深層頁巖氣水平井水基鉆井液技術(shù)

林永學(xué)， 甄劍武

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

深層頁巖氣儲層采用長水平段水平井鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生井眼失穩(wěn)，雖然采用油基鉆井液能夠較好地解決該問題，但油基鉆屑等廢棄物處理難度大、成本高，大大限制了其應(yīng)用范圍。常規(guī)水基鉆井液的抑制性、封堵能力難以滿足頁巖地層井眼穩(wěn)定的要求，鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)極大。威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣地層長水平段水平井鉆進(jìn)時(shí)即面臨該問題，而目前國內(nèi)頁巖氣水基鉆井液技術(shù)研究尚處于探索階段，深層頁巖氣開發(fā)方面更是缺乏相關(guān)技術(shù)。為此，筆者在分析威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣地層特征和地層失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，認(rèn)為頁巖氣水基鉆井液應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制性、封堵能力和一定的潤滑性，并基于這一思路研制出了水基鉆井液SM-ShaleMud，室內(nèi)性能評價(jià)和現(xiàn)場應(yīng)用表明，SM-ShaleMud 水基鉆井液綜合性能優(yōu)良，可以解決威遠(yuǎn)區(qū)塊深層頁巖氣水平井長水平段鉆進(jìn)中井眼失穩(wěn)的問題。

1 龍馬溪組頁巖地質(zhì)特征及失穩(wěn)機(jī)理

1.1 儲層礦物學(xué)特征

威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣儲層平均埋深達(dá)3 800.00 m 以深，地層壓力系數(shù)1.60～1.80，地層溫度達(dá)140 ℃，屬于深層頁巖氣藏。

以該區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣儲層取心井威頁1 井的巖心為研究對象，分析了儲層礦物學(xué)特征。78 個(gè)巖樣全巖礦物分析結(jié)果表明，主要礦物成分含量自上而下為：石英由32.85%升至37.21%，碳酸鹽礦物由12.86%升至20.51%，黏土礦物由43.72%降至36.91%。總體上表現(xiàn)為脆性礦物含量升高，黏土礦物含量降低，且黏土礦物中以伊利石為主，有少量伊/蒙混層，不含高嶺石和蒙脫石。

對威頁23-6HF 井龍馬溪組地層的巖屑進(jìn)行了全巖礦物測試，測試結(jié)果見表1。

由表1 及相關(guān)測試結(jié)果可知：上部地層黏土礦物含量高達(dá)46.64%～53.33%，石英含量為32.80%～38.89%，表現(xiàn)出塑性較強(qiáng)、脆性較弱、水化分散能力較強(qiáng)和水化分散速率較快的特征，上部巖樣在清水中的回收率為4.53%～14.90%；下部頁巖呈黑色，石英含量46.04%～47.71%，黏土礦物含量27.58%～25.93%，表現(xiàn)出脆性較強(qiáng)、易掉塊失穩(wěn)的特征，其在清水中的回收率達(dá)94.94%。

表 1 威頁23-6HF 井龍馬溪組巖屑全巖礦物組分Table 1 Mineral compositions of the whole rock of the cuttings samples of Longmaxi Formation in Well WY 23-6HF

考慮地層非均質(zhì)性及測試偏差等因素，可以認(rèn)為威頁23-6HF 井實(shí)鉆巖屑與威頁1 井取心井的礦物測試分析結(jié)果是一致的，都是上部地層塑性和水化分散性較強(qiáng)，下部地層硬脆性較強(qiáng)且不易水化分散。

1.2 儲層物性

以威頁1 井的巖心為研究對象，分析威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣儲層的基本物性。

巖心孔隙度主要分布在2%～5%，其中含氣頁巖段平均為3.28%，底部優(yōu)質(zhì)頁巖段平均為4.15%；孔隙度隨地層埋深自上而下逐漸增大。巖心實(shí)測滲透率為0.021～14.855 mD，平均為0.478 mD；底部優(yōu)質(zhì)頁巖段基質(zhì)滲透率為0.041～7.737 mD，平均為0.903 mD；基質(zhì)滲透率自上而下呈升高趨勢。

頁巖樣品中絲縷狀、卷曲片狀伊利石間發(fā)育大量微裂縫，縫寬主要在50～300 nm，最大可超過1 μm，連通性較好，如圖1 所示。觀察威頁1 井龍馬溪組頁巖巖心發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁巖共發(fā)育裂縫425 條，裂縫密度4.86 條/m，其中平縫350 條，斜縫42 條，立縫33 條；底部優(yōu)質(zhì)頁巖段共發(fā)育裂縫175 條，裂縫密度3.81 條/m，其中平縫147 條，斜縫2 條，立縫26 條。掃描電鏡下可見頁巖微裂縫發(fā)育，裂縫寬度大于100 nm，如圖2 所示。

以上分析可知，威遠(yuǎn)區(qū)塊深層頁巖氣地層滲透率及孔隙度較低，但地層裂縫較為發(fā)育，裂縫分布較廣，實(shí)鉆過程中裂縫擴(kuò)張、延展和連通，導(dǎo)致地層強(qiáng)度降低的可能性較大[1]。

圖 1 威頁1 井龍馬溪組頁巖氣地層微孔隙和微裂縫Fig. 1 Micro-pore and micro-fracture in shale gas formation of Longmaxi Formation in Well WY 1

圖 2 威頁1 井龍馬溪組巖心層理及裂縫發(fā)育特征Fig. 2 Core bedding and fracture development characteristics of Longmaxi Formation in Well WY 1

1.3 井眼失穩(wěn)機(jī)理

首先，從地層水敏性角度進(jìn)行了分析。威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組龍1 段地層礦物分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該地層黏土含量較少，石英含量較高[2-3]。黏土中以伊利石為主，含有一定量的伊/蒙有序間層，頁巖在清水中的回收率達(dá)94.94%，屬于非膨脹性地層（膨脹率僅10%左右）。由于伊/蒙有序間層中不同黏土礦物的膨脹速率不同，濾液進(jìn)入地層后會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，改變井周應(yīng)力分布，且水化會降低地層巖石強(qiáng)度，導(dǎo)致發(fā)生井塌等井下故障的概率增大[3-8]。

然后，從地層裂縫發(fā)育角度進(jìn)行了分析。液相沿層理裂縫或孔隙地層流動，會產(chǎn)生以下幾方面的作用：1）降低弱結(jié)構(gòu)面間的摩擦力，進(jìn)而削弱泥頁巖的力學(xué)強(qiáng)度，導(dǎo)致井壁垮塌；2）液相產(chǎn)生水力尖劈作用，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展、裂縫間連通，地層破碎，誘發(fā)井眼失穩(wěn)；3）鉆井液液柱壓力沿層理微裂縫、孔隙進(jìn)入地層，壓力傳遞作用使井周應(yīng)力分布發(fā)生變化，導(dǎo)致井眼周圍頁巖碎裂、垮塌[5-10]。

2 深層頁巖水基鉆井液體系構(gòu)建

2.1 構(gòu)建思路

由威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣地層的井眼失穩(wěn)機(jī)理可知，深層頁巖氣水平井水基鉆井液需要具有如下特性：具有較強(qiáng)的抑制性，以降低或阻止地層黏土水化；具有較強(qiáng)的封堵能力，不僅對頁巖地層的微孔縫形成封堵，還能提高封堵層的致密性，阻止鉆井液及其濾液侵入頁巖層理裂縫。另外，針對水平井水平段長的特點(diǎn)，要求水基鉆井液具有一定的潤滑性。

2.2 處理劑優(yōu)選

2.2.1 抑制劑

前人的研究表明，聚胺類抑制劑具有鑲嵌黏土晶層、拉緊晶層間距的作用，并且可以吸附在黏土表面形成一層疏水膜；同時(shí)，聚胺分子中含有帶正電荷的基團(tuán)能夠吸附于黏土表面，中和黏土表面的負(fù)電荷，從而降低Zeta 電位，壓縮雙電子層，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制水化的作用[11]，能夠解決泥頁巖地層井眼失穩(wěn)的問題。

通過測試Zeta 電位，優(yōu)選出了抑制性較好的聚胺抑制劑SMJA-1。前期研究表明，SMJA-1 與KCl復(fù)配更有利于降低膨潤土的Zeta 電位。為此，考察了不同加量的SMJA-1 與KCl 的協(xié)同作用對膨潤土Zeta電位的影響，結(jié)果見表2。

由表2 可知，隨著SMJA-1 和KCl 復(fù)配液中SMJA-1 和KCl 的加量增大，膨潤土Zeta 電位的絕對值降低，膨潤土的穩(wěn)定能力增強(qiáng)。綜合考慮，建議采用0.5%～1.0%SMJA-1+5.0%～7.0%KCl，以獲得較高的抑制能力。

2.2.2 封堵材料

根據(jù)評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，選用超細(xì)碳酸鈣作為剛性顆粒進(jìn)行復(fù)配，復(fù)配結(jié)果為1.5% 2 500 目超細(xì)碳酸鈣+1.5% 1 250 目超細(xì)碳酸鈣+1.0% 800 目超細(xì)碳酸鈣；可變形封堵材料為固體封堵劑SMSS-2和液體封堵劑SMLS-1；納米封堵材料為固體封堵劑SMNP-1、微米級超細(xì)碳酸鈣和可變形封堵材料。

表 2 不同SMJA-1 和KCl 加量下膨潤土的Zeta 電位Table 2 Effect of SMJA-1 & KCl on Zeta potential of Bentonite

在1.5%膨潤土漿中加入聚合物降濾失劑、抗溫抗鹽降濾失劑和優(yōu)選的抑制劑，形成基漿。在基漿中加入優(yōu)選的封堵劑（4.0%CaCO3+2.0% SMSS-2+2.0% SMLS-1+2.0% SMNP-1），配制成鉆井液M。因?yàn)榕c高溫高壓濾失儀相比，PPA 滲透率封堵性測試儀的濾失介質(zhì)為陶瓷濾盤，能夠模擬地層滲濾特性，可以更好地考察鉆井液對地層的封堵效果，所以，分別采用PPA 滲透率封堵性測試儀（10#陶瓷濾片）和高溫高壓濾失儀（濾紙）測試了鉆井液M 的高溫高壓濾失量，并與基漿的高溫高壓濾失量進(jìn)行了對比，結(jié)果見表3。

表 3 高溫高壓濾失測試結(jié)果Table 3 Results of HTHP fluid loss test

由表3 可知，不同濾失條件下，鉆井液M 的高溫高壓濾失量均明顯低于基漿，說明優(yōu)選的封堵材料具有多元協(xié)同增效作用，能夠形成致密的封堵層，從而起到封堵作用。

2.2.3 潤滑劑

深層頁巖氣水平井在鉆進(jìn)儲層時(shí)，鉆具往往與地層直接接觸，極壓條件下的摩阻會比較大。針對這種情況，前期研發(fā)了極壓潤滑劑SMJH-1，其分子中含有極壓元素，能夠在極壓條件下發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，在摩擦面形成致密的潤滑膜；高效潤滑劑SMLUB-E 分子中含有極性基團(tuán)，能夠吸附在鉆具和地層表面，其疏水基團(tuán)朝外形成一層疏水油膜，可大幅度減小鉆具與地層之間的摩擦系數(shù)[12]。為此，將SMJH-1 和SMLUB-E 復(fù)配作為鉆井液潤滑劑，綜合考察鉆井液流變性、濾失量及潤滑性等變化，并調(diào)整潤滑劑加量，確定潤滑劑配方為2.0%SMJH-1+2.0%SMLUB-E，其潤滑性能評價(jià)結(jié)果見表4。

表 4 潤滑劑對鉆井液性能的影響評價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation on the influence of lubricants on drilling fluid performance

由表4 可知，潤滑劑2.0%SMJH-1+2.0%SMLUB-E能夠滿足深層頁巖氣儲層水平井長水平段鉆進(jìn)的潤滑要求。

2.3 鉆井液配方

優(yōu)選出關(guān)鍵處理劑之后，根據(jù)室內(nèi)評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣儲層鉆井現(xiàn)場實(shí)際情況，對各添加劑加量進(jìn)行了調(diào)整，最終確定水基鉆井液（命名為SM-ShaleMud）配方為：基漿+3.0%～4.0%CaCO3+2.0%～4.0%SMSS-2+2.0%～4.0%SMLS-1+2.0%～4.0%SMNP-1+2.0%～3.0%SMJH-1+2.0%～3.0% SMLUB-E+重晶石粉。

3 鉆井液性能評價(jià)

3.1 常規(guī)性能

通過調(diào)整重晶石粉的加量，配制密度為1.90，2.05 和2.20 kg/L 的水基鉆井液SM-ShaleMud，并測試其性能。因?yàn)橥h(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣地層溫度達(dá)140 ℃，故在溫度140 ℃條件下滾動16 h，然后在室溫下測試鉆井液的常規(guī)性能，結(jié)果如表5 所示。

由表5 可知，SM-ShaleMud 鉆井液的流變性能夠滿足水平井鉆井施工的攜巖要求；濾失量較低，說明形成的濾餅較為致密，濾液侵入頁巖地層的量較少，有利于井眼穩(wěn)定；潤滑系數(shù)小于0.120，說明該鉆井液在水平井鉆井施工中的降摩減阻能力較強(qiáng)。

表 5 SM-ShaleMud 水基鉆井液的常規(guī)性能Table 5 Conventional properties of SM-ShaleMud water based drilling fluid

3.2 抑制性

3.2.1 Zeta 電位

Zeta 電位是反映鉆井液抑制性的重要參數(shù)。測量對比了不同鉆井液體系對膨潤土 Zeta 電位的影響，膨潤土在聚磺鉆井液、聚合物鉆井液、高性能聚胺鉆井液及 SM-ShaleMud 鉆井液中的 Zeta 電位分別為-29.7，-25.0，-18.3 和-13.5 mV。可以看出，膨潤土在 SM-ShaleMud 鉆井液中的 Zeta 電位的絕對值最小，且比其他幾種鉆井液小很多，說明該鉆井液的抑制性較強(qiáng)，能夠大幅度降低黏土的水化趨勢。

3.2.2 巖心裂縫擴(kuò)展情況

利用CT 掃描實(shí)驗(yàn)儀掃描頁巖巖心在清水、KCl鉆井液和SM-ShaleMud 鉆井液中浸泡時(shí)的裂縫擴(kuò)展情況，結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，巖心在清水和KCl 鉆井液中浸泡較短時(shí)間即產(chǎn)生微裂縫，并迅速擴(kuò)展；而巖心在SM-ShaleMud 鉆井液中浸泡64 h 未產(chǎn)生新裂縫，說明該鉆井液可有效抑制頁巖微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

3.3 封堵能力

3.3.1 濾失性能

在140 ℃條件下，用PPA 滲透率封堵性測試儀和高溫高壓濾失儀測試了SM-ShaleMud 鉆井液的高溫高壓濾失量，結(jié)果分別為4.4 和5.6 mL，說明該鉆井液形成的濾餅較為致密，可以降低鉆井液濾液侵入頁巖地層的量，有利于井眼保持穩(wěn)定。

3.3.2 壓力傳遞性能

圖 3 頁巖巖心在不同介質(zhì)中浸泡時(shí)的裂縫擴(kuò)展情況Fig. 3 Fracture propagation of shale core immersion in different media

采用所研究地層的頁巖巖心，測試清水、基漿、聚合物鉆井液、國外高性能水基鉆井液及SM-ShaleMud鉆井液阻緩壓力傳遞的能力，結(jié)果見圖4。測試時(shí)上游試液壓力為1.38 MPa，下游壓力為0。

圖 4 鉆井液壓力傳遞測試結(jié)果Fig. 4 Results of drilling fluid pressure transmission test

由圖4 可知，由于清水中無封堵劑，巖心經(jīng)過2.5 h即發(fā)生壓力穿透，下游壓力升至1.38 MPa；基漿中無封堵材料，巖心經(jīng)過后 8.0 h 發(fā)生壓力穿透；與國外高性能水基鉆井液和SM-ShaleMud 鉆井液相比，聚合物鉆井液下游壓力上升快；SM-ShaleMud 鉆井液較國外高性能水基鉆井液的下游壓力上升較慢，說明其能夠較好地封堵巖心，阻緩壓力傳遞。

3.4 抗污染能力

在SM-ShaleMud 鉆井液中加入不同量的膨潤土、氯化鈣及龍馬溪組地層鉆屑粉等外來污染物，考察其對SM-ShaleMud 鉆井液流變性、濾失性等的影響情況，結(jié)果如表6 所示。

表 6 SM-ShaleMud 水基鉆井液抗污染能力測試結(jié)果Table 6 Pollution resistance test results of SM-ShaleMud water based drilling fluid

由表6 可知，在SM-ShaleMud 鉆井液中加入膨潤土、龍馬溪組鉆屑粉，對其流變性、濾失性影響不大；SM-ShaleMud 鉆井液加入氯化鈣后的流變性和濾失性變差，但加入碳酸鈉處理后，其塑性黏度為27 mPa·s，動切力為9.0 Pa，API 濾失量為0.8 mL，高溫高壓濾失量為6.8 mL，性能基本恢復(fù)。可見，SMShaleMud 鉆井液的抗污染能力較強(qiáng)，能夠滿足威遠(yuǎn)區(qū)塊深層頁巖氣水平井長水平段鉆井的需要。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

威頁23 平臺為開發(fā)威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣而建，頁巖氣藏埋深超過3 800.00 m，屬深層頁巖氣藏。在該頁巖氣藏水平井長水平段鉆進(jìn)時(shí)存在頁巖地層易失穩(wěn)、摩阻大、水基鉆井液流變性控制難度大等典型問題。SM-ShaleMud 水基鉆井液在該平臺3口井（威頁23-6HF井、威頁23-2HF井和威頁23-3HF井）的三開井段進(jìn)行了應(yīng)用，均取得了較好的效果。

威頁23-6HF 井采用SM-ShaleMud 鉆井液鉆完造斜段和部分水平段，鉆進(jìn)長度約1 535.00 m，其中水平段長945.00 m。該井水平段鉆至井深5 041.00 m時(shí)出現(xiàn)井眼失穩(wěn)，隨即轉(zhuǎn)換為油基鉆井液，完成剩余水平段鉆進(jìn)。

分析SM-ShaleMud 鉆井液在威頁23-6HF 井的實(shí)鉆情況后，提高了該鉆井液的密度，同時(shí)為增強(qiáng)其封堵能力，增大了封堵材料的加量，然后在威頁23-2HF 井和威頁23-3HF 井進(jìn)行了應(yīng)用。威頁23-6HF 井和威頁23-3HF 井應(yīng)用SM-ShaleMud 鉆井液時(shí)配制了新漿，威頁23-2HF 井回收利用了威頁23-6HF 老漿110 m3。配制的鉆井液初始性能如表7所示。

表 7 SM-ShaleMud 水基鉆井液的配漿量及初始性能Table 7 Slurry volume and initial performance of SM-ShaleMud water based drilling fluid

威頁23-2HF 井應(yīng)用SM-ShaleMud 鉆井液完成了三開2 115.00 m 井段的鉆進(jìn)，其中水平段長1 500.00 m，施工時(shí)間67.0 d 內(nèi)井眼穩(wěn)定、無垮塌；威頁23-3HF 井應(yīng)用SM-ShaleMud 鉆井液完成三開鉆進(jìn)，其中水平段長1 500.00 m，施工時(shí)間16.35 d，平均機(jī)械鉆速達(dá)到8.02 m/h。

綜合分析SM-ShaleMud 鉆井液在3 口井的應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)：返出的鉆屑形狀較完整，鉆頭切削痕跡非常清晰，說明SM-ShaleMud 鉆井液能夠抑制威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁巖的水化，具有較好的封堵能力；應(yīng)用SM-ShaleMud 鉆井液鉆進(jìn)井段完鉆上提摩阻150～350 kN，電測前通井上提摩阻140～300 kN（套管內(nèi)摩阻120 kN），說明該鉆井液潤滑性好，能滿足長水平段滑動鉆進(jìn)的需要；通過加強(qiáng)膠液維護(hù)和調(diào)整流性調(diào)節(jié)劑加量，可以有效控制黏切性能，確保SM-ShaleMud 鉆井液流變性較為穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1）針對威遠(yuǎn)區(qū)塊深層頁巖氣地層硬脆性強(qiáng)、水化膨脹性較弱和層理裂縫發(fā)育的特點(diǎn)，以及該地層水平井長水平段鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生井眼失穩(wěn)的問題，提出了用強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵性水基鉆井液解決井眼失穩(wěn)問題的思路。

2）通過試驗(yàn)分析對比，優(yōu)選了關(guān)鍵鉆井液處理劑，確定了其加量，配制了深層頁巖氣水平井水基鉆井液SM-ShaleMud。

3）室內(nèi)評價(jià)結(jié)果表明，SM-ShaleMud 水基鉆井液具有優(yōu)良的抑制防塌性、流變性、潤滑性和抗污染能力，綜合性能優(yōu)于其他水基鉆井液。現(xiàn)場應(yīng)用表明，SM-ShaleMud 鉆井液在深層頁巖氣水平井水平段攜巖能力強(qiáng)，潤滑性滿足鉆井要求。

4）研究與應(yīng)用表明，威遠(yuǎn)區(qū)塊深層頁巖氣水平井水基鉆井液技術(shù)解決了長水平段井眼失穩(wěn)的問題，現(xiàn)場應(yīng)用效果顯著，建議在威遠(yuǎn)區(qū)塊及其他深層頁巖氣田鉆井中推廣應(yīng)用。