高密度油基鉆井液體系優(yōu)選及其在頁巖氣水平井的應(yīng)用

邵 寧， 李子鈺， 于培志

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著清潔能源頁巖氣的發(fā)展，國內(nèi)現(xiàn)已完鉆數(shù)百口頁巖氣水平井。為解決井壁不穩(wěn)定等問題，井眼水平段一般采用油基鉆井液體系，但目前仍未能很好解決井壁穩(wěn)定性差、井眼軌跡控制難等問題[1-3]。本研究通過優(yōu)選主乳化劑、降濾失劑和有機(jī)土等材料，利用正交試驗適配出一種適用于頁巖氣水平井的高密度油基鉆井液體系，通過對體系進(jìn)行性能評價，結(jié)果表明該體系加重性能穩(wěn)定，乳化效果好，濾失量低，可有效抑制泥頁巖水化分散，施工應(yīng)用中無卡鉆、漏失現(xiàn)象，有效地解決了威遠(yuǎn)地區(qū)泥頁巖層鉆井液高密度條件下井壁失穩(wěn)、井眼清潔等問題，對于頁巖氣水平井的施工技術(shù)發(fā)展具有推動意義。

1 區(qū)域概況及鉆井液施工難點

長寧-威遠(yuǎn)地區(qū)位于四川省南部，該地區(qū)志留系的龍馬溪組頁巖地層是開發(fā)的重點，布井多以叢式水平井的方式，水平段長度均在1000 m以上，鉆井中不僅遇到長水平井潤滑效果差、軌跡控制難和鉆井液攜帶巖屑能力低等問題，同時水平段頁巖地層的應(yīng)力性垮塌更成為影響安全快速鉆井的難題[4-5]，由于水基鉆井液在抑制性、潤滑效果等方面較油基鉆井液在同等條件下難以解決以上問題，因此油基鉆井液成為其主要技術(shù)手段，但長寧-威遠(yuǎn)地區(qū)在使用油基鉆井液鉆進(jìn)的過程中依舊存在以下難點[6-9]：

(1)安全密度窗口窄。非常規(guī)油氣藏地質(zhì)條件復(fù)雜，具有非均質(zhì)性，地層坍塌壓力和地層破裂壓力較為接近，低密度容易引起縮徑、卡鉆，密度過高又會發(fā)生漏失，長寧-威遠(yuǎn)地區(qū)目的層位密度當(dāng)量較高，并且頁巖地層對鉆井液性能要求高，在合適的高密度條件下，普通鉆井液很難滿足其性能要求，施工過程中難以使用合適的密度平衡地層壓力。

(2)井壁穩(wěn)定性差。地層傾角變化較大，龍馬溪組頁巖層應(yīng)力系統(tǒng)特別復(fù)雜，鉆進(jìn)中水平段應(yīng)力釋放易造成剝落掉塊。另外本層位的泥質(zhì)含量高，水敏性較強(qiáng)，容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，造成井下復(fù)雜情況。

(3)潤滑降阻要求高。水平段長度超過1000 m，潤滑困難，高密度條件下，鉆井液潤滑性能下降，摩阻增大，出現(xiàn)復(fù)雜情況的概率增大，另外隨鉆使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)，需不斷調(diào)整鉆井方位變化，對鉆井液潤滑能力提出了更高的要求。

(4)井眼凈化問題。由于水平井造斜段井斜變化大，井眼清潔難度大；同時，因為水平段巖屑的重力作用，高密度鉆井液中重晶石等加重材料本身對攜帶巖屑的能力有影響；再者，施工密度高，泵壓高，排量有限，易形成巖屑床，進(jìn)一步增加摩阻、扭矩和井下復(fù)雜情況的可能性。

因此針對以上難點，需優(yōu)選出一套適用于威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣水平井的油基鉆井液體系，使得其在高密度條件下，體系抑制性好，抗巖屑污染能力強(qiáng)，滿足頁巖地層對鉆井液體系的性能要求，保證該區(qū)塊頁巖氣水平井鉆井施工的需要。

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2 油基鉆井液處理劑優(yōu)選

2.1 降濾失劑優(yōu)選

降濾失劑的作用是為控制鉆井液中的濾液滲入地層，濾液會引起泥頁巖膨脹、剝落、掉塊，出現(xiàn)井壁不穩(wěn)定，嚴(yán)重時引起井下復(fù)雜[8-10]。試驗根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)濟(jì)效益考慮，以油水比(體積比)80∶20為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)密度至2.0 g/cm3，改變幾種降濾失劑，在130 ℃下高溫老化16 h，測試其性能，試驗結(jié)果如表1所示。從數(shù)據(jù)可以看出，1號和2號的濾失量過大，無法滿足現(xiàn)場需求，3號降濾失劑OBMF的濾失量最低且滿足要求，且對比其他性能參數(shù)，3號降濾失劑OBMF對他們的影響最低，因此，選用3號降濾失劑OBMF作為高密度鉆井液體系的降濾失劑。

表1 降濾失劑種類優(yōu)選

注：基漿為3%主乳化劑+0.5%潤濕劑+2%降濾失劑+2%有機(jī)土+2%氧化鈣，密度2.0 g/cm3，油水比80∶20；老化條件為130 ℃、16 h。

2.2 有機(jī)土優(yōu)選

油基鉆井液中有機(jī)土用以提高和調(diào)節(jié)油基鉆井液的粘度[11-12]，試驗選取基漿中添加不同種類有機(jī)土來測定性能，并在130 ℃下老化16 h，試驗結(jié)果見表2。由結(jié)果可以看出3號有機(jī)土Dynagel對體系粘度提高作用最明顯，同時其他性能也處于正常范圍內(nèi)，因此選取3號有機(jī)土Dynagel作為高密度油基鉆井液體系的有機(jī)土添加劑。

表2 有機(jī)土種類優(yōu)選

注：基漿為3.5%主乳化劑+1.5%輔乳化劑+1%潤濕劑+4%降濾失劑+2%有機(jī)土+2%氧化鈣，密度2.0 g/cm3，油水比80∶20；老化條件為130 ℃、16 h。

2.3 乳化劑優(yōu)選

乳化劑通過在油水界面形成吸附膜、降低油水界面張力等作用以形成穩(wěn)定的油包水乳化鉆井液體系[12-16]。試驗取3組乳化劑在基漿中進(jìn)行對比，通過電穩(wěn)定儀測定破乳電壓作為衡量指標(biāo)，其性能結(jié)果見表3。

表3 乳化劑種類優(yōu)選

注：基漿為3%乳化劑+0.5%潤濕劑+4%降濾失劑+2%有機(jī)土+2%氧化鈣，密度2.0 g/cm3，油水比80∶20；老化條件為130 ℃、16 h。

從結(jié)果可以看出，3號破乳電壓值最高，乳化效果最好，滿足現(xiàn)場需要，且其他各項性能滿足要求，故選取3號乳化劑OBMP、OBMS作為高密度鉆井液體系的主、輔乳化劑。

3 油基鉆井液體系配方確定

經(jīng)過對油基鉆井液處理劑的優(yōu)選，確定以3號的OBMP為主乳化劑，OBMS為輔乳化劑，保證體系的穩(wěn)定性，以3號降濾失劑OBMF作為降濾失劑，控制濾失量，減少頁巖的坍塌，提高井壁穩(wěn)定性，3號有機(jī)土Dynagel作為體系的有機(jī)土，提高體系粘度，對各種處理劑比例進(jìn)行正交試驗，優(yōu)選出適合長寧-威遠(yuǎn)地區(qū)的高密度油基鉆井液體系比例。正交試驗情況如下：采用四因素三水平正交試驗設(shè)計，以鉆井液體系的塑性粘度、動切力、動塑比，高溫高壓濾失量和破乳電壓為指標(biāo)，優(yōu)選出最佳比例。四優(yōu)化因子：主乳化劑、潤濕劑、輔乳化劑、降濾失劑。正交試驗設(shè)計的因素和水平見表4。

表4 鉆井液體系正交試驗因素與水平

按照四因素三水平正交試驗的方法，選取9組油水比80∶20、加重至2.15 g/cm3的鉆井液組成配方，經(jīng)過130 ℃、16 h老化后性能測定結(jié)果，性能數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 鉆井液體系正交試驗性能數(shù)據(jù)

按照正交試驗設(shè)計數(shù)據(jù)處理方法，以現(xiàn)場鉆井液要求性能為判定原則，確定最終比例：油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機(jī)土+3%CaO+重晶石。

4 油基鉆井液體系性能評價

4.1 體系加重性能

室內(nèi)試驗通過評價不同密度下油基鉆井液體系的性能，確定體系的加重穩(wěn)定性和適合的流變性能。使用重晶石將油基鉆井液體系分別加重至2.1、2.15、2.2 g/cm3，在130 ℃條件下熱滾16 h，老化后性能結(jié)果見表6。

由表6可以看出，隨著重晶石加量的提高，不同密度的油基鉆井液體系在老化后破乳電壓都維持在800 V以上，滿足現(xiàn)場要求400 V以上，說明體系的乳化穩(wěn)定性良好。同時較高的初終切及動切力對于懸浮巖屑及重晶石提供良好支持，說明體系攜帶巖屑能力較強(qiáng)，井眼清潔效果好，尤其在水平段不易形成巖屑床。

表6 鉆井液體系加重試驗性能

注：基漿為油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機(jī)土+3%CaO+重晶石；老化條件為130 ℃、16 h。

4.2 抗污染性能

(1)向體系中添加不同比例的水，經(jīng)過130 ℃、16 h老化后性能測定結(jié)果如表7所示。

表7 鉆井液體系抗水污染試驗性能

注：基漿為油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機(jī)土+3%CaO+重晶石；老化條件為130 ℃、16 h。

(2)選取相同巖層不同質(zhì)量的巖屑加入到高密度油基鉆井液體系中，老化條件130 ℃、16 h，評價體系的抗巖屑污染性能，試驗結(jié)果見表8。

由表7和表8可以看出，鉆井液中隨著水量的增加，當(dāng)水量增加至6%時，此時油水比已達(dá)到76∶24，破乳電壓依舊維持在400 V以上，滿足現(xiàn)場施工要求，同時粘度及切力變化不大，濾失量略有上升，可見體系的乳化穩(wěn)定性良好；巖屑加入后，體系粘度變化不大，波動范圍很小，表明體系穩(wěn)定性好，巖屑對體系的影響小，75 g巖屑已相當(dāng)于混入18%的比例，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常施工的可能性，各項性能數(shù)值依舊保持在可控正常范圍內(nèi)，說明體系在施工中具有很好的抗巖屑污染能力。

表8 鉆井液體系抗巖屑污染試驗性能

注：基漿為油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機(jī)土+3%CaO+重晶石。

上述兩項試驗結(jié)果表明，高密度油基鉆井液體系具有良好的抗污染能力。

4.3 抑制性能

抑制性反映了鉆井液穩(wěn)定井壁的能力。試驗按照測定巖屑回收率的方式測試鉆井液體系的抑制性能，選取現(xiàn)場相同層位巖性的巖屑，6～10目烘干后巖屑50 g，分別加入到清水和高密度油基鉆井液體系中，同時在130 ℃條件下滾動16 h，使用40目過篩，烘干恒定后稱取質(zhì)量，清水下巖屑剩余11.39 g，計算滾動回收率為22.72%，油基鉆井液巖屑剩余47.56 g，滾動回收率為95.11%，這表明鉆井液具有很好抑制巖屑分散的能力，有利于穩(wěn)定井壁和減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

綜上所述，高密度油基鉆井液體系性能穩(wěn)定，加重后性能穩(wěn)定，抑制性和抗污染能力較強(qiáng)，能夠滿足威遠(yuǎn)地區(qū)對于高密度，強(qiáng)抑制鉆井液的要求，可以用于現(xiàn)場施工。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

威204H37-8井位于四川省內(nèi)江市資中縣陳家鎮(zhèn)付氏祠村8組，是一口水平開發(fā)井，鉆探目的層位為志留系龍馬溪組，屬威遠(yuǎn)中奧頂構(gòu)造南翼。2018年8月11日開鉆，2018年11月1日完鉆，完鉆井深5165 m，水平段入靶點井深3665 m，完鉆出靶點井深5165 m，水平段長1500 m，鉆井周期83 d，三開采用油基鉆井液鉆進(jìn)，體系比例：基礎(chǔ)油+3%～6%主乳化劑+1%～3%輔乳化劑+1%～3%潤濕劑+2%～4%CaO+1%～3%有機(jī)土+4%～6%降濾失劑+15%～20%鹽水(濃度為20%～30%的CaCl2溶液)，在三開長水平段頁巖情況下，順利完鉆，無井漏，井徑規(guī)則，測井未見異常，鉆井液性能參數(shù)如表9所示。

表9 鉆井液性能

該井維護(hù)措施如下：

(1)在配制罐中放入大約罐體容積2/3的基礎(chǔ)油，按比例順序加入有機(jī)土Dynagel、主乳化劑OBMP、輔乳化劑OBMS、生石灰，經(jīng)充分?jǐn)嚢?、循環(huán)剪切后，加入預(yù)先配制的濃度為25%～30%的氯化鈣鹽水溶液，然后加入降濾失劑OBMF，充分?jǐn)嚢琛⒀h(huán)調(diào)整其常規(guī)性能，再根據(jù)密度需要補(bǔ)充加重劑(加重時加入適量潤濕劑)并充分?jǐn)嚢琛⒀h(huán)均勻。

(2)鉆進(jìn)過程中要求維護(hù)好電穩(wěn)定性(使用乳化劑和基礎(chǔ)油調(diào)節(jié))、HTHP濾失量(使用降濾失劑和封堵劑)和油水比等性能，并控制鉆井液流變性以減小ECD和壓力激動，防止井壁失穩(wěn)和井漏；同時注意監(jiān)測鉆井液靜切力，防止重晶石沉降。本井應(yīng)當(dāng)注意二氧化碳酸性氣體侵入，加強(qiáng)性能監(jiān)測，視情況向鉆井液中補(bǔ)充石灰防止酸性氣體污染。

(3)鉆進(jìn)中100%地使用振動篩，除砂器、除泥器使用率達(dá)85%，離心機(jī)使用率20%～40%，但在使用離心機(jī)時應(yīng)隨時監(jiān)測鉆井液性能和密度，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。掏洗罐池，盡量降低井漿的含砂量和鉆屑含量。

(4)本段在鉆進(jìn)中參照鄰井實鉆密度，在井壁穩(wěn)定的前提下盡量按設(shè)計低限實施；大斜度井段、水平段中鉆具在井下應(yīng)保持旋轉(zhuǎn)或上下運動，并采取分段循環(huán)鉆井液清理巖屑床,減少遇阻現(xiàn)象，起鉆前，循環(huán)井漿1～2周，起鉆至直井段前再次循環(huán)井漿。同時本井段要做好防塌工作，井下若發(fā)生坍塌現(xiàn)象時可根據(jù)井下實際情況適當(dāng)提高井漿密度，并增加防塌、封堵處理劑加量。

(5)按設(shè)計儲備高密度鉆井液和加重材料，高密度鉆井液循環(huán)周期≯7 d。

該油基鉆井液體系性能穩(wěn)定，有很好的抑制性、潤滑性、攜砂性和油氣層保護(hù)作用，在該井長水平段，高密度油基鉆井液施工中無憋泵、脫壓、卡鉆現(xiàn)象，井壁穩(wěn)定、摩阻低、鉆速快，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，滿足了裸眼水平段高效攜巖的需求。

6 結(jié)論與應(yīng)用建議

(1)通過對主要處理劑優(yōu)選，針對威遠(yuǎn)-長寧地區(qū)井壁失穩(wěn)等問題，正交試驗優(yōu)化出一套油基鉆井液體系，其比例為：油水比80∶20(25%CaCl2水溶液)、5%主乳化劑+2.0%輔乳化劑+2.0%潤濕劑+5%降濾失劑+2%有機(jī)土+3%CaO。

(2)該體系具有良好的流變性，乳化效果好，密度加重可達(dá)到2.2 g/cm3，具有良好的抗污染能力，抑制性能強(qiáng)。

(3)通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，高密度油基鉆井液體系濾失量低，流變性好，破乳電壓高，配合施工措施能夠有效解決龍馬溪組層位易坍塌掉塊等難題，三開井段鉆進(jìn)順利，期間性能穩(wěn)定，無井漏，很好地滿足了威204H37-8井的施工要求，具有推廣作用。

(4)現(xiàn)場水油鉆井液體系轉(zhuǎn)換初期，出現(xiàn)破乳電壓較低，乳化穩(wěn)定性較弱的現(xiàn)象，推測是轉(zhuǎn)換初期，油水分層，乳化需要一個過程，這項問題值得注意和改進(jìn)，避免轉(zhuǎn)換初期出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。