涪陵深層頁巖氣水平井高效油基鉆井液體系研究

劉元憲

摘 ?????要： 針對涪陵深層頁巖氣水平井開發(fā)過程中存在井壁失穩(wěn)、摩阻較大以及起下鉆困難等問題，在分析研究鉆井液技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，結(jié)合該區(qū)塊具體地質(zhì)特征，提出了相應(yīng)的鉆井液技術(shù)對策，決定采用油基鉆井液鉆進(jìn)。為此，室內(nèi)在前期涪陵頁巖氣區(qū)塊使用的油基鉆井液基礎(chǔ)之上，通過降濾失劑以及潤濕劑的優(yōu)選，研制了一套適合涪陵深層頁巖氣水平井的高效油基鉆井液體系，具體配方為：柴油：氯化鈣水溶液（32%）=90：10～70：30+4%主乳化劑HZRJ-1+4%輔乳化劑HFRJ-3+5%降失水劑JSY-1+3%有機(jī)土+1潤濕劑HRSJ-10+5%氧化鈣+重晶石加重至密度為1.80～2.20 g/cm3。室內(nèi)對該高效油基鉆井液體系的綜合性能進(jìn)行了評價，結(jié)果表明，高效油基鉆井液體系在不同密度范圍和不同油水條件下均具有良好的流變性能，并且具有良好的沉降穩(wěn)定性能、抑制性能以及抗污染性能，能夠滿足涪陵深層頁巖氣鉆井施工的需求。為目標(biāo)區(qū)塊深層頁巖氣的高效穩(wěn)定開發(fā)提供技術(shù)支持和保障。

關(guān) ?鍵 ?詞：深層頁巖氣;水平井;技術(shù)難點;高效油基鉆井液;涪陵地區(qū)

中圖分類號：TE 242 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0179-04

Abstract： In view of the problems such as wall instability， high friction and difficulty of drilling in the development of Fuling deep shale gas horizontal well， the corresponding drilling fluid technical countermeasures were put forward on the basis of analyzing and studying the technical difficulties of drilling fluid and combining with the specific geological characteristics of this block， and it was decided to adopt oil-based drilling fluid for drilling. Therefore， on the basis of oil-based drilling fluid used in Fuling shale gas block， a set of high-efficiency oil-based drilling fluid system suitable for Fuling deep shale gas horizontal well was developed by optimizing filtrate reducer and wetting agent. The formulation was as follows： diesel oil： calcium chloride aqueous solution （32%） = 90：10～70：30+4% main emulsifier HZRJ-1+4% co-emulsifier HFRJ-3+5% dehydrating agent JSY-1+3% organic soil+1% wetting agent HRSJ-10+5% calcium oxide+ barite （ aggravating to 1.80～2.20 g/cm3）. The comprehensive performance of the high-efficiency oil-based drilling fluid system was evaluated in laboratory. The results show that the high-efficiency oil-based drilling fluid system has good rheological properties in different densities and oil-water conditions， and has good sedimentation stability， inhibition performance and anti-pollution performance， which can meet the requirements of Fuling deep shale gas horizontal well drilling. It provides technical support and guarantee for the efficient and stable development of deep shale gas in the target area.

Key words：Deep shale gas; Horizontal well; Technical difficulties; High efficiency oil based drilling fluid; Fuling area

中淺層頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)已經(jīng)在焦石壩以及長寧等地區(qū)實現(xiàn)了突破，而深層頁巖氣的勘探開發(fā)研究尚處于起步階段。深層頁巖氣通常指儲層埋深大于3 500 m的頁巖氣，與中淺層頁巖氣儲層相比較而言，深層頁巖氣由于其特殊的地質(zhì)特征，導(dǎo)致其在鉆井過程中通常面臨更多的技術(shù)難題，例如機(jī)械鉆速低、井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、井眼軌跡難控制以及鉆井周期長等問題[1-4]。

油基鉆井液以其良好的潤滑性能、低摩阻性能以及強(qiáng)抑制性能等眾多優(yōu)點，使其在頁巖氣水平井開發(fā)過程中被普遍采用。目前，國內(nèi)外對中淺層頁巖氣水平井開發(fā)用油基鉆井液體系的研究較多，并且取得了良好的應(yīng)用效果，但對深層頁巖氣水平井開發(fā)用油基鉆井液體系的研究及相關(guān)報道較少[5-7]。相比較常規(guī)油基鉆井液體系，深層頁巖氣開發(fā)對油基鉆井液的性能提出了更高的要求。因此，開展深層頁巖氣水平井高效油基鉆井液技術(shù)研究，對于深層頁巖氣的高效穩(wěn)定開發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

筆者以涪陵深層頁巖氣水平井為研究對象，對鉆井過程中所面臨的鉆井液技術(shù)難題進(jìn)行了深入分析研究，并提出了相應(yīng)的技術(shù)對策。在此基礎(chǔ)之上，通過降濾失劑以及潤濕劑等處理劑的優(yōu)選，形成了一套適合涪陵深層頁巖氣水平井的高效油基鉆井液體系，并對體系的綜合性能進(jìn)行了評價，以期為涪陵深層頁巖氣鉆井施工的順利進(jìn)行提供技術(shù)支持和保障，也能為同類頁巖氣區(qū)塊的勘探開發(fā)提供一定的借鑒。

1 ?涪陵深層頁巖氣鉆井液技術(shù)難點

涪陵地區(qū)深層頁巖氣開發(fā)以水平井為主，結(jié)合該地區(qū)地質(zhì)特征及以往相同類型水平井鉆井液的應(yīng)用情況，分析認(rèn)為涪陵地區(qū)深層頁巖氣水平井鉆井液主要存在以下幾個方面的技術(shù)難點：

（1）水平井段儲層泥頁巖發(fā)育微裂縫及微孔隙，導(dǎo)致應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，在鉆井過程中容易發(fā)生井壁坍塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。且深層頁巖氣地層壓力較高，需要鉆井液體系具有較高的密度以平衡地層壓力。

（2）深層泥頁巖儲層水敏性較強(qiáng)，若使用水基鉆井液，濾失量控制不當(dāng)，過多的水基濾液侵入儲層后，容易引起井壁剝落垮塌，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

（3）深層水平井造斜段的井斜容易發(fā)生變化，井斜角較大，容易造成巖屑沉積，導(dǎo)致井眼清潔度變差，且容易堵塞井眼，造成卡鉆事故的發(fā)生。

（4）深層水平井井眼軌跡復(fù)雜，在鉆進(jìn)過程中容易在井壁上形成鍵槽和小臺階，造成鉆具與井壁的摩擦力升高，鉆頭扭矩增大，因此，要求鉆井液必須具有較好的潤滑性，從而降低鉆井過程中的摩擦阻力，減少黏附卡鉆事故的出現(xiàn)。

2 ?鉆井液技術(shù)對策

從以上涪陵深層頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)難點分析結(jié)果可知，在該地區(qū)水平鉆井過程中，鉆井液需要具有保護(hù)井壁穩(wěn)定、良好的攜砂性能以及降低摩阻性能。因此，鉆井液的研究需要從以下幾個方面來開展：

（1）控制合理的鉆井液密度，穩(wěn)定地層壓力，防止應(yīng)力敏感性引起的井壁坍塌。

（2）加強(qiáng)鉆井液體系的抑制能力以及封堵能力，防止鉆井液濾液侵入儲層造成的損害。

（3）提高鉆井液體系的攜砂性能，防止巖屑沉積導(dǎo)致的卡鉆事故。

（4）提高鉆井液體系的潤滑能力，降低鉆井過程中的摩擦阻力，提高鉆井效率。

鑒于以上原因，涪陵深層頁巖氣水平井鉆井宜采用油基鉆井液體系，能夠有效解決以上問題。因此，本文將在常規(guī)頁巖氣水平井用油基鉆井液的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究適合涪陵深層頁巖氣水平井的高效油基鉆井液體系。

3 ?高效油基鉆井液技術(shù)研究

通過對前期涪陵中淺層頁巖氣水平井使用的常規(guī)油基鉆井液體系進(jìn)行調(diào)研分析，并結(jié)合該地區(qū)深層頁巖氣儲層的特點，確定了高效油基鉆井液體系的基礎(chǔ)配方為：柴油：氯化鈣水溶液（32%）=80：20+4%主乳化劑HZRJ-1+4%輔乳化劑HFRJ-3+3%有機(jī)土+5%氧化鈣+重晶石粉。為提高油基鉆井液體系的穩(wěn)定性，還需要加入性能優(yōu)良的降濾失劑和潤濕劑。下面將針對這兩種處理劑展開優(yōu)選。

3.1 ?降濾失劑的優(yōu)選

室內(nèi)評價了四種降濾失劑在高效油基鉆井液基礎(chǔ)配方中的降失水效果，見表1。

由表1結(jié)果可知，降濾失劑JSY-1的降失水效果最好，且對鉆井液體系的流變性影響較小。選擇5% JSY-1作為高效油基鉆井液體系的降濾失劑。

3.2 ?潤濕劑的優(yōu)選

潤濕劑的加入能使油基鉆井液體系形成穩(wěn)定的連續(xù)相，提高油基鉆井液的穩(wěn)定性。室內(nèi)對研制的高效潤濕劑HRSJ-10進(jìn)行了加量的優(yōu)選，實驗結(jié)果見表2。

由表2結(jié)果可知，加入高效潤濕劑HRSJ-10后，油基鉆井液體系的流變性變化較小，但破乳電壓明顯升高，當(dāng)HRSJ-10加量為1.0%時，破乳電壓達(dá)到1 000 V以上，體系較為穩(wěn)定。

3.3 ?高效油基鉆井液體系配方確定

通過以上降濾失劑和潤濕劑的優(yōu)選，最終確定適合涪陵深層頁巖氣水平井的高效油基鉆井液體系配方為：柴油：氯化鈣水溶液（32%）=90：10～70：30+4%主乳化劑HZRJ-1+4%輔乳化劑HFRJ-3+5%降失水劑JSY-1+3%有機(jī)土+1潤濕劑HRSJ-10+5%氧化鈣+重晶石加重至密度為1.80 ～2.20 g/cm3。下面重點將評價該高效油基鉆井液體系的綜合性能。

4 ?高效油基鉆井液體系性能評價

4.1 ?流變性能評價

結(jié)合涪陵地區(qū)以往勘探開發(fā)鉆井資料，油基鉆井液的密度應(yīng)該滿足在1.80～2.20 g/cm3之間，下面評價了不同鉆井液密度以及不同油水比條件下的流變性能，實驗結(jié)果見表3和表4。

由表3和表4實驗結(jié)果可以看出，該高效油基鉆井液體系在高溫高密度下老化前后流變性能穩(wěn)定，破乳電壓變化幅度較小。隨著油水比的下降，鉆井液體系黏度和切力稍微增大，破乳電壓稍有降低，但仍然能夠滿足深層頁巖氣鉆井施工對鉆井液的要求，說明該鉆井液體系具有良好的流變性能。

4.2 ?沉降穩(wěn)定性

油基鉆井液的沉降穩(wěn)定性好壞對深層頁巖氣鉆井過程具有比較重要的影響，若油基鉆井液在鉆井過程中發(fā)生沉降，固相材料會堵塞地層，并會粘附在井下鉆具上，影響鉆井效率。室內(nèi)配制不同密度的油基鉆井液體系，放置在150 ℃下靜置老化不同時間后，測定油基鉆井液體系的上下密度差，以評價油基鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性。實驗結(jié)果見圖1。

4.3 ?對泥頁巖的抑制性能

鑒于涪陵地區(qū)深層頁巖氣儲層黏土礦物含量較高，在鉆井過程中鉆井液濾液或其他外來流體的侵入可能會引起地層中黏土礦物的水化膨脹，分散運(yùn)移等，造成井壁失穩(wěn)，影響鉆井效果。因此，需要對研究的高效油基鉆井液體系進(jìn)行抑制性能的評價。室內(nèi)使用涪陵地區(qū)深層頁巖氣儲層鉆屑，采用滾動回收率法評價了高效油基鉆井液體系的抑制性能，并與鄰井的水基鉆井液體系和清水的抑制性能進(jìn)行了對比，鉆屑洗油烘干后過10～40目篩，滾動實驗后過40目篩，實驗溫度為150 ℃，鉆井液密度為2.0 g/cm3，油水比為80：20。結(jié)果見表5。

由表5實驗數(shù)據(jù)可以看出，由于頁巖儲層黏土礦物含量高，使用清水的鉆屑回收率較小，僅為39.3%。而鉆屑在研制的高效油基鉆井液體系中的回收率高達(dá)98.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鄰井的水基鉆井液滾動回收率。說明研制的高效油基鉆井液體系對涪陵地區(qū)深層泥頁巖儲層具有良好的抑制性能，能夠防止鉆井過程中出現(xiàn)的泥頁巖水化分散，避免井壁坍塌、失穩(wěn)的情況出現(xiàn)，提高鉆井效率。

4.4 ?抗污染性能

在深層頁巖氣儲層鉆井過程中，鉆井液體系中不可避免的會混入一定的鉆屑，如果鉆井液體系的抗鉆屑污染能力不強(qiáng)，容易引起鉆井液體系增稠，流變性能變差，影響鉆井效果。因此，很有必要對研制的高效油基鉆井液體系進(jìn)行抗鉆屑污染性能評價，室內(nèi)使用目標(biāo)區(qū)塊深層頁巖氣儲層鉆屑，磨成粉末狀，按不同比例加入到高效油基鉆井液體系中，評價其對鉆井液體系流變性能的影響。實驗溫度為150℃，鉆井液密度為2.0 g/cm3，油水比為80：20。實驗結(jié)果見表6。

由表6實驗數(shù)據(jù)可以看出，研制的高效油基鉆井液體系中加入不同量的鉆屑粉后，鉆井液體系的流變性能變化不大，切力變化也較小，破乳電壓值略有降低，但仍滿足要求。表明研制的高效油基鉆井液體系具有良好的抗鉆屑污染能力。

5 ?結(jié) 論

（1）在分析了涪陵深層頁巖氣開發(fā)鉆井液技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，提出了鉆井液主要技術(shù)對策，決定在該區(qū)塊采用高效油基鉆井液體系。

（2）在確定了高效油基鉆井液基礎(chǔ)配方之后，通過降濾失劑以及潤濕劑的優(yōu)選，研制出了一套適合涪陵深層頁巖氣水平井的高效油基鉆井液體系。

（3）高效油基鉆井液體系綜合性能評價結(jié)果表明，該體系具有良好的流變性能、沉降穩(wěn)定性能、抑制性能以及抗污染性能，能夠滿足涪陵深層頁巖氣鉆井施工的需求。

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