常壓頁(yè)巖氣用“四低四高”油基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

摘? 要：常壓頁(yè)巖氣儲(chǔ)層頁(yè)理層理、微裂隙發(fā)育，水平井鉆井井壁穩(wěn)定難度大、鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)高，商業(yè)開(kāi)發(fā)降本提效需求迫切。為此文章研發(fā)了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動(dòng)塑比高、穩(wěn)定性高的“四低四高”油基鉆井液體系，室內(nèi)結(jié)果表明其整體性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)技術(shù)水平。該油基鉆井液在武隆和梨樹(shù)等常壓氣區(qū)塊多口井成功應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)油水比可降至60/40，較以往技術(shù)單井平均減少基礎(chǔ)油用量約50t，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。本研究對(duì)于常壓頁(yè)巖氣水平井鉆井液成本控制具有重要意義和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：常壓頁(yè)巖氣;水平井;油基鉆井液;性能控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TE254.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0012-04

Abstract： Normal pressure shale gas reservoir has plenty of stratifications and microfractures， so it was a great challenge fordrilling a horizontal well to maintain borehole wall stability， control drilling fluid loss and reduce commercial development cost. Therefore， an oil-base drilling fluid formation was researched， which had the characters of low viscosity， low filtration loss， low dosage， low oil-water ratio， high breaking of emulsion voltage， high shear force， high dynamic plastic ratio， high stability. The experimental results display that the performance of this formation is up to or better than that of similar foreign technologies. This oil-based drilling fluid has been successfully applied in many wells in Wulong and Lishunormal pressuregas blocks. The oil-water ratio waskeptat 60/40， which saved about 50 tons base oil every well and reduced the cost of drilling fluid. This study has great significance and reference value for the cost control of drilling fluid in normal pressure shale gas horizontal wells.

Keywords： normal pressure shale gas; horizontal well; oil base drilling fluid; performance control

1 概述

2008年以來(lái)，由于頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)和復(fù)雜深層鉆探需求的大幅增多，我國(guó)油基鉆井液技術(shù)發(fā)展迅速[1-2]，技術(shù)水平快速提高。截止2018年底，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣水平井用油基鉆井液技術(shù)的完全自主化，打破了早期國(guó)外技術(shù)在該領(lǐng)域的壟斷，充分保障了中國(guó)石化涪陵、中國(guó)石油長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)兩大國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣田的建設(shè)與開(kāi)發(fā)。

隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)的深入，以重慶武隆、彭水五峰組-龍馬溪組地層和吉林梨樹(shù)斷陷營(yíng)城組營(yíng)地層為代表的常壓（壓力系數(shù)1.0～1.2）頁(yè)巖氣資源成為關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。區(qū)別于涪陵與威遠(yuǎn)-長(zhǎng)寧，上述常壓儲(chǔ)層頁(yè)理層理和微裂隙更加發(fā)育，水平井鉆井井壁穩(wěn)定難度更大、鉆井液漏失風(fēng)險(xiǎn)更高，如何在充分保障水平井鉆井安全的前提下、充分降低鉆井成本成為常壓頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題和商業(yè)開(kāi)發(fā)需求，本文聚焦常壓頁(yè)巖儲(chǔ)層的地質(zhì)特征、長(zhǎng)水平井鉆井安全、優(yōu)質(zhì)、高效施工的綜合要求，研制了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動(dòng)塑比高、穩(wěn)定性高的“四低四高”油基鉆井液體系，在重慶武隆和吉林梨樹(shù)等常壓氣區(qū)塊多口井成功應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2 體系構(gòu)建

常壓頁(yè)巖儲(chǔ)層不僅頁(yè)理、層理發(fā)育，而且由于地質(zhì)演變過(guò)程中歷經(jīng)了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[4]，其裂隙更加發(fā)育。頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)為了獲得更高產(chǎn)能，儲(chǔ)層水平段通常長(zhǎng)達(dá)800～2000m，這給常壓頁(yè)巖氣水平井施工帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，施工中井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)更高、井眼凈化難度更大、頁(yè)巖漏失問(wèn)題愈加突出。為此，常壓頁(yè)巖氣水平井用油基鉆井液必須具有良好的乳化穩(wěn)定性能、突出的微裂隙封堵效果和出眾的井眼清潔功能。為了達(dá)到上述鉆井液性能要求，本文對(duì)常壓頁(yè)巖水平井用油基鉆井液體系組成進(jìn)行了構(gòu)建[5]：

（1）乳化穩(wěn)定性是體系穩(wěn)定的基礎(chǔ)。高效的乳化劑可以保障油基鉆井液中水相的充分乳化，最大程度降低頁(yè)巖的水化，這對(duì)于常壓頁(yè)巖井筒的穩(wěn)定尤為重要。根據(jù)HydropHile-LipopHile Balance原理[6]，選用高效乳化劑，以保障低油水比下的乳化穩(wěn)定。

（2）頁(yè)巖有效封堵是井下安全的保障。利用掃描電鏡SEM等分析手段，對(duì)武隆、梨樹(shù)等地區(qū)的頁(yè)巖巖心進(jìn)行了微觀(guān)分析，獲得了頁(yè)巖的微裂縫和孔隙的尺度范圍，進(jìn)而選擇合理粒徑范圍隨鉆封堵材料[7]，強(qiáng)化井筒，降低消耗、減少漏失。

（3）合理流變性能是水平井井眼清潔的關(guān)鍵?；谔岣唔?yè)巖長(zhǎng)水平井?dāng)y巖能力、凈化井筒的目的，需使用可提升油基鉆井液結(jié)構(gòu)力的流型調(diào)節(jié)劑，并盡可能降低漏斗黏度與塑性黏度，維持較高的動(dòng)塑比，有效地控制合理的流變性能，確保井眼清潔、保障施工安全。

（4）低油水比是降低油基鉆井液成本的核心。武隆、梨樹(shù)區(qū)塊常壓頁(yè)巖儲(chǔ)層鉆探采用的鉆井液密度范圍為1.10～1.40g/cm3，基于現(xiàn)有油水乳化穩(wěn)定和流變性能控制水平，油水比宜控制在60/40～70/30，施工中應(yīng)結(jié)合實(shí)鉆安全盡可能維持在上述范圍的下限。這有利于減少基礎(chǔ)油用量、降低鉆井液的總體成本。

3 體系配方與性能

3.1 配方組成

依據(jù)上述的構(gòu)建思路與設(shè)計(jì)原則，在新型乳化劑、強(qiáng)力封堵劑和提切劑等關(guān)鍵處理劑優(yōu)選的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，獲得了常壓頁(yè)巖水平井用“四低四高”油基鉆井液的配方組成：

基礎(chǔ)油+1.5%主乳化劑+0.5%輔乳化劑+鹽水（CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～35%）+2.0%CaO+1.0%有機(jī)土+2.0%降濾失劑+0.3%提切劑+3.0%～5.0%封堵劑+加重劑，油水比60/40～70/30。

按照上述“四低四高”油基鉆井液配方組成，依據(jù)GB/T 16783.2中所述配制程序與測(cè)定方法，室內(nèi)對(duì)密度為1.20～1.40g/cm3的配方120℃16h老化后的各項(xiàng)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)與國(guó)外Schlumberger公司的MEGADRIL油基鉆井液的性能進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1數(shù)據(jù)表明，上述油基鉆井液在油水比60/40～70/30條件下經(jīng)120℃老化后破乳電壓均高于550V，說(shuō)明該鉆井液乳化穩(wěn)定;在1.20～1.40g/cm3范圍內(nèi)，塑性黏度在22～27mPa·s，動(dòng)切力為8～11Pa，具有高于0.35的動(dòng)塑比和低剪切轉(zhuǎn)速下的讀值，顯示了良好的低黏度、高切力流變特征，說(shuō)明攜巖能力出眾，可有效降低環(huán)空壓耗、保障頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平段的井眼清潔和井下安全;同時(shí)數(shù)據(jù)還顯示其高溫高壓濾失量均低于3.0mL，這對(duì)于維持井壁穩(wěn)定和降低鉆井液消耗均具有重要的意義。

綜上所述，上述體系具有塑性黏度低、濾失量低、油水比低、處理劑加量低和穩(wěn)定性高、破乳電壓高、切力高、動(dòng)塑比高的“四低四高”突出特征。與國(guó)外先進(jìn)油基鉆井液Schlumberger公司的MEGADRIL相比，常壓頁(yè)巖水平井用“四低四高”整體性能指標(biāo)達(dá)到同等技術(shù)水平，在油水比、動(dòng)塑比等指標(biāo)方面同比更具優(yōu)勢(shì)，這使得其更具技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 抗污染性能評(píng)價(jià)

基于常壓頁(yè)巖氣水平井施工工況，“四低四高”油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)受到的污染主要包括替漿用水、鉆屑和固井沖洗液三個(gè)方面，室內(nèi)評(píng)價(jià)了密度為1.20g/cm3時(shí)三種因素對(duì)其性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3和表4。

表2實(shí)驗(yàn)?zāi)M了油基鉆井液轉(zhuǎn)換過(guò)程中，替漿水侵入后對(duì)其性能的影響。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)模擬的替漿水侵入“四低四高”油基鉆井液后，會(huì)引起黏切的升高和濾失量的略微上升，還會(huì)導(dǎo)致破乳電壓的降低，這均是由于作為分散相的水量增加所致。當(dāng)模擬替漿水侵入量達(dá)到15%時(shí)，此時(shí)油基鉆井液的油水比已達(dá)54/45，破乳電壓為425V，尚高于業(yè)界安全值400V，表明其具有良好的抗水污染的能力，這對(duì)于鉆井液轉(zhuǎn)換工藝過(guò)程控制，“四低四高”油基鉆井液維持性能穩(wěn)定具有重要的指導(dǎo)意義。

由表3數(shù)據(jù)表明，5～10目的大顆粒頁(yè)巖鉆屑侵入“四低四高”油基鉆井液后，其破乳電壓、切力等各項(xiàng)性能幾乎無(wú)變化，展現(xiàn)出優(yōu)良污染能力。粒徑180～200目的鉆屑粉加入后對(duì)油基鉆井液破乳電壓影響很小，但塑性黏度、切力均有一定程度的增長(zhǎng)。當(dāng)鉆屑粉加量至12%時(shí)，塑性黏度增幅達(dá)36%，表明小粒徑鉆屑的持續(xù)增加將不可避免地導(dǎo)致油基鉆井液中固相內(nèi)摩擦加劇，此時(shí)必須需通過(guò)離心機(jī)高速分離的方式將其去除，以保持鉆井液流變性能穩(wěn)定。

表4數(shù)據(jù)表明，水平井固井作業(yè)時(shí)，固井油基沖洗液的混入會(huì)導(dǎo)致“四低四高”油基鉆井液破乳電壓下降，當(dāng)沖洗液混入10%時(shí)，油基鉆井液表現(xiàn)為黏切升高、破乳電壓降低，整體性能保持穩(wěn)定。但隨著固井液侵入量持續(xù)增加至15%時(shí)，乳化穩(wěn)定性變差，破乳電壓降至業(yè)界安全值400V以下，高溫高壓濾失量也迅速增加，表明乳化穩(wěn)定性大幅下降。由于油基沖洗液中含有大量親水性的表面活性組分，這些組分的侵入導(dǎo)致油基鉆井液中油水乳化液滴界面吸附的表面活性組分的重新分布，使得乳化液滴的界面膜強(qiáng)度降低甚至破乳，表現(xiàn)為油基鉆井液破乳電壓的大幅降低。因此，基于回收后油基鉆井液乳化穩(wěn)定與提高重復(fù)使用的目的，水平井固井替漿過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)替漿終點(diǎn)的判斷，以減少固井用油基沖洗液混入“四低四高”油基鉆井液的數(shù)量。

3.3 封堵性能評(píng)價(jià)

電鏡掃描SEM測(cè)試顯示武隆和梨樹(shù)區(qū)塊常壓頁(yè)巖地層微裂隙的尺度分布于50nm～20um，為了有效模擬上述尺度的頁(yè)巖微裂隙的封堵，本文采用粒徑尺度為2um的PPA陶瓷砂盤(pán)模擬頁(yè)巖地層，具體測(cè)試程序如下：在PPA測(cè)試樣杯中裝入陶瓷砂盤(pán)，然后加入含有不同封堵劑加量的四低四高”油基鉆井液，密封后開(kāi)啟測(cè)定程序，測(cè)定120℃下3.0MPa和4.5MPa不同壓差下30min的砂盤(pán)濾失量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

模擬封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)“四低四高”油基鉆井液在未加封堵材料時(shí)，在3.0MPa和4.5MPa的壓差下，PPA封堵實(shí)驗(yàn)的高溫濾失量為2.2mL和3.8mL。當(dāng)加入微納米粒度尺度、合理級(jí)配的封堵劑后，其在PPA封堵實(shí)驗(yàn)中的濾失量大幅度降低，封堵效果顯著提升。當(dāng)不同規(guī)格的納微米封堵劑加量增至5.0%時(shí)，3.0MPa和4.5MPa壓差下的高溫濾失量均降至0mL，表明納微米顆粒的粒徑與模擬的微裂隙的尺度實(shí)現(xiàn)了良好的匹配，同時(shí)封堵材料的有效濃度可以在陶瓷砂盤(pán)表面形成致密的封堵層，使得其承壓能力顯著提升。

4 應(yīng)用及效果

基于常壓頁(yè)巖水平井用“四低四高”油基鉆井液體系研究，結(jié)合重慶武隆和吉林梨樹(shù)等常壓氣區(qū)塊施工要求，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)油水比維護(hù)、封堵防漏控制等措施實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)多口井的成功應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文以隆頁(yè)A井為例予以介紹。

4.1 隆頁(yè)A井概況

隆頁(yè) A井是中國(guó)石化武隆常壓頁(yè)巖氣區(qū)塊的一口開(kāi)發(fā)井，該井鉆探目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組和五峰組，地層壓力系數(shù)為1.10，屬典型常壓頁(yè)巖儲(chǔ)層。隆頁(yè)A井采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)，三開(kāi)包括造斜井段與水平井段，設(shè)計(jì)完鉆井深4954m?；谔岣咩@井速度的目的，該井采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井方式。為充分保障鉆井井下安全，同時(shí)降低成本，采用“四低四高”油基鉆井液技術(shù)施工。

4.2 關(guān)鍵維護(hù)控制工藝

4.2.1 采用低油水比乳液補(bǔ)充消耗

鉆進(jìn)中，采用油水比60/40乳液補(bǔ)充鉆井液消耗，該措施不僅可以保障鉆井液的總量，還可以有效維持全井鉆井液的油水比在70/30～60/40，利于黏切的合理控制。

4.2.2 監(jiān)測(cè)與控制流變性能與固相含量

（1）每班次監(jiān)測(cè)流變性能與固相含量，利用固控設(shè)備和乳液調(diào)整，將密度1.25～1.30g/cm3范圍的鉆井液漏斗黏度控制在50～65s、動(dòng)切力控制在8～14Pa。

（2）120目及以上高頻振動(dòng)篩和除砂除泥一體機(jī)24h運(yùn)轉(zhuǎn)、間歇使用高速離心機(jī)，將低密度固相含量控制在5.0%以下。

4.2.3 及時(shí)補(bǔ)充隨鉆封堵材料，強(qiáng)化封堵、降低消耗

使用多種納微米尺度的封堵劑，維持濃度在4-5%的濃度用量，將高溫高壓濾失量控制在低于4.0mL，單位進(jìn)尺鉆井液消耗量控制在不高于0.07m3/m，強(qiáng)化井筒、節(jié)約成本。

4.3 應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，隆頁(yè)A井三開(kāi)采用“四低四高”油基鉆井液技術(shù)施工效果顯著，累計(jì)進(jìn)尺1982m，各井段鉆井液性能見(jiàn)表6?！八牡退母摺庇突@井液技術(shù)整個(gè)施工過(guò)程油水比均低于70/30，較同區(qū)域傳統(tǒng)油基鉆井液技術(shù)同比降低約15%，累計(jì)節(jié)約基油55t，降本顯著;低黏高切流變性能突出，攜巖返砂正常，保障了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井速度的充分釋放，機(jī)械轉(zhuǎn)速較鄰井同比提升30%，鉆井周期縮短12d，提速效果突出;隨鉆封堵效果明顯，單位進(jìn)尺鉆井液消耗降至0.07m3/m，較該區(qū)塊平均消耗量降幅達(dá)24m3，有效節(jié)約鉆井液成本。

5 結(jié)論與建議

（1）基于常壓頁(yè)巖儲(chǔ)層特征，聚焦長(zhǎng)水平井施工安全和降本提速的需求，研發(fā)了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動(dòng)塑比高、穩(wěn)定性高的“四低四高”油基鉆井液體系。

（2）室內(nèi)結(jié)果表明“四低四高”油基鉆井液油水比可達(dá)60/40、破乳電壓高于550V、動(dòng)塑比大于0.35，整體性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)先進(jìn)技術(shù)水平。

（3）“四低四高”油基鉆井液在武隆和梨樹(shù)等常壓氣區(qū)塊多口井成功應(yīng)用，較以往技術(shù)單井平均減少基礎(chǔ)油用量約50t，鉆井液消耗量同比減少20%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（4）“四低四高”油基鉆井液對(duì)于常壓頁(yè)巖氣水平井鉆井液成本控制具有重要意義，建議推廣應(yīng)用。

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