適用于深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的高效水基鉆井液體系研究及應(yīng)用

鄧 虹, 殷 鴿, 王獅軍, 王 乾, 崔金明, 劉青松

(1長(zhǎng)江大學(xué) 2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第三鉆井分公司)

我國(guó)深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，主要分布在涪陵、威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧等地區(qū)。為防止深層頁(yè)巖氣水平井長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的現(xiàn)象，通常采用油基鉆井液進(jìn)行鉆井，但隨著近年來(lái)環(huán)保壓力的增大，以及油基鉆屑處理難度大、成本較高等問(wèn)題，制約了油基鉆井液的大規(guī)模推廣應(yīng)用[1-5]。適用于頁(yè)巖氣井的水基鉆井液技術(shù)在國(guó)內(nèi)部分區(qū)塊已得到成功應(yīng)用，而針對(duì)深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的鉆井液技術(shù)研究則相對(duì)較少。因此，需要研究更加清潔高效的水基鉆井液體系來(lái)滿足深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的需求[6-11]。

涪陵地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層埋深達(dá)到3 900 m以上，地層溫度在140℃左右，屬于典型的深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。筆者以涪陵深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，通過(guò)處理劑的優(yōu)選，研制了一套適合深層頁(yè)巖氣的高效水基鉆井液體系，對(duì)鉆井液體系的綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功的應(yīng)用，為涪陵深層頁(yè)巖氣水平井的順利施工提供了一定的技術(shù)支持。

一、深層頁(yè)巖氣井水基鉆井液處理劑優(yōu)選

深層頁(yè)巖氣高效水基鉆井液不僅需要具有較強(qiáng)的抑制性，以防止黏土水化膨脹分散,還需要具有良好的封堵性能，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的微裂縫進(jìn)行有效封堵，防止鉆井液濾液等水相的侵入，同時(shí)還需要具有良好的潤(rùn)滑性能，以滿足深層頁(yè)巖氣水平井長(zhǎng)水平段鉆井的需要[12-13]。

1. 抑制劑優(yōu)選

室內(nèi)通過(guò)巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同抑制劑的抑制性能，實(shí)驗(yàn)用巖屑為目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層龍馬溪組巖屑，實(shí)驗(yàn)溫度為140℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抑制劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加入不同類型的抑制劑后，巖屑的滾動(dòng)回收率均出現(xiàn)不同程度的升高現(xiàn)象，且隨著抑制劑加量的增大，滾動(dòng)回收率逐漸增大。其中復(fù)合抑制劑HMYJ-1的效果最好，當(dāng)其加量為1.0%時(shí)，目標(biāo)區(qū)塊巖屑的滾動(dòng)回收率能夠達(dá)到98%以上。復(fù)合抑制劑HMYJ-1中含有大量的陽(yáng)離子吸附基團(tuán)，能夠通過(guò)吸附作用對(duì)黏土顆粒表面的負(fù)電荷起到中和作用，降低黏土表面的靜電斥力，起到抑制水化分散的作用；另外復(fù)合抑制劑HMYJ-1中還含有大量的陰離子親水基團(tuán)，其能在黏土表面通過(guò)氫鍵作用形成一層水化膜，可以有效延緩水分子與黏土顆粒表面的接觸，起到抑制黏土水化膨脹的效果。

2. 封堵劑優(yōu)選

在基漿中加入不同類型的封堵劑評(píng)價(jià)其封堵效果，實(shí)驗(yàn)儀器為高溫高壓失水儀，實(shí)驗(yàn)溫度為140℃，基漿配方為：1.0%膨潤(rùn)土漿+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH +0.2% LV- PAC+1.5%降濾失劑FY-2+1.0%復(fù)合抑制劑HMYJ-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 封堵劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基漿中加入不同類型的封堵劑后，高溫高壓濾失量均出現(xiàn)不同程度的下降現(xiàn)象，且隨著封堵劑加量的增大，濾失量逐漸減小。其中基漿中加入納米復(fù)合封堵劑SRT-1的封堵效果最好，當(dāng)其加量為5.0%時(shí)，高溫高壓濾失量?jī)H為5.4 mL，起到了良好的封堵效果。納米復(fù)合封堵劑SRT-1具有平均粒徑小、易形變、表面積較大等優(yōu)點(diǎn)，在高溫高壓條件下，納米粒子會(huì)發(fā)生變形，從而易于進(jìn)入微小孔隙產(chǎn)生有效封堵，達(dá)到降低濾失量的目的。

3. 潤(rùn)滑劑優(yōu)選

室內(nèi)通過(guò)潤(rùn)滑系數(shù)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了不同潤(rùn)滑劑的效果，實(shí)驗(yàn)用儀器為極壓潤(rùn)滑儀，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，空白基漿配方同封堵劑優(yōu)選基漿配方相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 潤(rùn)滑劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基漿中加入不同類型的潤(rùn)滑劑后，極壓潤(rùn)滑系數(shù)均出現(xiàn)不同程度的下降現(xiàn)象，且隨著潤(rùn)滑劑加量的增大，極壓潤(rùn)滑系數(shù)逐漸下降。其中高效潤(rùn)滑劑SRHJ-2的潤(rùn)滑效果最好，當(dāng)其加量為2.0%時(shí)，極壓潤(rùn)滑系數(shù)能夠達(dá)到0.109。高效潤(rùn)滑劑SRHJ-2分子中的長(zhǎng)鏈烷基能夠通過(guò)物理和化學(xué)吸附作用吸附在巖石或鉆具的表面，形成一層致密的油膜，從而能夠有效降低摩阻，防止出現(xiàn)卡鉆事故，提高鉆井效率。

4. 高效水基鉆井液體系配方

通過(guò)以上處理劑的優(yōu)選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合涪陵地區(qū)深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鉆井現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，最終確定高效水基鉆井液體系的配方為：1.0%膨潤(rùn)土漿+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH +0.2% LV-PAC+1.5%降濾失劑FY-2+1.0%復(fù)合抑制劑HMYJ-1+5.0%納米復(fù)合封堵劑SRT-1+2.0%高效潤(rùn)滑劑SRHJ-2+重晶石粉加重。

二、高效水基鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

1. 基本性能

按照上述鉆井液體系配方，調(diào)整重晶石粉的加量，將鉆井液體系加重至不同密度(2.0～2.2 g/cm3之間)，在實(shí)驗(yàn)溫度為140℃下滾動(dòng)老化16 h，然后測(cè)定其流變性及失水量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 高效水基鉆井液體系基本性能

由表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同密度的高效水基鉆井液體系在140℃下老化后流變性能穩(wěn)定，濾失量較小，能夠有效避免水相侵入儲(chǔ)層造成的井壁失穩(wěn)，基本性能良好。

2. 抑制性能

室內(nèi)使用高溫高壓線性膨脹儀對(duì)比評(píng)價(jià)了目標(biāo)區(qū)塊巖屑在清水、3%KCl溶液、油基鉆井液和高效水基鉆井液中膨脹量，實(shí)驗(yàn)溫度為140℃，實(shí)驗(yàn)壓力為0.7 MPa，鉆井液密度為2.0 g/cm3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 巖屑在不同介質(zhì)中的膨脹曲線

由圖1結(jié)果可知，目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層頁(yè)巖巖屑在清水中的膨脹量較大，達(dá)到了1.7 mm；而在高效水基鉆井液和油基鉆井液中的膨脹量均較小，分別為0.08 mm和0.05 mm，說(shuō)明優(yōu)選的高效水基鉆井液對(duì)目標(biāo)區(qū)塊巖屑具有良好的抑制性能。

3. 潤(rùn)滑性能

室內(nèi)通過(guò)測(cè)定極壓潤(rùn)滑系數(shù)和濾餅黏滯系數(shù)對(duì)比評(píng)價(jià)了高效水基鉆井液和油基鉆井液的潤(rùn)滑性能，實(shí)驗(yàn)用儀器為極壓潤(rùn)滑儀和濾餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀，鉆井液密度為2.0 g/cm3,實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 鉆井液體系潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5結(jié)果可知，研制的高效水基鉆井液體系的極壓潤(rùn)滑系數(shù)和濾餅黏滯系數(shù)均與油基鉆井液體系相當(dāng)，說(shuō)明該鉆井液體系具有良好的潤(rùn)滑性能，能夠滿足頁(yè)巖氣井長(zhǎng)水平段鉆井對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能的要求。

4. 封堵性能

室內(nèi)使用砂床實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了高效水基鉆井液、磺化鉆井液以及油基鉆井液體系的封堵性能，鉆井液密度均控制在2.0 g/cm3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2結(jié)果可知，三種鉆井液體系中，磺化鉆井液體系的侵入深度稍大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min時(shí)，侵入深度達(dá)到了6.8 mm，封堵性能相對(duì)較差；而高效水基鉆井液和油基鉆井液體系的封堵性能相當(dāng)，30min侵入深度分別為6 mm和5 mm。這說(shuō)明優(yōu)選的高效水基鉆井液體系具有良好的封堵性能，能夠有效避免水相侵入對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層造成的傷害。

圖2 不同鉆井液體系砂床侵入深度

5. 抗污染性能

在優(yōu)選的高效水基鉆井液體系中加入不同類型的污染物(儲(chǔ)層鉆屑、膨潤(rùn)土以及CaCl2)，測(cè)定鉆井液體系老化后的各項(xiàng)性能，評(píng)價(jià)體系的抗污染性能。實(shí)驗(yàn)溫度為140℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為16 h，鉆井液密度為2.0 g/cm3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)選的高效水基鉆井液體系經(jīng)過(guò)膨潤(rùn)土、鉆屑和CaCl2污染后，流變性能變化不大，切力和失水量變化也不明顯，表明該體系具有較強(qiáng)的抗污染能力。

表6 鉆井液體系抗污染性能評(píng)價(jià)結(jié)果

三、高效水基鉆井液體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

高效水基鉆井液體系在涪陵地區(qū)某深層頁(yè)巖氣井(A井)進(jìn)行了成功應(yīng)用，該井設(shè)計(jì)井深為4 571 m，水平段長(zhǎng)度為1 428 m，采用四開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，在四開(kāi)鉆完水泥塞后替入高效水基鉆井液體系，順利鉆至完鉆井深5 120 m，最大井斜為105.12°，水平段的平均井斜為99.25°，起下鉆、電測(cè)、下套管等作業(yè)過(guò)程順利，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。

高效水基鉆井液在整個(gè)四開(kāi)井段鉆井過(guò)程中性能穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的抑制性和潤(rùn)滑性，在鉆井過(guò)程中未出現(xiàn)固相沉降、井壁失穩(wěn)以及起下鉆困難等情況，井眼規(guī)則，作業(yè)過(guò)程順利，鉆井液各項(xiàng)性能均滿足深層頁(yè)巖氣井鉆井施工的要求。A井與使用油基鉆井液的鄰井B井的現(xiàn)場(chǎng)鉆井液基本性能對(duì)比見(jiàn)表7，兩口井的工程數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表8。

表7 高效水基鉆井液與油基鉆井液性能對(duì)比

表8 A井和B井工程數(shù)據(jù)對(duì)比

由表7和表8結(jié)果可知，在兩口井的水平段鉆進(jìn)期間，高效水基鉆井液與油基鉆井液的基本性能參數(shù)相當(dāng)，高溫高壓濾失量和起下鉆摩阻稍高于油基鉆井液，仍在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，機(jī)械鉆速、完鉆周期以及平均井徑擴(kuò)大率等參數(shù)均與油基鉆井液體系相當(dāng)，兩口井施工過(guò)程中均沒(méi)有發(fā)生掉塊、坍塌、井壁失穩(wěn)等井下復(fù)雜事故，施工過(guò)程順利。說(shuō)明研制的高效水基鉆井液體系能滿足深層頁(yè)巖氣井鉆井的要求。

四、結(jié)論

(1)室內(nèi)通過(guò)抑制劑、封堵劑和潤(rùn)滑劑等處理劑的優(yōu)選與評(píng)價(jià)，研究出了一套適合深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的高效水基鉆井液體系，綜合性能結(jié)果表明，體系具有良好的流變性能、抑制性能、潤(rùn)滑性能、封堵性能以及抗污染性能，能夠滿足涪陵深層頁(yè)巖氣水平井鉆井作業(yè)施工的需要。

(2)高效水基鉆井液體系在涪陵地區(qū)深層頁(yè)巖氣區(qū)塊的A井進(jìn)行了成功應(yīng)用，施工過(guò)程中鉆井液體系性能穩(wěn)定，與油基鉆井液體系的性能相當(dāng)，能夠滿足涪陵地區(qū)深層頁(yè)巖氣井的鉆井要求。