ZY-APD高性能水基鉆井液在常壓頁(yè)巖氣井的應(yīng)用

趙 虎

中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001

武隆等常壓頁(yè)巖地層多采用直井勘探，取芯、試氣等作業(yè)顯示較好后，再側(cè)鉆水平井開發(fā)，目的層為龍馬溪和五峰組，巖性為頁(yè)巖，黏土膠結(jié)物具有一定的水敏性，微裂縫和層理發(fā)育，井壁易失穩(wěn)。通過(guò)選用ZY-APD高性能水基鉆井液，較好地解決了頁(yè)巖地層的井壁失穩(wěn)難題，潤(rùn)滑性好，井眼清潔度高，較好地滿足了常壓頁(yè)巖氣鉆完井的施工要求。

1 ZY-APD高性能水基鉆井液體系

烷基糖苷(APG)被稱作21世紀(jì)綠色表面活性劑，20世紀(jì)90年代國(guó)外將它應(yīng)用于鉆井液，井壁穩(wěn)定，潤(rùn)滑防卡和流型調(diào)節(jié)能力良好，加量為36%。其后該鉆井液在大慶、勝利、遼河、新疆、中原等油田應(yīng)用[1-5]，但考慮到成本原因，加量為5%～8%，抑制性不足。2012年，中原鉆井院首次將APG產(chǎn)品改性為陽(yáng)離子烷基糖苷CAPG，CAPG具有較強(qiáng)的抑制性，在陜北、四川、中原等地區(qū)的油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用100余井次；隨后又改性出聚醚胺基烷基糖苷(NAPG)，低加量下即表現(xiàn)出很強(qiáng)的抑制性，與鉆井液配伍性好，在東北、四川、中原、新疆等地區(qū)的油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用100余井次，均表現(xiàn)出突出的抑制防塌和潤(rùn)滑防卡效果[6-10]。

2016年中原鉆井院針對(duì)不同區(qū)塊的頁(yè)巖氣研發(fā)出以NAPG，CAPG和APG為核心主劑的烷基糖苷衍生物鉆井液體系，簡(jiǎn)稱ZY-APD鉆井液。通過(guò)巖樣水敏性分析、孔縫層理分布確定合理的抑制劑加量和粒徑級(jí)配范圍，滿足頁(yè)巖氣井等油基鉆井液應(yīng)用受限、而常規(guī)水基鉆井液不能解決的鉆完井需求。ZY-APD鉆井液先后在昭通、長(zhǎng)寧、南川、武隆和普光等地區(qū)應(yīng)用6口井，解決了沙溪廟、千佛崖、小河壩、石牛欄組和龍馬溪組等地層破碎帶的坍塌掉塊問(wèn)題，起下鉆、下套管暢通，避免了同類井應(yīng)用水基鉆井液鉆井出現(xiàn)的復(fù)雜情況，技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)明顯[11-13]。

2 常壓頁(yè)巖氣地質(zhì)與工程概況

2.1 地質(zhì)概況

中石化探區(qū)四川盆地外圍常壓頁(yè)巖氣資源豐富，資源量達(dá)7.9萬(wàn)億m3，目的層五峰組—龍馬溪組主要發(fā)育在武隆、南川、彭水、黔江、道真、酉陽(yáng)、正安等地。武隆和南川23組目的層巖樣的X衍射分析數(shù)據(jù)表明，頁(yè)巖地層礦物的組成主要為石英、長(zhǎng)石和黏土礦物，含有少量方解石、白云石和黃鐵礦等，局部地層方解石含量較高，黏土礦物主要為伊利石等。龍馬溪組黑色炭質(zhì)頁(yè)巖中的礦物以脆性礦物和黏土礦物為主。水敏性分析數(shù)據(jù)表明，頁(yè)巖中易水化膨潤(rùn)土含量較低，活性較強(qiáng)，吸水趨勢(shì)強(qiáng)。XRD全礦物組成分析結(jié)果如表1所示，部分巖樣水敏性分析結(jié)果如表2所示。

表1 不同巖樣的XRD全礦物組成分析

表2 巖樣水敏性分析

武隆和南川地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖厚度最大。五峰組—龍馬溪組脆性礦物含量較高，熱演化程度處于高成熟-過(guò)成熟早期階段，發(fā)育溶蝕(微)孔、粒間微孔、粒內(nèi)微孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫等。掃描電鏡下可觀測(cè)到孔隙、裂縫、層理和破碎結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 武隆和南川巖樣SEM照片

2.2 工程概況

常壓頁(yè)巖氣井根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)有2種井深結(jié)構(gòu)：1)二開，一開φ311.2 mm鉆頭，下技術(shù)套管，二開φ215.9 mm鉆頭；2)二開，不下技術(shù)套管，φ311.2 mm和φ215.9 mm 2種尺寸鉆頭鉆進(jìn)。具體工程參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)井工程概況

3 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)與技術(shù)思路

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

頁(yè)巖的地質(zhì)特性導(dǎo)致地層穩(wěn)定難度大。武隆地區(qū)頁(yè)巖地層黏土礦物含量為10%～34%，Zeta電位為-20～-35 mV，分散特性較強(qiáng)。易表面水化，水分子侵入黏土晶層，導(dǎo)致膠結(jié)強(qiáng)度降低。五峰及龍馬溪泥頁(yè)巖層理性強(qiáng)，裂縫發(fā)育，主要縫寬和孔徑3～20 μm，與流體接觸后產(chǎn)生強(qiáng)烈的自吸現(xiàn)象，使裂縫萌生、擴(kuò)展、貫通形成宏觀裂縫。南川地區(qū)頁(yè)巖地層黏土礦物含量為18%～40%，SY-2井鄰井黏土含量為35%，Zeta電位為-20～-30 mV，分散特性較強(qiáng)。易表面水化，水分子侵入黏土晶層，導(dǎo)致膠結(jié)強(qiáng)度降低。小河壩及龍馬溪泥頁(yè)巖層理性強(qiáng)，裂縫發(fā)育，主要縫寬和孔徑0.1～10 μm，與流體接觸后產(chǎn)生強(qiáng)烈的自吸現(xiàn)象，形成宏觀裂縫。

該井段鉆完井周期多為30～45 d，鉆井過(guò)程中的機(jī)械破壞和鉆井液長(zhǎng)時(shí)間浸泡地層超過(guò)坍塌周期，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)發(fā)生。

3.2 技術(shù)思路

NAPG是非離子型抑制劑，作用機(jī)理為吸附成膜、嵌入及拉緊晶層等。復(fù)配KCl可使體系獲得更高的抑制能力，KCl在該體系還具有降低濾失量、滅菌、增強(qiáng)鉆井液的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等作用。武隆頁(yè)巖地層的孔縫和微孔縫(主要縫寬和孔徑3～20 μm)，南川頁(yè)巖地層的孔縫和微孔縫(主要縫寬和孔徑0.1～10 μm)，級(jí)配0.05～50 μm粒徑的納米-微米級(jí)封堵材料，利于快速形成致密的高強(qiáng)度封堵層，提高井壁的承壓能力，可滿足該區(qū)塊頁(yè)巖地層的封堵需求，減輕流體自吸現(xiàn)象，提高鉆井液的井壁穩(wěn)定能力。

NAPG等糖苷類助劑分子結(jié)構(gòu)上的多羥基和1個(gè)烷基基團(tuán)，能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上產(chǎn)生強(qiáng)力吸附作用，烷基作為親油基則朝外規(guī)則排列，形成非常穩(wěn)定且具有一定強(qiáng)度的潤(rùn)滑膜，并可直接參與泥餅的形成，使泥餅具有較好的潤(rùn)滑性。

4 ZY-APD鉆井液在常壓頁(yè)巖氣井的應(yīng)用

4.1 ZY-APD鉆井液的配制

取現(xiàn)場(chǎng)井漿，按配方APD(2%～3%)+納米-微米封堵劑(2%～3%)+KCl(1%～2%)+NaOH(0.1%)加入處理劑后攪拌20 min，加熱至出口溫度，測(cè)定鉆井液的性能。邊鉆進(jìn)邊轉(zhuǎn)換ZY-APD鉆井液共250～280 m3，循環(huán)均勻后測(cè)定鉆井液的性能。

4.2 鉆井液的維護(hù)處理

1)流變性控制和井眼清潔

為了保證φ215.9 mm井眼帶砂要求，鉆井液應(yīng)保持合理的流變性，鉆井液的黏度控制在50～70 s，動(dòng)切力為6～14 Pa，靜切力為2～4 Pa/4～15 Pa較為合理；若要降低鉆井液的黏切，可用含APD和降濾失劑ZY-JLS或PAC-LV的稀膠液稀釋；若下鉆劃眼較多，可用HV-CMC配制稠塞液清砂。

2)濾失量和泥餅質(zhì)量控制

適當(dāng)補(bǔ)充ZY-JLS或PAC-LV可降低鉆井液的濾失量，補(bǔ)充APD可改善泥餅質(zhì)量，納米-微米封堵劑可降低API濾失量和HTHP濾失量。

3)鉆井液的防塌措施

保持合理的鉆井液密度，有效支撐井壁，是保持井壁穩(wěn)定的前提，遇到泥巖或泥質(zhì)含量較高的井段適當(dāng)提高鉆井液的密度。鉆開龍馬溪、五峰組鉆井液的密度為1.36 g/cm3。控制抑制劑的用量為2%～3%APD和3%～5%KCl(K+的質(zhì)量濃度不低于15 000 mg/L)，控制納米-微米封堵劑的用量為2%～4%，當(dāng)出現(xiàn)井壁掉塊時(shí)可適當(dāng)提高用量。

4)潤(rùn)滑防卡措施

APD具有良好的潤(rùn)滑效果和防黏卡作用，但隨著裸眼段的增長(zhǎng)，在需要定向的井段適當(dāng)提高APD的用量。

4.3 應(yīng)用效果

分段鉆井液的性能如表4所示。

表4 應(yīng)用井分段鉆井液的性能

在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液性能穩(wěn)定，起下鉆暢通無(wú)阻，取芯等作業(yè)順利，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，達(dá)到了穩(wěn)定井壁、保護(hù)儲(chǔ)層及井下安全的目的。具體應(yīng)用效果如下：

1)強(qiáng)抑制和強(qiáng)封堵相結(jié)合，有效保障了頁(yè)巖地層的穩(wěn)定

保持合理的鉆井液密度，有效支撐井壁，保持不低于2%NAPG和3%KCl的用量，保持納米-微米封堵劑的用量不低于2%，提高對(duì)頁(yè)巖地層微裂縫和微孔隙的封堵能力。LY-3井鉆遇小河壩地層，較多3 cm×2 cm×0.5 cm薄片掉塊，2 820 m時(shí)轉(zhuǎn)換為APD鉆井液，2 835 m處掉塊逐漸減少，2 900 m處掉塊基本消失，應(yīng)用井段電測(cè)平均井徑擴(kuò)大率為1.81%。SY-2井應(yīng)用段鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生掉塊等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)用井段電測(cè)平均井徑擴(kuò)大率為2.39%，電測(cè)井徑如圖2所示，充分表明鉆井液的抑制能力和封堵能力強(qiáng)。施工中APD鉆井液較好地解決了的鉆屑污染鉆井液的問(wèn)題，鉆井液的性能穩(wěn)定。

2)潤(rùn)滑性好，滿足定向施工要求，利于降低循環(huán)壓耗、提高機(jī)械鉆速APD具有良好的潤(rùn)滑性，可改善鉆井液的泥餅質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)固相控制，控制鉆井液的含砂量不大于0.3%，可滿足鉆井工程的需要。LY-3井二開下技術(shù)套管，為φ215.9 mm井眼，鉆進(jìn)過(guò)程中排量為26～30 L/s，泵壓為12～20 MPa，定向過(guò)程無(wú)托壓，起下鉆和拉井壁平均摩阻為10～20 t；SY-2井二開段為φ311.2 mm井眼+φ215.9 mm井眼，不下技術(shù)套管，鉆進(jìn)過(guò)程中排量為23～31 L/s，泵壓為10～20 MPa，起下鉆和拉井壁平均摩阻為10～20 t，較好地滿足了鉆井工程的需要。

圖2 SY-2井 APD鉆井液轉(zhuǎn)換前后電測(cè)井徑

3)剪切稀釋性好，攜巖能力強(qiáng)，保證了井眼清潔及巖屑床的清除

LY-3井APD鉆井液的黏度控制在50～70 s，排量為26～30 L/s；SY-2井APD鉆井液的黏度控制在45～70 s，排量為23～31 L/s。可較好地滿足造斜段的懸浮攜砂，該井實(shí)鉆過(guò)程中起下鉆通暢，說(shuō)明井眼較為清潔，避免了井下復(fù)雜的發(fā)生。

5 結(jié)論

1)APD水基鉆井液在LY-3井和SY-2井應(yīng)用后，較好地解決了轉(zhuǎn)換前小河壩的掉塊問(wèn)題，龍馬溪等頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定，起下鉆暢通，電測(cè)一次成功，能夠滿足武隆和南川區(qū)塊常壓頁(yè)巖氣井鉆井完井施工要求。

2)采用邊鉆進(jìn)邊轉(zhuǎn)換為APD鉆井液的方式，APD鉆井液與常規(guī)水基鉆井液配伍性良好，提高了生產(chǎn)時(shí)效。