國內(nèi)頁巖氣水基鉆井液研究與進(jìn)展

全磊，周書勝，韓銀府，嚴(yán)銳

（1.江漢石油工程有限公司鉆井二公司，湖北 潛江 433123；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

頁巖氣是賦存于泥頁巖裂縫、基質(zhì)孔隙中的非常規(guī)天然氣，在中國川東、川南、鄂西等地存在豐富的頁巖氣，頁巖氣藏具有埋深淺、黏土含量高、儲量大、滲透率低的特點[1]。目前四川長寧、河南中牟、重慶涪陵、云南昭通等地均已對頁巖氣進(jìn)行了開采，油基鉆井液用于頁巖氣鉆采過程中，雖然油基鉆井液具有很好的護(hù)壁防塌、潤滑防卡效果[2]，但考慮到環(huán)保友好性、成本經(jīng)濟性兩大問題，很大程度限制了其使用[3]。因此開展高性能、低成本、環(huán)境友好型水基鉆井液技術(shù)日趨迫切，國內(nèi)油田相關(guān)科研所、石油高等院校以及油田服務(wù)企業(yè)相繼展開了大量水基鉆井液技術(shù)研究，并取得顯著的成果，但仍與國外鉆井液技術(shù)存在一定的差距[4]。本文闡述了頁巖氣開發(fā)過程的鉆井難點，水基鉆井液重要處理劑研究進(jìn)展以及水基鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀，為頁巖氣水基鉆井液技術(shù)優(yōu)化提供借鑒。

1 頁巖氣水基鉆井液難點及對策

1.1 井壁穩(wěn)定技術(shù)

頁巖地層中的黏土礦物含量（蒙脫石）相對含量、絕對含量均很高，再加上頁巖地層微裂縫較為發(fā)育，水基鉆井液濾液易沿著微裂縫、孔隙滲入地層，與頁巖地層中的黏土礦物發(fā)生水化作用[5]，破壞縫間膠結(jié)物，并產(chǎn)生膨脹壓力，破壞了井壁應(yīng)力平衡[6]。由于水基鉆井液濾失量對比油基鉆井液而言較大，裂縫滲流作用使濾液進(jìn)入孔隙中，造成井壁孔隙壓力增大，弱化了水基鉆井液對井壁的有效支撐，易造成井壁失穩(wěn)；若提高水基鉆井液密度，雖有利于水基鉆井液對井壁的支撐作用，但易造成井漏。對于上述問題，應(yīng)加入高性能抑制劑、封堵劑，作用為抑制蒙脫石水化膨脹、降低鉆井液濾失量，封堵粘結(jié)微裂縫，提高井壁穩(wěn)定性。

胺類抑制劑作為最為常見的頁巖地層抑制劑之一[7-9]，近年來，國內(nèi)展開了大量胺類抑制劑研究工作，由于胺基特有化學(xué)性質(zhì)，可通過氫鍵作用加強對黏土片層的束縛，吸附在黏土片層表面，阻止水分子與黏土礦物發(fā)生水化作用[10]。另外，胺類抑制劑中含有帶正電的銨離子，由于黏土在水中通常帶負(fù)電，帶正電的銨離子可通過靜電作用、氫鍵作用力吸附在黏土表面[11]，從而達(dá)到抑制黏土水化的作用。對于強水化分散的頁巖而言，常采用胺類抑制劑與納米材料復(fù)配，提高其抑制性能，納米材料具有顆粒小、活性高、吸附能力強的特點，目前在各油田應(yīng)用均受好評，頁巖地層微裂縫和層理較為發(fā)育，其大小為1～50 μm，納米材料堵塞頁巖地層孔隙，并在孔喉中起到橋梁作用，有效地阻止壓力傳遞，顯著地抑制頁巖的膨脹。在溫度、壓力作用下，封堵劑進(jìn)入井壁的微裂縫、孔隙中，由于束縛作用封堵劑與黏土顆粒連續(xù)在一起，防止孔隙壓力傳遞、井壁進(jìn)一步崩解，封堵劑常與降失水劑復(fù)配使用，形成致密封堵層，黏度微裂縫，提高井壁的穩(wěn)定性[12]。

1.2 潤滑減阻技術(shù)

為了提高頁巖氣開采效率，頁巖氣井采用水平井、開發(fā)模式，水平段長超過2 000 m，隨著井斜、水平位移的增加以及重力作用下，鉆具與井壁、套管的接觸面增大，使摩擦力增大，易出現(xiàn)憋壓、蹩扭矩等情況[13]。針對上述問題，解決水基鉆井液鉆進(jìn)過程中鉆井扭矩和鉆具磨損問題的手段就是加入潤滑劑[14],常見的高效、環(huán)保性潤滑劑是由植物油、表面活性劑復(fù)配而制，在鉆具、套管金屬表面產(chǎn)生物理、化學(xué)吸附，降低鉆具與井壁、套管的摩擦力，減少憋壓、蹩扭矩的現(xiàn)象[15]。

1.3 井眼清化技術(shù)

隨著井斜角、水平位移增大，井眼凈化能力降低，易造成巖屑床的形成，導(dǎo)致起下鉆阻卡、鉆進(jìn)效率降低。井斜角為60°左右時，井眼凈化效率是最低的；當(dāng)井斜角大于60°時，鉆屑流動的方向改變使鉆屑易靠井壁滑落[16],鉆井周期較大時，使鉆具與井壁、套管反復(fù)研磨鉆屑變細(xì)，導(dǎo)致水基鉆井液的固相含量增大，影響水基鉆井液性能惡化。提高動塑比可使井眼凈化效率增大，動塑比越大，流速剖面平板化程度越大[17]。平板型層流降低井眼環(huán)空中巖屑轉(zhuǎn)動概率，有利于鉆井液在低排量、低返速條件下實現(xiàn)高效攜巖，保持井眼清潔。

2 頁巖氣水基鉆井液研究與應(yīng)用

水基鉆井液被廣泛地應(yīng)用于各油田頁巖氣地層，根據(jù)頁巖氣地層特點對水基鉆井液提出性能要求，為解決黏土水化效應(yīng)、井眼凈化、井壁失穩(wěn)的難題，目前頁巖氣水基鉆井液可大致分為以下兩類。

2.1 強抑制型水基鉆井液

閆麗麗[18]等人針對滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區(qū)黃金壩目的層，根據(jù)頁巖氣地層特點研制了一種強抑制劑FTYZ-1，對比其他常規(guī)抑制劑（如聚合醇），F(xiàn)TYZ-1對現(xiàn)場露頭頁巖抑制性能強，露頭頁巖膨脹率只有3.5%，且?guī)r屑回收率高達(dá)96%，用其配制的水基鉆井液與2015年應(yīng)用于YS108H4-2井三開水平井段，井徑擴大率小于6%，無掉塊，鉆井周期比設(shè)計周期提前10天，水平段長達(dá)1 670 m。何振奎[19]針對泌頁2HF井定向段頁巖特點，采用聚胺NH-1抑制劑配制水基鉆井液抑制性能強，抑制了泥頁巖水化造漿，黏度控制較低，沒有發(fā)生泥包現(xiàn)象，沒有發(fā)生井壁坍塌問題，縮短了斜井段鉆井周期，井徑擴大率僅為2.17%。鄧虹[20]等研究一套適用于深層頁巖氣儲層的高效水基鉆井液體系，采用1.0%復(fù)合抑制劑HMYJ-1與其他處理劑配制而成，在實驗溫度為140 ℃，采用目標(biāo)區(qū)塊儲層龍馬溪組頁巖評價復(fù)合抑制劑HMYJ-1的抑制性能，其滾動回收率能達(dá)到98.5%,該抑制劑中含有大量的陽離子吸附基團，由于黏土顆粒表現(xiàn)出負(fù)電，可通過靜電作用、氫鍵作用吸附在黏土顆粒表面，使黏土表面的靜電斥力變小，達(dá)到黏土礦物水化膨脹的目的。龍馬溪組頁巖在由復(fù)合抑制劑HMYJ-1配制的水基鉆井液中的膨脹量極小，足以說明該體系抑制性能優(yōu)異，并在涪陵地區(qū)某深層頁巖氣井進(jìn)行了成功應(yīng)用，鉆井過程中，該體系性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、起下鉆困難的復(fù)雜情況，作業(yè)過程順利，滿足深層頁巖氣井現(xiàn)場施工要求。李強[21]成功優(yōu)化出一種新型胺基抑制劑，該抑制劑作用機理不同于其他抑制劑，由于其分子具有靜電引力、錨固作用和疏水作用能有效地抑制黏土分散，由其配制的水基鉆井液性能穩(wěn)定、抑制性能強，成功地應(yīng)用于在興古7-HX7井，鉆進(jìn)時，井眼擴大率較小，井眼較為規(guī)則，起下鉆摩阻小，未出現(xiàn)復(fù)雜情況，為后續(xù)類似井的開采提供了更好的選擇。另外有些抑制黏土礦物水化膨脹的手段有所不同，但都是起到抑制作用，如通過加入無機鹽（KCl）、有機鹽（甲酸鉀、甲酸鈉）降低水基鉆井液濾液的活度，提高半透膜的工作效率，達(dá)到抑制黏土水化膨脹的作用。劉偉[22]通過加入有機鉀鹽改變滲透壓，該技術(shù)成功應(yīng)用于三開馬溪組井段，鉆進(jìn)時，起下鉆通暢，無明顯掉塊，鉆井液性能穩(wěn)定，無增稠現(xiàn)場。

2.2 強封堵型水基鉆井液

長寧-昭通區(qū)塊頁巖氣水平井由于頁巖地層微裂縫發(fā)育，在鉆進(jìn)過程中，易出現(xiàn)掉塊卡鉆、起下鉆遇阻的現(xiàn)象。龍大清[23]等根據(jù)該井的地質(zhì)特點，引進(jìn)國外封堵防塌處理劑配制成強封堵水基鉆井液，并在長寧H9中3口井成功應(yīng)用，鉆進(jìn)過程中，無掉塊現(xiàn)象，轉(zhuǎn)換時返砂情況為極少量掉塊，井眼較為穩(wěn)定。宣頁1井是中石化華東分公司部署在安徽宣城-桐廬區(qū)塊的第一口頁巖氣井，該井地層主要為泥頁巖地層，由于地層傾角大且變化也大，造成鉆井過程中出現(xiàn)井斜現(xiàn)象，這些因素易造成井壁失穩(wěn)，要求鉆井液具有良好護(hù)壁性能。袁明進(jìn)[24]研究一套正電膠聚合物防塌鉆井液體系，在宣頁1井現(xiàn)場使用過程中，井壁穩(wěn)定，全井段施工過程均無出現(xiàn)掉塊、卡鉆現(xiàn)象。且該體系性能穩(wěn)定，維護(hù)工作量小。莊慶佐[25]等采用2-甲基咪唑、氮丙啶、六水合硝酸鋅、乙二胺為原料合成封堵劑MOF，該封堵劑具備良好的封堵性以及與不同體系均有良好的配伍性。

3 結(jié)束語

由于石油天然氣資源的匱乏，探索如何提高頁巖氣鉆采效率這一課題值得進(jìn)一步研究，當(dāng)考慮到環(huán)保友好性、成本經(jīng)濟性，提高頁巖氣水基鉆井液技術(shù)意義重大。針對頁巖氣開發(fā)過程的鉆井難點，頁巖氣水基鉆井液技術(shù)得到顯著地發(fā)展，但對于復(fù)雜井，該技術(shù)有待進(jìn)一步提高。以下幾個方面需要重大投入研究：對于高溫、長水平井，需要研制抗高溫、性能優(yōu)異的潤滑劑，目前多數(shù)潤滑劑分子中含有醚鍵、酯基，此類基團易吸附在鉆具、套管上，具有極好的潤滑性能，但高溫條件下易分解斷裂、失效；針對井壁穩(wěn)定問題，需研制既具備抑制性能，同時具備封堵性能的一體化處理劑，避免配伍性的影響。