NHY-1型有機膨潤土在焦石壩頁巖氣開發(fā)中的應用

吳琳

(中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048)

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣資源，常以游離和吸附狀態(tài)賦存于頁巖層或泥巖層中。隨著人們對不可再生資源及清潔能源認識的提高，頁巖氣這種新興油氣資源越來越受到重視。鉆井液是貫穿整個油氣開采過程中用于滿足鉆井工程不同環(huán)節(jié)需求下循環(huán)流體的總稱。鉆井液按分散介質(zhì)（連續(xù)相）可分為水基鉆井液、油基鉆井液、氣體型鉆井流體等。鉆井液主要由液相、固相和化學處理劑組成。液相可以是水（淡水、鹽水）、油（原油、柴油）或乳狀液（混油乳化液和反相乳化液）。固相包括有用固相（膨潤土、加重材料）和無用固相（巖石）?；瘜W處理劑包括無機、有機及高分子化合物。油基鉆井液具有抗高溫、抗鹽、有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好和對油氣層損害程度較小等多種優(yōu)點。鉆井中的泥頁巖井壁穩(wěn)定性問題是影響鉆井技術(shù)發(fā)展的重要問題之一，而泥頁巖水化則是影響井壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素。水化作用會導致泥頁巖水化膨脹、強度下降、孔隙壓力增加等變化，容易造成井壁坍塌。目前，在解決泥頁巖水化問題時，油基鉆井液技術(shù)已成為最主要的技術(shù)。同時，在施工高難度深井、大斜度定向井、水平井及處理各種復雜地層時，全油基鉆井液技術(shù)也得到廣泛的應用。

有機膨潤土是一種吸水性較強的礦物黏土，遇水后可迅速吸水溶解并且膨脹數(shù)倍，待充分溶解后在水中可呈現(xiàn)出懸浮性較好的凝膠溶液，該溶液具有較強的黏滯性，可在鉆井的孔壁周圍形成一層薄薄的泥皮，從而有效地對井壁進行滲透、加固、粘合、保護，防止井壁的塌陷。重慶涪陵焦石壩地區(qū)地層條件復雜，可鉆性差，某些區(qū)塊還存有溶洞及裂縫帶，對油基鉆井液性能要求非常高。因此，這對有機膨潤土的抗剪切能力和熱穩(wěn)定性提出了更高的要求。針對焦石壩地區(qū)復雜地質(zhì)情況的要求，對新疆天然提純鈉基膨潤土進行有機改性，制備了NHY-1型有機膨潤土，并對其配伍油基鉆井液的流變性能及熱穩(wěn)定性進行了優(yōu)化。

1 試驗部分

1.1 主要試劑和儀器

1)主要試劑。新疆天然提純鈉基膨潤土，陽離子表面活性劑1831，自主合成功能性材料

MOTGA-1。

2)主要儀器。日本HITACHI S-4800型掃描電鏡，德國BRUKER AXS 5030型能譜，德國BRUKER X射線衍射儀，青島海通達變頻高速攪拌機，上海平軒ZNN-D6B型六速旋轉(zhuǎn)黏度計，上海申順生物科技W201恒溫水浴鍋，上海精宏鼓風干燥箱。

1.2 鈉基膨潤土的有機化

為了使提純后的鈉基膨潤土改性為有機膨潤土，需要將鈉基膨潤土進行有機化處理。鈉化改型后的蒙脫石水化能、陽離子交換容量和分散能力均顯著提高，將其與有機改性劑反應，制得有機膨潤土。有機改性劑采用碳原子數(shù)在12以上的陽離子表面活性劑，進行離子交換反應，使親水性蒙脫石變成疏水性蒙脫石：

Na-Bentonite+[NH4-R]Cl→[NH4-R]Bentonite+NaCl

制備方法：準確稱取50 g 0.075 mm(200目)的鈉基膨潤土，配成一定濃度的懸浮液，攪拌10 min，使膨潤土充分分散。將膨潤土懸浮液在水浴中加熱到70 ℃，加入一定濃度的有機改性劑1831溶液，保溫攪拌1.5 h，使其充分反應，然后加入一定量的MOTGA-1水溶液，繼續(xù)攪拌1 h,然后冷卻至室溫，過濾，洗滌至用0.1 mol/L AgNO3溶液檢驗無Br-為止，烘干、研磨即得鉆井液用有機膨潤土，命名為NHY-1型有機膨潤土。

1.3 物化分析

對鈉基膨潤土和NHY-1型有機膨潤土進行SEM和物化分析，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 鈉基膨潤土的SEM照片

圖2 NHY-1型有機膨潤土SEM照片

由圖1和圖2可見：鈉基膨潤土呈緊密重疊的片狀分布，片層較大；NHY-1型有機膨潤土呈分散態(tài)小晶片狀分布，片層較薄。說明有機改性過程中，插層劑在蒙脫石晶層間均勻插入，與晶層表面發(fā)生連接，增大了原有層間距，使蒙脫石層片變得小而薄且十分疏松。

NHY-1型有機膨潤土理化參數(shù)測定結(jié)果見表1，配制的鉆井液性能參數(shù)見表2。

表1 有機膨潤土理化參數(shù)

表2 室溫下鉆井液性能指標

由表1和表2可見：NHY-1型有機膨潤土性能穩(wěn)定，各項理化指標均達到了參數(shù)指標要求；以NHY-1型有機膨潤土配制的鉆井液性能也較為優(yōu)良，達到了現(xiàn)場使用要求。

1.4 性能檢測

1.4.1 溫度穩(wěn)定性試驗

對NHY-1型有機膨潤土進行不同溫度下性能檢測，考察了有機膨潤土的耐溫性能和熱穩(wěn)定性，結(jié)果見表3。

表3 溫度穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由表3可見：通過對不同溫度熱滾試驗下有機膨潤土性能的檢測，NHY-1型有機膨潤土具有良好的耐溫性能和熱穩(wěn)定性。

1.4.2 全油基鉆井液體系性能評價

將NHY-1型有機膨潤土產(chǎn)品在不同密度全油基鉆井液體系中進行性能評價，在150 ℃下經(jīng)16 h的高溫老化，結(jié)果見表4。

表4 NHY-1型有機膨潤土在全油基鉆井液中的性能評價

由表4可見：NHY-1型有機膨潤土在全油基鉆井液體系中具有良好的提黏切性能。

1.4.3 油包水鉆井液體系性能評價

將NHY-1型有機膨潤土在不同密度油包水鉆井液體系中進行性能評價，在150 ℃下經(jīng)16 h的高溫老化，試驗結(jié)果見表5。

表5 NHY-1型有機膨潤土在油包水鉆井液體系中的性能評價

由表5可見：NHY-1型有機膨潤土在油包水鉆井液中表現(xiàn)出良好的流變性能。

NHY-1型有機膨潤土在全油基、油基乳化鉆井液體系中的性能評價以及與現(xiàn)場處理劑進行的配伍試驗結(jié)果可以表明：NHY-1型有機膨潤土在油基鉆井液中具有良好的提黏切效果，與現(xiàn)場處理劑配伍性能良好，能夠滿足現(xiàn)場油基鉆井液的應用要求。

2 現(xiàn)場應用情況

2.1 焦石壩區(qū)塊地質(zhì)概況

涪陵焦石壩區(qū)塊頁巖氣藏是我國開發(fā)較早的頁巖氣田，屬于川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造。其主體部位為構(gòu)造位置相對較高、地層產(chǎn)狀較為寬緩的山地丘陵地形，地表出露地層為嘉陵江組灰色、深灰色灰?guī)r，在地下水和地表水的巖溶作用下，呈喀斯特地貌發(fā)育，山體溝壑較多。因此，鉆前工程難度較大，工程費用較高。復雜的地質(zhì)和地表條件給鉆井、完井帶來了諸多困難，造成施工成本也較高。

2.2 焦石壩區(qū)塊鉆井液施工技術(shù)難點及解決方案

焦石壩地區(qū)三開井段主要巖性為碳質(zhì)泥巖，水敏性強，地層穩(wěn)定性差，焦頁47-4HF井二開井段鉆進過程中因井下復雜、井壁失穩(wěn)嚴重提前終止。該地區(qū)三開井段2 000 m以上，鉆屑攜帶難度大，要求鉆井液具有良好的流變性以滿足長水平井段的井眼清潔技術(shù)要求。

該區(qū)塊應用油基鉆井液的三開井段地層特點和鉆井液施工技術(shù)難點如下。

1)地層特征。目的層上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組為深水陸棚相沉積，有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育；目的層泥頁巖孔隙度為1.17%~7.22%，平均孔隙度達4.52%，滲透率(0.001 5~81.35)×10-3μm2，平均滲透率達0.32×10-3μm2，具有較好的儲集性能和滲流能力。目的層地層溫度86 ℃，地層壓力系數(shù)1.30~1.55，天然氣組分以甲烷為主，不含硫化氫，含少量二氧化碳(φ=0.196%)和氮氣。

2)施工難點。①有機質(zhì)泥頁巖的儲層，易水化膨脹導致井壁失穩(wěn)；②水平井段距離長，要求鉆井液具有良好的潤滑性和懸浮攜帶能力；③地層層理微裂縫發(fā)育，要求鉆井液具有良好的防漏能力；④完井作業(yè)技術(shù)難度大。

為了滿足焦石壩地區(qū)復雜的地質(zhì)情況的要求，提高NHY-1型有機膨潤土配伍油基鉆井液的流變性能及熱穩(wěn)定性，采取如下優(yōu)化思路。

1)針對油基鉆井液因剪切力不足導致黏度大，懸浮性差，易形成巖屑床等缺點，調(diào)整復合改性劑的配比，增大有機膨潤土層間距，增強膠束及形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成的作用力，從而提高油基鉆井液的剪切力。

2)涪陵地區(qū)超過7 000 m的超深井井底溫度很可能超過180 ℃，因此油基鉆井液容易產(chǎn)生因耐溫性能差導致流變性能和攜巖能力差的問題，通過增加改性劑用量，使改性劑形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高體系的黏度和切力，增強油基泥漿的耐熱穩(wěn)定性。

2.3 施工井例焦頁49-3HF

2.3.1 概況

焦頁49-3HF井為中原油田西南鉆井公司70117鉆井隊承接，該井設計井深4 980 m，實際井深5 000 m，A靶斜深3 015 m/垂深2 650.58 m(井斜92.87°、方位27.83°)，B靶斜深5 000 m/垂深2 405.50 m(井斜84.3°、方位42.9°)，水平位移1 215 m，水平段長2 227 m，最大井斜92.3°，方位變化353°~177.1°，三開鉆時2~36 min/m，水平段平均鉆時4 min/m，平均井徑擴大率1.42%。

2.3.2 現(xiàn)場施工概況

2.3.2.1 鉆井液配制與維護

油基鉆井液基液配方為油水體積比2.33~4，NHY-1型有機膨潤土(w)1%~3%，主乳化劑(w)4%~6%，輔助乳化劑(w)4%~6%，油基降濾失劑(w)3%~5%，油基封堵劑(w)3%~5%，石灰(w)3%，超細碳酸鈣(w)3%~5%，鉆井液用堵漏防塌助劑FT-1(w)1%~2%。

2.3.2.2 主要維護措施

在現(xiàn)場施工過程中，主要采取如下維護措施保證鉆井液的正常使用。

1)保持油水比穩(wěn)定，降低含水波動對井漿性能的影響，油水體積比基本維持在4左右。

2)控制固相含量，高效運轉(zhuǎn)固控設備與跟進低固相維護新漿相結(jié)合。

3)損耗量允許情況下，盡量減少具有增稠作用的封堵材料的使用量(油封、超鈣、FT-1)。

4)提高一體機、離心機運轉(zhuǎn)時率，離心機日運轉(zhuǎn)大于8 h。

5)針對油基鉆井液的黏溫敏感性，長時間停泵、起下鉆作業(yè)后，減少參與循環(huán)的地面罐體數(shù)量，同時降低循環(huán)罐液面，以減少開鉆時的循環(huán)體量，縮短循環(huán)升溫時間。

2.3.2.3 三開階段鉆井液性能

全井段油包水油基鉆井液性能見表6。

表6 三開鉆井液分段性能

2.3.3 應用效果分析

油包水油基鉆井液在焦頁49-3HF井應用過程中，具有流變性好、黏度低、濾失量小的優(yōu)點，著陸后高鉆速(2~4 min/m)及固相含量升高較快的情況下仍能保持性能穩(wěn)定。

1)井壁穩(wěn)定、井下安全。三開井段采用油包水油基鉆井液，鉆井液連續(xù)相為油相，濾失量小且濾液為柴油不含水，對井壁無水化作用，可以很好地保持井壁穩(wěn)定性，同時通過強化鉆井液的封堵性能較好地維持井壁穩(wěn)定性，三開井眼規(guī)則、平均井徑擴大率1.42%。

2)潤滑性好、定向施工順利。

3)鉆井液易于維護處理、性能穩(wěn)定。鉆井液性能穩(wěn)定，抗高溫、抗鹽鈣侵能力強，日常維護不需要經(jīng)常調(diào)整。該井中后期鉆速較快，固相明顯上升，黏切升高，通過加強三級固控和適當混入未加重的輕漿，使鉆井液性能得到有效控制。

4)攜砂良好，井眼清潔?，F(xiàn)場鉆進過程中，返出的砂子棱角分明，返出的巖屑清晰、完整，巖屑上PDC鉆頭切削的牙痕清晰可見。

5)鉆井液封堵效果好，防漏能力強。通過有效利用固控設備及精細的鉆井液維護管理，配合防漏封堵材料，使鉆井液在高機械鉆速、較高固相含量情況下依然保持良好的流變性能。三開全井段安全快速鉆進，濾失量小、無井漏，較好地控制了鉆井液成本。相比同區(qū)塊其他鉆井液用有機膨潤土，NJY-1型有機膨潤土配比減少1%~2%，口井鉆井液成本平均節(jié)約6.9%，鉆井周期平均縮短2.1 d，有效節(jié)約了人工及設備材料費用，并與其他鉆井液處理劑有良好的配伍性。

3 結(jié)論

1)通過焦石壩頁巖氣開發(fā)的應用研究試驗，針對油基鉆井液因剪切力不足導致黏度大、懸浮性差、易形成巖屑床等缺點，完成了有機膨潤土生產(chǎn)工藝的系統(tǒng)優(yōu)化研究，實現(xiàn)了在提高有機膨潤土的增黏提切和耐高溫性能的同時，降低了生產(chǎn)成本。

2)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：NHY-1型有機膨潤土具有良好的流變性、降濾失性和攜砂能力，鉆井液在高機械鉆速、較高固相含量情況下依然保持良好的流變性能。三開全井段安全快速鉆進，濾失量小、無井漏，較好地控制了鉆井液成本，完全滿足頁巖油氣開發(fā)等非常規(guī)井開發(fā)的需求，產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟效益。