基于高性能水基鉆井液在頁(yè)巖氣水平井中的應(yīng)用

摘要：由于頁(yè)巖氣水平井復(fù)雜的工藝特點(diǎn)，目前大多使用成本高昂、環(huán)保性能較差的油基鉆井液。針對(duì)某地區(qū)存在著井壁失穩(wěn)、巖層容易水化膨脹的問題，提出水基鉆井液需要就有能夠抑制水化膨脹、封堵微裂隙的特點(diǎn)。根據(jù)上述特點(diǎn)配置PSW-2水基鉆井液，該鉆井液成功應(yīng)用于水平井鉆井中；對(duì)鉆井液性能進(jìn)行測(cè)試，該鉆井液體系基本性能穩(wěn)定、具有良好的攜巖能力、能夠封堵頁(yè)巖微空隙、增加巖心的單軸抗壓強(qiáng)度且能一定程度上削弱水損傷害；保證了鉆進(jìn)過程中井壁穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：水基鉆井液；頁(yè)巖氣水平井；井壁穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：TE242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492 （ 2022 ） S1-0021-04

Application of High Performance Water-based Drilling Fluid in Shale Gas Horizontal Well

He Yingyang

（Guangzhou Dongsu Petroleum D&P Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 511483， China）

Abstract： Due to the complex process characteristics of shale gas horizontal wells， most of them use oil-based drilling fluids with high cost and poor environmental protection performance. In view of the problems of wellbore instability and easy hydration and expansion of rock strata in a certain area， it was proposed that water-based drilling fluid was required to be able to inhibit hydration and expansion and seal micro fractures. PSW-2 water-based drilling fluid was prepared according to the above characteristics， which was successfully used in horizontal well drilling； The drilling fluid performance test shows that the drilling fluid system has stable basic performance， good rock carrying capacity， can block shale micro pores， increase the uniaxial compressive strength of the core and reduce water loss damage to a certain extent. The stability of borehole wall during drilling is ensured.

Key words： water-based drilling fluids； horizontal shale gas well； borehole stability

0引言

在頁(yè)巖氣的開采過程中，為了提高采收率，提高儲(chǔ)層接觸面積，一般通過多級(jí)壓裂的水平井的方式提高收益。但是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層裂縫發(fā)達(dá)，層理發(fā)育，在與鉆井液接觸的過程中，尤其在水平井段容易發(fā)生卡鉆、井漏、垮塌、縮徑等現(xiàn)象，因其水平段狹長(zhǎng)還存在著高摩阻、巖屑運(yùn)移困難的技術(shù)難題。保證井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑和攜帶巖屑等問題是選擇水平井鉆井過程中使用鉆井液與完井液的重要技術(shù)[1-3]。

目前在一些陸相頁(yè)巖氣水平井鉆進(jìn)過程中，為了保證井壁穩(wěn)定性，因油基鉆井液具有較強(qiáng)的黏土抑制性、良好的潤(rùn)滑性及封堵性能，在鉆井過程中一直廣泛使用油基鉆井液，但是同樣伴隨而來的也是高成本、處理困難污染環(huán)境、廢棄物難以處置的困難[4，5]。因此需要研究制備高性能的水基鉆井液取代油基鉆井液，保證實(shí)現(xiàn)低成本高效開發(fā)頁(yè)巖氣藏。國(guó)外對(duì)于長(zhǎng)水平段水基鉆井液研究起步較早，斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等國(guó)外油田技術(shù)服務(wù)公司均已研發(fā)能夠用于長(zhǎng)水平井段頁(yè)巖氣鉆井的稅基鉆井液，但是經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)上述鉆井液并不能完全適應(yīng)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井的鉆進(jìn)過程中[6]。

基于此，需要研發(fā)針對(duì)國(guó)內(nèi)地質(zhì)條件的可用于頁(yè)巖氣水平井的水基鉆井液。本文針對(duì)目前關(guān)于陸相頁(yè)巖氣井壁水基鉆井液技術(shù)匱乏的情況下，以茂名盆地頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為研究樣本，對(duì)頁(yè)巖氣水平井存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行解決。

1頁(yè)巖氣儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)及特征分析

1.1頁(yè)巖礦物組成

地層中巖石礦物組成和黏土礦物的含量對(duì)于頁(yè)巖井壁穩(wěn)定影響很大，首先需要對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中的礦物組成進(jìn)行成分分析。根據(jù)每種物質(zhì)所具有的獨(dú)特的衍射圖譜，衍射強(qiáng)度與物質(zhì)含量成正比的原則，采X-射線衍射儀進(jìn)行礦物組成成分分析。對(duì)樣品的全巖礦物和黏土礦物分析測(cè)試結(jié)果如圖1、2所示[7]。

根據(jù)圖1、2可知，該地區(qū)樣品黏土礦物總量分布在10%～60%之間，但是各個(gè)采樣井下巖心測(cè)試結(jié)果離散性較大。石英含量跨度較大在18%～73%之間，白云石礦物含量較低，分布在0～5%之間。黏土礦物分析結(jié)果表明，黏土礦物主要以伊利石為主，相對(duì)含量平均值為69.6%和50.1%，間層比低于15%；伊/蒙混層礦物含量分布較廣泛，在0.3%～24.2%，不含有蒙脫石成分，綠泥石含量分布在4.9%～27.8%，含有大量的脆性礦物。通過以上的礦物含量分析可以發(fā)現(xiàn)地層中含有一定量的可水化黏土礦物，黏土礦物的離散性容易造成儲(chǔ)層在水化時(shí)出現(xiàn)不均勻膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度降低，出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的現(xiàn)象。因此應(yīng)用于此處的水基鉆井液需要考慮鉆井液對(duì)頁(yè)巖水化膨脹與水化分散的抑制作用[8]。

1.2頁(yè)巖物理特征分析

根據(jù)頁(yè)巖礦物組分分析結(jié)果可以知道，該地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物含量較高且比較容易發(fā)生水化膨脹效應(yīng)，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)儲(chǔ)層巖心開展理化測(cè)試，主要測(cè)試分析內(nèi)容包括水化分散性測(cè)試、陽(yáng)離子交換容量測(cè)試、等溫吸附測(cè)試等[9，10]。

水化分散測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心巖屑得到的滾動(dòng)回收率在70%左右，線性膨脹率在6%～8%之間，各個(gè)巖心之間測(cè)試結(jié)果基本一致；露頭巖樣的滾動(dòng)回收率高達(dá)50%、線性膨脹率超過15%，更容易發(fā)生水化膨脹，主要原因是黏土礦物含量豐富以及巖心內(nèi)部膠結(jié)性比較差。由以上結(jié)果可知，該地區(qū)巖層記憶發(fā)生水化膨脹現(xiàn)象，需要重點(diǎn)提高鉆井液對(duì)頁(yè)巖的水化抑制作用。

由陽(yáng)離子交換容量測(cè)試可以看出，不同取樣頁(yè)巖巖樣陽(yáng)離子交換容量測(cè)試結(jié)果差異較大，表明不同巖心中的黏土礦物含量相差極大，這與巖心XRD分析結(jié)果一致。以上結(jié)果也表明不同區(qū)域間儲(chǔ)層巖心的黏土礦物差別大，地層非均質(zhì)性強(qiáng)。

根據(jù)吸附等溫測(cè)試結(jié)果可以看出，頁(yè)巖巖心和露頭巖樣吸水能力較強(qiáng)。隨著相對(duì)濕度增加，所有巖心的吸水量也相對(duì)增加。

1.3巖心比表面積

比表面積是表征巖心吸附特性的重要參數(shù)，比表面積越大使得巖心化學(xué)活性越高，更容易與地層外來流體發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，且反應(yīng)速率也越高。

通過測(cè)試得到該地區(qū)頁(yè)巖比表面積分布在0.4-3.6 m2/g，平均為2.0 m2/g；頁(yè)巖巖心中孔隙多以納米孔存在，這就更加劇了液相向巖心內(nèi)部入侵，因此需要封堵儲(chǔ)層巖石中的納米孔隙或者改變其潤(rùn)濕性，以此減弱反應(yīng)效果。

1.4頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)頁(yè)巖巖心的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，觀察巖心中礦物晶體分布狀態(tài)、裂隙情況。

根據(jù)圖3所示的掃描電鏡照片，可以看出頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心的微觀孔隙類型主要微裂縫、解理縫和孔洞等。微裂縫的存在破壞了巖石的整體性，使得巖心力學(xué)性能下降；同時(shí)容易使得在鉆進(jìn)過程中，鉆井液隨著孔隙流失，使得鉆井液容易與地層中的黏土礦物反應(yīng)，導(dǎo)致頁(yè)巖強(qiáng)度降低，加劇了鉆井過程中的井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2水基鉆井液技術(shù)對(duì)策

綜合上述分析結(jié)果，該地頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石微裂隙發(fā)育、層理清晰，屬于弱膨脹型頁(yè)巖，鉆進(jìn)過程中井壁不穩(wěn)定原因主要是自身強(qiáng)度不夠、容易發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)、鉆進(jìn)過程中機(jī)械振動(dòng)等多種因素共同作用的效果。

因此在設(shè)計(jì)頁(yè)巖水平井水基鉆井液的過程中，需要保證以下技術(shù)指標(biāo)：因其容易發(fā)生水化膨脹反應(yīng)，所以鉆井液需要能夠抑制水化分散并且同時(shí)抑制水化膨脹能力；因其微裂隙、微觀裂縫比較發(fā)育，要特別注意強(qiáng)化鉆井液對(duì)微裂隙特別是納米微空隙的封堵效果，避免單純使用提高鉆井液密度的方式來維持井壁穩(wěn)定；因水平井自身模組比較大等因素，鉆井需要良好潤(rùn)滑性及流變性，保證在水平段具有良好的懸浮、攜巖能力，減少壓力波動(dòng)。

3水基鉆井液性能評(píng)價(jià)

根據(jù)上述技術(shù)要求，選擇能夠?qū)崿F(xiàn)納米剛性封堵和柔性變形填充的封堵劑，使用甲酸鹽降低液相活度，使用提切劑組合BOP+TQ-1和高效潤(rùn)滑劑ORH-1保證流變性和潤(rùn)滑性，最終確定的PSW-2體系水基鉆井液配方為：5.0%膨潤(rùn)土+0.4%提切劑BOP+3%提切劑TQ-1+50%甲酸鹽+4%降濾失劑+0.2%降黏劑+8%封堵劑YFD-2+4%潤(rùn)滑劑ORH-1，密度適用范圍介于1.15～1.45 g/cm3。

使用該水基鉆井液體系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水平井鉆進(jìn)應(yīng)用施工，施工段從井深從2 300 m、井斜角38.7°開始，至井深3 695 m順利完鉆，施工長(zhǎng)度1 395 m、三開鉆井周期20天，施工作業(yè)全程順利、無問題。對(duì)完井后鉆井液取樣測(cè)試，對(duì)鉆井液的流變性、抑制封堵性、失水造壁性以及潤(rùn)濕性等性能進(jìn)行測(cè)試。

3.1基本性能評(píng)價(jià)

對(duì)鉆井過程中選取不同井深時(shí)鉆井液試樣進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)，檢測(cè)溫度為60℃，得到測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著鉆井的不斷深入，頁(yè)巖水平段遇到800 m長(zhǎng)的碳質(zhì)泥巖，鉆井液密度由1.15提高至1.25 g/cm3，動(dòng)塑比保證在0.4～0.5 Pa/（mPa·s）之間，鉆井過程中井壁穩(wěn)定性良好，失水量在3 mL以下，流變性能保持穩(wěn)定，經(jīng)驗(yàn)清潔、無巖屑床沉積的現(xiàn)象。

3.2抑制封堵性評(píng)價(jià)

對(duì)完井后的鉆井液體系取樣測(cè)試分析，評(píng)價(jià)鉆井液體系的抑制性和封堵性能。分別測(cè)試在清水、7%KCl溶液、KCl—聚磺鉆井液體系、PSW-2頁(yè)巖水基鉆井液體系和油基鉆井液條件下的巖心滾動(dòng)回收率和線性膨脹率，測(cè)試結(jié)果分別如圖4、5所示。由圖可知，巖心在清水中的滾動(dòng)回收率和線性膨脹率分別為55%和15%，表明巖心具有極強(qiáng)的水化膨脹性能。當(dāng)把浸泡液體換成7%KCl、KCl-聚磺鉆井液后，由于抑制劑作用增加導(dǎo)致滾動(dòng)回收率不斷提高的同時(shí)線性膨脹率下降。經(jīng)過PSW-2處理過的巖心，其滾動(dòng)回收率接近于油基鉆井液，超過90%，線性膨脹率大大降低不超過2%。經(jīng)分析PSW-2鉆井液中添加的甲酸鹽和納米復(fù)合封堵劑的協(xié)同作用能夠在封堵頁(yè)巖儲(chǔ)層中的微納米孔隙的滲流通道，而且大大提高了鉆井液的抑制性，降低液相侵入巖心的量，極大的抑制了水化膨脹效果。

3.3鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)評(píng)價(jià)

頁(yè)巖中微裂隙的毛細(xì)管自吸作用能夠加速液相侵入作用，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。液相對(duì)頁(yè)巖巖心的潤(rùn)濕相越好，就越容易侵入巖心，因此增大液相對(duì)于頁(yè)巖的潤(rùn)濕角能夠在一定程度阻止液相侵入地層，達(dá)到井壁穩(wěn)定的效果。分別測(cè)試干巖樣以及經(jīng)過PSW-2體系驅(qū)替后的潤(rùn)濕角。經(jīng)測(cè)試干巖樣潤(rùn)濕角約為25°，巖心經(jīng)PSW-2體系驅(qū)替厚度的潤(rùn)濕角增大約為50°，這大大減少了巖心對(duì)于液相的親和力，起到了阻止液相侵入巖心的效果。

水鎖傷害對(duì)于對(duì)于儲(chǔ)層具有很大的傷害作用，由于頁(yè)巖儲(chǔ)層低孔、低滲的特點(diǎn)，導(dǎo)致水鎖損害更為突出。針對(duì)這種效應(yīng)，通常使用低張力鉆井液體系來減輕對(duì)儲(chǔ)層的傷害。使用表面張力儀，對(duì)5%膨潤(rùn)土、5%膨潤(rùn)土+2%納米硅、油基鉆井液、PSW-2鉆井液的表面張力分別為67.26、61.53、52.59、55.62 mN/m?？梢钥闯觯琍SW-2鉆井液體系能夠有效降低表面張力，削弱水鎖損害。

3.4抗壓強(qiáng)度測(cè)試

巖心抗壓強(qiáng)度是表征井壁穩(wěn)定性的重要參數(shù)，通過單軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試在48 h/80℃/3.0 MPa條件下，巖心井清水和PSW-2體系浸泡后的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，未經(jīng)工作液處理的原巖強(qiáng)度約為105 MPa，經(jīng)過清水浸泡后的強(qiáng)度只有50 MPa，經(jīng)過PSW-2浸泡的巖心強(qiáng)度約為95 MPa，已經(jīng)十分接近原巖強(qiáng)度。對(duì)比測(cè)試結(jié)果，液相在進(jìn)入巖心內(nèi)部后會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部力學(xué)強(qiáng)度降低，鉆井液中含有強(qiáng)抑制成分和封堵顆粒，能夠降低液相入侵量，并且能夠頁(yè)巖水化作用，避免水化膨脹，保證了巖心的力學(xué)性能。

3.5鉆井液攜巖能力評(píng)價(jià)

使用EP型極壓潤(rùn)滑儀對(duì)不同鉆井液的潤(rùn)滑性能進(jìn)行測(cè)試，清水、5%膨潤(rùn)土、5%膨潤(rùn)土+2%納米二氧化硅、油基鉆井液、PSW-2鉆井液的摩擦系數(shù)分別為0.325、0.369、0.357、0.212、0.223。納米二氧化硅加入鉆井液中能夠降低其摩擦系數(shù)，提升潤(rùn)滑性能，納米顆粒能夠?qū)⒒瑒?dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，并且形成一層易剪切的薄膜，降低摩擦系數(shù)?？梢钥闯?，PSW-2鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性接近于油基鉆井液。

使用泥餅黏附儀測(cè)試測(cè)得5%膨潤(rùn)土、5%膨潤(rùn)土+2%納米二氧化硅、油基鉆井液、PSW-2鉆井液的泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)分別為0.091、0.072、0.059、0.062。可以看出，加入2%納米二氧化硅能夠很大程度的降低泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)，上述結(jié)果與潤(rùn)滑性測(cè)試一致，綜合來看，PSW-2鉆井液完全可以用井段較長(zhǎng)的頁(yè)巖氣水平井鉆井過程中。

4結(jié)束語

以某地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層為例，對(duì)其巖性、理化特征進(jìn)行全面分析，得到頁(yè)巖水平井鉆井的技術(shù)難關(guān)，針對(duì)性的提出來頁(yè)巖水平井鉆井水基鉆井液的性能要求。根據(jù)性能要求研發(fā)PSW-2水基鉆井液體系，在現(xiàn)場(chǎng)鉆井中進(jìn)行應(yīng)用，其可以在水平井地段順利鉆井，不會(huì)發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)鉆井液各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，其流變性能穩(wěn)定、攜巖效果良好、能夠抑制頁(yè)巖水化膨脹作用、能夠增加巖心的單軸抗壓強(qiáng)度且能一定程度上削弱水損傷害。

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作者簡(jiǎn)介：何應(yīng)揚(yáng)（1987-），男，廣州人，研究生學(xué)歷，助理工程師，研究領(lǐng)域?yàn)槭豌@井技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)應(yīng)用。

（編輯：刁少華）