李永成

（中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 涪陵408014）

前 言

頁(yè)巖氣是指從頁(yè)巖層中開(kāi)采出來(lái)的天然氣，是一種以吸附或游離狀態(tài)存在的非常規(guī)天然氣，賦存于富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中，以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，與常規(guī)儲(chǔ)層氣藏不同，頁(yè)巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲(chǔ)層和蓋層。中國(guó)是繼美國(guó)和加拿大之后，正式開(kāi)始頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)的國(guó)家。涪陵頁(yè)巖氣田是除北美之外第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣田，屬于典型的喀斯特地貌，是國(guó)家能源局批復(fù)設(shè)立的國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)，是國(guó)土資源部命名的第一個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)示范基地。涪陵頁(yè)巖氣田2013年1月投入商業(yè)試采，預(yù)計(jì)到2017年建成100億方／年產(chǎn)能，相當(dāng)于建成一個(gè)1 000萬(wàn)噸級(jí)的大型油田。由于涪陵頁(yè)巖氣田地層氣藏的非常規(guī)性和特殊性，在鉆井施工過(guò)程中易發(fā)生井漏、井口溢流、溢漏并存和頁(yè)巖氣層垮塌等復(fù)雜情況，如焦頁(yè)X－YHF井，表層鉆遇地層暗河，造成嚴(yán)重井漏被迫重新移井口等，給鉆井施工帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)和諸多的困難，嚴(yán)重影響了鉆井時(shí)效和頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。要盡可能地規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)和攻克鉆井技術(shù)難題，就必須研究鉆井過(guò)程中針對(duì)性的技術(shù)措施，其中鉆井液體系的優(yōu)選尤其重要，直接關(guān)系到地表水資源的保護(hù)和鉆井施工的成敗，也影響著頁(yè)巖氣示范區(qū)的建設(shè)。當(dāng)前在涪陵工區(qū)從事鉆井施工的井隊(duì)，由江漢油田工程公司、中原油田工程公司共41支鉆井隊(duì)組成，會(huì)戰(zhàn)初期鉆井使用的鉆井液體系各具特色，沒(méi)有形成統(tǒng)一的焦石壩鉆井液體系模式。因此，針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田鉆井工藝技術(shù)研究，尤其是頁(yè)巖氣田鉆井液體系的優(yōu)選，形成“焦石壩鉆井液體系模式”已迫在眉睫，對(duì)安全、優(yōu)質(zhì)、高效地開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣藏，保護(hù)地表水資源及環(huán)境具有非常重要的意義。

1 地層特征

涪陵焦石壩區(qū)塊屬于典型的喀斯特地貌，出露地層主要為中生界三疊系雷口坡和嘉陵江組，鉆遇地層自上而下依次為：中生界三疊系雷口坡組、飛仙關(guān)組，古生界二疊系長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M，下統(tǒng)茅口組、棲霞組、梁山組，石炭系中統(tǒng)黃龍組（部分缺失），志留系韓家店、小河壩組、龍馬溪組，奧陶系上統(tǒng)五峰組。其地層主要特征是：

1）淺表溶洞、暗河發(fā)育，分布不規(guī)則。

2）三疊系、二疊系地層巖性以灰?guī)r為主，嘉陵江組以下地層井壁相對(duì)穩(wěn)定。

3）三疊系嘉陵江組中下部地層為區(qū)域水層，水層屬于非高壓地層。

4）志留系為砂泥巖地層，泥頁(yè)巖井段較多，坍塌和漏失壓力窗口較窄。

5）奧陶系上統(tǒng)五峰組為黑色灰質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖，頂部為薄層含生屑泥質(zhì)灰?guī)r。

6）目的層段志留系為龍馬溪組和奧陶系五峰組，以大套灰黑色頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及灰黑色和碳質(zhì)泥巖為主，儲(chǔ)層微裂縫和層理發(fā)育。粘土礦物含量平均一般為40%，其中伊蒙混層和伊利石含量較高，分別平均含量21%和17%，其次為綠泥石，平均為2.5%。

2 鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

2.1 井身結(jié)構(gòu)

涪陵頁(yè)巖氣田鉆井井身結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)第二輪優(yōu)化，已基本形成了涪陵特殊模式。導(dǎo)管：Φ508mm或473.1mm套管下深60m左右，水泥返地面，建立井口；表層套管：Φ339.7套管下至飛仙關(guān)組飛三段底部，固井水泥返至地面；技術(shù)套管：Φ244.5套管封龍馬溪組頁(yè)巖氣層之上易漏、易垮地層，以鉆至龍馬溪組頁(yè)巖氣層標(biāo)志層“濁積砂”為中完原則，無(wú)標(biāo)志層的則以進(jìn)入馬溪組50～100m為中完原則，水泥返地面；生產(chǎn)套管：Φ139.7mm套管封已鉆遇的目的段，水泥返地面，如遇井漏，水泥至少返至技術(shù)套管內(nèi)300～500m內(nèi)，井口要水泥“帶帽”。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

1）導(dǎo)管和一開(kāi)井段，溶洞、暗河發(fā)育，易漏失；雷口坡組上部為紫紅色粉砂質(zhì)、灰綠色鈣質(zhì)頁(yè)巖，下部灰色含泥質(zhì)灰?guī)r及含鈣質(zhì)頁(yè)巖，易垮塌。嘉陵江組中下部的水層區(qū)域，與地表連通性好，鉆井施工存在地表水資源被污染的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，鉆井液體系要求其既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保無(wú)污染，且能夠滿(mǎn)足井下攜砂要求。

2）二開(kāi)井段，主要是在志留系井段。針對(duì)泥頁(yè)巖井段地層鉆井液應(yīng)有較強(qiáng)抑制能力，同時(shí)該井段屬于施工中反復(fù)定向井段，對(duì)鉆井液的攜砂能力和潤(rùn)滑性能要求較高。地層承壓能力較低，易漏失。

3）三開(kāi)井段，儲(chǔ)層泥頁(yè)巖發(fā)育，井壁易失穩(wěn)。龍馬溪下段微裂縫和層理發(fā)育，伊蒙混層含量高，當(dāng)鉆井液濾液沿著層理、裂縫侵入地層內(nèi)部，粘土礦物易水化膨脹發(fā)生剝落坍塌。水平井段上壁由于缺乏地層支撐，應(yīng)力失衡更增加了垮塌的可能性。三開(kāi)水平段一般在1 000m以上，由于在其軌跡控制過(guò)程中，反復(fù)進(jìn)行增－穩(wěn)－降斜，有的易形成鋸齒狀，鉆井液攜砂困難，極易產(chǎn)生巖屑床，可能會(huì)給鉆井施工帶來(lái)起下鉆摩阻大、井下復(fù)雜及卡鉆等較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 鉆井液體系優(yōu)選及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 鉆井液體系優(yōu)選

3.1.1 導(dǎo)管和一開(kāi)井段的鉆井液體系優(yōu)選

鉆遇地層為嘉陵江組、飛仙關(guān)組。該地層較穩(wěn)定，選用清水鉆進(jìn)，可以規(guī)避鉆遇裂縫、溶洞、暗河漏失時(shí)所帶來(lái)的對(duì)地表水資源污染的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，不足是遇大型地層坍塌，其攜帶能力不能滿(mǎn)足鉆井需要。遇特殊情況時(shí)，南部區(qū)塊部分井含雷口坡組地層易坍塌，巖屑攜帶困難，可選擇不添加任何鉆井液處理劑由膨潤(rùn)土或凹凸棒石粘土與清水?dāng)嚢枧涑傻钠胀ㄍ翝{，同樣也可規(guī)避環(huán)保和其攜帶能力的不足造成卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 二開(kāi)井段的鉆井液體系優(yōu)選

鉆遇地層為長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組、韓家店組、小河壩組、龍馬溪組（50～100m）。三疊系和二疊系上部地層穩(wěn)定，鉆井體系亦可選用清水。特殊情況，如提前工程定向，為確保鉆井液攜帶能力，可提前轉(zhuǎn)化泥漿體系。二疊系下部地層流體含有硫化氫，泥頁(yè)巖井段較多，宜選擇具有較強(qiáng)抑制性的防硫化氫鉆井液體系。鄂西渝東地區(qū)較常用的KCL聚合物潤(rùn)滑水基鉆井液體系，具有很強(qiáng)的抑制、包被封堵、潤(rùn)滑能力，該體系能夠?qū)Φ貙悠鸬接行У姆浪?、防漏功能，技術(shù)上成熟可行，二開(kāi)非清水體系井段選用該體系合適 。

3.1.3 三開(kāi)井段鉆井液的體系優(yōu)選

三開(kāi)井段為大斜度井段，鉆遇地層為龍馬溪－五峰組，是主要的目的層段。泥頁(yè)巖地層既是源巖又是儲(chǔ)層和蓋層具有其特殊性，裂縫和層理結(jié)構(gòu)發(fā)育，這就要求鉆井液必須具有很好防塌、潤(rùn)滑、封堵、環(huán)保功能，同時(shí)還應(yīng)具有較好地保護(hù)頁(yè)巖氣的功能。目前兼顧二者功能的鉆井液體系有普通的油基鉆井液體系、合成基鉆井液體系、仿油基甲基葡萄糖甙鉆井液體系、聚合醇鉆井液體系等（表1）。

1）涪陵頁(yè)巖氣田目前使用的是普通的柴油油基鉆井液體系。此油基鉆井液體系以柴油為基液，以有基土和乳化劑等作為基本材料，油水比一般按照9∶1－8∶2配置而成，從會(huì)戰(zhàn)初期到現(xiàn)在一直沒(méi)有變。陸地、海上鉆井都在使用，其優(yōu)點(diǎn)是配制方法簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，性能優(yōu)越，可重復(fù)利用，能滿(mǎn)足常規(guī)生產(chǎn)井、水平井的鉆井需求，缺點(diǎn)是安全環(huán)保管控風(fēng)險(xiǎn)大，油基鉆屑及與之相關(guān)的廢棄物的無(wú)害化處理，不僅處理難度大，費(fèi)用昂貴，而且一旦對(duì)環(huán)境造成污染難以在短時(shí)間徹底根除，可否用污染小、毒性小或者無(wú)污染的其它材料代替柴油，也將是油基鉆井液體系發(fā)展的方向。用于鉆井液作為基液的油類(lèi)，能滿(mǎn)足污染小，環(huán)保治理容易，且無(wú)毒或者毒性小的環(huán)保品種十分有限，目前柴油替代品主要用的是5＃白油。工業(yè)級(jí)5＃白油為基液的油基鉆井液體系涪陵頁(yè)巖氣田尚未試用，以5＃白油為基液的油基鉆井液體系具有如下優(yōu)點(diǎn)：白油不屬于易燃、易爆危險(xiǎn)品（GB13690－92未被定為?；罚?，鉆后治理容易，但是仍具有低毒性，可刺激呼吸道和眼睛，皮膚長(zhǎng)期接觸會(huì)產(chǎn)生紅斑和濕疹，其生態(tài)毒理毒性評(píng)價(jià)也待進(jìn)一步深化，其價(jià)格與柴油相當(dāng)，盡管?chē)?guó)內(nèi)外已有應(yīng)用，但是建議慎用。

2）合成基鉆井液體系，是以聚α－ 烯烴為基液的非水基鉆井液體系，亦屬于油基類(lèi)鉆井液體系，油水比一般為：9∶1－7∶3，它具有很強(qiáng)的厭氧降解能力，對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染，既具有油基鉆井液的優(yōu)良性能，同時(shí)毒性極低，可生物降解，是一種較好的油基環(huán)保型鉆井液體系，它已在國(guó)外海洋鉆井中廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也正在嘗試，今后可選井試驗(yàn)。通過(guò)研究表明，合成基鉆井液體系既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，將是未來(lái)鉆井液體系的首選。

3）其它類(lèi)非油基鉆井液體系。仿油基甲基葡萄糖甙鉆井液體系，基液是甲基葡萄糖甙水液，甲基葡萄糖甙加量一般為15%～30%，是近年來(lái)提出的可以替代油基鉆井液的新型水基鉆井液體系。研究表明，它是一種既保護(hù)油氣層又保護(hù)環(huán)境的雙保鉆井液體系，國(guó)內(nèi)外已投入試用。

4）聚合醇鉆井液體系，基液以2%～5% 聚合醇、2%～4%膨潤(rùn)土和2%～3% 氯化鉀等配制的水基鉆井液，在國(guó)內(nèi)常規(guī)油氣井已成功應(yīng)用過(guò)多口井。目前安全、環(huán)保相關(guān)的法規(guī)已陸續(xù)出臺(tái)，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)與日俱增，可替代油基鉆井液體系的水基體系非常有限，可以選擇性地試驗(yàn)。涪陵工區(qū)頁(yè)巖氣井的目的層具有其特殊性，對(duì)鉆井液體系性能的要求更高，“安全、環(huán)保、質(zhì)優(yōu)、經(jīng)濟(jì)”，是選擇改性水基鉆井液體系的原則。目前以水為連續(xù)相的水基鉆井液體系，在頁(yè)巖氣井中應(yīng)用應(yīng)謹(jǐn)慎嘗試，因?yàn)楦⒘觏?yè)巖氣田目的層是非常規(guī)的泥頁(yè)巖層，與常規(guī)的砂巖儲(chǔ)集層相比有其特殊性，泥頁(yè)巖易水化膨脹是其固有的屬性，不管用什么水基鉆井液體系都不可避免，尤其是水平井更要做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，一定要經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)后再在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

表1 三開(kāi)鉆井液體系優(yōu)選

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2013年1月至2015年8月，涪陵頁(yè)巖氣田開(kāi)鉆共213口，完井157口井，正在鉆井施工56口井，已投產(chǎn)127口井。早期開(kāi)發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)井組區(qū)共17口井，導(dǎo)眼井段一般采用膨潤(rùn)土漿，一開(kāi)井段，有焦頁(yè)1－2HF、13－2HF等7口井為空氣（泡沫）鉆井液體系，二開(kāi)直井段有焦頁(yè)1－3HF、焦頁(yè)12－2HF等8口井為空氣（泡沫）鉆井液體系。焦頁(yè)1－2HF在空氣（泡沫）鉆進(jìn)階段（41.57～946m），井場(chǎng)硫化氫濃度達(dá)1～5PPm，排砂口硫化氫濃度達(dá)10PPm以上，而且淺層氣不斷地在排砂口聚集閃爆，安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)極大，采取排砂口長(zhǎng)明火燃燒及注入除硫劑等有關(guān)安全措施下才得以艱難地完成一開(kāi)井段。通過(guò)先導(dǎo)試驗(yàn)部分井試驗(yàn)，證實(shí)使用空氣（泡沫）鉆井液體系鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速大幅度提高，但是安全、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)很大，一旦防護(hù)措施不當(dāng)，很有可能造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失事故。一、二開(kāi)井段空氣（泡沫）鉆井液體系易對(duì)地下水資源造成污染，安全、環(huán)保得不到保障，同時(shí)，硫化氫防護(hù)措施也非常有限，所以在此之后放棄了繼續(xù)采用空氣（泡沫）鉆井液體系，導(dǎo)眼和一開(kāi)井段改用清水體系鉆進(jìn)，均取得成功。

三開(kāi)井段全部采用普通柴油油基鉆井液體系，均取得較好的效果，目的層段無(wú)坍塌，定向井段施工順利，無(wú)掛卡現(xiàn)象，并且全部回收重復(fù)利用，但是環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)較大，被油基鉆井液污染的鉆屑要進(jìn)行無(wú)害化處理，費(fèi)用昂貴，而且可能處理不徹底，易造成二次污染環(huán)境。目前非柴油油基鉆井液體系和改性水基鉆井液體系在該井段還從未試驗(yàn)，今后將加大有關(guān)非柴油油基鉆井液體系的研究，逐步實(shí)施非柴油油基鉆井液體系。

4 結(jié)論與建議

涪陵頁(yè)巖氣田目前正在使用的鉆井液體系在整體上能夠滿(mǎn)足鉆井施工要求，在利用現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)回收的油基鉆井液時(shí)，一定要提前做好相關(guān)性能檢測(cè)并做好維護(hù)處理工作后，再行利用。

分段鉆井液體系優(yōu)選和建議：

1）導(dǎo)管和一開(kāi)井段的鉆井液體系選用清水鉆井液體系，特殊情況，如涪陵工區(qū)南部井有雷口坡組井，遇巖屑攜帶困難，可選擇不添加任何鉆井液處理劑由膨潤(rùn)土或凹凸棒石粘土和清水?dāng)嚢枧涑傻钠胀ㄍ翝{體系。

2）二開(kāi)井段的鉆井液體系二疊系上部地層（定向前）鉆井液體系選用清水，其它井段選用KCL聚合物潤(rùn)滑水基鉆井液體系。

3）三開(kāi)井段采用普通柴油油基鉆井液體系，在條件成熟再逐步實(shí)施非柴油油基鉆井液體系。合成基聚α－烯烴鉆井液體系和改性水基鉆井液體系將是未來(lái)試驗(yàn)及使用發(fā)展的方向，合成基鉆井液體系建議盡快試用。

［1］伍鐵英，劉堯文，等.涪陵頁(yè)巖氣田實(shí)驗(yàn)井組開(kāi)發(fā)實(shí)踐與認(rèn)識(shí)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2014.

［2］張艷，王濤，等.合成基鉆井液體系的室內(nèi)研究［J］.精細(xì)與專(zhuān)用化學(xué)品，2011.19（03）：28－31.

［3］岳明.聚合醇鉆井液體系的研究與應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2003.26（02）：90－91.