陳庚緒，劉奧，王茜，曾東初，嚴(yán)康

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

0 引言

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源，近年來(lái)已成為眾多石油科研工作者研究的熱點(diǎn)。威遠(yuǎn)區(qū)塊是我國(guó)目前大力投入開(kāi)發(fā)的三大頁(yè)巖區(qū)塊之一，區(qū)塊內(nèi)的M井區(qū)以淺層水平井為主，儲(chǔ)層段巖樣黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%以上，水敏性較強(qiáng)；頁(yè)巖壓實(shí)程度較高，結(jié)構(gòu)致密，且發(fā)育微裂縫，在鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井壁失穩(wěn)、垮塌等復(fù)雜情況。前期一直采用油基鉆井液鉆進(jìn)，而油基鉆井液普遍存在鉆屑含油量高、處理費(fèi)用高昂等缺點(diǎn)，并且隨著近年來(lái)環(huán)保壓力的增大，急需開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的水基鉆井液來(lái)適應(yīng)頁(yè)巖氣井鉆井作業(yè)的需要［1-6］。為此，筆者通過(guò)關(guān)鍵處理劑的評(píng)價(jià)及優(yōu)選，并配合其他處理劑，形成了一套適合于頁(yè)巖氣井的強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系，為高性能水基鉆井液的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供了一定技術(shù)支持。

1 作用機(jī)理

強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液主要由強(qiáng)抑制劑、高效鋁基微納米聚合物封堵劑、高效潤(rùn)滑劑、降濾失劑以及輔助處理劑構(gòu)成。該鉆井液體系的主要處理劑為新型陽(yáng)離子復(fù)合抑制劑DY-Ⅱ，其是一種陽(yáng)離子聚合物和硅酸鹽的復(fù)合物。由于在陽(yáng)離子聚合物分子鏈中引入了胺基等官能團(tuán)，使DY-Ⅱ能夠很好地進(jìn)入黏土晶層間隙，通過(guò)吸附和離子交換作用使黏土上下晶層緊密地結(jié)合在一起，從而有效阻止黏土晶層吸水產(chǎn)生膨脹；考慮到一般抑制劑的抑制能力往往會(huì)隨著頁(yè)巖中蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減弱，而硅酸鹽的抑制能力不受蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響；通過(guò)陽(yáng)離子聚合物和硅酸鹽的協(xié)同作用，使黏土顆粒表面能夠形成牢固的吸附層，發(fā)揮出強(qiáng)烈的抑制黏土水化作用。

高效鋁基微納米聚合物封堵劑是由微米級(jí)和納米級(jí)鋁基聚合物復(fù)合而成的，其進(jìn)入地層后能夠沉積在頁(yè)巖孔喉內(nèi)，形成一種物理屏蔽封堵區(qū)域，達(dá)到封堵頁(yè)巖儲(chǔ)層微裂縫以及增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性的目的。強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系具有強(qiáng)抑制性、強(qiáng)封堵性、強(qiáng)潤(rùn)滑性等特點(diǎn)，能夠有效防止頁(yè)巖氣水平井鉆井施工過(guò)程中的井壁失穩(wěn)等問(wèn)題［7-10］。

2 關(guān)鍵處理劑的評(píng)價(jià)與優(yōu)選

2.1 抑制劑DY-Ⅱ

針對(duì)頁(yè)巖氣水平井鉆井過(guò)程中對(duì)鉆井液的抑制性要求較高，結(jié)合不同抑制劑的作用機(jī)理，研制出了一種新型陽(yáng)離子復(fù)合抑制劑 DY-Ⅱ［11-14］。

2.1.1 抑制黏土造漿實(shí)驗(yàn)

分別在清水、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DY-Ⅱ水溶液、7%KCl水溶液中加入5%膨潤(rùn)土，高速攪拌20 min，在70℃下滾動(dòng)老化16 h，使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)分別測(cè)定其600轉(zhuǎn)讀數(shù)；然后再加入5%膨潤(rùn)土，重復(fù)上述操作，直至測(cè)定黏度超出量程為止。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知：7%KCl水溶液中加入55%膨潤(rùn)土后，600轉(zhuǎn)讀數(shù)達(dá)到270左右；而1.0%，1.5%，2.0%的DY-Ⅱ水溶液中加入55%膨潤(rùn)土后，600轉(zhuǎn)讀數(shù)在60以下，說(shuō)明DY-Ⅱ具有較強(qiáng)的抑制黏土造漿的能力。

圖1 抑制黏土造漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)

將目標(biāo)井區(qū)儲(chǔ)層段泥頁(yè)巖鉆屑過(guò)6～10目篩后，稱取40g分別加入清水、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DY-Ⅱ水溶液、7%KCl水溶液中，在120℃下滾動(dòng)老化16 h，測(cè)定鉆屑滾動(dòng)回收率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，當(dāng)水溶液中DY-Ⅱ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時(shí)，鉆屑的滾動(dòng)回收率可以達(dá)到90%以上，說(shuō)明DY-Ⅱ能夠較好地抑制鉆屑水化分散，從而可以有效防止井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 封堵劑

將不同封堵劑加入基漿中，在120℃下老化16 h后，使用高溫高壓濾失儀分別測(cè)定不同封堵配方的濾失體積（V）隨時(shí)間（t）的變化情況。實(shí)驗(yàn)溫度為120℃，壓差為3.5 MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和表2。基漿配方為：3%膨潤(rùn)土+0.8%PAC-LV+3%抗溫耐鹽型降濾失劑+3%KCl+重晶石。

圖2 加入不同封堵劑后濾失體積隨時(shí)間的變化情況

表2 加入不同封堵劑后高溫高壓濾失量和濾失速率

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基漿中加入不同的封堵劑后，濾失量和濾失速率均有不同程度的降低?；鶟{+4%鋁基微納米聚合物封堵劑AY-2的高溫高壓濾失量和濾失速率最小，所以選擇AY-2作為鉆井液體系的封堵劑。

2.3 潤(rùn)滑劑

在基漿（配方同2.2）中加入不同的潤(rùn)滑劑，采用EP極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定極壓潤(rùn)滑系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：RSJ-1的極壓潤(rùn)滑系數(shù)最小，與基漿相比，潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)60.42%。所以，選擇RSJ-1作為鉆井液體系的潤(rùn)滑劑。

表3 潤(rùn)滑劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

3.1 綜合性能

基于新型陽(yáng)離子復(fù)合抑制劑DY-Ⅱ?yàn)橹饕幚韯?，結(jié)合封堵劑和潤(rùn)滑劑的優(yōu)選評(píng)價(jià)，研制出一套適合于頁(yè)巖氣井的強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系，并對(duì)體系的綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。其中，體系配方為：（0.2%～0.5%）膨潤(rùn)土+0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+（0.5%～0.8%）PAC-LV+（2%～4%）抗溫耐鹽型降濾失劑+（3%～5%）AY-2+（1.0%～2.0%）DY-Ⅱ+（1%～3%）RSJ-1+（8%～10%）復(fù)合無(wú)機(jī)鹽+（1%～2%）表面活性劑+重晶石。從表4可以看出，該體系具有較好的流變性、較低的濾失量，在不同溫度下老化后流變性能穩(wěn)定，具有良好的抗溫性。

3.2 抑制性和潤(rùn)滑性

研制的強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系，抑制性較強(qiáng)，頁(yè)巖滾動(dòng)回收率、16 h線性膨脹率和現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液相近，能夠有效抑制頁(yè)巖水化膨脹，有利于井壁穩(wěn)定；加入優(yōu)選的潤(rùn)滑劑RSJ-1后，該體系具有良好的潤(rùn)滑性，能夠滿足頁(yè)巖氣水平井長(zhǎng)水平段鉆井的需要（見(jiàn)表5）。

表4 強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液綜合性能

表5 抑制性和潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 封堵性

使用高溫高壓滲透性封堵儀PPT（Fann公司）評(píng)價(jià)鉆井液體系的封堵性，選用的過(guò)濾介質(zhì)為500×10-3μm2的陶瓷濾盤(pán)（孔喉直徑為 8 μm），在 120℃，3.5 MPa下測(cè)定鉆井液體系的濾失量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 高溫高壓滲透性封堵測(cè)試結(jié)果

由表6可知，強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液的濾失量和濾失速率均較小，和現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液相當(dāng)，說(shuō)明該體系具有良好的封堵性，能夠有效封堵頁(yè)巖儲(chǔ)層的微裂縫，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

3.4 抗污染能力

室內(nèi)評(píng)價(jià)了鉆井液體系的抗污染能力，結(jié)果見(jiàn)表7。鉆屑為目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層段泥頁(yè)巖鉆屑，過(guò)孔徑為0.145mm的篩網(wǎng)；在120℃下老化16 h后測(cè)量鉆井液性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液在加入膨潤(rùn)土、CaCl2以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉆屑后，性能變化不大，說(shuō)明該體系具有較強(qiáng)的抗污染能力。

表7 強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液抗污染能力

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

將室內(nèi)研制的強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系在威遠(yuǎn)地區(qū)M井區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，體系應(yīng)用于W-3井的四開(kāi)井段。該井段鉆遇地層為下志留統(tǒng)龍馬溪組，從四開(kāi)3 950 m井深時(shí)開(kāi)始替入強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系，鉆進(jìn)至5 470 m完鉆，水平段長(zhǎng)1 520 m，最大井斜角為 102°，最大狗腿度為 11.2（°）/30 m。根據(jù)以往鉆完井資料，該區(qū)塊水平井在水平段鉆井過(guò)程中易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、垮塌、剝落等井下復(fù)雜情況，且起下鉆摩阻大，易出現(xiàn)鉆頭泥包等現(xiàn)象。在W-3井的現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，潤(rùn)滑性及防泥包效果也比較突出。W-3井與使用油基鉆井液的鄰井W-4井的現(xiàn)場(chǎng)鉆井液基本性能對(duì)比見(jiàn)表8。

從表8可以看出，在2口井水平段鉆進(jìn)期間，水基鉆井液的各項(xiàng)性能參數(shù)與油基鉆井液基本相當(dāng)，靜切力和高溫高壓濾失量稍高于油基鉆井液，仍在鉆井液設(shè)計(jì)的合理范圍內(nèi)。W-3井在3 950～5 470 m的水平段鉆進(jìn)期間，泵壓為19～23 MPa，起下鉆平均摩阻不超過(guò)180 kN。摩阻較小，泵壓低，井眼規(guī)則，起下鉆暢通，未出現(xiàn)井壁垮塌、沉砂卡鉆、鉆頭泥包等現(xiàn)象，鉆屑攜帶能力強(qiáng)，電測(cè)、下套管一次成功，作業(yè)過(guò)程順利。這說(shuō)明強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系能夠滿足威遠(yuǎn)地區(qū)M井區(qū)頁(yè)巖氣井的鉆井需要。

表8 現(xiàn)場(chǎng)水基鉆井液與油基鉆井液性能對(duì)比

5 結(jié)論

1）研制了新型陽(yáng)離子復(fù)合抑制劑DY-Ⅱ，室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，DY-Ⅱ能夠較好地抑制黏土造漿和鉆屑水化分散，抑制性優(yōu)異。

2）以DY-Ⅱ?yàn)橹饕幚韯?，結(jié)合封堵劑和潤(rùn)滑劑的優(yōu)選評(píng)價(jià)，形成了一套強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系。該體系綜合性能良好，具有較強(qiáng)的抑制性、封堵性、潤(rùn)滑性和抗污染能力。

3）強(qiáng)抑制防塌高性能水基鉆井液體系在威遠(yuǎn)地區(qū)M井區(qū)W-3井的現(xiàn)場(chǎng)施工順利，體系性能穩(wěn)定，與鄰井W-4井現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液性能相當(dāng)，表現(xiàn)出良好的抑制防塌能力，能夠滿足威遠(yuǎn)地區(qū)M井區(qū)頁(yè)巖氣井的鉆井需要。