梁 文 利

中國石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

0 引言

隨著新《環(huán)境保護法》的實施，對于油基鉆屑對環(huán)境影響的要求也更加嚴格。根據(jù)《國家危險廢物名錄》，含油巖屑被劃入了危險廢棄物的名錄，其管理和處置需按照危險廢棄物相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。油基鉆井液本身存在的環(huán)保性能不足、成本過高、工藝復(fù)雜等缺點在此背景下就越發(fā)突出，而且油基鉆井液會使淺層氣井的固井難度增大，使用油基鉆井液鉆井，兩個界面存在油泥、水泥膠結(jié)質(zhì)量難以保證，造成環(huán)空帶壓難題。同時常規(guī)的普通水基鉆井液體系在鉆井過程中，無法解決大位移水平井鉆進所需的井壁穩(wěn)定性和潤滑性的技術(shù)需要，存在掉塊、起下鉆遇阻卡，下套管摩阻高，造成復(fù)雜時效高等問題。為了提高頁巖的井壁穩(wěn)定和降低起下鉆摩阻、扭矩以及降低頁巖氣開發(fā)的綜合成本。因此，研發(fā)一套適用于涪陵頁巖氣長水平段的高性能水基鉆井液體系勢在必行[1-6]。

1 涪陵頁巖巖心礦物分析及微觀結(jié)構(gòu)

1.1 頁巖巖心礦物分析

為對比分析涪陵頁巖巖心與長寧、威遠、黃金壩以及延長等區(qū)塊的頁巖巖心在礦物種類及含量的區(qū)別，進行了X射線衍射實驗，并進行相應(yīng)的礦物含量對比（表1）。

從表1可以看出：5個頁巖氣產(chǎn)區(qū)，不同區(qū)塊的頁巖礦物組成是有差異性的，決定頁巖井壁穩(wěn)定性的主要礦物是黏土礦物，涪陵頁巖的黏土礦物與成功應(yīng)用水基鉆井液的黃金壩區(qū)塊相比比較接近，比長寧區(qū)塊稍微低一些，說明在涪陵區(qū)塊應(yīng)用水基鉆井液是具有一定的可行性的[7-9]。

表1 涪陵與其他頁巖氣產(chǎn)區(qū)頁巖礦物對比分析

1.2 頁巖微觀結(jié)構(gòu)

為研究涪陵頁巖巖心的微觀結(jié)構(gòu)，進行了電鏡掃描實驗（圖1、圖2），觀察頁巖的微裂縫及孔隙尺寸大??；為了考察頁巖的井壁穩(wěn)定性，進行了頁巖巖心在水中的浸泡實驗（圖3、圖4）。

圖1 頁巖孔隙大小放大35 000倍照片

圖2 頁巖孔隙大小放大80 000倍照片

從圖1、圖2可以看出：頁巖孔隙大小在納米至微米級別，多數(shù)在500～1 000 nm之間，呈現(xiàn)出微細孔隙結(jié)構(gòu)。

圖3 清水浸泡之前頁巖照片

圖4 清水浸泡72 h之后頁巖照片

從涪陵頁巖微裂隙發(fā)育，質(zhì)地硬脆，在清水中浸泡72 h之后，發(fā)生剝落分散，完整的頁巖分散成小塊（圖3、圖4），主要原因是頁巖與水之間相互作用，水進入頁巖微裂縫、微孔隙，裂縫擴展開來，最后巖石發(fā)生破壞[10-12]。

2 HPD頁巖氣水基鉆井液的研發(fā)思路和鉆井液體系性能

2.1 HPD頁巖氣水基鉆井液研發(fā)思路

水基鉆井液代替油基鉆井液進行頁巖氣長水平段鉆井的主要技術(shù)難點如下：①頁巖井壁穩(wěn)定與鉆井液性能穩(wěn)定方面：鉆井液要有效抑制頁巖的表面水化，且抑制劑與配套處理劑配伍性要好，抑制劑的抑制性不會顯著削弱甚至失效；鉆井液對頁巖納米、亞微米孔縫要具有良好的封堵作用。②井眼凈化方面：在井壁穩(wěn)定前提條件下，頁巖氣長水平井增加了攜巖帶砂難度，如果鉆井液不能有效的抑制頁巖巖屑造漿，井眼凈化難度加大；③降摩減阻方面：在井壁穩(wěn)定條件下，長水平井增加了井下鉆具摩阻，影響了水平段的延伸能力，如果鉆井液抑制造漿性能不好并存在巖屑床，則會大大增加降摩減阻的難度[13]。

由于頁巖黏土礦物含量高，很容易發(fā)生水化分散，需要強抑制劑來穩(wěn)定井壁；頁巖微裂縫發(fā)育，裂縫寬度呈現(xiàn)納米至微米級，裂縫容易開啟產(chǎn)生漏失和垮塌，需要成膜封堵劑來封堵微裂縫；由于三開水平段長，一般在1 500 m左右，需要降低鉆具與井壁和上層套管之間的摩阻，并降低正常鉆進時的扭矩，對此研制出類油基潤滑劑，而且具有抗高溫和環(huán)保性能。因此，HPD頁巖氣水基鉆井液要由3種核心主劑組成，即抑制劑、納米成膜封堵劑、類油基潤滑劑[14]。

研制出一種具有超強抑制功能的抑制劑，能夠抑制頁巖黏土水化膨脹分散。該抑制劑為乳液抑制劑，具有以下特點：①該乳液為自乳化型乳液，不含乳化劑，不易起泡；②該乳液以水為分散介質(zhì)，可用水稀釋；③該乳液具有良好的濕潤分散性；④乳液粒徑小，附著力佳，強度高[15]。

由于涪陵頁巖的微觀裂縫孔隙在幾十納米至數(shù)微米之間，為了匹配頁巖的裂縫寬度，優(yōu)選出納米至微米級的封堵材料，提高鉆井液的強封堵性能。納米成膜封堵劑是一種超微細顆粒材料組成的納米封堵劑，其粒徑大小為納米級至2 μm范圍內(nèi)，與泥頁巖的孔喉大小匹配，能夠充填于硬脆性泥頁巖的微裂縫之中，對裂縫形成多點接觸和橋堵，從而提高地層的承壓能力，達到防漏和減少水基濾液侵入地層深部的目的[16]。

為更好地提高水基鉆井液的潤滑性能，研發(fā)了類油基潤滑劑。首先將廢棄植物油與某種醇類物質(zhì)及催化劑加入到三頸燒瓶中，在油浴中150 ℃下反應(yīng)一定時間生成中間產(chǎn)物 RH-1，然后加入另外一種酯類物質(zhì) RH-2 和烴類物質(zhì) RH-3，充分攪拌后得到棕褐色液體，即為合成的類油基潤滑劑。該潤滑劑可在井壁和套管內(nèi)壁形成一種薄膜，減少鉆具與井壁之間的摩擦力，在鉆具表面形成牢固的憎水親油性吸附膜的作用，并且對頁巖地層巖石或者鉆屑表面起到潤濕反轉(zhuǎn)的作用。

2.2 HPD頁巖氣鉆井液體系配方及性能

HPD頁巖氣水基鉆井液體系由3種核心主劑（成膜封堵劑、抑制劑和類油基潤滑劑）以及配套的包被劑、降失水劑和加重劑等材料組成，具體鉆井液體系配方見表2。將其性能與國內(nèi)頁巖氣田成功應(yīng)用的水基鉆井液性能進行了對比，具體性能見表3。

表2 HPD頁巖氣鉆井液體系配方表

從表3可以看出：研制的HPD鉆井液體系在抑制性、濾失性、潤滑性能等方面與涪陵成功應(yīng)用的油基鉆井液體系性能相當，并且優(yōu)于成功應(yīng)用水基鉆井液的長寧—威遠國家頁巖氣示范區(qū)。性能表明該套體系應(yīng)用于涪陵區(qū)塊是可行的，而且具有良好可操作性。

3 頁巖巖心井壁穩(wěn)定性評價

3.1 巖石力學(xué)強度實驗

對取自焦頁XX井6-9號小層的巖心進行礦物分析，分析礦物含量（表4）。

表3 各區(qū)塊頁巖氣水基鉆井液性能比較

表4 焦石壩頁巖礦物分析

對龍馬溪組巖心進行巖石強度實驗，采用三軸巖石強度儀，對巖心、不同流體浸泡、浸泡不同時間的巖心進行巖石強度實驗，通過強度變化考察鉆井液體系的井壁穩(wěn)定能力（表5）。

表5 不同鉆井流體下的巖石強度實驗

從表5可以看出：在水基鉆井液中浸泡20 d，巖石強度下降12.1%，在油基鉆井液中浸泡20 d，巖石強度下降11.1%，兩者比較接近；在水基鉆井液中浸泡40 d，巖石強度下降20.2%，在油基鉆井液中浸泡40 d，巖石強度下降19.7%，兩者比較接近。從而說明HPD鉆井液體系具有良好的抑制性，能夠提高頁巖井壁穩(wěn)定性，與油基鉆井液接近。

巖心在不同鉆井液體系中浸泡后，巖石力學(xué)性能都有不同程度降低，浸泡使內(nèi)聚力顯著降低，導(dǎo)致坍塌壓力大幅度升高；在強度保留能力方面，油基鉆井液體系與HPD頁巖氣水基鉆井液體系比較接近，從而說明該套體系能夠滿足頁巖氣長水平段鉆井技術(shù)要求。

3.2 巖心浸泡實驗

將頁巖巖心放入老化罐中120 ℃下靜置，壓力3.5 MPa，浸泡40 d，觀察巖心裂縫形狀（圖5—圖8）。

圖5 浸泡前巖心照片

圖6 清水浸泡40 d照片

圖7 HPD體系浸泡40 d照片

圖8 油基鉆井液浸泡40 d照片

清水浸泡巖心40 d后有裂縫出現(xiàn)；HPD體系和油基鉆井液浸泡巖心40 d后完整、規(guī)則，從而說明HPD具有很強的抑制性和井壁穩(wěn)定能力。

3.3 頁巖大塊巖心熱滾回收實驗

用焦頁XX井大塊巖心進行熱滾實驗（2 269.5 m井深巖心）：將大塊巖心加工成3×5 cm大小的巖心，在105 ℃下烘干4 h，冷卻至室溫，稱量，置于不同類型流體中，在120 ℃下加熱滾動16 h，用孔徑0.42 mm（40目）標準篩過濾，烘干，稱量，計算熱滾回收率（表6）；并觀測熱滾前后的巖心外觀（圖9—圖14 ）。

從圖9～圖14可以看出：頁巖巖心在清水中熱滾后產(chǎn)生大量的裂縫，而且分散有小塊巖屑；而在HPD鉆井液和油基鉆井液熱滾后，巖心規(guī)則，完整，基本保持熱滾前的形狀。

3.4 膨脹性實驗

采用焦頁XX井6-9號小層巖心，進行粉碎，過孔徑0.15 mm（100目）標準篩，然后在105 ℃下烘干，冷卻后，將巖心粉末壓制成巖心柱，裝入膨脹量測定儀，進行膨脹性實驗，考察頁巖的吸水膨脹能力（表7）。

表6 不同鉆井流體下的頁巖熱滾回收率實驗表

圖9 清水，熱滾前巖心照片

圖10 清水，熱滾后巖心照片

表7數(shù)據(jù)說明：焦石壩龍馬溪組巖心的膨脹率，在清水中的膨脹率為8%～24%；在HPD水基鉆井液中的膨脹率為1.0%～1.5%；在油基鉆井液中的膨脹率為0.25%～0.80%。說明HPD體系的抑制造漿能力與油基鉆井液體系比較接近。

圖11 油基鉆井液，熱滾前巖心照片

圖12 油基鉆井液，熱滾后巖心照片

圖13 HPD鉆井液，熱滾前巖心照片

圖14 HPD鉆井液，熱滾后巖心照片

表7 焦頁XX井巖心膨脹率實驗結(jié)果表

4 HPD鉆井液性能研究

4.1 HPD鉆井液體系潤滑性能評價

潤滑性能是長水平井鉆井水基鉆井液的重要指標，關(guān)系到鉆具的降摩減阻能力，采用美國范氏極壓潤滑儀，測試潤滑系數(shù)，并與其他類型的鉆井液體系進行了對比（表8）。

表8 不同類型鉆井液體系潤滑性對比表

從表8中可看出，HPD頁巖氣水基鉆井液體系與油基鉆井液的潤滑系數(shù)接近，可以達到0.080，能夠滿足涪陵頁巖氣水平段的鉆井技術(shù)要求。

4.2 HPD鉆井液體系濾失性能評價

頁巖氣水基鉆井液的濾失性能情況表明鉆井液對頁巖的護壁和井壁穩(wěn)定能力，采用API中壓失水儀和高溫高壓濾失儀進行濾失量測試，對密度1.40～1.80 g/cm3的HPD水基鉆井液和油基鉆井液進行濾失量測試對比分析（表9）。

表9 不同體系不同密度下的濾失性能表

從表9中可看出，HPD頁巖氣水基鉆井液體系在密度1.40～1.80 g/cm3范圍內(nèi)時，高溫高壓濾失量與油基鉆井液相比均比較接近，較低的濾失量可以起到防止濾液進入頁巖微裂縫、防止頁巖膨脹、分散的作用。

4.3 HPD鉆井液體系封堵性能評價

由于涪陵頁巖的微觀裂縫孔隙在幾百納米至數(shù)微米之間，需要進行頁巖裂縫、孔隙的封堵，提高井壁穩(wěn)定能力。采用青島海通達可視砂床儀器進行不同鉆井液體系的封堵實驗，具體實驗結(jié)果見表10，并對常規(guī)水基鉆井液體系封堵層和HPD水基鉆井液體系封堵層進行電鏡照片對比（圖15、圖16）。

從表10不同封堵實驗可以看出：HPD頁巖氣水基鉆井液體系與油基鉆井液體系的封堵性能接近，侵入深度和濾失量均比較接近，能夠封堵頁巖微裂縫。

封堵原理：主要通過在鉆井液加入專用的固壁劑、降濾失劑，強化井壁封堵能力，同時降低井壁內(nèi)部的鉆井液濾液侵入量，使頁巖中的黏土礦物難以水化膨脹，達到維持井壁穩(wěn)定的作用。

從圖15～圖16可以看出：常規(guī)水基鉆井液體系封堵層，不致密，有微小的孔洞，濾液很容易侵入地層深部；HPD水基鉆井液體系封堵層，很致密，幾乎沒有微小孔洞，可以阻擋濾液或鉆井液進入地層，從而提高井壁穩(wěn)定性。

表10 不同鉆井液體系封堵性能實驗表

圖15 常規(guī)水基鉆井液體系封堵層照片

圖16 HPD水基鉆井液體系封堵層照片

4.4 涪陵龍馬溪組鉆屑污染HPD水基鉆井液性能評價

在鉆井過程中，鉆屑不可避免進入循環(huán)鉆井液體系中，微細鉆屑顆粒進入鉆井液，會對鉆井液造成影響，為了考察鉆井液體系的抑制鉆屑造漿能力，進行室內(nèi)鉆屑粉末污染鉆井液實驗，污染實驗性能均為120 ℃/16 h熱滾后進行測試（表11）。

從表11中可看出，HPD水基體系具有良好的抗污染能力，黏切略有增加，濾失量基本穩(wěn)定，固相含量增加。

4.5 HPD頁巖氣水基鉆井液抗溫性能評價

隨著國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的不斷深入，開發(fā)目標儲層將由中/淺層逐漸轉(zhuǎn)向深層、超深層。深層頁巖氣儲層埋藏深，陸相地層增厚，井溫增加。為此，進行了120～150 ℃不同溫度下，熱滾16 h后的鉆井液性能測試，具體實驗結(jié)果表12。

表12的實驗數(shù)據(jù)表明：HPD水基鉆井液具有良好的抗溫性能，抗溫能夠達到150 ℃。

5 環(huán)保性能評價

5.1 HPD頁巖氣水基鉆井液的生物毒性

新環(huán)境保護法的實施，對鉆井液環(huán)保性能要求更加嚴格，特別是頁巖氣產(chǎn)區(qū)均是水系多，植物繁盛地區(qū)，因此，需要對水基鉆井液的生物毒性進行測試。本實驗采用發(fā)光細菌法，測定鉆井液體系的生物毒性，用EC50（相對發(fā)光率50%時)來表征被測物的生物毒性，EC50值越大，表明被測物的生物毒性越小；EC50值越小，表明被測物的生物毒性越大，根據(jù)生物毒性等級分類，EC50值＞10 000 mg/L為無毒（表13）。

HPD頁巖氣水基鉆井液生物毒性為無毒，水基鉆屑可以排放至沉砂池。

5.2 HPD頁巖氣水基鉆井液的可降解性

為了研究頁巖氣水基鉆井液在完鉆之后，廢棄的鉆井液排放至沉砂池是否具有自然可降解性，按照HJ 828-2017 《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》規(guī)定測試化學(xué)需氧量（CODCr），按照HJ 505-2009《水質(zhì) 5日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》規(guī)定進行稀釋和接種，測試生物需氧量（BOD5）。

表11 鉆屑污染后鉆井液性能表

表12 HPD頁巖氣水基鉆井液抗溫性能評價表

表13 HPD頁巖氣水基鉆井液生物毒性分析表

根據(jù)GB 8978—1996《污水綜合排放標準》規(guī)定，化學(xué)需氧量（CODCr）的允許濃度為150 mg/L，生物需氧量（BOD5）的允許濃度為30 mg/L，鉆井液添加劑生物降解性評價標準Y=BOD5/CODCr,0.15≤Y＜0.25 為具有較易生物降解性（表14）。

表14 HPD頁巖氣水基鉆井液的可降解性分析表

HPD頁巖氣水基鉆井液具有可降解性，能夠排放至沉砂池，具有自然降解能力。

6 結(jié)論

1）涪陵區(qū)塊的頁巖特性與長寧、黃金壩接近，水平段具備使用水基鉆井液的條件；

2）HPD頁巖氣水基鉆井液生物毒性低，具有環(huán)境友好性，鉆屑可以排放至沉砂池；

3）HPD鉆井液具有良好的頁巖井壁穩(wěn)定性和潤滑性，井下復(fù)雜是可防控的，能夠滿足涪陵頁巖氣長水平段的鉆井技術(shù)要求。