長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣高密度水基鉆井液室內(nèi)優(yōu)化研究

歐陽(yáng)偉, 劉 偉, 吳正良

(1油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

我國(guó)有著豐富的頁(yè)巖氣資源，其中長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣資源量達(dá)9 200×108m3，在前期勘探開發(fā)中已經(jīng)取得較顯著的效果，但隨著國(guó)際油價(jià)的低迷和環(huán)保要求日益嚴(yán)格，在長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣勘探中因使用油基鉆井液表現(xiàn)的環(huán)保性能差、鉆屑處理費(fèi)用高等問(wèn)題也更加突出，雖然長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)使用水基鉆井液成功鉆成了一批井，但水基鉆井液流變性調(diào)控困難、起下鉆摩阻大、防塌性能待完善等問(wèn)題仍然沒(méi)有得到根本解決，使其大規(guī)模推廣應(yīng)用受到限制[1-3]，因此，針對(duì)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井液進(jìn)行深化研究勢(shì)在必行。

一、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井液面臨的問(wèn)題

1.高密度條件下流變性能控制困難

現(xiàn)有頁(yè)巖氣水基鉆井液主要采用低膨潤(rùn)土含量、部分聚合物進(jìn)行流變性和濾失性的調(diào)節(jié)，而聚合物處理劑的加入，導(dǎo)致了體系液相黏度高、高溫穩(wěn)定性差，且隨著鉆井時(shí)間的延長(zhǎng)，低密度固相增加，流變性能嚴(yán)重惡化，現(xiàn)場(chǎng)往往被迫置換井漿來(lái)控制流變性能。

2.現(xiàn)用頁(yè)巖氣水基鉆井液防塌技術(shù)有一定缺陷

現(xiàn)用頁(yè)巖氣水基鉆井液防塌技術(shù)主要采用的是抑制和封堵技術(shù)，在抑制性防塌方面，抑制巖石的表面水化僅采用了“雙疏”技術(shù)，而缺少 “插層”技術(shù)的協(xié)同作用；抑制滲透水化采用了束縛水能力強(qiáng)的HCOOK，對(duì)鉆井液流變性能影響大。封堵防塌性、濾失造壁性與流變性的矛盾沒(méi)有得到解決[4]。

3.現(xiàn)用頁(yè)巖氣水基鉆井液潤(rùn)滑性能與油基鉆井液存在差距

現(xiàn)用頁(yè)巖氣水基鉆井液的潤(rùn)滑性，無(wú)論室內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)，還是現(xiàn)場(chǎng)起下鉆過(guò)程中摩阻普遍比油基鉆井液大，因此為了保證安全需要在頁(yè)巖氣水基鉆井液中加入大量潤(rùn)滑劑，但同時(shí)也對(duì)高密度鉆井液的流變性能產(chǎn)生較大的影響。針對(duì)上述不足，必須對(duì)已應(yīng)用成功的該體系進(jìn)行配方改進(jìn)、優(yōu)化，使之更好地滿足頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平井的高效、安全鉆井需求。

二、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化思路

1.強(qiáng)化“雙疏”和 “插層”抑制技術(shù)改善高密度條件下水基鉆井液流變性能

在現(xiàn)用鉆井液中引入“插層”抑制技術(shù)，提高鉆井液的抑制表面水化能力的同時(shí)，保證鉆井液具有較強(qiáng)的抑制滲透水化能力，并在保證鉆井液具有優(yōu)異封堵防塌性、潤(rùn)滑性等前提下[5]，著重改善鉆井液的流變性能，以滿足長(zhǎng)水平段鉆井的需求。

2.協(xié)調(diào)封堵防塌性、濾失造壁性與流變性的矛盾

通過(guò)適當(dāng)提高鉆井液膨潤(rùn)土含量，選擇對(duì)鉆井液流變性能影響小的功能性處理劑，協(xié)調(diào)鉆井液封堵防塌性、濾失造壁性與流變性的關(guān)系。

3.強(qiáng)化鉆井液潤(rùn)滑性能

進(jìn)一步優(yōu)選潤(rùn)滑性好、對(duì)鉆井液流變性能影響小的潤(rùn)滑劑，并引入“成膜”潤(rùn)滑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆井液良好的流變性能和潤(rùn)滑性能[6-8]。

三、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化配方及性能

根據(jù)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化、改進(jìn)思路，在現(xiàn)有頁(yè)巖氣水基鉆井液的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出了聚合物降濾失劑BJ-1、瀝青處理劑HTLM、合成脂潤(rùn)滑劑HYR-1及其它功能性處理劑，最終形成了一套性能優(yōu)良的適合長(zhǎng)水平段的的頁(yè)巖氣水基鉆井液體系，基本性能見(jiàn)表1。

表1 頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化前后性能(140℃熱滾16 h后)

配方：3%～5%膨潤(rùn)土漿+0.2%～0.4%CQ-C+0.5%～0.8%PAC-LV+3.0%～5.0%SMP-3+3.0%～4.0%CQ-B+2.0%～4.0%HTLM+5%～7%CQ-A+0.3%NaOH+0.5%CaO+0.8%～1.5%HYR-1+7.0%KCl+重晶石。

四、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化配方性能評(píng)價(jià)

1.滾動(dòng)回收率

參照SY/T 5613-2016《鉆井液測(cè)試 泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法》,進(jìn)行抑制劑CQ-A、優(yōu)化前頁(yè)巖氣水基鉆井液、優(yōu)化后頁(yè)巖氣水基鉆井液在80℃×16 h、140℃×16 h條件下的滾動(dòng)回收率試驗(yàn)見(jiàn)表2。

表2 頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化前后泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率結(jié)果

結(jié)果表明：抑制劑CQ-A具有較強(qiáng)的抑制、包被和吸附能力，其不僅抑制巖屑分散，而且能夠包被吸附在巖屑上，具體表現(xiàn)在巖屑質(zhì)量增大，同時(shí)優(yōu)化后的頁(yè)巖氣水基鉆井液巖屑滾動(dòng)回收率也比優(yōu)化前有一定程度提高。

2.抑制泥巖分散性能

實(shí)驗(yàn)用10%威233井龍馬溪上部灰綠色泥巖(80℃清水回收率0.51%)加入鉆井液，經(jīng)過(guò)140℃滾動(dòng)16 h進(jìn)行抑制泥巖分散性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化前后的抑制泥巖分散實(shí)驗(yàn)結(jié)果(140℃熱滾16 h后)

從表3看出，優(yōu)化后的頁(yè)巖氣水基鉆井液加入10%威233井龍馬溪上部灰綠色泥巖經(jīng)過(guò)140℃滾動(dòng)16 h后黏度、切力比相同條件下優(yōu)化前的頁(yè)巖氣水基鉆井液更低，說(shuō)明優(yōu)化后的頁(yè)巖氣水基鉆井液具有更強(qiáng)的抑制泥巖分散能力。因?yàn)榕浞街屑尤肓思仁杷质栌途哂小半p疏”特性的抑制劑，也加入了含烷基胺基團(tuán)的抑制劑，因此通過(guò)“雙疏”和 “插層”抑制技術(shù)協(xié)同作用，使鉆井液的抑制能力得到較大提升。其中“雙疏”的抑制機(jī)理是將黏土表面親水親油的潤(rùn)濕性能轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷栌偷碾p疏潤(rùn)濕性，使液相極難潤(rùn)濕黏土表面更不能滲透進(jìn)入黏土晶層，最終實(shí)現(xiàn)抑制黏土的表面水化、滲透水化的效果。另外含烷基胺吸附基團(tuán)可最大程度降低泥頁(yè)巖基底間距(d001)，并通過(guò)親水基團(tuán)與疏水鏈的協(xié)同作用擠出層間水分子，抑制黏土礦物表面水化。

3.抗低密度固相污染性能

在優(yōu)化前后的頁(yè)巖氣水基鉆井液中分別加入5%、8%和10% 6～10目極易分散的自流井巖屑(80℃清水回收率21.3%)，經(jīng)過(guò)140℃滾動(dòng)16 h后對(duì)鉆井液常規(guī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化前后抗巖屑污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果(140℃熱滾16 h后)

從表4可以看出：鉆井液加入不同含量的巖屑進(jìn)行污染，經(jīng)過(guò)140℃熱滾16 h后，優(yōu)化鉆井液仍有優(yōu)良的流變性能，而優(yōu)化前的鉆井液黏切明顯增加，同時(shí)優(yōu)化鉆井液經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理，在保證流變性能變化不大的情況下就能夠?qū)V失量基本維持在原有狀態(tài)，說(shuō)明優(yōu)化后的鉆井液與優(yōu)化前比具有較強(qiáng)的抗低密度固相污染能力，能夠滿足頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平段水平井鉆井的要求。

4.封堵性能

選用美國(guó)FANN公司的PPA滲透試驗(yàn)儀(過(guò)濾介質(zhì)：孔徑3 μm、滲透率500 mD人造巖心)，評(píng)價(jià)優(yōu)化前后鉆井液的高溫高壓封堵性能，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化前后PPA封堵濾失量實(shí)驗(yàn)結(jié)果(140℃熱滾16 h后)

從表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：優(yōu)化后的頁(yè)巖氣水基鉆井液與優(yōu)化前比具有更低的PPA高溫高壓封堵濾失量，這可能是優(yōu)化鉆井液提高了膨潤(rùn)土含量有利于形成質(zhì)量更好的濾餅，對(duì)封堵孔隙和微裂縫，阻止濾液進(jìn)入有較大幫助的原因。

5.潤(rùn)滑性能

實(shí)驗(yàn)分別采用手柄式摩擦系數(shù)測(cè)定儀和極壓潤(rùn)滑儀對(duì)白油基鉆井液及優(yōu)化前后的頁(yè)巖氣水基鉆井液潤(rùn)滑性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 頁(yè)巖氣水基鉆井液優(yōu)化前后潤(rùn)滑性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果(140℃熱滾16 h后)

從表6可以看出，優(yōu)化后的頁(yè)巖氣水基鉆井液比優(yōu)化前無(wú)論是極壓潤(rùn)滑系數(shù)，還是濾餅?zāi)Σ料禂?shù)都更低，特別是極壓潤(rùn)滑系數(shù)。原因可能是選用的合成脂潤(rùn)滑劑HYR-1可以在金屬表面 “成膜”，把兩個(gè)固體的直接接觸變成間接接觸(中間是潤(rùn)滑劑液膜)，那么兩個(gè)固體產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)其摩擦力將大大減小，從而使鉆井液的潤(rùn)滑性能增強(qiáng)[9]。

五、結(jié)論與建議

(1)針對(duì)現(xiàn)有頁(yè)巖氣水基鉆井液存在的問(wèn)題，提出了拓展其低密度固相含量容納限、強(qiáng)化“雙疏”和 “插層”抑制技術(shù)的協(xié)同作用、適當(dāng)提高膨潤(rùn)土含量強(qiáng)化鉆井液防塌封堵性和濾失造壁性、引入“成膜”潤(rùn)滑技術(shù)提高鉆井液潤(rùn)滑性能的優(yōu)化思路。

(2)優(yōu)化后的頁(yè)巖氣水基鉆井液140℃高溫滾動(dòng)16 h后流變性能穩(wěn)定、易分散巖屑滾動(dòng)回收率達(dá)96.6%、極壓潤(rùn)滑系數(shù)0.076、濾餅黏滯系數(shù)0.114，可抗10%易分散巖屑的污染，性能較優(yōu)化前有明顯提高，為水基鉆井液在長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣鉆井中的推廣應(yīng)用提供了可能。

(3)建議對(duì)該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。