楊 斌

(1低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室 2川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院)

隨著國內(nèi)外對以頁巖氣為標(biāo)志的非常規(guī)氣藏的大規(guī)模開發(fā)的進(jìn)行，油基鉆井液的應(yīng)用越來越廣泛[1]。與傳統(tǒng)的水基鉆井液相比，油基鉆井液因其良好的抑制性能、潤滑性能、流變性能在頁巖氣鉆探中得以廣泛應(yīng)用[2-3]。但油基鉆井液普遍存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)高、油基鉆屑處理困難、油基鉆井液使用成本高的問題[4-5]。與油基鉆井液相比，水基鉆井液具有污染小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。頁巖氣水平井可以采用油基鉆井液和合成基鉆井液，也可以采用強(qiáng)抑制性水基鉆井液，要求其關(guān)鍵是必須確保井壁穩(wěn)定、潤滑、防卡和井眼清潔[7]。

一、技術(shù)難點(diǎn)

目前采用水基鉆井液鉆進(jìn)頁巖氣水平井主要存在井壁穩(wěn)定性差、潤滑防卡等突出問題[8-9]。因此要求頁巖氣水平井施工中采用的水基鉆井液必須具備以下特點(diǎn)：①抑制性能。水基鉆井液的抑制性能夠接近油基鉆井液，抑制頁巖水化；②封堵性能。水基鉆井液必須具有良好的封堵性能，有效封堵頁巖的微裂縫，降低孔隙壓力傳輸；③潤滑性能。川渝地區(qū)的頁巖氣水平井水平段施工多采用2.0 g/cm3以上的高密度，固相含量高，水平段長，常規(guī)的潤滑劑在高溫高密度鉆井液中潤滑性能不佳，且顯著增加鉆井液黏切；④降濾失性能。高密度水基鉆井液的高溫高壓濾失性能盡可能低，盡量接近油基鉆井液，減少濾液對近井壁地帶孔隙、微裂縫的侵入。

二、研制思路

針對水基鉆井液存在問題進(jìn)行深入分析，從體系源頭入手逐一解決，即優(yōu)選的處理劑必須同時(shí)具備兩大特點(diǎn)：性能好、對體系黏切影響小。具體選擇如下：①有機(jī)抑制劑與無機(jī)鹽協(xié)同作用抑制泥頁巖水化膨脹；②納米聚合物封堵劑作為水基鉆井液體系封堵劑，該聚合物粒徑為納米級，可變形在孔隙、微裂縫表面吸附成膜，有效封堵頁巖孔喉、微裂縫；③選用彈性固體顆粒作為體系的潤滑劑，既解決了高密度下潤滑難題又具有封堵作用；④優(yōu)選抗溫性能好，對高密度鉆井液的黏切影響小的高溫聚合物降濾失劑，有利于高密度水基鉆井液的流變性調(diào)控。

通過大量室內(nèi)試驗(yàn)得到CQ-HPWBM高性能水基鉆井液體系的基本配方：3% ～5%鉆井液用封堵劑納米聚合物G314+2% ～4%有機(jī)防塌抑制劑G319+1% ～2%固體潤滑劑彈性石墨G338+1% ～3%防泥包清潔劑聚醚多元醇G318+0.2% ～0.3%流型調(diào)節(jié)劑G310-DQT+2% ～3%高溫聚合物降濾失劑G331+0.2%NaOH+15% ～20%KCl+重晶石。

三、鉆井液體系性能評價(jià)

1. 抑制性能

測試了CQ-HPWBM高性能水基鉆井液以及其它6種常用的鉆井液體系對鈣膨潤土的線性膨脹率，結(jié)果見圖1。

圖1 鉆井液抑制性能對比

由圖1結(jié)果可知，在6種水基鉆井液中CQ-HPWBM高性能水基鉆井液對膨潤土的線性膨脹率最低，僅次于油基鉆井液，能夠有效抑制黏土水化膨脹。

2.封堵性能

使用CFS700多功能巖心測試儀測試鉆井液對頁巖巖心的膜效率，以此作為考察鉆井液封堵性能的指標(biāo)，并KCl鉆井液以及國外LD、PB等4種高性能水基鉆井液體系進(jìn)行了對比，結(jié)果見圖2。CQ-HPWBM高性能水基鉆井液的膜效率遠(yuǎn)高于常用的KCl鉆井液，其封堵性能達(dá)到或超過國外高性能水基鉆井液。

圖2 鉆井液的膜效率對比

應(yīng)用OFITE封堵儀測試鉆井液對不同滲透率的磨砂盤的封堵性能，并與國內(nèi)外5種鉆井液體系進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。CQ-HPWBM高性能水基鉆井液的瞬時(shí)濾失量低，表明體系封堵效果良好，能夠有效進(jìn)行瞬時(shí)封堵，快速形成優(yōu)質(zhì)濾餅，封堵性能接近油基鉆井液，降低孔隙壓力傳輸，有利于穩(wěn)定井壁。

圖3 鉆井液的封堵性能對比

3.潤滑性能

高密度水基鉆井液中由于固相含量高，加重材料顆粒之間摩擦較多，常規(guī)潤滑劑難以有效改善高密度水基鉆井液的潤滑性能。含植物油潤滑劑會(huì)導(dǎo)致高密度水基鉆井液顯著增稠，而含有礦物油的潤滑劑則因?yàn)榄h(huán)保問題限制了應(yīng)用。為此，優(yōu)選了固體彈性潤滑劑G338作為體系的潤滑劑，測試了CQ-HPWBM鉆井液的極壓潤滑系數(shù)，與其他類型的鉆井液進(jìn)行了對比，見圖4。

圖4 高密度下鉆井液潤滑性能對比

由圖4數(shù)據(jù)可知，CQ-HPWBM高性能水基鉆井液體系即使在高密度條件下仍然具有良好的潤滑性能，可實(shí)現(xiàn)接近油基鉆井液的潤滑性。

4.高溫高壓降濾失性能

優(yōu)選出抗高溫聚合物降濾失劑 G331作為體系的降濾失劑，測試了并對比了在不同溫度下的高溫高壓濾失量，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

CQ-HPWBM高性能水基鉆井液在不同的溫度下的高溫高壓濾失量均遠(yuǎn)小于其它類型的水基鉆井液，且溫度越高優(yōu)勢越明顯，尤其是在180℃下的高溫高壓濾失量明顯小于其它水基鉆井液，接近油基鉆井液。由于川渝區(qū)域頁巖氣水平井井底實(shí)測溫度一般小于150℃，因此CQ-HPWBM高性能水基鉆井液體系的高溫高壓濾失性能已能滿足需要。

圖5 鉆井液的高溫高壓降濾失性能對比

5.高溫高壓流變性能

使用高溫高壓流變儀M7500測試了體系在不同溫度下的流變性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 不同溫度下的黏度

CQ-HPWBM高性能水基鉆井液在高溫下流變性良好，當(dāng)溫度高于160℃時(shí)黏切才發(fā)生突降，在不同溫度下該體系均未發(fā)生高溫增稠現(xiàn)象，體系抗溫可達(dá)160℃。

圖7 不同溫度下的動(dòng)切力

四、結(jié)論和建議

(1)CQ-HPWBM高性能水基鉆井液能夠有效抑制泥頁巖水化，避免因泥頁巖水化帶來的復(fù)雜問題。

(2)CQ-HPWBM高性能水基鉆井液體系具有較強(qiáng)的封堵性能，可以進(jìn)行瞬時(shí)封堵，快速形成優(yōu)質(zhì)濾餅，降低孔隙壓力傳輸，有利于穩(wěn)定井壁。

(3)CQ-HPWBM高性能水基鉆井液體系在高密度條件下依然具有良好的潤滑性能，可實(shí)現(xiàn)接近油基鉆井液的潤滑性。

(4)CQ-HPWBM高性能水基鉆井液體系在高溫高密度條件下具有良好的降濾失性能，體系抗溫160℃，對黏切影響較小，有利于流變性調(diào)控。

(5)CQ-HPWBM高性能水基鉆井液體系解決了水基鉆井液在易塌地層鉆進(jìn)中存在的抑制、封堵、潤滑等方面存在的難題，性能基本接近油基鉆井液，有利于降低鉆井液成本。

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