李茜， 周代生， 彭新俠， 伍葳， 陳驥， 李文哲

（1. 中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，成都 618000；2. 中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦，四川瀘州 646000；3. 四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610017）

0 引言

隨著中國(guó)頁(yè)巖氣革命序幕的拉開，油基鉆井液技術(shù)在中國(guó)獲得了空前的發(fā)展。但在新環(huán)保法及含油廢物處理要求不斷提高的背景下，傳統(tǒng)難降解油基鉆井液面臨極大的挑戰(zhàn)，這也給低毒且可生物降解的合成基鉆井液技術(shù)帶來(lái)了很大的發(fā)展機(jī)遇。合成基鉆井液是采用合成油作為基礎(chǔ)油的一種油基鉆井液體系。其是由人工合成或者改性的有機(jī)物，再加入處理劑組成的合成基鉆井流體[1-3]。

合成基鉆井液具封堵性強(qiáng)、潤(rùn)滑性好等傳統(tǒng)礦物油基鉆井液具有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備對(duì)環(huán)境危害小、毒性低和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，是一種可同時(shí)滿足高效鉆井作業(yè)和環(huán)境保護(hù)要求的新型鉆井液技術(shù) [5-8]。

四川長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊龍馬溪組水平段長(zhǎng)、井壁穩(wěn)定性差，長(zhǎng)期以來(lái)使用油基鉆井液鉆井，環(huán)保壓力巨大，使其應(yīng)用受到一定限制。在四川長(zhǎng)寧CN-H井龍馬溪井段試用了一種生物合成基環(huán)保鉆井液，鉆井過(guò)程中該體系表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，實(shí)現(xiàn)了龍馬溪組安全快速鉆井。

1 鉆井液體系優(yōu)選

1.1 長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣開發(fā)難點(diǎn)

長(zhǎng)寧區(qū)塊構(gòu)造位于川南古坳中隆低陡構(gòu)造區(qū)與婁山褶皺帶之間，屬于構(gòu)造復(fù)合體。地層傾角起伏大，地層應(yīng)力分布不規(guī)律，無(wú)法求得規(guī)律性地層坍塌壓力和漏失壓力；龍馬溪地層巖性成份復(fù)雜，碳質(zhì)含量高，層理發(fā)育，水平段易垮塌。鉆井液安全密度窗口需要現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)井下情況實(shí)時(shí)調(diào)整。通過(guò)利用鉆井液強(qiáng)封堵性和化學(xué)抑制性來(lái)克服地層坍塌壓力不明確的瓶頸[9]。

1.2 生物合成基鉆井液體系

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出一套生物合成基鉆井液體系，該鉆井液配方如下。

（46%～50%）生物合成基礎(chǔ)液+3%ATGEL+3%ATMUL+2%ATCOAT+4%ATTROL+2.3%CaO+7.7%CaCl2+H2O+加重劑

主要維護(hù)處理劑為ATMUL、 ANCOAT、CaO、ANTROL、 ANTGEL。

該生物合成基鉆井液采用第3代生物合成基液作為連續(xù)相，是由植物油經(jīng)特殊工藝加工而成的改性有機(jī)物。該體系抗溫達(dá)到200 ℃，使用密度范圍為1.10～2.50 g/cm3。該體系兼?zhèn)渌@井液的環(huán)保性與油基鉆井液優(yōu)越的潤(rùn)滑、封堵及抑制性?；A(chǔ)液為植物油，無(wú)芳香烴、無(wú)毒、無(wú)熒光、不含重金屬、可生物降解，現(xiàn)場(chǎng)施工無(wú)刺激性氣味，符合HSE要求。該鉆井液對(duì)橡膠件無(wú)腐蝕，減少了對(duì)帶橡膠件儀器（如螺桿、導(dǎo)向工具等）的損傷，延長(zhǎng)了使用時(shí)間，減少了其維修及保養(yǎng)產(chǎn)生的時(shí)間。

對(duì)密度為2.1 g/cm3的生物合成基鉆井液進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可以看出，老化前后合成基鉆井液的動(dòng)塑比均較高，說(shuō)明其剪切稀釋性較強(qiáng)；體系抑制性強(qiáng)；極壓潤(rùn)滑系數(shù)低于0.1，說(shuō)明其潤(rùn)滑性較好；體系具有較強(qiáng)封堵性。體系老化后基本性能未發(fā)生太大改變，其抗高溫穩(wěn)定性較好。

表1 生物合成基鉆井液性能

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 地質(zhì)工程簡(jiǎn)況

2.1.1 長(zhǎng)寧CN-H井地質(zhì)簡(jiǎn)況

長(zhǎng)寧CN-H井是四川長(zhǎng)寧公司部署在長(zhǎng)寧背斜構(gòu)造中奧頂構(gòu)造南翼的一口頁(yè)巖氣水平井開發(fā)井，鉆探目的層為志留系龍馬溪組，鉆探目的是開發(fā)長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣資源。地質(zhì)分層自上而下為嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組、韓家店組、石牛欄組和龍馬溪組。

2.1.2 工程簡(jiǎn)況

長(zhǎng)寧CN-H井設(shè)計(jì)井深為4 524 m，完鉆井深為4 630 m，水平段長(zhǎng)為1 500 m，全井平均機(jī)械鉆速為6.42 m/h，全井鉆井周期為46.93 d。全井井眼穩(wěn)定，井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率為4.9%，井身結(jié)構(gòu)為四開四完：φ914.4 mm×19.5 m（φ508 mm×19.5 m）+φ406.4 mm×392 m（φ339.7 mm×390.83 m）+φ311.2 mm×1 394 m（φ244.5 mm×1 393.19 mm）+φ215.9 mm×4 630 m（φ139.7 mm×4 625.59 m）。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

根據(jù)該井的地質(zhì)特征和井身結(jié)構(gòu)確定鉆井液施工重點(diǎn)：一開（0～19.5 m），使用清水鉆進(jìn)，下入φ508 mm導(dǎo)管封隔地表竄漏層、疏松易垮塌層；二開（19.5～392 m），使用清水鉆進(jìn)；快速鉆過(guò)表層易漏地層，下套管封隔；三開（392～1 394 m），使用聚合物鉆井液；提高抑制性、防塌性鉆至韓家店頂下套管；四開（1 394～4 630 m），繼續(xù)使用三開聚合物鉆井液鉆水泥塞，鉆進(jìn)至井深1 479 m轉(zhuǎn)換為新型生物合成基環(huán)保鉆井液體系。鉆遇地層為韓家店組、石牛欄組、龍馬溪組，巖性以泥巖夾砂巖頁(yè)巖為主，龍馬溪組頁(yè)巖易垮塌、易漏、產(chǎn)氣，泥巖易水化分散，造漿性強(qiáng)；鉆井液工作重點(diǎn)是穩(wěn)固井壁、防漏、防垮塌。應(yīng)用井段為1 479～4 630 m、段長(zhǎng)為3 151 m，平均機(jī)械鉆速為6.93 m/h，鉆井周期為25.37 d。

2.2.1 分段鉆井液性能

合成基鉆井液在長(zhǎng)寧CN-H井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的分段性能見表2。從表2可以得出，合成基鉆井液的性能穩(wěn)定，隨著井深的增加、鉆井液密度的提高，漏斗黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、初終切力等性能參數(shù)的波動(dòng)小。

2.2.2 鉆井液維護(hù)處理

1）密度。由于使用合成基鉆井液，提高了鉆井液的抑制性， 鉆井液體系能從化學(xué)方面在一定程度上解決井壁穩(wěn)定的問(wèn)題。因此在滿足井壁穩(wěn)定的前題下盡可能低地控制鉆井液密度，防止漏失。在實(shí)鉆過(guò)程中根據(jù)井眼狀況及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，以保證井眼安全。

2）油水比。隨密度的增加而提高，鉆井液的油水比始終維持在80/20左右。

3）高溫高壓濾失量。適時(shí)補(bǔ)充ATTROL-HT降低高溫高壓濾失量，控制高溫高壓濾失量小于5 mL（120 ℃）?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)小于1.0 mL。

4）電穩(wěn)定性。適時(shí)向循環(huán)體系中補(bǔ)充ANTMUL和ANTCOAT來(lái)提高和穩(wěn)定合成基鉆井液的電穩(wěn)定性，始終控制破乳電壓大于400 V?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)破乳電壓值均在900 V以上。

5）石灰含量。維持鉆井液中有適量的多余石灰對(duì)保持乳化液的高溫穩(wěn)定性和防止電解質(zhì)發(fā)生電離有著決定性的作用，并為乳化劑和其他處理劑提供適當(dāng)?shù)膲A性環(huán)境以獲得較佳的效果。

6）低密度固相含量控制。使用細(xì)目數(shù)的振動(dòng)篩布（0.063～0.076 mm），開啟除砂器。

表2 長(zhǎng)寧CN-H井四開鉆井用合成基鉆井液性能

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 鉆井液常規(guī)性能、流變性能對(duì)比

生物合成基鉆井液與鄰井油基鉆井液、高性能水基鉆井液使用情況對(duì)比見表3。

從表3可以看出，生物合成基鉆井液，高溫下的黏度更低，有利于提高機(jī)械鉆速；在同等密度下，合成基鉆井液黏度低于常規(guī)油基鉆井液，鉆井液的沿程流阻減小，泵壓更低，有利于強(qiáng)化鉆井參數(shù)，提高排量；生物合成基鉆井液還具有優(yōu)異的剪切稀釋性能，在同等密度下，反應(yīng)鉆井液剪切稀釋能力的動(dòng)塑比為0.35 Pa/mPa烏s，遠(yuǎn)高于鄰井油基鉆井液的0.11 Pa/mPa烏s，甚至優(yōu)于同等條件水基鉆井液的0.31 Pa/mPa烏s。合成基鉆井液與親油膠體的配伍性較好，與加重劑相容性較好，使得體系內(nèi)部液固之間、固固之間內(nèi)摩擦阻力較低，因此塑性黏度較低；合成基鉆井液動(dòng)切力更高，其攜帶巖屑的能力更強(qiáng)，在低剪切速率下的結(jié)構(gòu)明顯強(qiáng)于常規(guī)油基鉆井液，避免了巖屑床的產(chǎn)生。

長(zhǎng)寧CN-H井5次起下鉆均暢通無(wú)阻，電測(cè)時(shí)儀器落井，井底靜止6 d，打撈下鉆一次到底，無(wú)沉淀，順利打撈成功；生物合成基鉆井液體系流變性好，起出鉆具清潔，鉆井液黏附少，石牛欄、龍馬溪組巖屑返出層次分明、外形完整、棱角分明（見圖1）。巖屑槽巖屑干燥成型，方便環(huán)保收集處理（見圖 2）。

圖1 石牛欄、龍馬溪組返出巖屑

圖2 起鉆清潔的鉆具及返出完整的巖屑

3.2 鉆井液潤(rùn)滑性能對(duì)比

該生物合成基鉆井液具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，鉆具與井壁的摩擦阻力越小，鉆壓越能施加到鉆頭上，機(jī)械鉆速越高；生物合成基鉆井液實(shí)鉆過(guò)程中無(wú)論是扭矩還是鉆具摩阻，相比油基鉆井液均有較大幅度的下降。尤其是鉆具摩阻相比油基鉆井液降低10 t，降低幅度達(dá)40%；鉆進(jìn)中扭矩小，起下鉆無(wú)阻卡，套管一次性順利下到底。鉆井液性能對(duì)比見表3。

3.3 工程施工參數(shù)對(duì)比

使用合成基鉆井液與油基鉆井液時(shí)的工程參數(shù)（最優(yōu)參數(shù)）見表4。從表4可見，實(shí)際施工中相同排量下合成基鉆井液泵壓更低，有利于強(qiáng)化鉆井參數(shù)，提高機(jī)械鉆速；長(zhǎng)寧CN-H井龍馬溪組使用合成基鉆井液的機(jī)械鉆速達(dá)到9.74 m/h，比使用油基鉆井液的井提高了2.14 m/h。

表4 長(zhǎng)寧CN-H井與鄰井鉆井液工程參數(shù)對(duì)比（龍馬溪組）

3.4 井徑擴(kuò)大率

長(zhǎng)寧CN-H井四開使用生物合成基鉆井液鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定，平均井徑擴(kuò)大率為4.9%，見圖3。

長(zhǎng)寧CN-H井四開替入生物合成基環(huán)保型鉆井液，完鉆井深為4 630 m，鉆井周期為26 d。截止到完鉆日期，該井刷新了長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣井多項(xiàng)記錄：①實(shí)現(xiàn)單只鉆頭“一趟鉆”進(jìn)尺2 366 m，鉆井周期為13.48 d，刷新了長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣“一趟鉆”進(jìn)尺和鉆井周期記錄；②水平段長(zhǎng)1 500 m，平均機(jī)械鉆速為9.74 m/h，鉆井周期為8.58 d，刷新了長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣水平段周期記錄；③完鉆井深為4 630 m，全井平均機(jī)械鉆速為6.2 m/h，全井鉆井周期為46.93 d，刷新了長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣井全井鉆井周期記錄。

圖3 長(zhǎng)寧CN-H井四開井徑曲線

4 結(jié)論與建議

1.生物合成基鉆井液流變性好，具備優(yōu)越的潤(rùn)滑、封堵及抑制能力，能夠防止頁(yè)巖水平段井壁垮塌、減少阻卡及井下復(fù)雜。

2.長(zhǎng)寧CN-H井龍馬溪組使用生物合成基鉆井液，鉆井液性能穩(wěn)定、井壁穩(wěn)定、井眼規(guī)則、起下鉆摩阻小、機(jī)械鉆速高，且安全環(huán)保，刷新了長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣鉆井周期、機(jī)械鉆速等多項(xiàng)紀(jì)錄。

3.建議加強(qiáng)合成基鉆井液重復(fù)利用技術(shù)研發(fā)，以推動(dòng)其在長(zhǎng)寧地區(qū)的推廣使用。