涪陵頁巖氣水平井油基鉆井液技術(shù)

梁文利，宋金初，陳智源，劉　靜，梅露強

（中石化江漢石油工程公司頁巖氣開采技術(shù)服務公司，武漢 430072）

涪陵頁巖氣水平井油基鉆井液技術(shù)

梁文利，宋金初，陳智源，劉靜，梅露強

（中石化江漢石油工程公司頁巖氣開采技術(shù)服務公司，武漢 430072）

梁文利等.涪陵頁巖氣水平井油基鉆井液技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：19-24.

涪陵焦石壩區(qū)塊采用水平井開發(fā)方式，水平段長1 500 m以上，水平井段為龍馬溪組下泥巖段，頁巖黏土礦物含量高，脆性強、微裂縫發(fā)育，易發(fā)生垮塌掉塊造成井下事故；井底垂深大于3 500 m，深層頁巖氣開發(fā)，面臨著井溫升高、攜巖帶砂要求越來越高、部分井發(fā)生垮塌掉塊、起下鉆遇阻卡的問題，部分井發(fā)生失返性漏失，消耗了大量的人力、物力。對柴油基鉆井液體系進行了研究，結(jié)果表明該體系具有良好的抗溫性、在低油水比（70∶30）下仍然具有穩(wěn)定的性能，隨鉆堵漏材料（粒徑級配的高純超細碳酸鈣+有機膠凝漏失控制材料）能夠封堵2 mm的裂縫，承壓強度達7 MPa，納米封堵劑（納米石墨粉和超細海泡石纖維組成的混合物）能夠封堵0.1 mm裂縫，承壓達到20 MPa?，F(xiàn)場應用結(jié)果表明，該體系具有良好的井壁穩(wěn)定能力，井徑擴大率低，平均小于3%，潤滑性好，起下鉆摩阻低，鉆井液性能穩(wěn)定，易于維護處理，能夠解決井漏、井垮等復雜情況。柴油基鉆井液完全適用于涪陵區(qū)塊的頁巖氣水平井鉆井施工。

頁巖氣；柴油基鉆井液；水平井；井壁穩(wěn)定；焦石壩區(qū)塊

焦石壩頁巖氣區(qū)塊位于川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造，目的層以黑色粉砂巖、炭質(zhì)泥頁巖夾放射蟲炭質(zhì)泥頁巖為主，該層位泥頁巖層理和裂縫非常發(fā)育，鉆井過程中極易發(fā)生井壁坍塌，預測地層壓力系數(shù)高達1.45，采用水平井鉆進泥頁巖地層，施工風險大，鉆井和完井工藝復雜。該區(qū)塊頁巖氣井的水平井段為龍馬溪組下泥巖段，具有黏土礦物含量高、微裂縫發(fā)育、易發(fā)生鉆井液濾液侵入等特點。隨著焦石壩頁巖氣向構(gòu)造的南區(qū)發(fā)展，井深增加，井底垂深大于3 500 m。深層頁巖氣開發(fā)，面臨著頁巖氣儲層垂深增加，井溫升高，水平段增長，攜巖帶砂要求越來越高。針對這些問題，對柴油基鉆井液進行研究，解決了現(xiàn)場井下復雜問題，為確保涪陵二期頁巖氣高效開發(fā)提供良好的技術(shù)支撐。

1　柴油基鉆井液的室內(nèi)性能評價

1.1柴油基鉆井液的配方組成

柴油基鉆井液的配方如下。

柴油∶氯化鈣水溶液（26%）=80∶20+（2.5%～3.0%）主乳化劑HIEMUL+（1.5%～2.0%）輔乳化劑HICOAT+（1.0%～1.5%）潤濕劑HIWET+（2.5%～3.0%）降失水劑HIFLO+（2%～3%）液體瀝青+（1.5%～2.0%）增黏劑MOGEL+1.0%有機土+（2.5%～3.0%）石灰+（1.5%～2.0%）封堵劑HISEAL+重晶石（加重至密度為1.40 g/cm3）

1.2不同老化溫度下油基鉆井液性能

考察了不同井溫下油基鉆井液的基本性能，結(jié)果見表1。由表1可知，該柴油基鉆井液在高溫高密度下的流變性穩(wěn)定，破乳電壓穩(wěn)定，失水小，具有良好的抗高溫穩(wěn)定性。

表1　不同老化溫度對鉆井液性能的影響

1.3不同油水比下油基鉆井液性能

為了分析油水比變化，特別是降低油水比后對鉆井液性能的影響，考察了不同油水比下鉆井液的基本性能，結(jié)果見表2。由表2可知，隨著油水比例的降低，黏度和切力增大，破乳電壓有所降低，但是均滿足現(xiàn)場的指標要求。

1.4隨鉆堵漏材料效果評價

JHCarb漏失控制材料是高純度和可溶于酸的碳酸鈣的粉末及顆粒狀橋堵劑，可研磨成較為精細的規(guī)格，具有廣泛的分布粒徑。HiFLEX是一種有機膠凝漏失控制材料，其隨著時間和溫度的變化，產(chǎn)生可塑性的高強度凝膠，能阻止鉆井液向地層漏失。HiFLEX漏失控制材料具有不同的尺寸，適合用來封堵不同尺寸的裂縫。針對防漏、防垮問題，在鉆井液體系中加入隨鉆堵漏材料、納米封堵劑等堵漏材料，配方如下。

焦石壩現(xiàn)場老漿（ρ為1.4 g/cm3）+（3%～5%）JHCarb1400+（1%～3%）JHCarb250+（2%～4%）JHCarb150+（0.5%～1.5%）HiFLEX250+（0.5%～1.5%）HiFLEX150

1）隨鉆堵漏材料封堵1 mm、2 mm裂縫情況見圖1和圖2。由圖1可知，油基隨鉆堵漏材料能夠封堵1 mm裂縫，能夠在裂縫中滯留，達到進得去、留得住的效果。由圖2可知，油基隨鉆堵漏材料在室溫、50 ℃、80 ℃下均能夠堵住2 mm裂縫，隨著溫度升高，侵入深度越深，堵漏材料在高溫下會發(fā)生變形，然后滯留在裂縫中。

圖1　封堵1 mm裂縫情況

圖2　不同溫度下封堵2 mm裂縫情況

3） 微裂縫封堵評價。采用鋼制微裂縫模擬裂縫，進行80 ℃下封堵0.1 mm裂縫實驗，考察納米封堵劑的封堵效果。納米封堵劑是采用納米石墨粉和超細海泡石纖維組成的混合物。實驗測得，油基鉆井液在3.5 MPa下發(fā)生漏失，加入3%納米封堵劑之后，在3.5、5、10、15和20 MPa不同壓力下均未發(fā)生漏失。納米封堵劑加入油基鉆井液后，能夠封堵0.1 mm以下的微裂縫，起到提高承壓的目的，最高承壓能夠達到20 MPa，防止在提密度、起下鉆過程中發(fā)生壓力誘導性漏失。

2　柴油基鉆井液現(xiàn)場應用

2.1性能優(yōu)化

該區(qū)塊采用老漿進行性能優(yōu)化，達到性能指標要求后，才能進行應用。按照油基鉆井液配方配制50～100 m3的油基新漿，保證低黏度低切力，加重至密度為1.2 g/cm3左右即可。新漿配方如下。

柴油∶氯化鈣水溶液（26%）=80∶20+3%主乳化劑+2%輔乳化劑+3%降濾失密度為1.20 g/cm3

將老漿和新漿按照不同比例混合，測定混合漿的性能，結(jié)果見表3。由表3可知，油基老漿和新漿按4∶1比例混合時，性能適合頁巖氣水平井鉆井的技術(shù)要求。

表3　油基老漿性能優(yōu)化

在鉆井液罐中將老漿用離心機清除有害固相，將固相控制在25%以下，在將二開水基聚合物鉆井液轉(zhuǎn)化成油基鉆井液之后，循環(huán)均勻，根據(jù)流變性情況適當加入5～10 m3柴油，將流變性在開鉆前就要控制好，防止后期流變性能由于鉆屑的污染大起大落。在油基鉆井液轉(zhuǎn)化的過程中，把受到污染的油基鉆井液放掉，防止由于水基鉆井液進入油基鉆井液后，黏度和切力大增，油水比降低，對井下長水平段頁巖井壁穩(wěn)定性造成潛在性威脅。

2.2維護措施

1）由于頁巖氣井水平段長度在1 500～2 000 m之間，井壁穩(wěn)定問題顯得至關(guān)重要，鉆井液密度要維持在1.40～1.50 g/cm3，既確保在井壁周圍形成足夠的支撐力，以維持井壁的力學平衡，又要避免液柱壓力過高壓漏地層，因為頁巖微裂縫發(fā)育，易發(fā)生裂縫張開，進而導致漏失發(fā)生。加重的時候采用補充重漿，緩慢提高密度，禁止采用直接吹灰的方法，防止局部密度過高，將頁巖微裂縫地層壓漏。每次在加重提高鉆井液密度之前，先開動高速離心機清除固相4 h，在一個循環(huán)周內(nèi)對全井油基鉆井液進行固相清除，尤其微米級鉆屑的清除，有利于提高機械鉆速，離心機使用完之后也不用清洗，干甩5～10 min，就可以將離心機腔室內(nèi)的油基鉆屑全部清楚干凈，破除以往要像水基鉆井液那樣進行清洗干凈的誤區(qū)，而不愿意使用離心機。

2） 漏斗黏度控制在60 s左右，保持適當?shù)酿ざ群颓辛?，提高油基鉆井液的低剪切速率黏度，保證φ3讀數(shù)大于8，保證油基鉆井液的攜巖帶砂能力，確保井底清潔干凈，井眼暢通，避免井下復雜事故的發(fā)生。在鉆井液量損耗大的情況下，加入柴油后，鉆井液結(jié)構(gòu)力會降低，懸浮能力也會降低，可能導致重晶石沉降或者返砂少，易造成巖屑在水平段沉積。此時如果φ3讀數(shù)小于5，應該加入有機土或者提切劑，每次控制速度，按照循環(huán)周均勻加入200～300 kg，鉆進24 h，再測量鉆井液黏度和切力，切忌大量快速加入有機土、提切劑，由于油基鉆井液黏度增長比較滯后，否則黏度上漲得過快，會造成流變不好控制，對開泵、下鉆激動壓力影響比較大，開泵壓力高，泵壓高對鉆井泵的閥座、墊圈等配件影響大。

3）根據(jù)濾失量和消耗量的情況，適當加大油基降濾失劑和油基封堵劑的用量，改善泥餅質(zhì)量，降低摩阻，減少消耗量，降低成本。該柴油基鉆井液體系采用HI-FLO改性瀝青材料降濾失劑和液體乳化瀝青的協(xié)同增效作用，來降低油基鉆井液的濾失量，在100 ℃下控制在3 mL以內(nèi)，如果油基鉆井液的高溫高壓濾失量升至4 mL，采用邊鉆進邊加入降濾失材料的方式，每次加入2 t HI-FLO改性瀝青材料和2 t液體乳化瀝青，同時測定破乳電壓是否降低，如果降低幅度不大，在500～600 V范圍內(nèi)不用處理，如果下降幅度大，按照2∶1的比例，及時加入主乳化劑（2 t）和輔乳化劑（1 t），24 h后，測定高溫高壓濾失量，直到小于3 mL。

4）使用好固控設(shè)備，采用粒徑為0.076 mm的振動篩篩布，24 h使用除砂器，間歇使用離心機的方法，及時清除有害固相，確保鉆井液流變參數(shù)穩(wěn)定。每鉆進300～500 m進行短程起下鉆，到底后，開動離心機4 h時，清除部分有害固相。如果鉆井液密度增加過快，測定固相含量和油水比例，固相含量控制在25%以下，油水比例控制到80∶20，最低為70∶30。固相含量增加，有以下幾個方面的原因：①鉆屑進入油基鉆井液，振動篩篩布是否按照0.076 mm安裝，是否有破損；②工程上是否在定向，在長時間扭方位的情況下，鉆屑磨得很細，振動篩上沒有篩除物，直接進入油基鉆井液進行循環(huán)；③氯離子含量情況，是否在85 500 mg/L左右，氯離子含量降低，水相的抑制能力降低，造成頁巖中的黏土礦物分散造漿。

5）鉆井過程中，根據(jù)井下情況，可通過短程起下鉆措施，清理水平段巖屑床和井壁上的臟泥餅，防止起鉆摩阻大、定向滑動鉆進的時候托壓，工具面不好調(diào)整，降低鉆進時效。

6）油基鉆井液破乳電壓要保證大于400 V，根據(jù)破乳電壓情況及時加入乳化劑，提高油包水乳液的穩(wěn)定性，防止油水分層，造成重晶石沉降而發(fā)生井下卡鉆事故。 破乳電壓降低的原因可能有以下幾個原因：①鉆屑吸附，鉆屑不斷地除去，造成乳化劑有效含量降低，根據(jù)鉆速情況以及進尺多少，及時跟進加入主乳化劑、輔乳化劑；②測定油水比例，是否有地層水或者鄰井壓裂液侵入，水相增加，直接影響乳化效果，嚴重的情況下可能造成破乳，導致井垮的危險；③是否在鉆井液罐內(nèi)充分高速剪切乳化好后，補充新鮮油基鉆井液，禁止直接向井內(nèi)補充氯化鈣鹽水，造成乳化不均勻，還有可能導致井壁失穩(wěn)、掉塊。

2.3現(xiàn)場應用情況

柴油基鉆井液已經(jīng)在焦石壩地區(qū)推廣應用 200多口井，現(xiàn)場應用情況表明，柴油基鉆井液具有性能穩(wěn)定、抑制性強、井壁穩(wěn)定性好、井徑擴大率小、潤滑性強，起下鉆摩阻低等特點。焦石壩地區(qū)部分完鉆井的油基鉆井液具體使用情況見表4。

表4　焦石壩三開井段油基鉆井液鉆井情況

2.4典型井使用情況

柴油基鉆井液在焦頁X井三開φ215.9 mm水平段使用，該井三開所鉆井段為黑色炭質(zhì)頁巖，裂縫發(fā)育，極易出現(xiàn)坍塌掉塊，使用油基鉆井液鉆進期間，鉆屑上返及時，并且呈均質(zhì)，振動篩返出砂樣棱角分明，具有代表性，無掉塊返出。通過井徑曲線可以看出，三開平均井徑為φ218.71 mm，平均井徑擴大率為1.3%，井徑規(guī)則，井壁穩(wěn)定效果明顯。

柴油基鉆井液現(xiàn)場維護操作方便、性能穩(wěn)定，具有良好的流變性、相對低的高溫高壓濾失量、強的抑制防塌能力，實現(xiàn)了鉆探全過程安全無事故。三開井段電測、下套管均一次性成功，下φ139.7 mm油層套管在水平段的摩阻為100～150 kN，固井質(zhì)量優(yōu)。柴油基鉆井液具體性能見表5。

2.5現(xiàn)場復雜處理情況

1）隨鉆堵漏技術(shù)。隨鉆堵漏技術(shù)應用在JY65平臺，取得了良好的效果。JY65-3HF井三開鉆至井深4 080 m時（排量為32 L/s，泵壓為20 MPa）發(fā)生井漏，漏速為3.92 m3/h，采取循環(huán)堵漏方法，加入1 t HiFLEX150、2 t JHCarb150后漏速逐漸減小直到正常。鉆至4 096 m時（排量為32 L/s，泵壓為20 MPa）發(fā)生井漏，漏速為3.2 m3/h，同樣采取循環(huán)堵漏方法，加入1 t HiFLEX150、2 t JHCarb150、2 t液體瀝青后，漏速逐漸減小，直到正常，效果明顯。對于漏速小于5 m3/h的漏失，均可采用隨鉆堵漏的方法。對于漏速5～10 m3/h的漏失，可配段塞堵漏。

表5　焦頁X井柴油基鉆井液性能

2）垮塌掉塊處理技術(shù)。在JY36-3HF井，牙輪常規(guī)鉆具時通井下鉆至3 790 m遇阻，劃眼至4 146 m，劃眼效果不明顯，反復劃眼依然有憋泵、憋頂驅(qū)現(xiàn)象，劃眼過程中有少量掉塊返出。分析判斷在3 790～3 810 m位置存在垮塌，掉塊帶不出來而導致憋泵憋頂驅(qū)。采取的措施：首先加入納米封堵劑和乳液封堵劑，提高地層承壓能力，然后配制稠漿，將密度提高至1.58 g/cm3，通過加入超細纖維材料進行攜帶、通井劃眼等技術(shù)措施，最終解決垮塌掉塊問題。

3　認識與建議

1.柴油基鉆井液的成功應用，保障了國家級頁巖氣示范區(qū)涪陵焦石壩區(qū)塊的整體開發(fā)進度，解決了長水平段水平井鉆探中的潤滑防卡、懸浮攜帶、井壁穩(wěn)定等各項技術(shù)難題。

2.焦石壩頁巖地層層理發(fā)育，屬硬脆性泥頁巖，易剝落掉塊，在涪陵焦石壩高壓目的層的前提下，油基鉆井液強抑制能力，確保了井壁穩(wěn)定，完井電測、下套管均一次性成功，井徑規(guī)則，井徑擴大率低，固井質(zhì)量優(yōu)秀。

3.該柴油基鉆井液具有良好的抗高溫能力，在不同的密度和油水比例下均具有良好的性能穩(wěn)定性。通過涪陵焦石壩現(xiàn)場應用，形成了一套油基鉆井液現(xiàn)場配制、維護控制技術(shù)，在非常規(guī)油氣水平井鉆井液整體工藝控制技術(shù)方面得到了突破。

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Oil Base Drilling Fluid for Drilling Shale Gas Wells in Fuling

LIANG Wenli， SONG Jinchu， CHEN Zhiyuan， LIU Jing， MEI Luqiang
（Shale Gas Production Service， Sinopec Jianghan Oilfield Service Corporation， Wuhan， Hubei 430072）

Horizontal drilling has been used in developing the block Jiaoshiba in Fuling， Chongqing. The horizontal section， more than 1，500 m in length， penetrated the lower Longmaxi mudstone formation， which has high clay contents， and is brittle and full of micro fractures. The vertical depths of the wells drilled in this area were deeper than 3，500 m. Deep well shale gas development in this area has been faced with difficulties such as high well temperature， cutting carrying， borehole wall collapse in some wells， over-pulls during tripping， and lost returns of muds in some wells， all of these have caused waste of manpower and material resources. To solve these problems， a diesel oil base drilling fluid has been studied for use in shale gas drilling. The diesel oil base drilling fluid formulated had good high temperature stability； at low oil/water ratio （70∶30） the fluid was still stable. Two LCMs， were added in the oil base drilling fluid； one was a high purity ultra-fine CaCO3mixed with an organic gel LCM which can plug fractures of 2 mm in width， and can stand pressure of 7 MPa. The other LCM， a nano graphite powder mixed with ultra-fine sepiolite fibers， can be used to plug micro fractures of 0.1 mm in width， and can stand pressure of 20 MPa. Field application demonstrated that this oil base mud greatly stabilized the borehole wall in easy-to-collapse hole sections， and reduced the average rate of hole diameter enlargement to less than 3%. Good lubricity of the mud made trip very smooth. The property of the mud was stable during the whole drilling period and was easy to maintain. Downhole problems previously encountered such as lost circulation and borehole wall instability were mitigated to acceptable levels. Field application proved the suitability of diesel oil base drilling fluid in shale gas horizontal drilling in Fuling area.

Shale gas； Diesel oil base drilling fluid； Horizontal well； Borehole stabilization； Block Jiaoshiba

TE254.3

A

1001-5620（2016）05-0019-06

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.004

梁文利，工程師，現(xiàn)在主要從事鉆井液技術(shù)研究及現(xiàn)場技術(shù)服務工作。電話 15826568878；E-mail：nijiang2007@163.com。

（2016-7-9；HGF=1604C9；編輯王超）