國內(nèi)頁巖氣水基鉆井液研究與應(yīng)用進展

趙 虎 司西強 王愛芳

中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院

21世紀以來，美國掀起了“頁巖氣革命”，實現(xiàn)了頁巖氣商業(yè)性開采，目前約有30個國家加入了頁巖氣勘探開發(fā)行列。我國目前已相繼在四川長寧、威遠，重慶涪陵、彭水，云南昭通等地開展了頁巖氣開發(fā)。目前，油基鉆井液因其優(yōu)良的井壁穩(wěn)定和潤滑防卡等優(yōu)勢而應(yīng)用廣泛，隨著環(huán)保和成本要求的提高，水基鉆井液的研發(fā)和應(yīng)用日趨迫切，國外M-I Swaco、貝克休斯和哈利伯頓等公司均開發(fā)出高性能水基鉆井液，以較低成本實現(xiàn)了頁巖氣資源的環(huán)保開發(fā)。國內(nèi)科研院所、高校、工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)紛紛投入研究和應(yīng)用，但仍處于初期階段。文中概述了國內(nèi)頁巖氣水基鉆井液的難點、處理劑使用情況及鉆井液的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并給出了幾點建議，以期為頁巖氣水基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用提供一定的參考。

1 國內(nèi)頁巖氣水基鉆井液技術(shù)難點[1]

1）井壁穩(wěn)定

國內(nèi)主要頁巖地層黏土礦物含量多為20%～45%，黏土膠結(jié)物中易水化分散的組分含量為10%～ 80%，Zeta電位為－20～－55 mV，吸水分散趨勢強，水分子易侵入黏土晶層，使得膠結(jié)物強度降低、孔隙壓力升高，導致頁巖地層局部拉伸破裂，從而破壞巖石；頁巖層理性強、微裂縫發(fā)育，縫寬和孔徑集中在0.05～40.00 μm，與流體接觸后，產(chǎn)生強烈的自吸現(xiàn)象，使裂縫萌生、擴展、貫通形成宏觀裂縫。鉆井過程中的機械破壞和鉆井液長時間浸泡地層，超過坍塌周期，導致井壁失穩(wěn)。

2）潤滑防卡

頁巖氣井多采用長水平井開發(fā)模式，水平段長多為1 000～2 500 m，可以更大限度的穿越儲層。國內(nèi)更因受到地形、成本因素影響，“井工廠”技術(shù)得到推廣，三維定向技術(shù)應(yīng)用廣泛，隨著井斜、方位變化及水平位移的增加，會極大地增大摩阻和扭矩，嚴重影響井眼軌跡控制等正常鉆井和完井作業(yè)。

3）井眼清潔

巖屑在上返過程中易沉向井壁的下側(cè)，堆積形成“巖屑床”，特別是在井斜角45°～60°的井段，巖屑床會沿井壁下側(cè)向下滑動，堆積嚴重，從而堵塞井眼。隨著鉆井周期的增長，反復研磨鉆屑變細，混入鉆井液導致固相含量升高，尤其在高密度鉆井液中增黏效應(yīng)明顯，流變參數(shù)和濾失量難以兼顧，鉆井液在高黏度層流狀態(tài)下攜巖帶砂效果差，井眼清潔困難，后期維護處理采取大量置換鉆井液，造成鉆井液處理劑的大量浪費。

2 國內(nèi)頁巖氣水基鉆井液處理劑

1）抑制劑

頁巖地層黏土膠結(jié)物吸水分散趨勢強，要求高性能水基鉆井液必須具有強抑制性。目前在長寧、威遠、昭通和延長等頁巖氣區(qū)塊應(yīng)用的抑制劑主要概況為以下幾類：

聚胺或胺基抑制劑通過物理化學吸附，分子結(jié)構(gòu)中的疏水基團（環(huán)氧丙烷、烷基等）覆蓋在黏土表面，隔斷了水分子和黏土礦物的接觸，抑制黏土的表面水化，阻止水分子進入黏土內(nèi)部，起到抑制黏土分散膨脹作用。烷基糖苷衍生物為非離子型或小陽離子型強效抑制劑，作用機理為嵌入及拉緊晶層和吸附成膜等，可有效降低頁巖的ZETA電位絕對值，降低巖屑活性。疏水抑制劑具有雙親特性，能使親水的巖石表面潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，在巖石表面形成一層疏水膜，具有強化抑制與包被的作用。甲酸鹽通過壓縮黏土雙電層、降低水活度、增強液相黏度等作用，控制水分子侵入地層。氯化鉀通過鉀離子鑲嵌作用，抑制頁巖滲透水化。

此外，引進國外的黏土穩(wěn)定劑CLAY-TROL在長寧區(qū)塊應(yīng)用4口井。多硅基抑制劑、硅酸鹽、氯化鈣和聚合醇等材料處于研究或少量應(yīng)用階段。

2）封堵劑

頁巖地層微裂縫和層理發(fā)育，縫寬和孔徑集中在0.05～40 μm，常規(guī)封堵劑粒徑在5～100 μm，不能滿足微孔縫的封堵需求，因此頁巖地層研究和應(yīng)用較多的為納微米封堵材料，主要包括：

納米二氧化硅和納米碳酸鈣粒徑多為1～60 nm，疏水型納米二氧化硅具有強疏水性與強吸附性，能吸附在濾餅上，形成納米顆粒隔水層，有效降低濾失量，對鉆井液流變參數(shù)影響較小[2]；納米碳酸鈣可對納米級裂縫起到架橋、填充作用，并可改善濾餅質(zhì)量。納米氧化銅和氧化鋅也有研究報道[3]。需要說明的是剛性納米封堵劑加量不宜過大，加量過大易導致小顆粒的團聚效應(yīng)加重?？勺冃渭{微米封堵劑是一種合成高分子有機聚合物或共聚物，呈懸浮狀液體，顆粒粒徑范圍0.05～2.00 μm之間，在井底溫度和壓力作用下可根據(jù)頁巖微裂縫的形狀而改變自身的形狀，從而達到良好的封堵防塌效果[4]。

成膜封堵劑或降濾失劑可在壓力作用下形成一層憎水膜，阻止泥頁巖的水化[5]，在昭通、長寧和焦石壩等區(qū)塊的頁巖地層有應(yīng)用報道。聚合醇具有“濁點效應(yīng)”，當溫度超過濁點時，聚合醇將形成滴珠，在壓差、溫度作用下，變形成為小顆粒進入濾餅的小孔隙中起封堵作用，使濾餅滲透率降低，濾失量降低，在長寧等區(qū)塊有應(yīng)用。另外，無滲透處理劑、瀝青類、超細碳酸鈣等在威遠和富順等區(qū)塊有應(yīng)用。

3）潤滑劑

頁巖氣井多采用長水平井開發(fā)，對鉆井液的潤滑性提出了更高的要求。目前應(yīng)用最多的高效潤滑劑為植物油與表面活性劑的混合物，可在鉆具表面產(chǎn)生物理和化學吸附，在高溫高負荷條件下，形成金屬雜化薄膜，具有吸附膜厚、潤滑效率高和持續(xù)時間長等優(yōu)點，如長寧區(qū)塊應(yīng)用的CQ-LSA和昭通區(qū)塊應(yīng)用的SDHP等。烷基糖苷衍生物分子規(guī)則排列成潤滑膜，可降低重晶石間的內(nèi)摩擦，改善濾餅質(zhì)量，降低鉆具與井壁之間的摩擦，滿足高密度水基鉆井液潤滑的要求，如昭通和長寧區(qū)塊應(yīng)用的聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）和陽離子烷基糖苷（CAPG）等。某些納米材料不但可在鉆具表面和井壁表面形成納米膜，甚至可滲透到管狀金屬的微觀孔隙，通過化學鍵鍵接在金屬表面，高壓作用下形成自修復保護膜，可持續(xù)在金屬表面上作用，有效地降低鉆具的摩阻[6]，目前國內(nèi)處于研究階段。另外，石墨和乳化石蠟在河南油田泌頁2HF 井有應(yīng)用報道。完井作業(yè)中加入塑料小球確保下套管順利在昭通、彭水等頁巖氣井有應(yīng)用。

流型調(diào)節(jié)劑、降濾失劑、pH調(diào)節(jié)劑和加重材料等國內(nèi)多采用常規(guī)水基鉆井液處理劑，這里不再詳述。

3 國內(nèi)頁巖氣水平井水基鉆井液研究與應(yīng)用

國內(nèi)頁巖氣水平井水基鉆井液的研究與應(yīng)用均致力于解決井壁穩(wěn)定、潤滑防卡和井眼清潔等技術(shù)難題，其中，根據(jù)井壁穩(wěn)定側(cè)重不同，大致可以分為3類鉆井液：

1）吸附成膜、拉緊黏土晶層的強抑制型鉆井液

以聚胺或胺基抑制劑通過吸附成膜，阻止水分子侵入黏土為主的強抑制型鉆井液，如：閆麗麗[7]等報道了一種用于黃金壩YS108H4-2 井三開水平段（2 806～4 020 m）的DRHPW-1高性能水基鉆井液體系。主要采用聚胺類抑制劑BYZ-1和氯化鉀，配合使用瀝青粉FTYZ-1、納微米封堵劑FD、成膜降濾失劑NBG、液體和固體潤滑劑等，水平段機械鉆速為11.74 m/h，創(chuàng)該區(qū)鉆井周期記錄，鉆井、固井施工作業(yè)順利，井徑擴大率為 5.71%。之后該技術(shù)在該區(qū)塊另一頁巖氣水平井三開段應(yīng)用，水平段長達1 670 m。張衍喜等[8]報道了一種用于頁巖油氣定向段鋁胺聚合物潤滑防塌鉆井液體系，該體系以有機胺等具有強抑制性的處理劑為主，以納米乳液、聚合醇、鋁胺聚合物、瀝青類產(chǎn)品等具有強封堵性處理劑為輔，并加入高效潤滑劑，基本上能夠滿足非常規(guī)鉆井的需要。張軍等[9]報道了一種用于新頁HF-1 井部分水平段（3 281～3 417 m）的強抑制聚胺仿油基鉆井液體系，該鉆井液中加入了聚胺抑制劑、甲基葡萄糖苷等多種抑制劑，配合使用納米乳液、國外高分子封堵劑和降濾失劑等，在川西須五段應(yīng)用中施工順利，無復雜情況。何振奎[10]報道了一種用于泌頁 2HF 井定向段（2 162～2 875 m）的強抑制水基鉆井液，采用聚胺NH-1等為抑制劑，多種瀝青復配、白油、高效潤滑劑ZRH-1、石墨及乳化石蠟等，較好地解決了該井EH3Ⅱ段泥頁巖易水化膨脹、易造漿問題，井徑擴大率為2.17%。

以烷基糖苷及衍生物拉緊黏土晶層，吸附成膜，降低巖屑活性為主的強抑制型鉆井液，如：趙虎[11]等報道了一種用于黃金壩YS108H8-5井三開井段（1 481～4 225 m）的烷基糖苷衍生物水基鉆井液體系。該體系以聚醚胺基烷基糖苷NAPG和陽離子烷基糖苷CAPG 為主抑制劑，配合使用納微米封堵材料和極壓潤滑劑等，解決了石牛欄組和龍馬溪組破碎帶的坍塌掉塊問題，起下鉆、下套管暢通，避免了同類井應(yīng)用水基鉆井液鉆井出現(xiàn)的復雜情況，同比該區(qū)塊國內(nèi)外高性能水基鉆井液技術(shù)和成本優(yōu)勢明顯。之后該技術(shù)在黃金壩和長寧三開段應(yīng)用2口井，水平段最長1 700 m。司西強等[12]報道了一種適用于龍馬溪頁巖氣鉆井的CAPG高性能水基鉆井液，該鉆井液以30%陽離子烷基糖苷CAPG 構(gòu)成鉆井液的強抑制環(huán)境，且充分發(fā)揮其吸附成膜效應(yīng)，抑制地層黏土礦物的水化膨脹、分散；級配納-微米乳液、納米鈣、磺化瀝青FT等封堵材料，實現(xiàn)鉆井液的強封堵性能。室內(nèi)評價表明，鉆井液井壁穩(wěn)定、潤滑性能好，穩(wěn)定周期長，抗污染能力強，無生物毒性。

2）調(diào)節(jié)濾液水活度，與地層滲透平衡，控制水分子侵入地層的低活度鉆井液

依據(jù)杜南（Donnan）平衡理論，通過加入無機或有機鹽降低濾液水活度，提高半透膜效率，有利于井壁穩(wěn)定，以此機理為主的低活度水基鉆井液有：新聞報道了延長石油集團研發(fā)的高性能水基鉆井液體系[13]，主要以高濃度甲酸鹽降低濾液水活度，保持井壁穩(wěn)定，應(yīng)用于云頁平3等5口頁巖氣水平井，填補了陸相頁巖氣水平井水基鉆井液技術(shù)空白。肖金裕等[14]報道了一種用于寧 206 井（直井）碳質(zhì)頁巖層段（1 680～1 920 m）的有機鹽聚合醇鉆井液體系，以有機鹽Weigh2為活度調(diào)節(jié)劑，并使用聚合醇MSJ、陽離子乳化瀝青SEB、水基潤滑劑FK-10等，較好地解決了寒武系九老洞組頁巖的井壁穩(wěn)定難題，井徑擴大率1.19%；潤滑性良好，起下鉆摩阻一般在3 t以內(nèi)，機械鉆速快（PDC鉆頭為10.97 m/h，牙輪鉆頭為6.29 m/h）。劉偉等[15]報道了一種用于富順頁巖氣壇 203 井三開韓家店—龍馬溪組井段（3 460～4 334 m）的水基鉆井液體系，加入有機鉀鹽、無滲透處理劑 G327和FLC2000、潤滑劑G303等處理劑，使用井段井徑規(guī)則、起下鉆通暢，無劃眼，測井、下套管施工順利。趙虎等[16]報道了一種適用于頁巖氣水平井的氯化鈣-烷基糖苷鉆井液，以氯化鈣調(diào)節(jié)濾液水活度（0.40～0.76），與頁巖氣水平段鉆屑活度范圍（0.35～0.70）較為一致，可較好地與地層達到滲透平衡。焦石壩區(qū)塊露頭巖心在該鉆井液中浸泡30 d狀態(tài)完好，抗壓強度降低較少，與油基鉆井液相當，鉆井液潤滑性與同密度油基鉆井液相當。適用密度范圍1.20～2.00 g/cm3，抗溫 130 ℃，抗鉆屑、水浸和原油污染能力較強。

3）側(cè)重封堵或封固頁巖地層微孔縫，提高巖石強度的強封堵或強封固型鉆井液

依據(jù)頁巖地層孔縫和層理分布情況，通過架橋填充理論、粒徑級配與頁巖地層孔縫主值匹配的納米—微米封堵材料，針對易破碎的頁巖地層，采用可與巖石礦物發(fā)生膠結(jié)封固作用的處理劑，提高巖石強度，形成強封堵或強封固型鉆井液。龍大清[17]等報道了一種用于長寧H9平臺3口井的GOF高性能水基鉆井液體系。該體系為強封堵型鉆井液，所用主要為國外引進處理劑，以成膜封堵劑MAX-SHIELD、防塌劑LATIMAGI和瀝青類處理劑SULFATROL等為主要封堵材料，配合使用黏土穩(wěn)定劑CLAY-TROL和潤滑提速劑LATIRATE等。具體應(yīng)用井段為：長寧H9-4井水平段（2 890～4 225 m）、長寧H9-3井定向—水平段（2 242～4 250 m）、長寧H9-5井定向至完井段（2 373～4 560 m）?；旧辖鉀Q了石牛欄組和龍馬溪組的坍塌掉塊和潤滑防卡問題，機械鉆速與使用油基鉆井液的鄰井相比提高較多，缺點是體系降解太快，基本上無法實現(xiàn)重復利用。很多新聞報道了中國石油集團開發(fā)出的CQH-M1高性能水基鉆井液體系[18]，該體系為強封固和強封堵型鉆井液，已開展多井次現(xiàn)場試驗應(yīng)用，該體系在威遠區(qū)塊的應(yīng)用井深達5 250 m、井溫最高達130 ℃、穿越頁巖進尺最長達2 238 m；在長寧區(qū)塊，創(chuàng)造了水平段穿越頁巖進尺、鉆井液浸泡時間等多項紀錄。景岷嘉[19]等報道了一種用于長寧H26-8井四開井段（2 271～5 350 m）的高性能水基鉆井液，該體系采用高分子有機聚合物封堵防塌劑CQ-DEF（粒徑0.05～2 μm）為主要封堵劑，并采用低分子量有機聚合物抑制劑 CQ-SIA和植物油與表面活性劑混合的潤滑劑 CQ-LSA等處理劑，在龍馬溪組頁巖地層鉆進試驗成功，鉆進過程中未出現(xiàn)復雜情況，鉆時快，井眼規(guī)則，扭矩小，泵壓低，起下鉆和通井順暢，摩阻小，電測和下套管順利。張喜民[20]報道了一種用于東平1井長7組泥頁巖段（2 887～3 427 m）的多硅基強封堵水基鉆井液體系，加入硅抑制劑、納米封堵劑、理想充填劑、凝膠降濾失劑、乳化瀝青和無熒光潤滑劑等處理劑配制膠液轉(zhuǎn)換二開鉆井液，解決了頁巖油氣水平井（水平段長540 m）井壁穩(wěn)定技術(shù)難題，起下鉆通暢，成本較低。常德武等[21]報道了一種適合頁巖氣水平井的CWBM水基鉆井液，該鉆井液使用納米二氧化硅作為架橋劑，納米碳酸鈣作為頁巖堵漏劑，磺化瀝青鈉鹽作為頁巖井壁穩(wěn)定劑。室內(nèi)評價表明，鉆井液對泥頁巖有較強的抑制性，抑制效果好于具有強抑制性的聚合醇體系；潤滑系數(shù)為0.21，濾餅?zāi)ψ柘禂?shù)為0.049 7；在120 ℃下濾失量較低，鉆井液具有低表面張力，可削弱水鎖損害。范落成等[22]報道了一種用于湘頁1井二開井段（519～2 067 m）和彭頁1井三開井段 （893～2 208 m）的陽離子乳液聚合物鉆井液體系，加入乳化石蠟RHJ-1、SMP-1、SPNH、有機硅醇抑制劑DS-302、聚合物包被劑DS-301和封堵劑KD-20等處理劑，解決了二疊統(tǒng)大隆組—龍?zhí)督M、下石炭統(tǒng)測水組和上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖地層井壁失穩(wěn)和儲層損害問題，平均井徑擴大率分別為7.19%和6.43%。陳兵等[23]報道了一種用于茅地1井（資料調(diào)查井）的硅酸鹽鉆井液體系，該鉆井液采用硅酸鹽的模數(shù)為2.8～3.2，濃度為3%～7%，pH＞11，顯示出良好的膠結(jié)固壁效果，但是在施工中發(fā)現(xiàn)，鉆機的負荷明顯變大，鉆井液的潤滑性能較差，需要進一步調(diào)整配方，增強鉆井液的潤滑性，完善性能。

事實上頁巖氣水基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)均采用強抑制和強封堵或封固相結(jié)合方式，只是根據(jù)應(yīng)用頁巖地層水敏性和孔縫層理分布情況，側(cè)重不同。如：強抑制型烷基糖苷衍生物鉆井液采用了不同粒度級配（0.03～100 μm）納米—微米封堵材料，滿足黃金壩和長寧等龍馬溪頁巖微孔微裂縫（主要縫寬和孔徑為0.05～15.7 μm）的封堵需求；強封堵GOF鉆井液中加有抑制劑CLAY-TROL等。此外，袁明進[24]報道了一種用于宣頁1井（直探井）長泥頁巖井段（2 052～2 848 m） 的正電膠聚合物防塌鉆井液體系，該鉆井液加入MMH、KHPAM、NH4HPAN、有機硅腐植酸鉀OSAMK和低熒光防塌瀝青LF-TEX-1等材料，應(yīng)用段較好地解決了下寒武統(tǒng)荷塘組、大陳嶺組的泥頁巖的井壁穩(wěn)定問題，井徑擴大率小于3%。

4 結(jié)束語

隨著全球環(huán)保法規(guī)的日趨嚴格和環(huán)保意識的增強，國際油價長期低迷的形勢下，高性能水基鉆井液就是為了以低成本實現(xiàn)頁巖氣資源的環(huán)保開發(fā)的鉆井液新體系。通過總結(jié)國內(nèi)頁巖氣水基鉆井液的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，今后應(yīng)該在目前已經(jīng)取得實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對頁巖氣地層特點和工程情況，建議今后重點加強以下幾個方面的研究：①針對強水敏、孔縫層理發(fā)育、膠結(jié)性差的頁巖地層，開展強抑制、強封堵和強封固等關(guān)鍵處理劑研制，以滿足頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定的需求；②針對高密度水基鉆井液開發(fā)長水平段頁巖氣井的潤滑難題，開展強吸附成膜性液體潤滑劑和納米級固體潤滑劑的研制，以滿足頁巖氣水平井的潤滑防卡的需求；③在烷基糖苷及衍生物、CaCl2、胺基抑制劑和聚合醇等復合使用后的協(xié)同作用方面深入研究，擴大水基鉆井液在頁巖氣水平井鉆井中的應(yīng)用范圍；④開展鉆井液長期穩(wěn)定性研究和回收、運輸、儲存、再利用等成本分析，確定合理的鉆井液再利用周期，便于水基鉆井液規(guī)?；瘧?yīng)用于頁巖氣勘探與開發(fā)。

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