頁巖氣高性能水基鉆井液技術(shù)研究

陳士奎，譚梟麒，王 薦，蔣 卓

（1.中國石化華東油氣分公司南川頁巖氣項目部，重慶南川 408400；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北荊州 434000）

我國頁巖氣資源十分豐富，總體儲量與美國相當[1]，因此，隨著美國頁巖氣開發(fā)獲得成功，國內(nèi)頁巖氣的開發(fā)也得到普遍關(guān)注。我國頁巖氣開發(fā)雖然起步較晚，但是發(fā)展迅猛，目前涪陵頁巖氣產(chǎn)能示范區(qū)年產(chǎn)量已突破100×108m3[2]，這顯示出我國頁巖氣具有巨大的開發(fā)潛力。

在頁巖氣鉆井過程中，過去大多數(shù)采用油基鉆井液，用來應(yīng)對頁巖地層層理發(fā)育、水敏性強導致的井壁失穩(wěn)問題以及高摩阻問題[3]。但是，我國頁巖氣產(chǎn)區(qū)主要集中在川渝一帶，油基鉆井液容易對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，且油基鉆屑的運輸處理會進一步推高頁巖氣開發(fā)成本[4]。因此，開發(fā)研究一套適用于頁巖儲層的高性能水基鉆井液體系，具有十分重要的社會效益和經(jīng)濟效益。

本文從龍馬溪組頁巖失穩(wěn)機理出發(fā)，構(gòu)建了一套綜合性能與油基鉆井液十分接近的高性能水基鉆井液體系，為頁巖氣高性能水基鉆井液的發(fā)展和推廣提供一定的參考。

1 龍馬溪組頁巖組成及井壁失穩(wěn)機理分析

隆頁2井龍馬溪組泥頁巖X射線分析結(jié)果（見表1）及黏土礦物組成分析（見表2）顯示，龍馬溪組泥頁巖黏土礦物含量中等，石英長石等脆性礦物含量較高。黏土礦物中以伊蒙混層和高嶺石含量為主，蒙脫石含量較低。

將隆頁2井巖塊放入水中24 h（見圖1），可以看到巖塊外形保持穩(wěn)定，但巖塊表面有微裂縫延伸，這表明龍馬溪組泥頁巖水化膨脹性較弱，井壁失穩(wěn)以濾液進入地層后，巖石結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化導致的剝落掉塊為主。

2 頁巖氣高性能水基鉆井液體系構(gòu)建

2.1 研究思路

根據(jù)頁巖氣的儲層特征，高性能水基鉆井液主要研究思路包括以下幾點：①抑制性：穩(wěn)定井壁，減少低密度固相分散，便于調(diào)控流變性[5]；②封堵性：盡可能降低濾失量，減輕濾液進入地層導致地層應(yīng)力場的變化[6]；③巖石穩(wěn)定性：對于巖石強度影響較小，防止剝落掉塊[7]；④潤滑性：摩阻小，扭矩低，確保長水平段順利鉆進[8]。

2.2 技術(shù)對策

針對以上需求，研發(fā)出頁巖氣高性能水基鉆井液體系兩種核心處理劑：膠束封堵劑HSM、高效潤滑劑LUBE168。

2.2.1 膠束封堵劑HSM 膠束封堵劑HSM是一種嵌段共聚聚醚高分子表面活性劑，其形成的膠束在水溶液中可呈球狀、層狀、棒狀，其尺寸大小在1 nm～100 nm，膠束粒子在孔喉中相互聚集還產(chǎn)生疏水膠團，能夠快速封堵泥巖納米孔喉，阻止鉆井液中的自由水向泥巖深部侵入。

表1 隆頁2井樣品X射線分析

表2 隆頁2井樣品黏土礦物組成分析

圖1 隆頁2井巖塊清水浸泡24 h前后對比（左：浸泡前；右：浸泡后）

表3 高性能水基鉆井液室內(nèi)評價性能參數(shù)

2.2.2 高效潤滑劑LUBE168 高效潤滑劑LUBE168是有機鉬類潤滑劑，其在壓力作用下能夠發(fā)生分子內(nèi)分解，產(chǎn)生MoS2并與金屬表面產(chǎn)生化學吸附，形成高強度極壓膜，該極壓膜能夠隔絕鉆具與地層，并在摩擦時滑動剝落，降低摩擦力。

3 頁巖氣水基鉆井液體系室內(nèi)評價

3.1 鉆井液基礎(chǔ)性能

配制密度為1.4 g/cm3高性能水基鉆井液室內(nèi)評價性能參數(shù)（見表3）。從表中數(shù)據(jù)可以看出，熱滾前后體系流變性能均未出現(xiàn)較大變化，熱滾后體系A(chǔ)PI失水和HTHP（100℃）失水較小，能夠有效減少濾液進入地層。高性能水基鉆井液基礎(chǔ)性能與油基鉆井液基本一致。

3.2 鉆屑滾動回收實驗

稱取30 g 6～10目隆頁2井現(xiàn)場鉆屑，分別倒入裝有350 mL清水、高性能水基鉆井液、聚合物鉆井液、油基鉆井液的老化罐中，在100℃下熱滾16 h，用40目篩回收，洗凈后在105℃烘干4 h，冷卻至室溫稱剩余量鉆屑質(zhì)量，實驗結(jié)果（見表4）。

表4 鉆屑滾動回收實驗對比

3.3 對巖石強度影響

使用隆頁2井鉆屑粉壓制實驗巖心，放入不同體系中，在100℃下浸泡不同時間后取出，測試其單軸抗壓強度，計算與初始狀態(tài)下相比，單軸抗壓強度降低的幅度（見圖2）。從圖中可以看出，清水中巖石強度下降幅度在60%以上，而高性能水基鉆井液與油基鉆井液降低幅度均在20%左右。

表5 各體系潤滑性能對比

圖2 不同體系浸泡巖心后巖心強度變化

3.4 潤滑性能

測量各鉆井液體系的泥餅黏滯系數(shù)和E-P極壓潤滑系數(shù)，為模擬實際工況，分別在鉆井液中加入30%鉆屑粉以模擬鉆井過程中鉆屑對泥漿體系中潤滑劑的吸附。各體系潤滑性能（見表5），高性能水基鉆井液潤滑性能與油基體系十分接近。

4 結(jié)論

（1）X衍射結(jié)果表明，隆頁2井龍馬溪組頁巖礦物中脆性礦物高，蒙脫石含量低，井壁失穩(wěn)以濾液進入地層后，巖石結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化導致的剝落掉塊為主。

（2）自主研發(fā)構(gòu)建了一套高性能水基鉆井液體系，通過與KCl-聚合物鉆井液和油基鉆井液各項性能室內(nèi)評價對比，高性能水基鉆井液性能要遠遠優(yōu)于KCl-聚合物鉆井液，與油基鉆井液十分接近。