四川盆地涪陵地區(qū)頁巖氣高性能水基鉆井液研發(fā)及效果評價(jià)

梁 文 利

中國石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

0 引言

隨著新《環(huán)境保護(hù)法》的實(shí)施，對于油基鉆屑對環(huán)境影響的要求也更加嚴(yán)格。根據(jù)《國家危險(xiǎn)廢物名錄》，含油巖屑被劃入了危險(xiǎn)廢棄物的名錄，其管理和處置需按照危險(xiǎn)廢棄物相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。油基鉆井液本身存在的環(huán)保性能不足、成本過高、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)在此背景下就越發(fā)突出，而且油基鉆井液會(huì)使淺層氣井的固井難度增大，使用油基鉆井液鉆井，兩個(gè)界面存在油泥、水泥膠結(jié)質(zhì)量難以保證，造成環(huán)空帶壓難題。同時(shí)常規(guī)的普通水基鉆井液體系在鉆井過程中，無法解決大位移水平井鉆進(jìn)所需的井壁穩(wěn)定性和潤滑性的技術(shù)需要，存在掉塊、起下鉆遇阻卡，下套管摩阻高，造成復(fù)雜時(shí)效高等問題。為了提高頁巖的井壁穩(wěn)定和降低起下鉆摩阻、扭矩以及降低頁巖氣開發(fā)的綜合成本。因此，研發(fā)一套適用于涪陵頁巖氣長水平段的高性能水基鉆井液體系勢在必行[1-6]。

1 涪陵頁巖巖心礦物分析及微觀結(jié)構(gòu)

1.1 頁巖巖心礦物分析

為對比分析涪陵頁巖巖心與長寧、威遠(yuǎn)、黃金壩以及延長等區(qū)塊的頁巖巖心在礦物種類及含量的區(qū)別，進(jìn)行了X射線衍射實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行相應(yīng)的礦物含量對比（表1）。

從表1可以看出：5個(gè)頁巖氣產(chǎn)區(qū)，不同區(qū)塊的頁巖礦物組成是有差異性的，決定頁巖井壁穩(wěn)定性的主要礦物是黏土礦物，涪陵頁巖的黏土礦物與成功應(yīng)用水基鉆井液的黃金壩區(qū)塊相比比較接近，比長寧區(qū)塊稍微低一些，說明在涪陵區(qū)塊應(yīng)用水基鉆井液是具有一定的可行性的[7-9]。

表1 涪陵與其他頁巖氣產(chǎn)區(qū)頁巖礦物對比分析

1.2 頁巖微觀結(jié)構(gòu)

為研究涪陵頁巖巖心的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了電鏡掃描實(shí)驗(yàn)（圖1、圖2），觀察頁巖的微裂縫及孔隙尺寸大?。粸榱丝疾祉搸r的井壁穩(wěn)定性，進(jìn)行了頁巖巖心在水中的浸泡實(shí)驗(yàn)（圖3、圖4）。

圖1 頁巖孔隙大小放大35 000倍照片

圖2 頁巖孔隙大小放大80 000倍照片

從圖1、圖2可以看出：頁巖孔隙大小在納米至微米級(jí)別，多數(shù)在500～1 000 nm之間，呈現(xiàn)出微細(xì)孔隙結(jié)構(gòu)。

圖3 清水浸泡之前頁巖照片

圖4 清水浸泡72 h之后頁巖照片

從涪陵頁巖微裂隙發(fā)育，質(zhì)地硬脆，在清水中浸泡72 h之后，發(fā)生剝落分散，完整的頁巖分散成小塊（圖3、圖4），主要原因是頁巖與水之間相互作用，水進(jìn)入頁巖微裂縫、微孔隙，裂縫擴(kuò)展開來，最后巖石發(fā)生破壞[10-12]。

2 HPD頁巖氣水基鉆井液的研發(fā)思路和鉆井液體系性能

2.1 HPD頁巖氣水基鉆井液研發(fā)思路

水基鉆井液代替油基鉆井液進(jìn)行頁巖氣長水平段鉆井的主要技術(shù)難點(diǎn)如下：①頁巖井壁穩(wěn)定與鉆井液性能穩(wěn)定方面：鉆井液要有效抑制頁巖的表面水化，且抑制劑與配套處理劑配伍性要好，抑制劑的抑制性不會(huì)顯著削弱甚至失效；鉆井液對頁巖納米、亞微米孔縫要具有良好的封堵作用。②井眼凈化方面：在井壁穩(wěn)定前提條件下，頁巖氣長水平井增加了攜巖帶砂難度，如果鉆井液不能有效的抑制頁巖巖屑造漿，井眼凈化難度加大；③降摩減阻方面：在井壁穩(wěn)定條件下，長水平井增加了井下鉆具摩阻，影響了水平段的延伸能力，如果鉆井液抑制造漿性能不好并存在巖屑床，則會(huì)大大增加降摩減阻的難度[13]。

由于頁巖黏土礦物含量高，很容易發(fā)生水化分散，需要強(qiáng)抑制劑來穩(wěn)定井壁；頁巖微裂縫發(fā)育，裂縫寬度呈現(xiàn)納米至微米級(jí)，裂縫容易開啟產(chǎn)生漏失和垮塌，需要成膜封堵劑來封堵微裂縫；由于三開水平段長，一般在1 500 m左右，需要降低鉆具與井壁和上層套管之間的摩阻，并降低正常鉆進(jìn)時(shí)的扭矩，對此研制出類油基潤滑劑，而且具有抗高溫和環(huán)保性能。因此，HPD頁巖氣水基鉆井液要由3種核心主劑組成，即抑制劑、納米成膜封堵劑、類油基潤滑劑[14]。

研制出一種具有超強(qiáng)抑制功能的抑制劑，能夠抑制頁巖黏土水化膨脹分散。該抑制劑為乳液抑制劑，具有以下特點(diǎn)：①該乳液為自乳化型乳液，不含乳化劑，不易起泡；②該乳液以水為分散介質(zhì)，可用水稀釋；③該乳液具有良好的濕潤分散性；④乳液粒徑小，附著力佳，強(qiáng)度高[15]。

由于涪陵頁巖的微觀裂縫孔隙在幾十納米至數(shù)微米之間，為了匹配頁巖的裂縫寬度，優(yōu)選出納米至微米級(jí)的封堵材料，提高鉆井液的強(qiáng)封堵性能。納米成膜封堵劑是一種超微細(xì)顆粒材料組成的納米封堵劑，其粒徑大小為納米級(jí)至2 μm范圍內(nèi)，與泥頁巖的孔喉大小匹配，能夠充填于硬脆性泥頁巖的微裂縫之中，對裂縫形成多點(diǎn)接觸和橋堵，從而提高地層的承壓能力，達(dá)到防漏和減少水基濾液侵入地層深部的目的[16]。

為更好地提高水基鉆井液的潤滑性能，研發(fā)了類油基潤滑劑。首先將廢棄植物油與某種醇類物質(zhì)及催化劑加入到三頸燒瓶中，在油浴中150 ℃下反應(yīng)一定時(shí)間生成中間產(chǎn)物 RH-1，然后加入另外一種酯類物質(zhì) RH-2 和烴類物質(zhì) RH-3，充分?jǐn)嚢韬蟮玫阶睾稚后w，即為合成的類油基潤滑劑。該潤滑劑可在井壁和套管內(nèi)壁形成一種薄膜，減少鉆具與井壁之間的摩擦力，在鉆具表面形成牢固的憎水親油性吸附膜的作用，并且對頁巖地層巖石或者鉆屑表面起到潤濕反轉(zhuǎn)的作用。

2.2 HPD頁巖氣鉆井液體系配方及性能

HPD頁巖氣水基鉆井液體系由3種核心主劑（成膜封堵劑、抑制劑和類油基潤滑劑）以及配套的包被劑、降失水劑和加重劑等材料組成，具體鉆井液體系配方見表2。將其性能與國內(nèi)頁巖氣田成功應(yīng)用的水基鉆井液性能進(jìn)行了對比，具體性能見表3。

表2 HPD頁巖氣鉆井液體系配方表

從表3可以看出：研制的HPD鉆井液體系在抑制性、濾失性、潤滑性能等方面與涪陵成功應(yīng)用的油基鉆井液體系性能相當(dāng)，并且優(yōu)于成功應(yīng)用水基鉆井液的長寧—威遠(yuǎn)國家頁巖氣示范區(qū)。性能表明該套體系應(yīng)用于涪陵區(qū)塊是可行的，而且具有良好可操作性。

3 頁巖巖心井壁穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 巖石力學(xué)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

對取自焦頁XX井6-9號(hào)小層的巖心進(jìn)行礦物分析，分析礦物含量（表4）。

表3 各區(qū)塊頁巖氣水基鉆井液性能比較

表4 焦石壩頁巖礦物分析

對龍馬溪組巖心進(jìn)行巖石強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，采用三軸巖石強(qiáng)度儀，對巖心、不同流體浸泡、浸泡不同時(shí)間的巖心進(jìn)行巖石強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，通過強(qiáng)度變化考察鉆井液體系的井壁穩(wěn)定能力（表5）。

表5 不同鉆井流體下的巖石強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

從表5可以看出：在水基鉆井液中浸泡20 d，巖石強(qiáng)度下降12.1%，在油基鉆井液中浸泡20 d，巖石強(qiáng)度下降11.1%，兩者比較接近；在水基鉆井液中浸泡40 d，巖石強(qiáng)度下降20.2%，在油基鉆井液中浸泡40 d，巖石強(qiáng)度下降19.7%，兩者比較接近。從而說明HPD鉆井液體系具有良好的抑制性，能夠提高頁巖井壁穩(wěn)定性，與油基鉆井液接近。

巖心在不同鉆井液體系中浸泡后，巖石力學(xué)性能都有不同程度降低，浸泡使內(nèi)聚力顯著降低，導(dǎo)致坍塌壓力大幅度升高；在強(qiáng)度保留能力方面，油基鉆井液體系與HPD頁巖氣水基鉆井液體系比較接近，從而說明該套體系能夠滿足頁巖氣長水平段鉆井技術(shù)要求。

3.2 巖心浸泡實(shí)驗(yàn)

將頁巖巖心放入老化罐中120 ℃下靜置，壓力3.5 MPa，浸泡40 d，觀察巖心裂縫形狀（圖5—圖8）。

圖5 浸泡前巖心照片

圖6 清水浸泡40 d照片

圖7 HPD體系浸泡40 d照片

圖8 油基鉆井液浸泡40 d照片

清水浸泡巖心40 d后有裂縫出現(xiàn)；HPD體系和油基鉆井液浸泡巖心40 d后完整、規(guī)則，從而說明HPD具有很強(qiáng)的抑制性和井壁穩(wěn)定能力。

3.3 頁巖大塊巖心熱滾回收實(shí)驗(yàn)

用焦頁XX井大塊巖心進(jìn)行熱滾實(shí)驗(yàn)（2 269.5 m井深巖心）：將大塊巖心加工成3×5 cm大小的巖心，在105 ℃下烘干4 h，冷卻至室溫，稱量，置于不同類型流體中，在120 ℃下加熱滾動(dòng)16 h，用孔徑0.42 mm（40目）標(biāo)準(zhǔn)篩過濾，烘干，稱量，計(jì)算熱滾回收率（表6）；并觀測熱滾前后的巖心外觀（圖9—圖14 ）。

從圖9～圖14可以看出：頁巖巖心在清水中熱滾后產(chǎn)生大量的裂縫，而且分散有小塊巖屑；而在HPD鉆井液和油基鉆井液熱滾后，巖心規(guī)則，完整，基本保持熱滾前的形狀。

3.4 膨脹性實(shí)驗(yàn)

采用焦頁XX井6-9號(hào)小層巖心，進(jìn)行粉碎，過孔徑0.15 mm（100目）標(biāo)準(zhǔn)篩，然后在105 ℃下烘干，冷卻后，將巖心粉末壓制成巖心柱，裝入膨脹量測定儀，進(jìn)行膨脹性實(shí)驗(yàn)，考察頁巖的吸水膨脹能力（表7）。

表6 不同鉆井流體下的頁巖熱滾回收率實(shí)驗(yàn)表

圖9 清水，熱滾前巖心照片

圖10 清水，熱滾后巖心照片

表7數(shù)據(jù)說明：焦石壩龍馬溪組巖心的膨脹率，在清水中的膨脹率為8%～24%；在HPD水基鉆井液中的膨脹率為1.0%～1.5%；在油基鉆井液中的膨脹率為0.25%～0.80%。說明HPD體系的抑制造漿能力與油基鉆井液體系比較接近。

圖11 油基鉆井液，熱滾前巖心照片

圖12 油基鉆井液，熱滾后巖心照片

圖13 HPD鉆井液，熱滾前巖心照片

圖14 HPD鉆井液，熱滾后巖心照片

表7 焦頁XX井巖心膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4 HPD鉆井液性能研究

4.1 HPD鉆井液體系潤滑性能評價(jià)

潤滑性能是長水平井鉆井水基鉆井液的重要指標(biāo)，關(guān)系到鉆具的降摩減阻能力，采用美國范氏極壓潤滑儀，測試潤滑系數(shù)，并與其他類型的鉆井液體系進(jìn)行了對比（表8）。

表8 不同類型鉆井液體系潤滑性對比表

從表8中可看出，HPD頁巖氣水基鉆井液體系與油基鉆井液的潤滑系數(shù)接近，可以達(dá)到0.080，能夠滿足涪陵頁巖氣水平段的鉆井技術(shù)要求。

4.2 HPD鉆井液體系濾失性能評價(jià)

頁巖氣水基鉆井液的濾失性能情況表明鉆井液對頁巖的護(hù)壁和井壁穩(wěn)定能力，采用API中壓失水儀和高溫高壓濾失儀進(jìn)行濾失量測試，對密度1.40～1.80 g/cm3的HPD水基鉆井液和油基鉆井液進(jìn)行濾失量測試對比分析（表9）。

表9 不同體系不同密度下的濾失性能表

從表9中可看出，HPD頁巖氣水基鉆井液體系在密度1.40～1.80 g/cm3范圍內(nèi)時(shí)，高溫高壓濾失量與油基鉆井液相比均比較接近，較低的濾失量可以起到防止濾液進(jìn)入頁巖微裂縫、防止頁巖膨脹、分散的作用。

4.3 HPD鉆井液體系封堵性能評價(jià)

由于涪陵頁巖的微觀裂縫孔隙在幾百納米至數(shù)微米之間，需要進(jìn)行頁巖裂縫、孔隙的封堵，提高井壁穩(wěn)定能力。采用青島海通達(dá)可視砂床儀器進(jìn)行不同鉆井液體系的封堵實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10，并對常規(guī)水基鉆井液體系封堵層和HPD水基鉆井液體系封堵層進(jìn)行電鏡照片對比（圖15、圖16）。

從表10不同封堵實(shí)驗(yàn)可以看出：HPD頁巖氣水基鉆井液體系與油基鉆井液體系的封堵性能接近，侵入深度和濾失量均比較接近，能夠封堵頁巖微裂縫。

封堵原理：主要通過在鉆井液加入專用的固壁劑、降濾失劑，強(qiáng)化井壁封堵能力，同時(shí)降低井壁內(nèi)部的鉆井液濾液侵入量，使頁巖中的黏土礦物難以水化膨脹，達(dá)到維持井壁穩(wěn)定的作用。

從圖15～圖16可以看出：常規(guī)水基鉆井液體系封堵層，不致密，有微小的孔洞，濾液很容易侵入地層深部；HPD水基鉆井液體系封堵層，很致密，幾乎沒有微小孔洞，可以阻擋濾液或鉆井液進(jìn)入地層，從而提高井壁穩(wěn)定性。

表10 不同鉆井液體系封堵性能實(shí)驗(yàn)表

圖15 常規(guī)水基鉆井液體系封堵層照片

圖16 HPD水基鉆井液體系封堵層照片

4.4 涪陵龍馬溪組鉆屑污染HPD水基鉆井液性能評價(jià)

在鉆井過程中，鉆屑不可避免進(jìn)入循環(huán)鉆井液體系中，微細(xì)鉆屑顆粒進(jìn)入鉆井液，會(huì)對鉆井液造成影響，為了考察鉆井液體系的抑制鉆屑造漿能力，進(jìn)行室內(nèi)鉆屑粉末污染鉆井液實(shí)驗(yàn)，污染實(shí)驗(yàn)性能均為120 ℃/16 h熱滾后進(jìn)行測試（表11）。

從表11中可看出，HPD水基體系具有良好的抗污染能力，黏切略有增加，濾失量基本穩(wěn)定，固相含量增加。

4.5 HPD頁巖氣水基鉆井液抗溫性能評價(jià)

隨著國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的不斷深入，開發(fā)目標(biāo)儲(chǔ)層將由中/淺層逐漸轉(zhuǎn)向深層、超深層。深層頁巖氣儲(chǔ)層埋藏深，陸相地層增厚，井溫增加。為此，進(jìn)行了120～150 ℃不同溫度下，熱滾16 h后的鉆井液性能測試，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表12。

表12的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：HPD水基鉆井液具有良好的抗溫性能，抗溫能夠達(dá)到150 ℃。

5 環(huán)保性能評價(jià)

5.1 HPD頁巖氣水基鉆井液的生物毒性

新環(huán)境保護(hù)法的實(shí)施，對鉆井液環(huán)保性能要求更加嚴(yán)格，特別是頁巖氣產(chǎn)區(qū)均是水系多，植物繁盛地區(qū)，因此，需要對水基鉆井液的生物毒性進(jìn)行測試。本實(shí)驗(yàn)采用發(fā)光細(xì)菌法，測定鉆井液體系的生物毒性，用EC50（相對發(fā)光率50%時(shí))來表征被測物的生物毒性，EC50值越大，表明被測物的生物毒性越??；EC50值越小，表明被測物的生物毒性越大，根據(jù)生物毒性等級(jí)分類，EC50值＞10 000 mg/L為無毒（表13）。

HPD頁巖氣水基鉆井液生物毒性為無毒，水基鉆屑可以排放至沉砂池。

5.2 HPD頁巖氣水基鉆井液的可降解性

為了研究頁巖氣水基鉆井液在完鉆之后，廢棄的鉆井液排放至沉砂池是否具有自然可降解性，按照HJ 828-2017 《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》規(guī)定測試化學(xué)需氧量（CODCr），按照HJ 505-2009《水質(zhì) 5日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》規(guī)定進(jìn)行稀釋和接種，測試生物需氧量（BOD5）。

表11 鉆屑污染后鉆井液性能表

表12 HPD頁巖氣水基鉆井液抗溫性能評價(jià)表

表13 HPD頁巖氣水基鉆井液生物毒性分析表

根據(jù)GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，化學(xué)需氧量（CODCr）的允許濃度為150 mg/L，生物需氧量（BOD5）的允許濃度為30 mg/L，鉆井液添加劑生物降解性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Y=BOD5/CODCr,0.15≤Y＜0.25 為具有較易生物降解性（表14）。

表14 HPD頁巖氣水基鉆井液的可降解性分析表

HPD頁巖氣水基鉆井液具有可降解性，能夠排放至沉砂池，具有自然降解能力。

6 結(jié)論

1）涪陵區(qū)塊的頁巖特性與長寧、黃金壩接近，水平段具備使用水基鉆井液的條件；

2）HPD頁巖氣水基鉆井液生物毒性低，具有環(huán)境友好性，鉆屑可以排放至沉砂池；

3）HPD鉆井液具有良好的頁巖井壁穩(wěn)定性和潤滑性，井下復(fù)雜是可防控的，能夠滿足涪陵頁巖氣長水平段的鉆井技術(shù)要求。