常压页岩气用“四低四高”油基钻井液技术研究与应用

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　　摘  要：常压页岩气储层页理层理、微裂隙发育，水平井钻井井壁稳定难度大、钻井液漏失风险高，商业开发降本提效需求迫切。为此文章研发了一套黏度低、滤失量低、加量低、油水比低和破乳电压高、切力高、动塑比高、稳定性高的“四低四高”油基钻井液体系，室内结果表明其整体性能指标达到或优于国外同类技术水平。该油基钻井液在武隆和梨树等常压气区块多口井成功应用，现场油水比可降至60/40，较以往技术单井平均减少基础油用量约50t，取得了良好的应用效果和经济效益。本研究对于常压页岩气水平井钻井液成本控制具有重要意义和参考价值。
　　关键词：常压页岩气;水平井;油基钻井液;性能控制
　　中图分类号：TE254.3       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0012-04
　　Abstract： Normal pressure shale gas reservoir has plenty of stratifications and microfractures， so it was a great challenge fordrilling a horizontal well to maintain borehole wall stability， control drilling fluid loss and reduce commercial development cost. Therefore， an oil-base drilling fluid formation was researched， which had the characters of low viscosity， low filtration loss， low dosage， low oil-water ratio， high breaking of emulsion voltage， high shear force， high dynamic plastic ratio， high stability. The experimental results display that the performance of this formation is up to or better than that of similar foreign technologies. This oil-based drilling fluid has been successfully applied in many wells in Wulong and Lishunormal pressuregas blocks. The oil-water ratio waskeptat 60/40， which saved about 50 tons base oil every well and reduced the cost of drilling fluid. This study has great significance and reference value for the cost control of drilling fluid in normal pressure shale gas horizontal wells.
　　Keywords： normal pressure shale gas; horizontal well; oil base drilling fluid; performance control
　　1 概述
　　2008年以来，由于页岩油气勘探开发和复杂深层钻探需求的大幅增多，我国油基钻井液技术发展迅速[1-2]，技术水平快速提高。截止2018年底，我国已经实现了页岩气水平井用油基钻井液技术的完全自主化，打破了早期国外技术在该领域的垄断，充分保障了中国石化涪陵、中国石油长宁-威远两大国家级页岩气田的建设与开发。
　　随着国内页岩气资源勘探开发的深入，以重庆武隆、彭水五峰组-龙马溪组地层和吉林梨树断陷营城组营地层为代表的常压（压力系数1.0～1.2）页岩气资源成为关注的热点[3]。区别于涪陵与威远-长宁，上述常压储层页理层理和微裂隙更加发育，水平井钻井井壁稳定难度更大、钻井液漏失风险更高，如何在充分保障水平井钻井安全的前提下、充分降低钻井成本成为常压页岩气水平井钻井液技术的最大挑战。
　　针对上述问题和商业开发需求，本文聚焦常压页岩储层的地质特征、长水平井钻井安全、优质、高效施工的综合要求，研制了一套黏度低、滤失量低、加量低、油水比低和破乳电压高、切力高、动塑比高、稳定性高的“四低四高”油基钻井液体系，在重庆武隆和吉林梨树等常压气区块多口井成功应用，取得了良好的应用效果和经济效益。
　　2 体系构建
　　常压页岩储层不仅页理、层理发育，而且由于地质演变过程中历经了多期构造运动[4]，其裂隙更加发育。页岩气商业开发为了获得更高产能，储层水平段通常长达800～2000m，这给常压页岩气水平井施工带来了巨大的挑战，施工中井壁失稳风险更高、井眼净化难度更大、页岩漏失问题愈加突出。为此，常压页岩气水平井用油基钻井液必须具有良好的乳化稳定性能、突出的微裂隙封堵效果和出众的井眼清洁功能。为了达到上述钻井液性能要求，本文对常压页岩水平井用油基钻井液体系组成进行了构建[5]：
　　（1）乳化稳定性是体系稳定的基础。高效的乳化劑可以保障油基钻井液中水相的充分乳化，最大程度降低页岩的水化，这对于常压页岩井筒的稳定尤为重要。根据HydropHile-LipopHile Balance原理[6]，选用高效乳化剂，以保障低油水比下的乳化稳定。
　　（2）页岩有效封堵是井下安全的保障。利用扫描电镜SEM等分析手段，对武隆、梨树等地区的页岩岩心进行了微观分析，获得了页岩的微裂缝和孔隙的尺度范围，进而选择合理粒径范围随钻封堵材料[7]，强化井筒，降低消耗、减少漏失。 　　（3）合理流变性能是水平井井眼清洁的关键。基于提高页岩长水平井携岩能力、净化井筒的目的，需使用可提升油基钻井液结构力的流型调节剂，并尽可能降低漏斗黏度与塑性黏度，维持较高的动塑比，有效地控制合理的流变性能，确保井眼清洁、保障施工安全。
　　（4）低油水比是降低油基钻井液成本的核心。武隆、梨树区块常压页岩储层钻探采用的钻井液密度范围为1.10～1.40g/cm3，基于现有油水乳化稳定和流变性能控制水平，油水比宜控制在60/40～70/30，施工中应结合实钻安全尽可能维持在上述范围的下限。这有利于减少基础油用量、降低钻井液的总体成本。
　　3 体系配方与性能
　　3.1 配方组成
　　依据上述的构建思路与设计原则，在新型乳化剂、强力封堵剂和提切剂等关键处理剂优选的基础上，通过大量室内实验，获得了常压页岩水平井用“四低四高”油基钻井液的配方组成：
　　基础油+1.5%主乳化剂+0.5%辅乳化剂+盐水（CaCl2质量分数为20%～35%）+2.0%CaO+1.0%有机土+2.0%降滤失剂+0.3%提切剂+3.0%～5.0%封堵剂+加重剂，油水比60/40～70/30。
　　按照上述“四低四高”油基钻井液配方组成，依据GB/T 16783.2中所述配制程序与测定方法，室内对密度为1.20～1.40g/cm3的配方120℃16h老化后的各项性能进行了评价，同时与国外Schlumberger公司的MEGADRIL油基钻井液的性能进行了对比，实验结果见表1。
　　表1數据表明，上述油基钻井液在油水比60/40～70/30条件下经120℃老化后破乳电压均高于550V，说明该钻井液乳化稳定;在1.20～1.40g/cm3范围内，塑性黏度在22～27mPa·s，动切力为8～11Pa，具有高于0.35的动塑比和低剪切转速下的读值，显示了良好的低黏度、高切力流变特征，说明携岩能力出众，可有效降低环空压耗、保障页岩气长水平段的井眼清洁和井下安全;同时数据还显示其高温高压滤失量均低于3.0mL，这对于维持井壁稳定和降低钻井液消耗均具有重要的意义。
　　综上所述，上述体系具有塑性黏度低、滤失量低、油水比低、处理剂加量低和稳定性高、破乳电压高、切力高、动塑比高的“四低四高”突出特征。与国外先进油基钻井液Schlumberger公司的MEGADRIL相比，常压页岩水平井用“四低四高”整体性能指标达到同等技术水平，在油水比、动塑比等指标方面同比更具优势，这使得其更具技术竞争力。
　　3.2 抗污染性能评价
　　基于常压页岩气水平井施工工况，“四低四高”油基钻井液现场受到的污染主要包括替浆用水、钻屑和固井冲洗液三个方面，室内评价了密度为1.20g/cm3时三种因素对其性能的影响，实验结果见表2、表3和表4。
　　表2实验模拟了油基钻井液转换过程中，替浆水侵入后对其性能的影响。数据显示，当模拟的替浆水侵入“四低四高”油基钻井液后，会引起黏切的升高和滤失量的略微上升，还会导致破乳电压的降低，这均是由于作为分散相的水量增加所致。当模拟替浆水侵入量达到15%时，此时油基钻井液的油水比已达54/45，破乳电压为425V，尚高于业界安全值400V，表明其具有良好的抗水污染的能力，这对于钻井液转换工艺过程控制，“四低四高”油基钻井液维持性能稳定具有重要的指导意义。
　　由表3数据表明，5～10目的大颗粒页岩钻屑侵入“四低四高”油基钻井液后，其破乳电压、切力等各项性能几乎无变化，展现出优良污染能力。粒径180～200目的钻屑粉加入后对油基钻井液破乳电压影响很小，但塑性黏度、切力均有一定程度的增长。当钻屑粉加量至12%时，塑性黏度增幅达36%，表明小粒径钻屑的持续增加将不可避免地导致油基钻井液中固相内摩擦加剧，此时必须需通过离心机高速分离的方式将其去除，以保持钻井液流变性能稳定。
　　表4数据表明，水平井固井作业时，固井油基冲洗液的混入会导致“四低四高”油基钻井液破乳电压下降，当冲洗液混入10%时，油基钻井液表现为黏切升高、破乳电压降低，整体性能保持稳定。但随着固井液侵入量持续增加至15%时，乳化稳定性变差，破乳电压降至业界安全值400V以下，高温高压滤失量也迅速增加，表明乳化稳定性大幅下降。由于油基冲洗液中含有大量亲水性的表面活性组分，这些组分的侵入导致油基钻井液中油水乳化液滴界面吸附的表面活性组分的重新分布，使得乳化液滴的界面膜强度降低甚至破乳，表现为油基钻井液破乳电压的大幅降低。因此，基于回收后油基钻井液乳化稳定与提高重复使用的目的，水平井固井替浆过程中，应加强替浆终点的判断，以减少固井用油基冲洗液混入“四低四高”油基钻井液的数量。
　　3.3 封堵性能评价
　　电镜扫描SEM测试显示武隆和梨树区块常压页岩地层微裂隙的尺度分布于50nm～20um，为了有效模拟上述尺度的页岩微裂隙的封堵，本文采用粒径尺度为2um的PPA陶瓷砂盘模拟页岩地层，具体测试程序如下：在PPA测试样杯中装入陶瓷砂盘，然后加入含有不同封堵剂加量的四低四高”油基钻井液，密封后开启测定程序，测定120℃下3.0MPa和4.5MPa不同压差下30min的砂盘滤失量，实验结果见表5。
　　模拟封堵实验结果表明，当“四低四高”油基钻井液在未加封堵材料时，在3.0MPa和4.5MPa的压差下，PPA封堵实验的高温滤失量为2.2mL和3.8mL。当加入微纳米粒度尺度、合理级配的封堵剂后，其在PPA封堵实验中的滤失量大幅度降低，封堵效果显著提升。当不同规格的纳微米封堵剂加量增至5.0%时，3.0MPa和4.5MPa压差下的高温滤失量均降至0mL，表明纳微米颗粒的粒径与模拟的微裂隙的尺度实现了良好的匹配，同时封堵材料的有效浓度可以在陶瓷砂盘表面形成致密的封堵层，使得其承压能力显著提升。
　　4 应用及效果 　　基于常压页岩水平井用“四低四高”油基钻井液体系研究，结合重庆武隆和吉林梨树等常压气区块施工要求，现场通过油水比维护、封堵防漏控制等措施实现了该技术多口井的成功应用，取得了良好的应用效果和经济效益。本文以隆页A井为例予以介绍。
　　4.1 隆页A井概况
　　隆页 A井是中国石化武隆常压页岩气区块的一口开发井，该井钻探目的层为下志留统龙马溪组和五峰组，地层压力系数为1.10，属典型常压页岩储层。隆页A井采用三级井身结构，三开包括造斜井段与水平井段，设计完钻井深4954m。基于提高钻井速度的目的，该井采用旋转导向钻井方式。为充分保障钻井井下安全，同时降低成本，采用“四低四高”油基钻井液技术施工。
　　4.2 关键维护控制工艺
　　4.2.1 采用低油水比乳液补充消耗
　　钻进中，采用油水比60/40乳液补充钻井液消耗，该措施不仅可以保障钻井液的总量，还可以有效维持全井钻井液的油水比在70/30～60/40，利于黏切的合理控制。
　　4.2.2 监测与控制流变性能与固相含量
　　（1）每班次监测流变性能与固相含量，利用固控设备和乳液调整，将密度1.25～1.30g/cm3范围的鉆井液漏斗黏度控制在50～65s、动切力控制在8～14Pa。
　　（2）120目及以上高频振动筛和除砂除泥一体机24h运转、间歇使用高速离心机，将低密度固相含量控制在5.0%以下。
　　4.2.3 及时补充随钻封堵材料，强化封堵、降低消耗
　　使用多种纳微米尺度的封堵剂，维持浓度在4-5%的浓度用量，将高温高压滤失量控制在低于4.0mL，单位进尺钻井液消耗量控制在不高于0.07m3/m，强化井筒、节约成本。
　　4.3 应用效果
　　现场应用表明，隆页A井三开采用“四低四高”油基钻井液技术施工效果显著，累计进尺1982m，各井段钻井液性能见表6。“四低四高”油基钻井液技术整个施工过程油水比均低于70/30，较同区域传统油基钻井液技术同比降低约15%，累计节约基油55t，降本显著;低黏高切流变性能突出，携岩返砂正常，保障了旋转导向钻井速度的充分释放，机械转速较邻井同比提升30%，钻井周期缩短12d，提速效果突出;随钻封堵效果明显，单位进尺钻井液消耗降至0.07m3/m，较该区块平均消耗量降幅达24m3，有效节约钻井液成本。
　　5 结论与建议
　　（1）基于常压页岩储层特征，聚焦长水平井施工安全和降本提速的需求，研发了一套黏度低、滤失量低、加量低、油水比低和破乳电压高、切力高、动塑比高、稳定性高的“四低四高”油基钻井液体系。
　　（2）室内结果表明“四低四高”油基钻井液油水比可达60/40、破乳电压高于550V、动塑比大于0.35，整体性能指标达到或优于国外同类先进技术水平。
　　（3）“四低四高”油基钻井液在武隆和梨树等常压气区块多口井成功应用，较以往技术单井平均减少基础油用量约50t，钻井液消耗量同比减少20%以上，经济效益显著。
　　（4）“四低四高”油基钻井液对于常压页岩气水平井钻井液成本控制具有重要意义，建议推广应用。
　　参考文献：
　　[1]王显光，李雄，林永学.页岩水平井用高性能油基钻井液研究与应用[J].石油钻探技术，2013，41（2）：17-22.
　　[2]林永学.中国石化页岩气油基钻井液技术进展与思考[J].石油钻探技术，2014，42（4）：7-13.
　　[3]方志雄，何希鹏.渝东南武隆向斜常压页岩气形成与演化[J].石油与天然气地质，2016，37（6）：819-827.
　　[4]何希鹏，高玉巧，唐显春，等.渝东南地区常压页岩气富集主控因素分析[J].天然气地球科学，2017，28（4）：654-664.
　　[5]林永学，王显光，李荣府.页岩气水平井低油水比油基钻井液研制与应用[J].石油钻探技术，2016，44（2）：28-33.
　　[6]肖进新，赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京：化学工业出版社，2003：51-52.
　　[7]Gelan E. Loeppke， David A. Glowka， Elton K. Wright. Design and evaluation of lost -circulation materials for severe environments [J]. Journal of Petroleum Technology， 1990，42（3）：328-337.
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