基于页岩气“水替油”的高性能水基钻井液技术.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钴井 液与 完井液 2 0 1 5年 9月 岩岩心样品的矿物成分分析结果得知 ，岩石 中的石英 和长石平均含量为 3 6 ％，方解石和 白云石平均含量 为 2 9 ％，平 均黏土矿物含量为 3 5 ％，黄铁矿含量 为 l ％～3 ％，表明脆性矿物含量较高 ，一方面易于压裂 产生网状缝 ， 同时也易遇水发生 自吸， 使微裂缝变大， 不利于井壁稳定 。 2 页岩气水平井钻井液技术难题 页岩气采用大位移水平井组开发 ，水平段长，钻 井易发生井漏 、垮塌等井下复杂情况。 目前页岩气水 平井钻井液突出技术难题如下 。 1井 壁失 稳。通 过对 黄金 坝页 岩气 地层岩 心 特性分析可知，页岩孔隙非常小，仅为 0 ．0 0 1 ～0 ．0 1 g m，渗透率很低 。以孑 L 隙平均直径为 5 n m为例 ，理 论计算这些孔隙在油 ． 水 ． 页岩 中可产生大约 3 0 MP a 的压力。 在页岩孑 L 隙毛细管 自吸作用下孑 L 隙压力增加， 导致脆性泥页岩分散、剥落、垮塌。页岩气地层层理 和微裂缝发育 ，钻井液液柱压力传人微裂缝 ，增加孔 隙压力 ，随着滤液的侵入 ，近井壁带孔隙压力随时问 的增加而增加，当钻井液液柱压力不足以支撑孔隙压 力时 ，井壁 围岩的应力超过岩石本身的强度而产生剪 切强度破坏 ，从而导致井壁失稳 。因此 ，保证井壁稳 定性的关键是水基钻井液能够提供 良好的抑制性和封 堵 能力 。而现有 的水基钻井液抑制剂及体系的抑制 、 封堵能力不能满足页岩气水平井井壁稳定的需要。 2润滑防卡。在页岩气水平井钻井过程 中，随 着井斜角和水平位移 的增加会极大地增大摩阻和扭 矩 ，严重影响井眼轨迹控制等正常钻井作业 ； 高密度 条件下，液柱压力与地层压力之差较大，使钻柱产生 向井壁的推靠力 ，易形成压差卡钻 ； 大斜度长水平段 井眼洗井效果差，容易形成岩屑床 ； 井壁坍塌掉块容 易产生砂桥卡钻 ； 井眼周围由于应力不平衡产生井眼 变形 ，使起下钻阻力 、钻井摩阻增大。这就要求页岩 气井钻井液具有较好的润滑、防卡和减阻功能。 3携岩洗井 问题。在长段水平井施工 中，钻屑 在井眼中的运行轨迹与直井不一样。由于井眼倾斜 ， 岩屑在上返过程中将趋向于沉向井壁的下侧，易形成 “ 岩屑床” ，特别是在井斜角为 4 5 。 ～6 O 。 的井段，存 在卡特包衣效应 ，已形成 的岩屑床会沿井壁下侧 向下 滑动，形成严重的堆积 ，从而堵塞井眼。因此 ，大位 移水平井如何及时有效地将井底岩屑携带出来 ，保持 井眼清洁 ，防止岩屑床的形成 ，同时又要控制好环空 过大的循环压降 ，要求页岩气水平井钻井液应具有 良 好易控的流变性和稳定性。 3 钻 井液技 术对 策 3 ． 1 强抑 制性 常用的抑制剂 ，包括无机盐 氯化钠 、氯化钾 、 氯化钙 、石灰 、有机盐 甲酸钾 、甲酸钠 、甲酸铯 、 聚合物 阳离子 、非离 子 、阴离子有 机高分子聚合 物 、各种聚合醇等 ，不能完全满足页岩气水平井现 场钻井要求。因此 ，针对页岩气地层特点研制了一种 特殊的强抑制剂，代号为 F T Y z 1 ，其是一种黑褐色 液体。采用现场露头页岩对 F T Yz ． 1 进行 了评价 ，实 验结果见表 1 。由表 1 可以看出， 与清水 、 5 ％K C 1 、 5 ％ Na C O OH和 3 ％聚合醇相 比， 5 ％F T YZ ． 1的 1 6 h线性 膨胀率最小 ，岩屑回收率最大 ，这说 明 F T Yz ． 1 具有 较好的页岩抑制性 ，能够有效抑制页岩的水化分散 。 表 1 新研 制强抑制剂 的页岩抑制性评价 抑制剂 1 6 h页岩膨胀率／ ％ 页岩滚动回收率 ／ ％ 3 ． 2 强 封堵性 页岩地层的层理和微裂缝 比较发育 ，存在大量的 微纳米孔隙 ，常规封堵材料形成的封堵层具有一定的 渗透性 ， 且无法封堵页岩地层的纳 、 微米孔缝。因此 ， 针对纳 、微米孔隙研制了一种纳微米封堵剂 ，代号为 F D，采用 J E OL J S M一 6 5 1 0型扫描 电镜分析其微观形 貌 ，L A． 9 5 0型激 光粒度仪分析其粒径分布，结果如 图 1 、图 2所示。 l u m 图 1 封堵剂 F D的扫描电镜图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 5期 闫丽丽等 基 于页岩 气 “ 水替油”的高性能水基钻井液技术 3 ‘ f}L ． ． _1 ．』 霎 翥 粒 径 l i ma 图 2 封堵剂 F D的粒度分布图 由图 1 、图 2可知 ，封堵剂粒径均匀 ，分布较为 集中，呈单分散分布，分布区间在 4 0 ～1 2 0 r U T I ，平 均粒径为 1 0 7 n lT l 。 根据需要，进～步研制了一种成膜降滤失剂 NB G，其能够快速 在井 壁 固结成膜 ，形成超低 渗封 隔层 ，减少钻井液 进入微裂缝 的量。对 F D和 NB G 进行 常规性 能和封堵效率 实验评价 ，结果见 表 2 [ ” 。 由表 2可以看出 ，纳微米封堵剂和成膜降滤失剂复配 使用可以明显降低钻井液滤失量 ，且封堵效率 由基浆 的 7 1 ．8 ％ 提高到 9 0 ．2 ％，具有较好的封堵性能。 表 2 在钻井液加重配方中加入封堵材料后的性能评价 注 钻 井 液加 重 配方 2 ％ 膨 润 土 1 ． 5 ％ 流 型 调 节剂 O ． 2 ％提切降滤失剂 5 ％K C l 重晶石 1 ． 2 g ／ c m ； 凡 H T H P 在 1 0 0℃测定 ；封堵效率实验采用渗透率为 1 5 x 1 0 。岫 的 低渗人造岩心。 3 ． 3强润滑 性 室 内研制 出一种特种 液体润滑剂 T R H． 1 ，其可 在钻具表面及泥饼表面形成憎水膜 ，从而降低摩 阻 ； 同时优选了一种固体润滑剂 T R H ． 2 ， 2者协同增效， 可进一步提高水基 钻井液的整体润滑性 。采用 E P极 压润滑仪评价其润滑效果 ，结果见表 3 。 表 3 在高密度钻井液配方中加入润滑剂后的性能评价 注 高密度钻井液 2 ％膨润土 1 ． 5 ％流型调节剂 0 ． 2 ％ 降滤失剂 0 ． 0 l ％提切增黏剂 5 ％KC I 重晶石 p 2 ． 0 5 g ／ c m 。 由表 3 可知，与常用的脂肪酸类润滑剂相比，在 密度 为 2 ． 0 5 g ／ c m 的钻井液 中加入研制的润滑剂后 ， 润滑系数明显降低，降低率为 2 6 ％，润滑效果明显 优于常规钻井液润滑剂 。 4 钻 井液体 系研 究与性能评价 通过以上分析和研究 ， 以研制的抑制剂 、 封堵剂、 成膜降滤失剂和润滑剂为核心处理剂 ，并优选与研制 配套处理剂，最终形成了一套 自主研制的高性能水基 钻井液体系，其基本配方如下，不同密度的钻井液性 能 如表 4所示 。由表 4可 知，钻井液 在 1 0 0℃老化 1 6 h 后 ， 具有良好的流变性和稳定性，较低的中压和 高温高压滤失量，表明其可减少进入地层的滤液，有 利于页岩地层的井壁稳定 。 基 浆 0 ．6 ％～1 ％ J S ． 1 3 ％J S ． 2 2 ％～3 ％ N B 3 ％～4 ％ F E 卜 卜 3 ％～6 ％ F T Y Z - I 3 ％～6 ％ 复合无机 盐 3 ％～5 ％ 1 RH _ 1 1 ％～3 ％ T R H-2 ～O ．6 o／ 6 T X S - I 0 ．2 ％～0 ．5 ％ WD 重 晶 石 表4 新研制高l 生 能水基钻井液在不同密度的性能 1 0 0℃、1 6 h 注 F L 在 1 0 0℃测定 ，其他测试温度为室温。 4 ． 1 流变性 对研制的高性能水基钻井液配方进行常规性能测 试 ，结果见表 5 。 表 5 新研制高性能水基钻井液与其他钻井液基本性能的对比 注 钻井液密度为 2 ． 2g ／ e m ，老化条件为 1 0 0℃、1 6 h 。 曝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钨井 液与 完井液 2 0 1 5年 9月 下钻 、下套管和固井施工作业均 比较顺利 ，电测一次 成功 ，井径规则 ，平均井径扩大率为 5 ． 7 1 ％，与油基 钻井液钻进很接近 ，水平段固井质量检测为优质 。这 表明研制的高性能水基钻井液完全满足页岩气各项正 常钻井作业需要 ，具备 “ 水替油”技术能力，为页岩 气开发钻井用水基钻井液替代油基钻井液提供了新的 思路 6 结论 1 ． 通过分析昭通黄金坝页岩气地层特点和存在的 技术难题 ，有针对性地研制 出了高效抑制剂 、封堵剂 和润滑剂 ，并以此为核心处理剂形成了一套新型的高 性能水基钻井液体系。 2 ． 经室内评价 ，研制的商 l生能水基钻井液具有 良 好的流变性、降滤失性、 抑制性、润滑性和抗污染性 能，能够阻缓压力传递与滤液侵入页岩，岩心高温浸 泡 1 0 d后仍具有很高的强度，有利于实现钻井作业 中井壁稳定的要求。 3 ． 高性能水基钻井 液在 黄金坝 YS 1 0 8 H4 ． 2井 的 现场应用结果表明，该体系可解决页岩气水平井井壁 失稳、钻具摩阻大、井眼清洁要求高等技术难题，满 足页岩气水平井现场施工的技术要求 ，可望在页岩气 勘探开发 中应用 ，以实现对油基钻井液的替代。 参 考 文 献 ⋯何恕，李胜，壬显光，等 ． 高性能油基钻井液的研制及 在彭页 3 H F井的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 1 3 ， 3 0 5 1 ． 4 ． He S h u，Li S h e n g，W a n g Xi a n g u a n g，e t a 1 ． Re s e a r c h o n h i g h p e r f o r m a n c e o i l b a s e d d r i l l i n g flu i d a n g i t ’ s a p p l i c a t i o n O i l we l l P e n g y e 3 HF ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m pl e t i o n F l u i d，2 0 1 3，3 051 - 4 ． 【 2 ] 王治法 ， 刘贵传，刘金华 ，等 ． 国外高性能水基钻井液 研究 的最新进展 『 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 5 6 9 7 2 ． W a n g Zh i f a ， Li u Gu i c h u a n，Li u J i n h u a， e t a 1 ． Ov e r s e a s n e w p r o g r e s s e s i n h i g h p e r f o r m a n c e wa t e r b a s e d r i l l i n g fl u i d r e s e a r c h [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 9 ，2 6 5 6 9 7 2 ． [ 3 ] 黄浩清 ． 安全环保的新型水基钻井液 UL T RA DR I L [ J ] ． 钻 井液与完井液，2 0 0 4 ， 2 1 6 4 7 ． Hu a n g Ha o q i n g ． An e n v i r o n m e n t a l l y s a f e wa t e r b a s e d r i l l i n g fl u i d U L T RA DR I L [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 4，2 16 4 7 ． [ 4 ]4 R a mi r e z M A，B e n a i s s a S ， Ra g n e s G，e t a 1 ． Al u mi n u m b a s e d HP W BM s u c c e s s f u l l y r e p l a c e s o i l ． b a s e d mu d t o d r i l I e x p l o r a t o r y w e l l i n t h e Ma g e l l a n S t r a i t ， A r g e n t i n a[ C 】 ． S P E 1 0 8 2 1 3，2 0 0 7 ． [ 5 ] Ho d d e r M H，P o p p l e s t o n e A，G wy n n e P ，e t a 1 ． Hi g h p e r f o r ma n c e ，wa t e r b a s e d dr i l l i n g flu i d h e l p s a c h i e v e e a r l y o i l wi t h l o we r c a p i t a l e x p e n d i t u r e [ c J ． S P E 9 6 7 9 8 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] De v i l l e J P， F r i t z B， J a r r e t t M． De v e l o p me n t o f Wa t e r ． B a s e d D r i l l i n g F l u i d s C u s t o mi z e d f o r S h a l e R e s e r v o i r s[ C 】 ． S P E 1 4 0 8 6 8， 2 01 1 ． [ 7 ] 闫丽丽 ，孙金声，季一辉，等 ． 钻井液用纳米二氧化硅 封堵剂的研制及性能评价 [ C ] ／ ／ 石林，罗平亚 ． 2 0 1 4年全 国钻井液完井液技术交流研讨会论文集 ． 北京 中国石 化出版社，2 0 1 4 2 5 4 ． 2 6 0 ． Ya n L i l i ，S u n J i ns h e n g，J i Yi h u i ，e t a 1 ． S t u d y o n n a n o s i l i c a s e a l i n g a g e n t f o r d r i l l i n g fl u i d【 c ] ／ ／ S h i L i n ，L u o Pi n g y a ． 2 0 1 4 n a t i o n a l c o n f e r e n c e p r o c e e d i n g s o n d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n flu i d t e c h n o l o g y ． P e k i n g Ch i n a p e t r o c h e mi c a l P r e s s ， 2 0 1 4 2 5 4 2 6 0 ． [ 8 】 徐加放 ， 邱正松，吕开河 ． 泥页岩水化 ． 力学耦合模拟实 验装置与压力传递实验新技术 f J 1 ． 石油学报， 2 0 0 5 ， 2 6 6 1 1 5 - 1 1 9 ． Xu J i a f a n g，Qi u Z h e n g s o n g，Lv Ka i h e ． P r e s s u r e t r a n s mi s s i o n t e s t i n g t e c h n o l o g y a n d s i mu l a t i o n e q u i p me n t for h y d r a me c h a n i c s c o u p l i n g o f s h a l e [ J ] ． A c t a P e t R o l e i S i n i c a ， 2 0 0 5 ， 2 6 6 1 1 5 1 1 9 ． f 9 ]9 邸伟娜， 闫娜， 叶海超 ． 国外页岩气钻井液技术新进展 f J J ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 l 6 7 6 8 1 ． Di W e i n a ， Ya n Na，Ye Ha i c h a o ． Ov e r s e a s n e w p r o g r e s s e s i n n ano d r i l l i n g fl u i d t e c hno l o g y for s h a l e d r i l l i n g [ J ] ． Dr i l l i n g ＆ C o m p l e t i o n F l u i d ．2 0 1 4 ，3 1 6 7 6 8 1 ． [ 1 0 】何振奎 ． 页岩水平井斜井段强抑制强封堵水基钻井液技 术 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 1 3 ，3 0 2 4 3 4 6 ． HE Z h e n k u i ． S t r o n g h i b i t i o n a n d s e a l i n g wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d t e c h n o l o g y for d e v i a t e d s e c t i o n o f s h a l e h o r i z o n t a l [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ Co mpl e t i o n Fl u i d， 2 01 3，3 0 2 4 3 ． 4 6 ． [ 1 1 ]常德武，蔡记华，岳也，等 ． 一种适合页岩气水平井 的 水基钻井液 『 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 2 4 7 5 1 ． Ch an g De wu， Ca i J i h u a，Yu e Ye ，e t a 1 ．A wa t e r b a s e mu d for s h a l e g a s h o ri z o n t a l we l l [ J 1 ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 5 ，3 2 2 4 7 5 1 ． 【 1 2 】吕开河 ，王树永， 刘天科 ，等 ． 由一种多功能处理剂和盐 配成的新型水基钻井液 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 2 6 ． 2 7 ． Lv Ka i he ，W a n g S h u y o n g，Li u Ti a n k e， e t a 1 ． A s t u d y o n a n e w w a t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 9 ，2 6 2 2 6 2 7 ． 收稿 日2 0 1 5 0 7 ． 2 3 ；H GF 1 5 0 5 N3 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m