涪陵页岩气田钻井液体系的优化探讨

2015-04-13李永成

江汉石油职工大学学报 2015年6期

李永成

（中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆涪陵408014）

前言

页岩气是指从页岩层中开采出来的天然气，是一种以吸附或游离状态存在的非常规天然气，赋存于富含有机质泥页岩及其夹层中，以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。中国是继美国和加拿大之后，正式开始页岩气资源勘探开发的国家。涪陵页岩气田是除北美之外第一个实现商业化开发的页岩气田，属于典型的喀斯特地貌，是国家能源局批复设立的国家级页岩气示范区，是国土资源部命名的第一个国家级页岩气勘查开发示范基地。涪陵页岩气田2013年1月投入商业试采，预计到2017年建成100亿方／年产能，相当于建成一个1 000万吨级的大型油田。由于涪陵页岩气田地层气藏的非常规性和特殊性，在钻井施工过程中易发生井漏、井口溢流、溢漏并存和页岩气层垮塌等复杂情况，如焦页X－YHF井，表层钻遇地层暗河，造成严重井漏被迫重新移井口等，给钻井施工带来了极大风险和诸多的困难，严重影响了钻井时效和页岩气勘探开发进程。要尽可能地规避这些风险和攻克钻井技术难题，就必须研究钻井过程中针对性的技术措施，其中钻井液体系的优选尤其重要，直接关系到地表水资源的保护和钻井施工的成败，也影响着页岩气示范区的建设。当前在涪陵工区从事钻井施工的井队，由江汉油田工程公司、中原油田工程公司共41支钻井队组成，会战初期钻井使用的钻井液体系各具特色，没有形成统一的焦石坝钻井液体系模式。因此，针对涪陵页岩气田钻井工艺技术研究，尤其是页岩气田钻井液体系的优选，形成“焦石坝钻井液体系模式”已迫在眉睫，对安全、优质、高效地开发页岩气藏，保护地表水资源及环境具有非常重要的意义。

1 地层特征

涪陵焦石坝区块属于典型的喀斯特地貌，出露地层主要为中生界三叠系雷口坡和嘉陵江组，钻遇地层自上而下依次为：中生界三叠系雷口坡组、飞仙关组，古生界二叠系长兴组、龙潭组，下统茅口组、栖霞组、梁山组，石炭系中统黄龙组（部分缺失），志留系韩家店、小河坝组、龙马溪组，奥陶系上统五峰组。其地层主要特征是：

1）浅表溶洞、暗河发育，分布不规则。

2）三叠系、二叠系地层岩性以灰岩为主，嘉陵江组以下地层井壁相对稳定。

3）三叠系嘉陵江组中下部地层为区域水层，水层属于非高压地层。

4）志留系为砂泥岩地层，泥页岩井段较多，坍塌和漏失压力窗口较窄。

5）奥陶系上统五峰组为黑色灰质页岩、硅质页岩，顶部为薄层含生屑泥质灰岩。

6）目的层段志留系为龙马溪组和奥陶系五峰组，以大套灰黑色页岩、碳质页岩及灰黑色和碳质泥岩为主，储层微裂缝和层理发育。粘土矿物含量平均一般为40%，其中伊蒙混层和伊利石含量较高，分别平均含量21%和17%，其次为绿泥石，平均为2.5%。

2 钻井液技术难点

2.1 井身结构

涪陵页岩气田钻井井身结构经过第二轮优化，已基本形成了涪陵特殊模式。导管：Φ508mm或473.1mm套管下深60m左右，水泥返地面，建立井口；表层套管：Φ339.7套管下至飞仙关组飞三段底部，固井水泥返至地面；技术套管：Φ244.5套管封龙马溪组页岩气层之上易漏、易垮地层，以钻至龙马溪组页岩气层标志层“浊积砂”为中完原则，无标志层的则以进入马溪组50～100m为中完原则，水泥返地面；生产套管：Φ139.7mm套管封已钻遇的目的段，水泥返地面，如遇井漏，水泥至少返至技术套管内300～500m内，井口要水泥“带帽”。

2.2 技术难点

1）导管和一开井段，溶洞、暗河发育，易漏失；雷口坡组上部为紫红色粉砂质、灰绿色钙质页岩，下部灰色含泥质灰岩及含钙质页岩，易垮塌。嘉陵江组中下部的水层区域，与地表连通性好，钻井施工存在地表水资源被污染的环保风险，钻井液体系要求其既经济又环保无污染，且能够满足井下携砂要求。

2）二开井段，主要是在志留系井段。针对泥页岩井段地层钻井液应有较强抑制能力，同时该井段属于施工中反复定向井段，对钻井液的携砂能力和润滑性能要求较高。地层承压能力较低，易漏失。

3）三开井段，储层泥页岩发育，井壁易失稳。龙马溪下段微裂缝和层理发育，伊蒙混层含量高，当钻井液滤液沿着层理、裂缝侵入地层内部，粘土矿物易水化膨胀发生剥落坍塌。水平井段上壁由于缺乏地层支撑，应力失衡更增加了垮塌的可能性。三开水平段一般在1 000m以上，由于在其轨迹控制过程中，反复进行增－稳－降斜，有的易形成锯齿状，钻井液携砂困难，极易产生岩屑床，可能会给钻井施工带来起下钻摩阻大、井下复杂及卡钻等较大安全风险。

3 钻井液体系优选及现场应用

3.1 钻井液体系优选

3.1.1 导管和一开井段的钻井液体系优选

钻遇地层为嘉陵江组、飞仙关组。该地层较稳定，选用清水钻进，可以规避钻遇裂缝、溶洞、暗河漏失时所带来的对地表水资源污染的环保风险，不足是遇大型地层坍塌，其携带能力不能满足钻井需要。遇特殊情况时，南部区块部分井含雷口坡组地层易坍塌，岩屑携带困难，可选择不添加任何钻井液处理剂由膨润土或凹凸棒石粘土与清水搅拌配成的普通土浆，同样也可规避环保和其携带能力的不足造成卡钻的风险。

3.1.2 二开井段的钻井液体系优选

钻遇地层为长兴组、龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组、韩家店组、小河坝组、龙马溪组（50～100m）。三叠系和二叠系上部地层稳定，钻井体系亦可选用清水。特殊情况，如提前工程定向，为确保钻井液携带能力，可提前转化泥浆体系。二叠系下部地层流体含有硫化氢，泥页岩井段较多，宜选择具有较强抑制性的防硫化氢钻井液体系。鄂西渝东地区较常用的KCL聚合物润滑水基钻井液体系，具有很强的抑制、包被封堵、润滑能力，该体系能够对地层起到有效的防塌、防漏功能，技术上成熟可行，二开非清水体系井段选用该体系合适。

3.1.3 三开井段钻井液的体系优选

三开井段为大斜度井段，钻遇地层为龙马溪－五峰组，是主要的目的层段。泥页岩地层既是源岩又是储层和盖层具有其特殊性，裂缝和层理结构发育，这就要求钻井液必须具有很好防塌、润滑、封堵、环保功能，同时还应具有较好地保护页岩气的功能。目前兼顾二者功能的钻井液体系有普通的油基钻井液体系、合成基钻井液体系、仿油基甲基葡萄糖甙钻井液体系、聚合醇钻井液体系等（表1）。

1）涪陵页岩气田目前使用的是普通的柴油油基钻井液体系。此油基钻井液体系以柴油为基液，以有基土和乳化剂等作为基本材料，油水比一般按照9∶1－8∶2配置而成，从会战初期到现在一直没有变。陆地、海上钻井都在使用，其优点是配制方法简单，维护容易，性能优越，可重复利用，能满足常规生产井、水平井的钻井需求，缺点是安全环保管控风险大，油基钻屑及与之相关的废弃物的无害化处理，不仅处理难度大，费用昂贵，而且一旦对环境造成污染难以在短时间彻底根除，可否用污染小、毒性小或者无污染的其它材料代替柴油，也将是油基钻井液体系发展的方向。用于钻井液作为基液的油类，能满足污染小，环保治理容易，且无毒或者毒性小的环保品种十分有限，目前柴油替代品主要用的是5＃白油。工业级5＃白油为基液的油基钻井液体系涪陵页岩气田尚未试用，以5＃白油为基液的油基钻井液体系具有如下优点：白油不属于易燃、易爆危险品（GB13690－92未被定为危化品），钻后治理容易，但是仍具有低毒性，可刺激呼吸道和眼睛，皮肤长期接触会产生红斑和湿疹，其生态毒理毒性评价也待进一步深化，其价格与柴油相当，尽管国内外已有应用，但是建议慎用。

2）合成基钻井液体系，是以聚α－烯烃为基液的非水基钻井液体系，亦属于油基类钻井液体系，油水比一般为：9∶1－7∶3，它具有很强的厌氧降解能力，对环境基本无污染，既具有油基钻井液的优良性能，同时毒性极低，可生物降解，是一种较好的油基环保型钻井液体系，它已在国外海洋钻井中广泛应用，国内也正在尝试，今后可选井试验。通过研究表明，合成基钻井液体系既经济又环保，将是未来钻井液体系的首选。

3）其它类非油基钻井液体系。仿油基甲基葡萄糖甙钻井液体系，基液是甲基葡萄糖甙水液，甲基葡萄糖甙加量一般为15%～30%，是近年来提出的可以替代油基钻井液的新型水基钻井液体系。研究表明，它是一种既保护油气层又保护环境的双保钻井液体系，国内外已投入试用。

4）聚合醇钻井液体系，基液以2%～5% 聚合醇、2%～4%膨润土和2%～3% 氯化钾等配制的水基钻井液，在国内常规油气井已成功应用过多口井。目前安全、环保相关的法规已陆续出台，环保风险与日俱增，可替代油基钻井液体系的水基体系非常有限，可以选择性地试验。涪陵工区页岩气井的目的层具有其特殊性，对钻井液体系性能的要求更高，“安全、环保、质优、经济”，是选择改性水基钻井液体系的原则。目前以水为连续相的水基钻井液体系，在页岩气井中应用应谨慎尝试，因为涪陵页岩气田目的层是非常规的泥页岩层，与常规的砂岩储集层相比有其特殊性，泥页岩易水化膨胀是其固有的属性，不管用什么水基钻井液体系都不可避免，尤其是水平井更要做好风险评估，一定要经过室内试验评价后再在现场试验。

表1 三开钻井液体系优选

3.2 现场应用

2013年1月至2015年8月，涪陵页岩气田开钻共213口，完井157口井，正在钻井施工56口井，已投产127口井。早期开发先导试验井组区共17口井，导眼井段一般采用膨润土浆，一开井段，有焦页1－2HF、13－2HF等7口井为空气（泡沫）钻井液体系，二开直井段有焦页1－3HF、焦页12－2HF等8口井为空气（泡沫）钻井液体系。焦页1－2HF在空气（泡沫）钻进阶段（41.57～946m），井场硫化氢浓度达1～5PPm，排砂口硫化氢浓度达10PPm以上，而且浅层气不断地在排砂口聚集闪爆，安全环保风险极大，采取排砂口长明火燃烧及注入除硫剂等有关安全措施下才得以艰难地完成一开井段。通过先导试验部分井试验，证实使用空气（泡沫）钻井液体系钻进，机械钻速大幅度提高，但是安全、环保风险很大，一旦防护措施不当，很有可能造成人身伤害和财产损失事故。一、二开井段空气（泡沫）钻井液体系易对地下水资源造成污染，安全、环保得不到保障，同时，硫化氢防护措施也非常有限，所以在此之后放弃了继续采用空气（泡沫）钻井液体系，导眼和一开井段改用清水体系钻进，均取得成功。

三开井段全部采用普通柴油油基钻井液体系，均取得较好的效果，目的层段无坍塌，定向井段施工顺利，无挂卡现象，并且全部回收重复利用，但是环保风险较大，被油基钻井液污染的钻屑要进行无害化处理，费用昂贵，而且可能处理不彻底，易造成二次污染环境。目前非柴油油基钻井液体系和改性水基钻井液体系在该井段还从未试验，今后将加大有关非柴油油基钻井液体系的研究，逐步实施非柴油油基钻井液体系。