涪陵页岩气水平井油基钻井液技术

梁文利，宋金初，陈智源，刘　静，梅露强

（中石化江汉石油工程公司页岩气开采技术服务公司，武汉 430072）

涪陵页岩气水平井油基钻井液技术

梁文利，宋金初，陈智源，刘静，梅露强

（中石化江汉石油工程公司页岩气开采技术服务公司，武汉 430072）

梁文利等.涪陵页岩气水平井油基钻井液技术［J］.钻井液与完井液，2016，33（5）：19-24.

涪陵焦石坝区块采用水平井开发方式，水平段长1 500 m以上，水平井段为龙马溪组下泥岩段，页岩黏土矿物含量高，脆性强、微裂缝发育，易发生垮塌掉块造成井下事故；井底垂深大于3 500 m，深层页岩气开发，面临着井温升高、携岩带砂要求越来越高、部分井发生垮塌掉块、起下钻遇阻卡的问题，部分井发生失返性漏失，消耗了大量的人力、物力。对柴油基钻井液体系进行了研究，结果表明该体系具有良好的抗温性、在低油水比（70∶30）下仍然具有稳定的性能，随钻堵漏材料（粒径级配的高纯超细碳酸钙+有机胶凝漏失控制材料）能够封堵2 mm的裂缝，承压强度达7 MPa，纳米封堵剂（纳米石墨粉和超细海泡石纤维组成的混合物）能够封堵0.1 mm裂缝，承压达到20 MPa。现场应用结果表明，该体系具有良好的井壁稳定能力，井径扩大率低，平均小于3%，润滑性好，起下钻摩阻低，钻井液性能稳定，易于维护处理，能够解决井漏、井垮等复杂情况。柴油基钻井液完全适用于涪陵区块的页岩气水平井钻井施工。

页岩气；柴油基钻井液；水平井；井壁稳定；焦石坝区块

焦石坝页岩气区块位于川东南地区川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜带焦石坝构造，目的层以黑色粉砂岩、炭质泥页岩夹放射虫炭质泥页岩为主，该层位泥页岩层理和裂缝非常发育，钻井过程中极易发生井壁坍塌，预测地层压力系数高达1.45，采用水平井钻进泥页岩地层，施工风险大，钻井和完井工艺复杂。该区块页岩气井的水平井段为龙马溪组下泥岩段，具有黏土矿物含量高、微裂缝发育、易发生钻井液滤液侵入等特点。随着焦石坝页岩气向构造的南区发展，井深增加，井底垂深大于3 500 m。深层页岩气开发，面临着页岩气储层垂深增加，井温升高，水平段增长，携岩带砂要求越来越高。针对这些问题，对柴油基钻井液进行研究，解决了现场井下复杂问题，为确保涪陵二期页岩气高效开发提供良好的技术支撑。

1　柴油基钻井液的室内性能评价

1.1柴油基钻井液的配方组成

柴油基钻井液的配方如下。

柴油∶氯化钙水溶液（26%）=80∶20+（2.5%～3.0%）主乳化剂HIEMUL+（1.5%～2.0%）辅乳化剂HICOAT+（1.0%～1.5%）润湿剂HIWET+（2.5%～3.0%）降失水剂HIFLO+（2%～3%）液体沥青+（1.5%～2.0%）增黏剂MOGEL+1.0%有机土+（2.5%～3.0%）石灰+（1.5%～2.0%）封堵剂HISEAL+重晶石（加重至密度为1.40 g/cm3）

1.2不同老化温度下油基钻井液性能

考察了不同井温下油基钻井液的基本性能，结果见表1。由表1可知，该柴油基钻井液在高温高密度下的流变性稳定，破乳电压稳定，失水小，具有良好的抗高温稳定性。

表1　不同老化温度对钻井液性能的影响

1.3不同油水比下油基钻井液性能

为了分析油水比变化，特别是降低油水比后对钻井液性能的影响，考察了不同油水比下钻井液的基本性能，结果见表2。由表2可知，随着油水比例的降低，黏度和切力增大，破乳电压有所降低，但是均满足现场的指标要求。

1.4随钻堵漏材料效果评价

JHCarb漏失控制材料是高纯度和可溶于酸的碳酸钙的粉末及颗粒状桥堵剂，可研磨成较为精细的规格，具有广泛的分布粒径。HiFLEX是一种有机胶凝漏失控制材料，其随着时间和温度的变化，产生可塑性的高强度凝胶，能阻止钻井液向地层漏失。HiFLEX漏失控制材料具有不同的尺寸，适合用来封堵不同尺寸的裂缝。针对防漏、防垮问题，在钻井液体系中加入随钻堵漏材料、纳米封堵剂等堵漏材料，配方如下。

焦石坝现场老浆（ρ为1.4 g/cm3）+（3%～5%）JHCarb1400+（1%～3%）JHCarb250+（2%～4%）JHCarb150+（0.5%～1.5%）HiFLEX250+（0.5%～1.5%）HiFLEX150

1）随钻堵漏材料封堵1 mm、2 mm裂缝情况见图1和图2。由图1可知，油基随钻堵漏材料能够封堵1 mm裂缝，能够在裂缝中滞留，达到进得去、留得住的效果。由图2可知，油基随钻堵漏材料在室温、50 ℃、80 ℃下均能够堵住2 mm裂缝，随着温度升高，侵入深度越深，堵漏材料在高温下会发生变形，然后滞留在裂缝中。

图1　封堵1 mm裂缝情况

图2　不同温度下封堵2 mm裂缝情况

3） 微裂缝封堵评价。采用钢制微裂缝模拟裂缝，进行80 ℃下封堵0.1 mm裂缝实验，考察纳米封堵剂的封堵效果。纳米封堵剂是采用纳米石墨粉和超细海泡石纤维组成的混合物。实验测得，油基钻井液在3.5 MPa下发生漏失，加入3%纳米封堵剂之后，在3.5、5、10、15和20 MPa不同压力下均未发生漏失。纳米封堵剂加入油基钻井液后，能够封堵0.1 mm以下的微裂缝，起到提高承压的目的，最高承压能够达到20 MPa，防止在提密度、起下钻过程中发生压力诱导性漏失。

2　柴油基钻井液现场应用

2.1性能优化

该区块采用老浆进行性能优化，达到性能指标要求后，才能进行应用。按照油基钻井液配方配制50～100 m3的油基新浆，保证低黏度低切力，加重至密度为1.2 g/cm3左右即可。新浆配方如下。

柴油∶氯化钙水溶液（26%）=80∶20+3%主乳化剂+2%辅乳化剂+3%降滤失密度为1.20 g/cm3

将老浆和新浆按照不同比例混合，测定混合浆的性能，结果见表3。由表3可知，油基老浆和新浆按4∶1比例混合时，性能适合页岩气水平井钻井的技术要求。

表3　油基老浆性能优化

在钻井液罐中将老浆用离心机清除有害固相，将固相控制在25%以下，在将二开水基聚合物钻井液转化成油基钻井液之后，循环均匀，根据流变性情况适当加入5～10 m3柴油，将流变性在开钻前就要控制好，防止后期流变性能由于钻屑的污染大起大落。在油基钻井液转化的过程中，把受到污染的油基钻井液放掉，防止由于水基钻井液进入油基钻井液后，黏度和切力大增，油水比降低，对井下长水平段页岩井壁稳定性造成潜在性威胁。

2.2维护措施

1）由于页岩气井水平段长度在1 500～2 000 m之间，井壁稳定问题显得至关重要，钻井液密度要维持在1.40～1.50 g/cm3，既确保在井壁周围形成足够的支撑力，以维持井壁的力学平衡，又要避免液柱压力过高压漏地层，因为页岩微裂缝发育，易发生裂缝张开，进而导致漏失发生。加重的时候采用补充重浆，缓慢提高密度，禁止采用直接吹灰的方法，防止局部密度过高，将页岩微裂缝地层压漏。每次在加重提高钻井液密度之前，先开动高速离心机清除固相4 h，在一个循环周内对全井油基钻井液进行固相清除，尤其微米级钻屑的清除，有利于提高机械钻速，离心机使用完之后也不用清洗，干甩5～10 min，就可以将离心机腔室内的油基钻屑全部清楚干净，破除以往要像水基钻井液那样进行清洗干净的误区，而不愿意使用离心机。

2） 漏斗黏度控制在60 s左右，保持适当的黏度和切力，提高油基钻井液的低剪切速率黏度，保证φ3读数大于8，保证油基钻井液的携岩带砂能力，确保井底清洁干净，井眼畅通，避免井下复杂事故的发生。在钻井液量损耗大的情况下，加入柴油后，钻井液结构力会降低，悬浮能力也会降低，可能导致重晶石沉降或者返砂少，易造成岩屑在水平段沉积。此时如果φ3读数小于5，应该加入有机土或者提切剂，每次控制速度，按照循环周均匀加入200～300 kg，钻进24 h，再测量钻井液黏度和切力，切忌大量快速加入有机土、提切剂，由于油基钻井液黏度增长比较滞后，否则黏度上涨得过快，会造成流变不好控制，对开泵、下钻激动压力影响比较大，开泵压力高，泵压高对钻井泵的阀座、垫圈等配件影响大。

3）根据滤失量和消耗量的情况，适当加大油基降滤失剂和油基封堵剂的用量，改善泥饼质量，降低摩阻，减少消耗量，降低成本。该柴油基钻井液体系采用HI-FLO改性沥青材料降滤失剂和液体乳化沥青的协同增效作用，来降低油基钻井液的滤失量，在100 ℃下控制在3 mL以内，如果油基钻井液的高温高压滤失量升至4 mL，采用边钻进边加入降滤失材料的方式，每次加入2 t HI-FLO改性沥青材料和2 t液体乳化沥青，同时测定破乳电压是否降低，如果降低幅度不大，在500～600 V范围内不用处理，如果下降幅度大，按照2∶1的比例，及时加入主乳化剂（2 t）和辅乳化剂（1 t），24 h后，测定高温高压滤失量，直到小于3 mL。

4）使用好固控设备，采用粒径为0.076 mm的振动筛筛布，24 h使用除砂器，间歇使用离心机的方法，及时清除有害固相，确保钻井液流变参数稳定。每钻进300～500 m进行短程起下钻，到底后，开动离心机4 h时，清除部分有害固相。如果钻井液密度增加过快，测定固相含量和油水比例，固相含量控制在25%以下，油水比例控制到80∶20，最低为70∶30。固相含量增加，有以下几个方面的原因：①钻屑进入油基钻井液，振动筛筛布是否按照0.076 mm安装，是否有破损；②工程上是否在定向，在长时间扭方位的情况下，钻屑磨得很细，振动筛上没有筛除物，直接进入油基钻井液进行循环；③氯离子含量情况，是否在85 500 mg/L左右，氯离子含量降低，水相的抑制能力降低，造成页岩中的黏土矿物分散造浆。

5）钻井过程中，根据井下情况，可通过短程起下钻措施，清理水平段岩屑床和井壁上的脏泥饼，防止起钻摩阻大、定向滑动钻进的时候托压，工具面不好调整，降低钻进时效。

6）油基钻井液破乳电压要保证大于400 V，根据破乳电压情况及时加入乳化剂，提高油包水乳液的稳定性，防止油水分层，造成重晶石沉降而发生井下卡钻事故。 破乳电压降低的原因可能有以下几个原因：①钻屑吸附，钻屑不断地除去，造成乳化剂有效含量降低，根据钻速情况以及进尺多少，及时跟进加入主乳化剂、辅乳化剂；②测定油水比例，是否有地层水或者邻井压裂液侵入，水相增加，直接影响乳化效果，严重的情况下可能造成破乳，导致井垮的危险；③是否在钻井液罐内充分高速剪切乳化好后，补充新鲜油基钻井液，禁止直接向井内补充氯化钙盐水，造成乳化不均匀，还有可能导致井壁失稳、掉块。

2.3现场应用情况

柴油基钻井液已经在焦石坝地区推广应用 200多口井，现场应用情况表明，柴油基钻井液具有性能稳定、抑制性强、井壁稳定性好、井径扩大率小、润滑性强，起下钻摩阻低等特点。焦石坝地区部分完钻井的油基钻井液具体使用情况见表4。

表4　焦石坝三开井段油基钻井液钻井情况

2.4典型井使用情况

柴油基钻井液在焦页X井三开φ215.9 mm水平段使用，该井三开所钻井段为黑色炭质页岩，裂缝发育，极易出现坍塌掉块，使用油基钻井液钻进期间，钻屑上返及时，并且呈均质，振动筛返出砂样棱角分明，具有代表性，无掉块返出。通过井径曲线可以看出，三开平均井径为φ218.71 mm，平均井径扩大率为1.3%，井径规则，井壁稳定效果明显。

柴油基钻井液现场维护操作方便、性能稳定，具有良好的流变性、相对低的高温高压滤失量、强的抑制防塌能力，实现了钻探全过程安全无事故。三开井段电测、下套管均一次性成功，下φ139.7 mm油层套管在水平段的摩阻为100～150 kN，固井质量优。柴油基钻井液具体性能见表5。

2.5现场复杂处理情况

1）随钻堵漏技术。随钻堵漏技术应用在JY65平台，取得了良好的效果。JY65-3HF井三开钻至井深4 080 m时（排量为32 L/s，泵压为20 MPa）发生井漏，漏速为3.92 m3/h，采取循环堵漏方法，加入1 t HiFLEX150、2 t JHCarb150后漏速逐渐减小直到正常。钻至4 096 m时（排量为32 L/s，泵压为20 MPa）发生井漏，漏速为3.2 m3/h，同样采取循环堵漏方法，加入1 t HiFLEX150、2 t JHCarb150、2 t液体沥青后，漏速逐渐减小，直到正常，效果明显。对于漏速小于5 m3/h的漏失，均可采用随钻堵漏的方法。对于漏速5～10 m3/h的漏失，可配段塞堵漏。

表5　焦页X井柴油基钻井液性能

2）垮塌掉块处理技术。在JY36-3HF井，牙轮常规钻具时通井下钻至3 790 m遇阻，划眼至4 146 m，划眼效果不明显，反复划眼依然有憋泵、憋顶驱现象，划眼过程中有少量掉块返出。分析判断在3 790～3 810 m位置存在垮塌，掉块带不出来而导致憋泵憋顶驱。采取的措施：首先加入纳米封堵剂和乳液封堵剂，提高地层承压能力，然后配制稠浆，将密度提高至1.58 g/cm3，通过加入超细纤维材料进行携带、通井划眼等技术措施，最终解决垮塌掉块问题。

3　认识与建议

1.柴油基钻井液的成功应用，保障了国家级页岩气示范区涪陵焦石坝区块的整体开发进度，解决了长水平段水平井钻探中的润滑防卡、悬浮携带、井壁稳定等各项技术难题。

2.焦石坝页岩地层层理发育，属硬脆性泥页岩，易剥落掉块，在涪陵焦石坝高压目的层的前提下，油基钻井液强抑制能力，确保了井壁稳定，完井电测、下套管均一次性成功，井径规则，井径扩大率低，固井质量优秀。

3.该柴油基钻井液具有良好的抗高温能力，在不同的密度和油水比例下均具有良好的性能稳定性。通过涪陵焦石坝现场应用，形成了一套油基钻井液现场配制、维护控制技术，在非常规油气水平井钻井液整体工艺控制技术方面得到了突破。

［1］郭彤楼，刘若冰.复杂构造区高演化程度海相页岩气勘探突破的启示: 以四川盆地东部盆缘JY1井为例［J］.天然气地球科学，2013，24（4）：643-651.

GUO Tonglou，LIU Ruobing.Implications from marine shale gas exploration breakthrough in complicated structural area at high thermal stage:Taking Longmaxi Formation in well JY1 as an example［J］.Natural Gas Geoscience，2013，24（4）：643-651.

［2］郭彤楼，张汉荣.四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式［J］.石油勘探与开发，2014，41（1）：28-36.

GUO Tonglou， ZHANG Hanrong.Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field， Sichuan Basin［J］.Petroleum Exploration and Development，2014，41（1）：28-36.

［3］刘若冰.中国首个大型页岩气田典型特征［J］.天然气地球科学，2015，26（8）：1488-1498.

LIU Ruobing.Typical features of the first giant shale gas field in china［J］.Natural Gas Geoscience，2015，26（8）：1488-1498.

［4］陶怀志，吴正良，贺海.国产油基钻井液CQ-WOM首次在页岩气威远H3-1井试验［J］.钻采工艺，2014，37（5）：87-90.

TAO Huaizhi，WU Zhengliang，HE Hai.Tests of oil base drilling fluid CQ-WOM made in china in WeiYuan H3-1shale gas well［J］.Drilling and Production Technology，2014，37（5）：87-90.

［5］刘均一，邱正松，罗洋，等.油基钻井液随钻防漏技术实验研究［J］.钻井液与完井液，2015，32（5）：10-14.

LIU Jun yi，QIU Zheng Song，LUO Yang，et al.Oil based drilling fluid while drilling leakage protection technology research［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（5）：10-14.

［6］刘明华，孙举，王中华，等.非常规油气藏水平井油基钻井液技术［J］.钻井液与完井液，2013，30（2）：1-5.

LIU Ming hua，SUN Ju，WANG Zhong hua，et al. Oil based drilling fluid technology in horizontal wells with unconventional oil-gas research［J］.Drilling Fluid &Completion Fluid，2013，30（2）：1-5.

［7］何涛，李茂森，杨兰平，等.油基钻井液在威远地区页岩气水平井中的应用［J］.钻井液与完井液，2012，29（3）：1-5.

He Tao，Li Maosen，Yang Lanping，et al.Application of oil based drilling fluid in shale gas horizontal well in district of Wei yuan［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2012，29（3）：1-5.

［8］何恕，李胜，王显光，等.高性能油基钻井液的研制及在彭页3HF 井的应用［J］. 钻井液与完井液，2013，30（5）：1-4.

HE Shu，LI Sheng，WANG Xianguang，et al.Research on high performance oil-based drilling fluid and its application on well Pengye3HF［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（5）：1-4.

［9］何振奎.泌页HF-1井油基钻井液技术［J］.石油钻探技术，2012， 40（4）：32-37.

He Zhenkui.Oil base drilling fluid technology applied in well Biye HF-1［J］.Petroleum Drilling Techniques，2012，40（4）：32-37.

［10］王建华，李建男，闫丽丽，等.油基钻井液用纳米聚合物封堵剂的研制［J］.钻井液与完井液，2013，30（6）：5-8.

Wang Jian hua， Li Jian nan，Yan Lili，et al.The development and performance evaluation of plungging agent for oil-base drilling fluids［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（6）：5-8.

［11］李红梅，申峰，吴金桥，等.新型油基钻井液堵漏剂性能［J］. 钻井液与完井液，2016，33（2）：41-44.

LI Hongmei，SHEN Feng，WU Jinqiao，et al.Study on performance of a new oil base mud lost circulation material［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2016，33（2）：41-44.

［12］覃勇，蒋官澄，邓正强，等.抗高温油基钻井液主乳化剂的合成与评价［J］.钻井液与完井液，2016，33（1）：6-10.

［13］QIN Yong，JIANG Guancheng，DENG Zhengqiang，et al.Synthesis and evaluation of a primary emulsifier for high temperature oil base drilling fluid［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2016，33（2）：41-44.

Oil Base Drilling Fluid for Drilling Shale Gas Wells in Fuling

LIANG Wenli， SONG Jinchu， CHEN Zhiyuan， LIU Jing， MEI Luqiang
（Shale Gas Production Service， Sinopec Jianghan Oilfield Service Corporation， Wuhan， Hubei 430072）

Horizontal drilling has been used in developing the block Jiaoshiba in Fuling， Chongqing. The horizontal section， more than 1，500 m in length， penetrated the lower Longmaxi mudstone formation， which has high clay contents， and is brittle and full of micro fractures. The vertical depths of the wells drilled in this area were deeper than 3，500 m. Deep well shale gas development in this area has been faced with difficulties such as high well temperature， cutting carrying， borehole wall collapse in some wells， over-pulls during tripping， and lost returns of muds in some wells， all of these have caused waste of manpower and material resources. To solve these problems， a diesel oil base drilling fluid has been studied for use in shale gas drilling. The diesel oil base drilling fluid formulated had good high temperature stability； at low oil/water ratio （70∶30） the fluid was still stable. Two LCMs， were added in the oil base drilling fluid； one was a high purity ultra-fine CaCO3mixed with an organic gel LCM which can plug fractures of 2 mm in width， and can stand pressure of 7 MPa. The other LCM， a nano graphite powder mixed with ultra-fine sepiolite fibers， can be used to plug micro fractures of 0.1 mm in width， and can stand pressure of 20 MPa. Field application demonstrated that this oil base mud greatly stabilized the borehole wall in easy-to-collapse hole sections， and reduced the average rate of hole diameter enlargement to less than 3%. Good lubricity of the mud made trip very smooth. The property of the mud was stable during the whole drilling period and was easy to maintain. Downhole problems previously encountered such as lost circulation and borehole wall instability were mitigated to acceptable levels. Field application proved the suitability of diesel oil base drilling fluid in shale gas horizontal drilling in Fuling area.

Shale gas； Diesel oil base drilling fluid； Horizontal well； Borehole stabilization； Block Jiaoshiba

TE254.3

A

1001-5620（2016）05-0019-06

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.004

梁文利，工程师，现在主要从事钻井液技术研究及现场技术服务工作。电话 15826568878；E-mail：nijiang2007@163.com。

（2016-7-9；HGF=1604C9；编辑王超）