美国Eagleford区块页岩气水平井钻井液技术

2017-10-14杜玉宝朱磊

长江大学学报(自科版) 2017年19期

关键词：水基井眼水平井

杜玉宝，朱磊

(中海油研究总院，北京 100028)

美国Eagleford区块页岩气水平井钻井液技术

杜玉宝，朱磊

(中海油研究总院，北京 100028)

介绍了页岩气开发目前常用的钻井液体系，针对油基钻井液存在污染大、费用高以及钻井工期长等问题，展开水基钻井液体系开发研究。对在美国Eagleford区块页岩气水平井钻井液应用情况进行了总结，有效地解决了油基钻井液污染大、页岩气钻井工期长的问题。通过分析页岩井壁化学失稳机理，总结页岩气油基钻井液和水基钻井液的综合性能指标和成本，现场的成功应用以及研究结果表明了页岩气水平井油基钻井液和水基钻井液都适用未来的页岩气储层开发，但随着环保要求的越来越严格，未来页岩气水基钻井液将具有广泛的应用前景，为水基钻井液在页岩气开发领域的广泛应用提供了借鉴。

钻井工期；井壁化学失稳；页岩气储层开发；水基钻井液

页岩气是指蕴藏在页岩层中的可供开采的非常规天然气资源，其主要成分是甲烷，中国的页岩气可采储量较大。目前，美国是对页岩气的勘探开发历史悠久也是技术最为成熟的国家，美国的页岩气勘探开发具有产量攀升快、工作量很大、后续资源开发潜力大等特点[1]，对全球的页岩气开发产生很大的影响[2,3]。

钻井液技术是解决页岩气勘探开发的重要技术，因此解决降摩阻、井壁稳定以及岩屑床的清除[4,5]等是钻井液选取及设计的关键性问题。油基钻井液具有抗盐、抗高温、强抑制能力、强抗污染能力、有助于井壁稳定性和润滑性、保护页岩气储层等优点[6～8]；但是它也存在着使用成本相对较高、环境污染风险较大等诸多问题。鉴于以上原因应考虑水基钻井液体系，要求这种水基钻井液应与油基钻井液性能比较接近。因此，页岩气水基钻井液体系应重点解决好如下难题[9～11]:热稳定性差，易高温凝胶化；井壁稳定性差；润滑防卡能力；抗污染性能差，维护处理起来工作量较大。

以美国Eagleford区块为例，分析其页岩气水平钻井液技术。

1 美国Eagleford区块页岩气开发和钻井液技术发展概况

1.1页岩气井工厂化和新型钻机

美国Eagleford区块页岩气工厂化钻井主要是对工厂化钻井以及丛式井场批量钻井等一些新型钻完井作业模式的统称，是指利用一系列标准化的装备和服务在同一区块集中布置大批量相似井钻井，以生产或装配流水线的方式实现钻完井的一种作业方式，这种作业方式具备低成本、高效率等优点。工厂化作业模式通过利用快速移动式钻机对同一井场的多口井进行批量式钻完井，一种是批量钻完井后把钻机搬走，利用工厂化压裂模式进行压裂和投产；另一种是流水线的方式，钻完一口再压裂一口，进而实现边钻井、边压裂、边生产。目前非常规油气开发比较先进的国家通常采用这种作业模式，这种作业模式作业效率较高，一个6口井井场的区块如果采用这种最新的同步作业模式比以前节约62.5%的时间。

美国Eagleford页岩气钻井采用“自走式”(便携模块化设计)的Sparta钻机，2014年新增80～100台新钻机(70%来自于排名前三的陆地钻机生产商)，从2012年第一季度，钻井周期下降了21%，降至18d/井。水平井作业效率由2012年第四季度的不到20%增加到2014年初的70%，以与中国海洋中油总公司(CNOOC)合作的Cheseapeake公司为例，其钻机搬迁时间由之前的7.78d降低为3.67d，大幅度地提高了钻井效率，节约了成本。

1.2美国页岩气钻井液技术发展

在长水平段(1200m左右)的钻井作业中，由于页岩地层裂缝的发育不仅容易发生泥页岩水化膨胀缩径、垮塌、井漏等诸多问题而产生井下复杂事故，同时地层污染的问题、携岩以及摩阻也同样非常突出，因此钻井液性能的好坏将直接影响到储层保护的效果、钻井效率以及井下复杂事故的发生率。鉴于以上原因，从钻井液方面讲，井眼清洁技术、降摩阻技术以及井壁的稳定性技术等技术都将成为页岩气水平井钻完井中的关键性技术；在实施这些技术的过程中，同时将会面临岩屑床清除、降摩阻以及井壁稳定等难题。美国页岩气钻井液的发展经历了从最开始的原油基钻井液发展到现如今使用的环保高性能页岩气开发水基钻井液。美国页岩气水平井钻井主要采用油基钻井液体系，为了满足日益严苛的环保要求，近年来，Eagleford区块大量采用水基钻井液进行水平井的开发，其类似于油基钻井液的高性能满足了页岩气水平井的钻井需要，未来的应用前景将十分广阔。

2 页岩气储层特征和井壁化学失稳机理

页岩油气储层黏土矿物含量(一般高于20%，有的甚至高达60%)大大高于常规油气储层(一般小于20%，很多小于10%)，因而水敏性会远远超过常规油气藏。页岩油气储层微孔隙和裂隙往往比较发育，措施不当往往会造成固液相的大量侵入，堵塞页岩中游离气和解吸气的渗流通道以及影响解吸过程，导致页岩油气产量下降，如图1所示。

图1 页岩中游离气解析扩散过程

水或滤液进入后容易破坏泥页岩胶结性，破坏其原有的平衡，导致岩石的碎裂，如图2所示。泥页岩表面纵横交织的微裂缝在钻开井眼后快速开启，同时在正向压差的作用下，钻井液滤液沿毛细管和微裂缝侵入泥页岩内部；当滤液完全充满一个岩块周围的微裂缝时会对岩块完成一次“水力切割”，此时岩块便会与周围的岩体分开，表现在宏观上为泥页岩的剥落掉块。

图2 水浸泡页岩前后的变化情况

图3 A3H井的钻井示意图

因此页岩气水平井油基钻井液应具有的性能：①抑制、防塌润滑；②封堵技术(封堵微裂缝，井眼加固)；③活度平衡。而页岩气水平井水基钻井液设计需要考虑：①对于黏土矿物含量高，需要考虑水基钻井液的抑制性；②对于封堵地层微裂隙需要减少滤液侵入和压力传递；③对于泥页岩渗透水化需要降低水基钻井液水活度；④对于泥页岩表面水化，需要改变水基钻井液表面润湿性，减少自由水的毛细管自吸；⑤对于润滑和摩阻，需要提高水基钻井液润滑能力。

3 美国Eagleford区块页岩气水平井钻井液体系应用实例

3.1油基钻井液体系在Eagleford区块的应用

以A3H井为例，钻井液服务商为Newpark公司。A3H井的钻井示意图如图3所示，在一开中由于岩屑床以及疏松砂岩问题，钻井液利用淡水+膨润土+石灰配制，塑性黏度为35～50mPa·s；二开使用隔离液，用相对密度为1.26的油基钻井液顶替水基钻井液作业，加入沥青提高体系降失水性能，合理使用乳化剂提高乳化效果和高温稳定性。∅12in井段采用Newpark公司的Gel/PHPA聚合物水基钻井液体系，水平段∅8in井段主要采用Newpark公司的OptiDrill油基钻井液体系。上述2种钻井液体系性能如表1所示。

表1 表层和技术井段钻井液体系性能

注：Vhthp为高温高压滤失量，下同。测试温度为120℃。

由于考虑了油基钻井液的重复利用，使得二开油基钻井液的累计费用仅为6.472万美元，费用低于高性能水基钻井液。

3.2高性能水基钻井液在Eagleford区块应用

贝克休斯公司2012年8月研发的LATIDRILL水基钻井液体系，是一种专为非常规页岩气大位移水平井钻井设计的钻井液，应用在Eagleford和Niobrara区块可以提高井眼质量，提高钻井效率，其稳定性、钻进速度及性能与油基钻井液体系相当。经实验室试验和现场应用证实，LATIDRILL水基钻井液成本效益与油基钻井液相当，有时甚至高于油基钻井液。

LATIDRILL水基钻井液在Eagleford页岩气水平井应用情况如表2所示。

一开钻井液配方为：膨润土(4000lbs)+堵漏剂MIL-FLUG FINE(825gal)+井眼清洁剂NEW-DRILL(25gal)+井眼清洁剂MD(75gal)+防泥包剂SOAP-STICK(60个)+稀释剂SAPP。(1lb=0.4536kg，1gal=3.7850L)。

二开增斜段配方为：重晶石(3.85t)+润滑剂ECCO-LUBE(220gal) +氧化褐煤BIO-LOSE(750lbs) +稀释剂DRILL THIN(500gal)+聚阴离子纤维素MILPAC(1850lbs)+KOH(750lbs)+堵漏剂LD-9(10gal)+多功能添加剂LATI-BASE(2000lbs) +稳定井壁润滑剂LATI-MAGIC(3000lbs)+润滑提速剂LATIRATE(1250gal)。

二开水平段配方为：重晶石(3.72t)+润滑剂ECCO-LUBE(330gal)+氧化褐煤BIO-LOSE(1750lbs)+稀释剂DRILL-THIN 450lbsDRILL-ZAND(1000lbs)+KOH(1000lbs)+堵漏剂LD-9(10gal)+多功能添加剂LATI-BASE(2000lbs)+稳定井壁润滑剂LATI-MAGIC(60000lbs)+润滑提速剂LATIRATE(2250gal)。

堵漏材料为：MIL-CARB(碳酸钙)、堵漏剂CHEK-LOSS、片状碳酸钙SOLUFLAKE、LC LUBE(石墨堵漏润滑剂)、LD-9/LD-8、柠檬酸钠、Black Magic SFT(碳酸锌)。

该水基钻井液特征与优势表现在LATIDRILL所含成分可以防止页岩膨胀，防止井眼扩大，从而保证整个井筒完整性。由于井壁稳定，作业商可以钻进更远更快，扩大井眼与储层接触，最大程度地提高产能。与油基钻井液相比，该水基体系产生的循环和井底温度比油基体系低，从而提高井下钻井工具的可靠性，并延长工具寿命，单口井水基钻井液费用在19万美元左右。