页岩气井环保型强抑制水基钻井液体系研究与应用

2020-06-04杨建民熊小伟尹后凤

钻采工艺 2020年2期

杨建民，刘伟，熊小伟，王丹，王希，尹后凤, 冯斌

(1中国石油长庆油田分公司采油七厂 2中国石油长庆油田分公司采油三厂 3中国石油渤海钻探工程公司定向井分公司 4华港燃气集团有限公司 5玉门油田分公司老君庙采油厂)

随着国内环保法规制度的完善以及人们环保理念的逐渐增强，在油田钻井过程中对钻井液的环保性能的要求越来越严格，不仅需要钻井液体系能够满足钻井工程技术的要求，更要具有良好的环境保护性能，因此，急需研究及开发出无毒、易降解且重金属含量达标的水基钻井液处理剂和钻井液体系[1-12]。

四川盆地某页岩气区块储层段含有大段泥页岩，页岩组成为25%～48%的黏土矿物、20%～35%的石英颗粒、1%～10%的有机质；黏土矿物中伊利石的含量最高，占比为40%～50%左右，伊/蒙混层占比为10%～15%左右，不含高岭石。由于目标区块页岩储层中黏土矿物含量较高，因此在钻井过程中极易发生井壁失稳、垮塌等复杂情况。为此，笔者结合目标区块储层特点，以环保性能良好的复合抑制剂HBYZ-2和高效润滑剂CQHY-3为主要处理剂，研究开发出了一套适合于页岩气水平井的环保型强抑制水基钻井液体系，在室内对该钻井液体系的综合性能进行了评价，并进行了现场应用试验，为此类页岩气水平井的高效合理开发提供一定的理论依据和技术支持。

一、环保型强抑制水基钻井液的研制

1. 研制思路

(1)一定的密度范围和良好的抗温能力，根据目标区块地层实际情况，研究出与目前常用油基钻井液体系密度相当的环保型强抑制水基钻井液体系，密度调节范围在1.2～1.4 g/cm3，以平衡地层压力，并具有良好的抗温能力。

(2)强抑制防塌性能、良好的润滑性能及良好的封堵性能。

(3)良好的环保性能，随着环保法制管理以及环保观念的加强，油基钻井液以及合成基钻井液的应用受到越来越多的限制，因此，需要研制环保性能优良的高性能水基钻井液以逐渐替代油基钻井液的使用，这就要求水基钻井液处理剂以及体系要具备较低的生物毒性和较好的生物降解性，以满足相关的环保要求。

2. 新型复合抑制剂HBYZ-2的研制及作用机理

2.1 抑制剂HBYZ-2的研制

将马来酸酐、多羟基三乙胺和水按一定比例混合，搅拌至混合均匀后升高温度，在70℃～90℃条件下反应3～5 h后，继续升高温度至120℃，再继续反应3～5 h后，降低温度至80℃，加入无水乙酸，继续搅拌反应2～3 h后，即得新型复合抑制剂HBYZ-2。

2.2 抑制剂HBYZ-2的作用机理

新型复合抑制剂HBYZ-2分子结构中含有强抑制作用的胺基，其能通过静电作用吸附在黏土颗粒表面，对黏土颗粒表面的负电荷起到中和作用，降低了黏土颗粒的Zeta电位和黏土晶层间的水化斥力，从而抑制黏土颗粒晶层间的水化膨胀作用；另外，抑制剂HBYZ-2分子结构中还含有吸附作用强的多羟基结构，其能利用静电作用和氢键作用在黏土颗粒表面形成多点吸附，起到压缩黏土双电层的作用，缩短了黏土颗粒之间的晶层间距，达到抑制黏土颗粒水化分散的目的。

3. 主要处理剂的优选及评价

3.1 抑制剂的优选及评价

室内研制了新型复合抑制剂HBYZ-2，该抑制剂不含氯离子和重金属，对水体基本无伤害。采用页岩滚动回收率实验评价了其抑制性能,结果显示,加入新型复合抑制剂HBYZ-2的钻屑滚动回收率达到73.5%，HBYZ-2具有良好的抑制性能,能较好防止泥页岩的水化膨胀，起到稳定井壁的作用。

3.2 润滑剂的优选

在基浆中加入不同类型的润滑剂，利用EP极压润滑仪测定其极压润滑系数，优选出性能优良的润滑剂。基浆配方为：0.2%NaOH+0.3%包被剂PAC-LV+3%降滤失剂CMS-1+0.5%流型调节剂MMF-2+5%超细碳酸钙+重晶石加重至1.2 g/cm3。实验结果可知，在基浆中加入不同类型的润滑剂后，极压润滑系数均出现不同程度的下降，其中高效润滑剂CQHY-3的效果最好，当其加量为2%时，极压润滑系数可以降低至0.073，相比较于基浆而言润滑系数降低率达到了78.01%，起到了良好的润滑效果。

3.3 处理剂环保性能评价

对优选的新型复合抑制剂HBYZ-2和高效润滑剂CQHY-3开展了环保性能评价，由实验结果可知，抑制剂HBYZ-2和润滑剂CQHY-3的EC50值均达到无毒标准，并且BOD5/COD比值均大于25，达到易降解标准，说明优选的两种主要处理剂对环境的影响较小，具有良好的环保性能。

4. 体系配方确定

根据以上关键处理剂的优选与评价结果，结合目标区块页岩气井储层段特点，通过大量室内实验，最终研制出一套环保型强抑制水基钻井液体系，具体配方为：0.2%NaOH+0.2%～0.4%包被剂PAC-LV+3%～5%降滤失剂CMS-1+0.5%～0.8%流型调节剂MMF-2+1%～2%环保型复合抑制剂HBYZ-2+1%～2%高效润滑剂CQHY-3+3%～5%防塌剂NFA-25+3%～5%封堵剂FDA-02+5%～8%超细碳酸钙+重晶石。

二、环保型强抑制水基钻井液体系性能评价

1. 热稳定性

室内评价了环保型强抑制水基钻井液体系在不同温度下老化前后的流变性和滤失量，评价体系的热稳定性，实验结果见表1。

表1 环保型强抑制水基钻井液体系的热稳定性

注：钻井液体系密度为1.2 g/cm3。

由表1实验结果可知，当老化温度低于150℃时，体系均具有良好的流变性和较低的滤失量，API滤失量仅为1 mL，HTHP滤失量小于5 mL，说明体系具备良好的热稳定性和封堵效果；而当老化温度升高至160℃时，体系黏度和切力出现下降，滤失量有所增大；因此，体系最高抗温可以达到150℃，能够满足目标区块页岩气水平井钻井施工的要求。

2. 抑制性能和润滑性能

采用储层段泥页岩钻屑评价了环保型强抑制水基钻井液体系和现场用油基钻井液体系的抑制性，包括滚动回收率实验和线性膨胀率实验。并利用极压润滑仪和黏附系数测定仪评价了两种钻井液体系的润滑性能，实验结果见表2。

由表2结果可以看出，环保型强抑制水基钻井液体系对泥页岩钻屑的一次、二次滚动回收率均在98%以上，体系的16 h线性膨胀率仅为1%左右，与现场用油基钻井液体系的抑制性能相当，这说明环保型强抑制水基钻井液体系具有良好的抑制性能，能够较好的抑制泥页岩的水化膨胀，起到稳定井壁的效果。另外，环保型强抑制水基钻井液体系的极压润滑系数和滤饼黏附系数分别为0.071和0.039，性能指标接近现场油基钻井液体系，说明体系具有良好的润滑性能，可以满足现场钻井时对钻井液润滑性的要求。

表2 钻井液体系抑制性能和润滑性能实验结果

注：老化条件为130℃×16 h。

3. 抗污染性能

室内分别使用英国评价土和钻屑粉(粒径为0.145 mm)评价了环保型强抑制水基钻井液体系的抗污染能力，实验结果见表3。

由表3实验结果可知，在钻井液体系中加入不同质量分数的评价土和钻屑粉后，体系的流变性、滤失量以及滤饼厚度变化不大，说明研制的环保型强抑制水基钻井液体系具有较强的抗污染能力。

4. 储层保护性能

目标区块页岩气井储层段具有低孔、低渗的特点，在保证钻井施工顺利的基础上，应尽可能的降低钻井液对储层渗透率的伤害。室内使用多功能岩心驱替实验装置评价了环保型强抑制水基钻井液对储层岩心的伤害率，实验结果表明，环保型强抑制水基钻井液体系对目标区块页岩气储层岩心的渗透率伤害率平均值为7.2%，伤害率较低，说明在钻井过程中钻井液对地层的伤害影响较小，具有良好的储层保护性能。

表3 环保型强抑制水基钻井液体系抗污染能力

注：老化条件为130℃×16 h。

5. 钻井液体系环保性能

室内评价了环保型强抑制水基钻井液体系的生物毒性、生物降解性和重金属含量，实验结果见表4，其中重金属含量的测定参照GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》。

表4 钻井液体系环保性能测试结果

由表4实验结果可知，环保型强抑制水基钻井液体系生物毒性EC50值为38 600 mg/L，属于无毒；BOD5/COD值为39.52%，属于易降解标准；五种重金属含量均远远低于标准值。说明研制的环保型强抑制水基钻井液体系具有良好的环保性能。

三、现场应用

应用研制的环保型强抑制水基钻井液在四川盆地某页岩气区块CX-1和CX-2井进行了现场试验，应用效果较好，现场施工顺利。两口井从三开井段开始替入环保型强抑制水基钻井液体系，三开井段所钻遇地层为上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组，上部以深灰色泥岩、含砾细砂岩以及灰黑色碳质页岩为主，下部以石灰岩和灰黑页岩为主，钻井过程中极易发生井壁失稳、垮塌等复杂情况。CX-1井和CX-2井分别钻至3 518 m和3 459 m完钻，水平段长度分别为1 540 m和1 510 m。同区块内的邻井M井结构与CX-1和CX-2相似，其使用油基钻井液进行钻井，现场两口井与邻井的应用效果见表5。

表5 现场两口井与邻井应用效果对比

由表5结果可看出，CX-1和CX-2井使用环保型强抑制水基钻井液取得了较好的现场应用效果，钻井液流变性能稳定，具有良好的抑制性、润滑性和滤失造壁性，与油基钻井液性能相当；钻井过程中没有出现垮塌、井壁失稳、黏附卡钻等复杂情况，钻进速度较快、井眼规则、泵压较低、摩阻较小、起下钻通畅；电测一次成功，下套管固井作业过程顺利，钻井应用效果与使用油基钻井液体系的邻井M井相当，说明研制的环保型强抑制水基钻井液体系能够应用于页岩气水平井钻井作业。