常压页岩气用“四低四高”油基钻井液技术研究与应用

　　摘 要：常压页岩气储层页理层理、微裂隙发育，水平井钻井井壁稳定难度大、钻井液漏失风险高，商业开发降本提效需求迫切。为 此文章研发了一套黏度低、滤失量低、加量低、油水比低和破乳电压高、切力高、动塑比高、稳定性高的“四低四高”油基钻井液体系，室 内结果表明其整体性能指标达到或优于国外同类技术水平。该油基钻井液在武隆和梨树等常压气区块多口井成功应用，现场油水比可 降至 60/40，较以往技术单井平均减少基础油用量约 50t，取得了良好的应用效果和经济效益。本研究对于常压页岩气水平井钻井液成 本控制具有重要意义和参考价值。

　　关键词：常压页岩气;水平井;油基钻井液;性能控制

　　1 概述

　　2008 年以来，由于页岩油气勘探开发和复杂深层钻探 需求的大幅增多，我国油基钻井液技术发展迅速[1-2]，技术 水平快速提高。截止 2018 年底，我国已经实现了页岩气水 平井用油基钻井液技术的完全自主化，打破了早期国外技 术在该领域的垄断，充分保障了中国石化涪陵、中国石油 长宁-威远两大国家级页岩气田的建设与开发。 随着国内页岩气资源勘探开发的深入，以重庆武隆、 彭水五峰组-龙马溪组地层和吉林梨树断陷营城组营地层 为代表的常压(压力系数 1.0～1.2)页岩气资源成为关注的 热点[3]。

　　区别于涪陵与威远-长宁，上述常压储层页理层理 和微裂隙更加发育，水平井钻井井壁稳定难度更大、钻井 液漏失风险更高，如何在充分保障水平井钻井安全的前提 下、充分降低钻井成本成为常压页岩气水平井钻井液技术 的最大挑战。 针对上述问题和商业开发需求，本文聚焦常压页岩储 层的地质特征、长水平井钻井安全、优质、高效施工的综合 要求，研制了一套黏度低、滤失量低、加量低、油水比低和 破乳电压高、切力高、动塑比高、稳定性高的“四低四高”油 基钻井液体系，在重庆武隆和吉林梨树等常压气区块多口井成功应用，取得了良好的应用效果和经济效益。

　　2 体系构建

　　常压页岩储层不仅页理、层理发育，而且由于地质演 变过程中历经了多期构造运动[4]，其裂隙更加发育。页岩气 商业开发为了获得更高产能，储层水平段通常长达 800～ 2000m，这给常压页岩气水平井施工带来了巨大的挑战，施 工中井壁失稳风险更高、井眼净化难度更大、页岩漏失问 题愈加突出。

　　为此，常压页岩气水平井用油基钻井液必须 具有良好的乳化稳定性能、突出的微裂隙封堵效果和出众 的井眼清洁功能。为了达到上述钻井液性能要求，本文对 常压页岩水平井用油基钻井液体系组成进行了构建[5]：

　　(1)乳化稳定性是体系稳定的基础。高效的乳化剂可 以保障油基钻井液中水相的充分乳化，最大程度降低页岩 的水化，这对于常压页岩井筒的稳定尤为重要。根据 Hy- dropHile-LipopHile Balance 原理[6]，选用高效乳化剂，以保 障低油水比下的乳化稳定。

　　(2)页岩有效封堵是井下安全的保障。利用扫描电镜 SEM 等分析手段，对武隆、梨树等地区的页岩岩心进行了 微观分析，获得了页岩的微裂缝和孔隙的尺度范围，进而 选择合理粒径范围随钻封堵材料[7]，强化井筒，降低消耗、减少漏失。

　　(3)合理流变性能是水平井井眼清洁的关键。基于提 高页岩长水平井携岩能力、净化井筒的目的，需使用可提 升油基钻井液结构力的流型调节剂，并尽可能降低漏斗黏 度与塑性黏度，维持较高的动塑比，有效地控制合理的流 变性能，确保井眼清洁、保障施工安全。

　　(4)低油水比是降低油基钻井液成本的核心。武隆、梨 树区块常压页岩储层钻探采用的钻井液密度范围为 1.10～ 1.40g/cm3 ，基于现有油水乳化稳定和流变性能控制水平， 油水比宜控制在 60/40~70/30，施工中应结合实钻安全尽可 能维持在上述范围的下限。这有利于减少基础油用量、降 低钻井液的总体成本。

　　3 体系配方与性能

　　3.1 配方组成

　　依据上述的构建思路与设计原则，在新型乳化剂、强 力封堵剂和提切剂等关键处理剂优选的基础上，通过大量 室内实验，获得了常压页岩水平井用“四低四高”油基钻井 液的配方组成：基础油+1.5%主乳化剂+0.5%辅乳化剂+盐水(CaCl2 质 量分数为 20%～35%)+2.0%CaO+1.0%有机土+2.0%降滤失 剂+0.3%提切剂+3.0%～5.0%封堵剂+加重剂，油水比 60/ 40～70/30。

　　按照上述“四低四高”油基钻井液配方组成，依据 GB/T 16783.2 中所述配制程序与测定方法，室内对密度为 1.20～ 1.40g/cm3 的配方 120℃16h 老化后的各项性能进行了评 价，同时与国外 Schlumberger 公司的 MEGADRIL 油基钻井 液的性能进行了对比，上述油基钻井液在油水比 60/40～70/30 条件下经 120℃老化后破乳电压均高于 550V，说明该钻井 液乳化稳定;在 1.20～1.40g/cm3 范围内，塑性黏度在 22～ 27mPa·s，动切力为 8~11Pa，具有高于 0.35 的动塑比和低 剪切转速下的读值，显示了良好的低黏度、高切力流变特 征，说明携岩能力出众，可有效降低环空压耗、保障页岩气 长水平段的井眼清洁和井下安全;同时数据还显示其高温 高压滤失量均低于 3.0mL，这对于维持井壁稳定和降低钻 井液消耗均具有重要的意义。

　　处理剂加量低和稳定性高、破乳电压高、切力高、动 塑比高的“四低四高”突出特征。与国外先进油基钻井液 Schlumberger 公司的 MEGADRIL 相比，常压页岩水平井用 “四低四高”整体性能指标达到同等技术水平，在油水比、 动塑比等指标方面同比更具优势，这使得其更具技术竞争 力。

　　3.2 抗污染性能评价

　　基于常压页岩气水平井施工工况，“四低四高”油基钻 井液现场受到的污染主要包括替浆用水、钻屑和固井冲洗 液三个方面，室内评价了密度为 1.20g/cm3 时三种因素对 其性能的影响，实验模拟了油基钻井液转换过程中，替浆水侵入 后对其性能的影响。数据显示，当模拟的替浆水侵入“四低 四高”油基钻井液后，会引起黏切的升高和滤失量的略微 上升，还会导致破乳电压的降低，这均是由于作为分散相 的水量增加所致。当模拟替浆水侵入量达到 15%时，此时 油基钻井液的油水比已达 54/45，破乳电压为 425V，尚高 于业界安全值 400V，表明其具有良好的抗水污染的能力， 这对于钻井液转换工艺过程控制，“四低四高”油基钻井液 维持性能稳定具有重要的指导意义。

　　5~10 目的大颗粒页岩钻屑侵入“四 低四高”油基钻井液后，其破乳电压、切力等各项性能几乎 无变化，展现出优良污染能力。粒径 180~200 目的钻屑粉 加入后对油基钻井液破乳电压影响很小，但塑性黏度、切 力均有一定程度的增长。当钻屑粉加量至 12%时，塑性黏 度增幅达 36%，表明小粒径钻屑的持续增加将不可避免地 导致油基钻井液中固相内摩擦加剧，此时必须需通过离心 机高速分离的方式将其去除，以保持钻井液流变性能稳 定。

　　水平井固井作业时，固井油基冲洗液 的混入会导致“四低四高”油基钻井液破乳电压下降，当冲 洗液混入 10%时，油基钻井液表现为黏切升高、破乳电压 降低，整体性能保持稳定。但随着固井液侵入量持续增加 至 15%时，乳化稳定性变差，破乳电压降至业界安全值 400V 以下，高温高压滤失量也迅速增加，表明乳化稳定性 大幅下降。

　　由于油基冲洗液中含有大量亲水性的表面活性组分，这些组分的侵入导致油基钻井液中油水乳化液滴界 面吸附的表面活性组分的重新分布，使得乳化液滴的界面 膜强度降低甚至破乳，表现为油基钻井液破乳电压的大幅 降低。因此，基于回收后油基钻井液乳化稳定与提高重复 使用的目的，水平井固井替浆过程中，应加强替浆终点的 判断，以减少固井用油基冲洗液混入“四低四高”油基钻井 液的数量。

　　3.3 封堵性能评价

　　电镜扫描 SEM 测试显示武隆和梨树区块常压页岩地 层微裂隙的尺度分布于 50nm～20um，为了有效模拟上述尺 度的页岩微裂隙的封堵，本文采用粒径尺度为 2um 的 PPA 陶瓷砂盘模拟页岩地层，具体测试程序如下：在 PPA 测试 样杯中装入陶瓷砂盘，然后加入含有不同封堵剂加量的四 低四高”油基钻井液，密封后开启测定程序，测定 120℃下 3.0MPa 和 4.5MPa 不同压差下 30min 的砂盘滤失量。

　　模拟封堵实验结果表明，当“四低四高”油基钻井液在 未加封堵材料时，在 3.0MPa 和 4.5MPa 的压差下，PPA 封 堵实验的高温滤失量为 2.2mL 和 3.8mL。当加入微纳米粒 度尺度、合理级配的封堵剂后，其在 PPA 封堵实验中的滤 失量大幅度降低，封堵效果显著提升。当不同规格的纳微 米封堵剂加量增至 5.0%时，3.0MPa 和 4.5MPa 压差下的高 温滤失量均降至 0mL，表明纳微米颗粒的粒径与模拟的微 裂隙的尺度实现了良好的匹配，同时封堵材料的有效浓度 可以在陶瓷砂盘表面形成致密的封堵层，使得其承压能力 显著提升。

　　4 应用及效果

　　基于常压页岩水平井用“四低四高”油基钻井液体系研究，结合重庆武隆和吉林梨树等常压气区块施工要求， 现场通过油水比维护、封堵防漏控制等措施实现了该技术 多口井的成功应用，取得了良好的应用效果和经济效益。 本文以隆页 A 井为例予以介绍。

　　4.1 隆页 A 井概况

　　隆页 A 井是中国石化武隆常压页岩气区块的一口开 发井，该井钻探目的层为下志留统龙马溪组和五峰组，地 层压力系数为 1.10，属典型常压页岩储层。隆页 A 井采用 三级井身结构，三开包括造斜井段与水平井段，设计完钻 井深 4954m。基于提高钻井速度的目的，该井采用旋转导 向钻井方式。为充分保障钻井井下安全，同时降低成本，采 用“四低四高”油基钻井液技术施工。

　　4.2 关键维护控制工艺

　　4.2.1 采用低油水比乳液补充消耗

　　钻进中，采用油水比 60/40 乳液补充钻井液消耗，该措 施不仅可以保障钻井液的总量，还可以有效维持全井钻井 液的油水比在 70/30～60/40，利于黏切的合理控制。

　　4.2.2 监测与控制流变性能与固相含量

　　(1)每班次监测流变性能与固相含量，利用固控设备 和乳液调整，将密度 1.25～1.30g/cm3 范围的钻井液漏斗黏 度控制在 50～65s、动切力控制在 8～14Pa。

　　(2)120 目及以上高频振动筛和除砂除泥一体机 24h 运转、间歇使用高速离心机，将低密度固相含量控制在 5.0%以下。

　　4.2.3 及时补充随钻封堵材料，强化封堵、降低消耗 使用多种纳微米尺度的封堵剂，维持浓度在 4-5%的 浓度用量，将高温高压滤失量控制在低于 4.0mL，单位进尺 钻井液消耗量控制在不高于 0.07m3 /m，强化井筒、节约成 本。

　　4.3 应用效果

　　现场应用表明，隆页 A 井三开采用“四低四高”油基钻 井液技术施工效果显著，累计进尺 1982m。“四低四高”油基钻井液技术整个施工过程油 水比均低于 70/30，较同区域传统油基钻井液技术同比降 低约 15%，累计节约基油 55t，降本显著;低黏高切流变性能突出，携岩返砂正常，保障了旋转导向钻井速度的充分 释放，机械转速较邻井同比提升 30%，钻井周期缩短 12d， 提速效果突出;随钻封堵效果明显，单位进尺钻井液消耗 降至 0.07m3 /m，较该区块平均消耗量降幅达 24m3 ，有效节 约钻井液成本。

　　5 结论与建议

　　(1)基于常压页岩储层特征，聚焦长水平井施工安全 和降本提速的需求，研发了一套黏度低、滤失量低、加量 低、油水比低和破乳电压高、切力高、动塑比高、稳定性高 的“四低四高”油基钻井液体系。

　　(2)室内结果表明“四低四高”油基钻井液油水比可达 60/40、破乳电压高于 550V、动塑比大于 0.35，整体性能指 标达到或优于国外同类先进技术水平。

　　(3)“四低四高”油基钻井液在武隆和梨树等常压气区 块多口井成功应用，较以往技术单井平均减少基础油用量 约 50t，钻井液消耗量同比减少 20%以上，经济效益显著。

　　(4)“四低四高”油基钻井液对于常压页岩气水平井钻 井液成本控制具有重要意义，建议推广应用。

　　石油论文投稿刊物：《石油钻探技术》创刊于1973年，经国家科委批准，1979年在全国发行，1988年对国内外公开发行。主要报道国内石油钻探工程(包括钻井、泥浆、固井、完井、开采等专业)以及钻探机械设备与自动化方面的科技进展和现场经验，适当介绍国外石油钻探技术发展的水平和动向。

　　参考文献：

　　[1]王显光，李雄，林永学.页岩水平井用高性能油基钻井液研究与 应用[J].石油钻探技术，2013，41(2)：17-22.

　　[2]林永学.中国石化页岩气油基钻井液技术进展与思考[J].石油钻 探技术，2014，42(4)：7-13.

　　[3]方志雄，何希鹏.渝东南武隆向斜常压页岩气形成与演化[J].石 油与天然气地质，2016，37(6)：819-827.

　　作者：王显光