吴琳
(中石化南京化工研究院有限公司，江苏南京 210048)
页岩气是一种非常规天然气资源，常以游离和吸附状态赋存于页岩层或泥岩层中。随着人们对不可再生资源及清洁能源认识的提高，页岩气这种新兴油气资源越来越受到重视。钻井液是贯穿整个油气开采过程中用于满足钻井工程不同环节需求下循环流体的总称。钻井液按分散介质（连续相）可分为水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体等。钻井液主要由液相、固相和化学处理剂组成。液相可以是水（淡水、盐水）、油（原油、柴油）或乳状液（混油乳化液和反相乳化液）。固相包括有用固相（膨润土、加重材料）和无用固相（岩石）。化学处理剂包括无机、有机及高分子化合物。油基钻井液具有抗高温、抗盐、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点。钻井中的泥页岩井壁稳定性问题是影响钻井技术发展的重要问题之一，而泥页岩水化则是影响井壁稳定性的关键性因素。水化作用会导致泥页岩水化膨胀、强度下降、孔隙压力增加等变化，容易造成井壁坍塌。目前，在解决泥页岩水化问题时，油基钻井液技术已成为最主要的技术。同时，在施工高难度深井、大斜度定向井、水平井及处理各种复杂地层时，全油基钻井液技术也得到广泛的应用。
有机膨润土是一种吸水性较强的矿物黏土，遇水后可迅速吸水溶解并且膨胀数倍，待充分溶解后在水中可呈现出悬浮性较好的凝胶溶液，该溶液具有较强的黏滞性，可在钻井的孔壁周围形成一层薄薄的泥皮，从而有效地对井壁进行渗透、加固、粘合、保护，防止井壁的塌陷。重庆涪陵焦石坝地区地层条件复杂，可钻性差，某些区块还存有溶洞及裂缝带，对油基钻井液性能要求非常高。因此，这对有机膨润土的抗剪切能力和热稳定性提出了更高的要求。针对焦石坝地区复杂地质情况的要求，对新疆天然提纯钠基膨润土进行有机改性，制备了NHY-1型有机膨润土，并对其配伍油基钻井液的流变性能及热稳定性进行了优化。
1.1 主要试剂和仪器
1)主要试剂。新疆天然提纯钠基膨润土，阳离子表面活性剂1831，自主合成功能性材料
MOTGA-1。
2)主要仪器。日本HITACHI S-4800型扫描电镜，德国BRUKER AXS 5030型能谱，德国BRUKER X射线衍射仪，青岛海通达变频高速搅拌机，上海平轩ZNN-D6B型六速旋转黏度计，上海申顺生物科技W201恒温水浴锅，上海精宏鼓风干燥箱。
1.2 钠基膨润土的有机化
为了使提纯后的钠基膨润土改性为有机膨润土，需要将钠基膨润土进行有机化处理。钠化改型后的蒙脱石水化能、阳离子交换容量和分散能力均显著提高，将其与有机改性剂反应，制得有机膨润土。有机改性剂采用碳原子数在12以上的阳离子表面活性剂，进行离子交换反应，使亲水性蒙脱石变成疏水性蒙脱石：
Na-Bentonite+[NH4-R]Cl→[NH4-R]Bentonite+NaCl
制备方法：准确称取50 g 0.075 mm(200目)的钠基膨润土，配成一定浓度的悬浮液，搅拌10 min，使膨润土充分分散。将膨润土悬浮液在水浴中加热到70 ℃，加入一定浓度的有机改性剂1831溶液，保温搅拌1.5 h，使其充分反应，然后加入一定量的MOTGA-1水溶液，继续搅拌1 h,然后冷却至室温，过滤，洗涤至用0.1 mol/L AgNO3溶液检验无Br-为止，烘干、研磨即得钻井液用有机膨润土，命名为NHY-1型有机膨润土。
1.3 物化分析
对钠基膨润土和NHY-1型有机膨润土进行SEM和物化分析，结果见图1和图2。
图1 钠基膨润土的SEM照片
图2 NHY-1型有机膨润土SEM照片
由图1和图2可见：钠基膨润土呈紧密重叠的片状分布，片层较大；
NHY-1型有机膨润土呈分散态小晶片状分布，片层较薄。说明有机改性过程中，插层剂在蒙脱石晶层间均匀插入，与晶层表面发生连接，增大了原有层间距，使蒙脱石层片变得小而薄且十分疏松。
NHY-1型有机膨润土理化参数测定结果见表1，配制的钻井液性能参数见表2。
表1 有机膨润土理化参数
表2 室温下钻井液性能指标
由表1和表2可见：NHY-1型有机膨润土性能稳定，各项理化指标均达到了参数指标要求；
以NHY-1型有机膨润土配制的钻井液性能也较为优良，达到了现场使用要求。
1.4 性能检测
1.4.1 温度稳定性试验
对NHY-1型有机膨润土进行不同温度下性能检测，考察了有机膨润土的耐温性能和热稳定性，结果见表3。
表3 温度稳定性试验结果
由表3可见：通过对不同温度热滚试验下有机膨润土性能的检测，NHY-1型有机膨润土具有良好的耐温性能和热稳定性。
1.4.2 全油基钻井液体系性能评价
将NHY-1型有机膨润土产品在不同密度全油基钻井液体系中进行性能评价，在150 ℃下经16 h的高温老化，结果见表4。
表4 NHY-1型有机膨润土在全油基钻井液中的性能评价
由表4可见：NHY-1型有机膨润土在全油基钻井液体系中具有良好的提黏切性能。
1.4.3 油包水钻井液体系性能评价
将NHY-1型有机膨润土在不同密度油包水钻井液体系中进行性能评价，在150 ℃下经16 h的高温老化，试验结果见表5。
表5 NHY-1型有机膨润土在油包水钻井液体系中的性能评价
由表5可见：NHY-1型有机膨润土在油包水钻井液中表现出良好的流变性能。
NHY-1型有机膨润土在全油基、油基乳化钻井液体系中的性能评价以及与现场处理剂进行的配伍试验结果可以表明：NHY-1型有机膨润土在油基钻井液中具有良好的提黏切效果，与现场处理剂配伍性能良好，能够满足现场油基钻井液的应用要求。
2.1 焦石坝区块地质概况
涪陵焦石坝区块页岩气藏是我国开发较早的页岩气田，属于川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜带焦石坝构造。其主体部位为构造位置相对较高、地层产状较为宽缓的山地丘陵地形，地表出露地层为嘉陵江组灰色、深灰色灰岩，在地下水和地表水的岩溶作用下，呈喀斯特地貌发育，山体沟壑较多。因此，钻前工程难度较大，工程费用较高。复杂的地质和地表条件给钻井、完井带来了诸多困难，造成施工成本也较高。
2.2 焦石坝区块钻井液施工技术难点及解决方案
焦石坝地区三开井段主要岩性为碳质泥岩，水敏性强，地层稳定性差，焦页47-4HF井二开井段钻进过程中因井下复杂、井壁失稳严重提前终止。该地区三开井段2 000 m以上，钻屑携带难度大，要求钻井液具有良好的流变性以满足长水平井段的井眼清洁技术要求。
该区块应用油基钻井液的三开井段地层特点和钻井液施工技术难点如下。
1)地层特征。目的层上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组为深水陆棚相沉积，有机质泥页岩发育；
目的层泥页岩孔隙度为1.17%~7.22%，平均孔隙度达4.52%，渗透率(0.001 5~81.35)×10-3μm2，平均渗透率达0.32×10-3μm2，具有较好的储集性能和渗流能力。目的层地层温度86 ℃，地层压力系数1.30~1.55，天然气组分以甲烷为主，不含硫化氢，含少量二氧化碳(φ=0.196%)和氮气。
2)施工难点。①有机质泥页岩的储层，易水化膨胀导致井壁失稳；
②水平井段距离长，要求钻井液具有良好的润滑性和悬浮携带能力；
③地层层理微裂缝发育，要求钻井液具有良好的防漏能力；
④完井作业技术难度大。
为了满足焦石坝地区复杂的地质情况的要求，提高NHY-1型有机膨润土配伍油基钻井液的流变性能及热稳定性，采取如下优化思路。
1)针对油基钻井液因剪切力不足导致黏度大，悬浮性差，易形成岩屑床等缺点，调整复合改性剂的配比，增大有机膨润土层间距，增强胶束及形成网状结构形成的作用力，从而提高油基钻井液的剪切力。
2)涪陵地区超过7 000 m的超深井井底温度很可能超过180 ℃，因此油基钻井液容易产生因耐温性能差导致流变性能和携岩能力差的问题，通过增加改性剂用量，使改性剂形成的空间网状结构更加致密，从而提高体系的黏度和切力，增强油基泥浆的耐热稳定性。
2.3 施工井例焦页49-3HF
2.3.1 概况
焦页49-3HF井为中原油田西南钻井公司70117钻井队承接，该井设计井深4 980 m，实际井深5 000 m，A靶斜深3 015 m/垂深2 650.58 m(井斜92.87°、方位27.83°)，B靶斜深5 000 m/垂深2 405.50 m(井斜84.3°、方位42.9°)，水平位移1 215 m，水平段长2 227 m，最大井斜92.3°，方位变化353°~177.1°，三开钻时2~36 min/m，水平段平均钻时4 min/m，平均井径扩大率1.42%。
2.3.2 现场施工概况
2.3.2.1 钻井液配制与维护
油基钻井液基液配方为油水体积比2.33~4，NHY-1型有机膨润土(w)1%~3%，主乳化剂(w)4%~6%，辅助乳化剂(w)4%~6%，油基降滤失剂(w)3%~5%，油基封堵剂(w)3%~5%，石灰(w)3%，超细碳酸钙(w)3%~5%，钻井液用堵漏防塌助剂FT-1(w)1%~2%。
2.3.2.2 主要维护措施
在现场施工过程中，主要采取如下维护措施保证钻井液的正常使用。
1)保持油水比稳定，降低含水波动对井浆性能的影响，油水体积比基本维持在4左右。
2)控制固相含量，高效运转固控设备与跟进低固相维护新浆相结合。
3)损耗量允许情况下，尽量减少具有增稠作用的封堵材料的使用量(油封、超钙、FT-1)。
4)提高一体机、离心机运转时率，离心机日运转大于8 h。
5)针对油基钻井液的黏温敏感性，长时间停泵、起下钻作业后，减少参与循环的地面罐体数量，同时降低循环罐液面，以减少开钻时的循环体量，缩短循环升温时间。
2.3.2.3 三开阶段钻井液性能
全井段油包水油基钻井液性能见表6。
表6 三开钻井液分段性能
2.3.3 应用效果分析
油包水油基钻井液在焦页49-3HF井应用过程中，具有流变性好、黏度低、滤失量小的优点，着陆后高钻速(2~4 min/m)及固相含量升高较快的情况下仍能保持性能稳定。
1)井壁稳定、井下安全。三开井段采用油包水油基钻井液，钻井液连续相为油相，滤失量小且滤液为柴油不含水，对井壁无水化作用，可以很好地保持井壁稳定性，同时通过强化钻井液的封堵性能较好地维持井壁稳定性，三开井眼规则、平均井径扩大率1.42%。
2)润滑性好、定向施工顺利。
3)钻井液易于维护处理、性能稳定。钻井液性能稳定，抗高温、抗盐钙侵能力强，日常维护不需要经常调整。该井中后期钻速较快，固相明显上升，黏切升高，通过加强三级固控和适当混入未加重的轻浆，使钻井液性能得到有效控制。
4)携砂良好，井眼清洁。现场钻进过程中，返出的砂子棱角分明，返出的岩屑清晰、完整，岩屑上PDC钻头切削的牙痕清晰可见。
5)钻井液封堵效果好，防漏能力强。通过有效利用固控设备及精细的钻井液维护管理，配合防漏封堵材料，使钻井液在高机械钻速、较高固相含量情况下依然保持良好的流变性能。三开全井段安全快速钻进，滤失量小、无井漏，较好地控制了钻井液成本。相比同区块其他钻井液用有机膨润土，NJY-1型有机膨润土配比减少1%~2%，口井钻井液成本平均节约6.9%，钻井周期平均缩短2.1 d，有效节约了人工及设备材料费用，并与其他钻井液处理剂有良好的配伍性。
1)通过焦石坝页岩气开发的应用研究试验，针对油基钻井液因剪切力不足导致黏度大、悬浮性差、易形成岩屑床等缺点，完成了有机膨润土生产工艺的系统优化研究，实现了在提高有机膨润土的增黏提切和耐高温性能的同时，降低了生产成本。
2)现场试验结果表明：NHY-1型有机膨润土具有良好的流变性、降滤失性和携砂能力，钻井液在高机械钻速、较高固相含量情况下依然保持良好的流变性能。三开全井段安全快速钻进，滤失量小、无井漏，较好地控制了钻井液成本，完全满足页岩油气开发等非常规井开发的需求，产生了良好的社会和经济效益。
猜你喜欢石坝膨润土钻井液土石坝坝体失稳破坏降水阈值的确定方法建材发展导向(2021年19期)2021-12-06水利土石坝工程筑坝的施工技术要点建材发展导向(2021年11期)2021-07-28膨润土纳米材料改性沥青的可行性及路用性能研究山西交通科技(2020年6期)2021-01-16重金属对膨润土膨胀性的影响矿产综合利用(2020年1期)2020-07-24膨润土添加量对焦炉用硅砖性能的影响山东冶金(2019年5期)2019-11-16原矿土钻井液室内评价与应用钻井液与完井液(2019年4期)2019-10-10树枝状聚合物在钻井液中的应用研究进展钻井液与完井液(2019年4期)2019-10-10无限元法在深覆盖层土石坝动力分析中的应用震灾防御技术(2019年3期)2019-06-02一种钻井液用高效抗磨润滑剂钻井液与完井液(2018年5期)2018-02-13董7井井壁稳定钻井液技术天然气勘探与开发(2014年4期)2014-02-28
