一种适合页岩气水平井的水基钻井液.pdf

第 3 2卷 第 2期 2 0 1 5年3月 钴井液与 完 井液 DRI LL r NG F LUI D ＆ COM P L ETI ON F L UI D 、 ， 0 1 ． 3 2 No ． 2 M a r ．2 01 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 8 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 2 一 种适合页岩气水平井的水基钻井液 常德武， 蔡记华， 岳也， 杨现 禹 中国地质大学 武汉 工程学院，武汉 常德武等 ． 一种适合页岩气水平井的水基钻井液 [ J J ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 2 4 7 - 5 1 ． 摘要 由于泥页岩地层特性以及页岩气钻井工艺技术特点， 目前页岩气井多采用成本较高、易污染环境的油基 钻井液。优选一种基于纳米材料的水基钻井液体系，该钻井液利用纳米二氧化硅封堵泥页岩微小孔隙，采用磺化沥青 S o l t e x 作页岩井壁稳定剂。对该体系的高温高压滤失性能、高温高压流变性、膨胀性、滚动回收率、润滑性、泥饼摩 阻系数以及表面张力等参数进行了测试。结果表明，该钻井液对泥页岩有较强的抑制性，抑制效果好于具有强抑制性 的聚合醇体系，可防止泥页岩水化膨胀分散，保证井壁稳定 ； 具有很好的润滑性，润滑系数为0 ． 2 1 ，泥饼摩阻系数为 0 ． 0 4 9 7； 在 1 2 0。 C 下滤失量较低 ，流变模式较符合赫．巴模式 ；纳米二氧化硅 ／ 纳米碳酸钙近似球型结构，以及与 S o l t e x的协同作用，使钻井液具有低表面张力，可削弱水锁损害。该水基钻井液体系适用于泥页岩地层钻进。 关键词 泥页岩 ； 水平井 ； 水基钻井液 ； 纳米材料 ； 抑制性 ； 中图分类 号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 5 0 2 - 0 0 4 7 ． 0 5 0 引言 泥页岩地层裂隙发育、水敏严重，与钻井液及其 滤液接触易造成井漏 、垮塌 、缩径 ； 在页岩气钻井中 由于水平井段长，会带来摩阻、携岩等问题 ； 页岩储 层孔喉细小 、渗透性差 ，易造成水锁损害 ，对储层造 成伤害 [ 1] 。针对泥页岩地层及钻井特点，国内外在大 部分页岩气开发井中使用了油基钻井液，也有少部分 水基钻井液得到应用 [2 -3 ] o但油基钻井液具有成本高、 地层及环境污染等问题 f1] 。根据泥页岩井壁水化失稳 机理，水基钻井液主要通过使钻井液具有成半透膜性 能或在井壁上形成隔离膜 ，从而封堵地层裂隙 ，防止 地层水化膨胀 ，防止井壁失稳 [ 4 - 5 J o因此泥页岩水基 钻井液主要有 2 类 半透膜钻井液 [6 和隔离膜钻井 液 。隔离膜钻井液利用特殊聚合物处理剂 ，在泥饼和 井壁岩石表面聚集形成可变形隔离膜 ，封堵岩石表面 孔喉 [ 1 5 - 1 6 ] 。 笔者提出了解决泥页岩水平井钻进中遇到的井壁 稳定、降低摩阻、井眼清洗和储层水锁损害等问题的 基于纳米材料 的水基钻井液体系 。通过进行泥页岩成 分分析、钻井液流变性分析、钻井液滤失性能分析、 泥页岩膨胀性测试及泥页岩滚动 回收率评价、钻井液 润滑性评价、 表面张力测试， 并对该体系进行了评价。 1 实验 材料 纳米材料 纳米 二氧化硅分散 液 质量浓 度为 3 0 ％ 、纳米碳酸钙 ； 泥页岩样品有取 自延长油田的 页岩、碳质泥岩、叶舞 Z K 一 3 井的泥页岩，将其磨成 粒径为 0 ． 9 ～2 ． 0 m ／ n的粉末 ，用于滚动回收测试 ； 将 l 0 g 过孑 L 径为 0 ． 1 5 4 m t n 筛的泥页岩粉末在 J H P岩心 压制机上在 8 MP a 压力下压制 5 min ，取出即可得到 实验 所需 岩心 直径 为 2 5 mi n ，长 度为 1 O ． 7 mm ， 用于膨胀性测试。 2 C WBM 钻井 液的基本性 能 2 ． 1 泥页岩专用水基钻井液配方 该钻井液使用纳米二氧化硅作为架桥剂，使用 纳米碳酸钙作为页岩堵漏剂，磺化沥青钠盐作为页岩 井壁稳定剂，改性淀粉作为降滤失剂，腐植酸钾作为 防塌剂，聚阴离子纤维素作为增黏剂，黄原胶作为流 型调节剂，褐煤树脂作为抗高温处理剂。经过室内实 基金项 目 国家 自然科学基金 4 1 0 7 2 1 1 1 ，中央高校基本科研业务费专项资金 C U G1 2 0 1 1 2 、C U G1 3 0 6 1 2 和中国石油 科技创 新基金项 目 2 0 1 4 D． 5 0 0 6 ． 0 3 0 8 。 第一作者简介 常德武，在读硕士研究生，主要从事钻井液、储层保护的研究工作。地址 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 3 8 8号中国地质大学 武汉 工程学院 ；邮政编码 4 3 0 0 7 4；电话 1 3 5 5 4 3 4 5 7 9 1； E ma i l c h a n g d e wu 1 9 9 0 1 6 3 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 钴井液与 完井 液 2 0 1 5年 3月 验 ，得 出泥页岩专用水基钻井 液 C WB M，其基本配 方如下。 水 十 5 ％钠 膨 润 土1 ． 8 ％S o l t e x 0 ． 6 ％Dr i s p a c 0 ． 1 5 ％F l o w z a n 0 ． 8 ％DF D 2 ． 4 ％S P NH 3 ％纳米 S i 0， 分 散液 2 ％纳米碳酸钙 1 ． 2 ％KH m 2 ． 2 热稳定性 测试 C WB M 钻井液在热滚前后 的基本性能 ，结 果如表 1 所示。C WB M 钻井液在室温下具有较好 的 流变性能和较低的滤失量，在 1 2 0 oC 下老化后， 其表 观黏度、塑性黏度、动切力都有所降低，但降低幅度 较小 。滤失量增 大的幅度也较小 ；表 明其热稳定性 较好。 表 1 C WB M钻井液的基本性能 注 钻井液 p H值均为 1 O ，滤液 p H值均为 9 。 2 ． 3 高温高压滤失性能 使用 H D F ． 1 高温高压动态失水仪测试 C WB M钻 井液在 8 0 ～1 2 0℃高温、上流压力均为 4 ． 1 4 MP a 、回 压均为 0 ． 6 9 MP a 高压下的动态及静态滤失性能。在转 速为 1 0 0 r ／ mi n条件下，从 8 O℃升至 1 0 5 o C， C WB M 钻井液的A P I 动滤失量仅从 1 2 ．4 mL变为 1 5 ．6 m L ， 而 1 2 0 o C时的 AP I 静滤失量为 1 7 ． 2 mL 。可见 ，C WB M 钻井液的滤失性能在高温高压条件下表现良好。纳米 材料在高温条件下性能稳定 ， 能提高体系的热稳定性 ； 磺化沥青 S o l t e x也有较好的抗高温性能。2 者与膨润 土及其他高分子量聚合物配伍 ，能够形成薄而韧的泥 饼 ，封堵滤纸孔隙，从而控制滤失量 】 。 2 ． 4钻井液 流变性 使用 F a n n 5 0 S L高温高压流变仪测试 C WB M钻 井液在高压下随温度的变化情况 ，并建立流变模型及 黏度预测数学模型。C WB M 钻井液在 5 ． 8 5 MP a压差 及不同温度下的流变曲线和黏度变化曲线见 图 1 和图 2 。由图 l 和图 2可看 出，C WB M 钻井液在压差 5 ． 8 5 MP a 、不同剪切速率下的剪切应力随温度的升高逐渐 降低，该钻井液的流变曲线不过原点，表明该流体在 高温高压下属于塑性流体 ； 随着温度升高，C WB M 钻井液的表观黏度和塑性黏度有所降低 。 使用数据处理软件 D a t a P r o c e s s in g S y s t e m 计 2 5 1 0 5 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 剪切速率， s - ‘ 图 1 C WBM钻井液在不同温度下的流变曲线 5 ． 8 5 MP a 硝 童 糯 ℃ 图 2 C WB M钻井液在不同温度下的黏度曲线 5 ． 8 5 MP a 表 2 不同的流变方程拟合 _ 流变 模式 流变方程 1 0 0℃ 1 2 0 o C 算 。根据各流型拟合的流变方程结果如表 3所示 。根 据决定系数 R 、检验值 及其显著水平 P 来选择最 优的流变模式。当使用几个流变方程进行拟合时，取 决定系数 与检验值 F最大，同时P值最小者为最 优 [1 8 -1 9 ] 。通过数值计算，综合分析 3 个指标后发现， 赫 ． 巴模式可作为 C WB M钻井液最优的流变模式。 由表 2可知 ，在高压条件下随着温度的升高， 与稠 度系数降低，流性指数增大，其携岩能力降低，若 钻遇井底温度为 1 0 0 ～ 1 4 0℃的地层 ，可通过增大黄 原胶 的加 量以提高 值与 降低 n值 ，增强其携岩能 力。就理论而言，较高的 值利于携带岩屑，而较 低的 n 值利于环空钻井液流态平板化，稳定井壁 [2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 2期 常德武等一种适合 页岩 气水平井的水基钻井液 4 9 所 以现场应用 时应将 、 及 n控制在合理 的范 围， C WB M钻井液流变模式的特点可为其提供指导。 3 抑 制性评价 将清水、3 ％K C 1 溶液、聚合醇体系 I WB M与 C WB M 钻井液作为介质与人工页岩接触 ，分析对 比 他们对 3 种页岩样品的抑制性能。聚合醇钻井液表 观黏度为 4 0 mP a S ，塑性黏度为 2 7 mP a S ，动切力 为 1 3 P a ，静切力为 1 ．0 ／ 1 ．5 P a ／ P a ，滤失量为 8 ．4 mL ， p H值为 9 ．5 。其配方如下 5 ％ 钠膨润土 2 ． 0 ％F T - 1 0 ． 6 ％L 、 L P A C 0 ． 6 ％DF D 0 ． I ％XC 0 ． 6 ％ 聚乙二醇 2 0 0 0 。 3 ． 1 泥 页岩 的物性 分析 使用 x射线衍射仪对延长油田页岩、碳质泥岩、 叶舞凹陷 Z K ． 3 泥岩进行物性分析，结果见表 3 。由 此可见 ，3 种岩石都含有较多黏土矿物 ，水敏性较强。 表 3 实验用泥页岩主要成分含量 ％ 泥页岩 长石 石英 方解 佃 臼 佃 佃,g f4 2 1 4 2 1 延长油田页岩3 0 1 5 5 1 1 2 3 1 6 碳质泥岩 1 5 1 O 1 5 3 4 1 6 1 0 Z K- 3泥岩 4 0 1 0 1 0 4 2 9 7 3 ． 2 膨 胀性测 试 使用 Z N P ． 1 型膨胀量测定仪测试岩心在清水、 3 ％KC 1 溶液 、聚合醇体 系 I WB M 与 C WB M 钻井液 中的膨胀量， 结果见图 3 ～图 5 。对于延长油田页岩， 其最终膨胀量在聚合醇钻井液和 C WB M钻井液中均 很小 ，几乎为 0； 对于水化膨胀明显 的碳质泥岩和叶 舞凹陷 Z K ． 3 井泥页岩，聚合醇钻井液和 C WB M钻 井液都表现出较好的抑制性 ； 但相比而言，C WB M 钻井液对 叶舞 凹陷 Z K． 3井泥页岩抑制效果优于聚合 醇钻井液。 O ． 1 6 吕0 ． 1 2 鑫 0 ．0 8 当 0 ． 0 4 0 肿 ．O ． o 4 0 1 0 0 2 o 0 3 0 o 4 0 0 t ／ mi n 图 3 延长油田页岩岩样的膨胀曲线 1 ．4 0 ． 6 0 ．4 0 ．2 O ．0 1 ．2 量摅 0 ．0 ．_清 水 一C WB M 0 1 O O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 t ／ mi n 图4 碳质泥岩岩样的膨胀曲线 _．．清水 一 I WB M 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 t ／ n f m 图 5 叶舞凹陷 Z K． 3井泥页岩岩样的膨胀曲线 上述 实验结果表明 ，基于纳米材料 的 C WB M 钻 井液比传统的聚合醇钻井液具有更强的稳定页岩能 力。基于纳米材料 的水基钻井液主要通过纳米颗粒填 充部分页岩孔隙，S o l t e x的阴离子基团容易吸附到页 岩和黏土的带电端，同时 D r i s p a c 、F l o w z a n和 D F D 等大分子在页岩表面形成隔膜，抑制其水化，阻止其 溶胀 、脱落 、垮塌。 3 ． 3 滚动回收率分析 称取 5 0 g粒径为 0 ． 9 ～2 ． 0 mi l l 的延长油 田页岩 、 碳质泥岩及粒径为 2 ． O ～4 ． 0 mm的碳质泥岩颗粒分别 与清水、3 ％K C 1 溶液、聚合醇钻井液与 C WB M 钻井 液混合倒入老化罐 中，在 8 0℃、1 6 h热滚老化 ，用 孔径为 O ．4 5 mm的筛网回收，在 1 0 0℃下烘干4 h ，再 冷却 2 h 后称量岩样质量，计算回收率，结果见表4 。 表4 聚合醇钻井液与C WB M钻井液的泥页岩滚动回收率％ ．、 延长油田页岩 碳质泥岩 碳质泥岩 测试 液 0 ． 9 ～2 ． 0 mm 0 ． 9 ～2 ． 0 mm 2 ． 0 ～4 ． 0 mm 由表 4可 以看 出，对于粒径为 0 ． 9 ～2 ． 0 mm 的延 长油 田页岩 ，其水化分散能力并不强 ，4种测试液的 回收率均较高 ； 对粒径为 O ．9 ～2 ． 0 m m的碳质泥岩， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 钴井液与 完井液 2 0 1 5 年 3月 C WB M钻井液的回收率明显高于其他 3 种钻井液， 比聚合醇钻井液高出9 ．3 ％ ； 对于粒径为 2 ．0 ～4 ． 0 m m 的碳质泥岩，聚合醇钻井液和 C WB M钻井液的回收 率高于另外 2 种 。表明 C WB M 钻井液有一定抑制页 岩水化分散的能力 。对于碳质泥岩而言 ，C WB M 钻 井液的滚动回收率虽然优于其他的，但也并不高，这 可能与碳质泥岩的形成过程、岩石结构和成分有关。 4 润滑性能分析 4 ． 1 钻井液 润滑性 使用 E P型极压润滑仪测试不 同钻井液的润滑性 能 ，清水 、5 ％ 膨润土、5 ％膨润土 3 ％ 纳米二氧化 硅、聚合醇钻井液、C WB M钻井液的摩擦系数分别 为 0 ． 3 4 0 、0 ． 3 8 4 、0 ． 3 6 7 、0 ． 2 1 2 、0 ． 2 1 0 。在膨 润 土钻 井液中添加纳米二氧化硅可以降低其摩擦系数，仅 3 ％加量降低了 4 ％。从理论角度分析，主要是由于 纳米颗粒的球形结构使得摩擦过程中滑动摩擦变为滚 动摩擦，并且摩擦表面形成一层易剪切的薄膜 ，降低 摩擦系数，而且可以对摩擦表面进行一定程度的填补 和修复 口 。可 以看 出，C WB M 钻 井液含有 比聚合 醇钻井液更多的固相颗粒 ， ． 而他们 的摩擦 系数基本相 当，表 明纳米二氧化硅 与 S o l t e x的协 同作用改善 了 C WB M 钻井液的润滑性能。 4 ． 2 泥饼摩阻系数测试 使用泥饼黏附仪测试测得 5 ％膨润土、5 ％膨润 土 3 ％纳米硅、聚合醇钻井液、C WB M钻井液的泥 饼摩阻系数分别为 0 ． 0 9 1 1 、 0 ． 0 7 4 5 、 0 ． 0 7 0 4 、0 ． 0 4 9 7 。 可以看出 ，加有 3 ％纳米二氧化硅的膨润土浆 比膨润 土净浆的泥饼摩阻系数降低了 1 8 ％，与 E P型极压润 滑仪测试分析结果 一致 ； C WB M 钻井液的泥饼摩阻 系数明显低于聚合醇钻井液。综合来看，C WB M钻 井液的润滑性能比聚合醇钻井液更优，更适合于井段 较长的页岩气水平井对钻井液润滑性能的要求。 面张力分别为 6 5 ． 5 3 、6 0 ． 0 6 、5 3 ． 6 4 、5 8 ． 5 3 mN／ m。可 以看出，纳米二氧化硅 ／ 纳米碳酸钙具有降低基浆表 面张力的能力 ，有助于削弱水锁损害 。 6 结论 及 讨 论 1 ． C WB M 钻井液具有较好 的热稳定性 ， 在 1 2 0℃ 下滤失量较低，其流变模式比较符合赫 ． 巴模式。 2 ． 由于纳米二氧化硅 ／ 纳米碳酸钙可以封堵较细 的孔喉 ，以及 S o l t e x的阴离子基 团对 页岩和黏土的 吸附，与传统的聚合醇钻井液相比，C WB M钻井液 表现 出较好 的抑制泥页岩水化的作用 ，防止其膨胀 、 坍塌 ，对井壁稳定十分有利 。但对于特定岩石 ，比如 碳质泥岩，C WB M钻井液的抑制性有待进一步优化。 3 ． 纳米二氧化硅 ／ 纳米碳酸钙近似球型结构，可 将摩擦过程 中滑动摩擦变为滚动摩擦 ，以及与 S o l t e x 的协同作用能够改善 C WB M钻井液的润滑性能，减 少钻杆摩阻，防止钻进过程 中的卡钻问题发生 ，尤其 适合水平井段钻进 。 4 ． 纳米二氧化硅／ 纳米碳酸钙具有降低基浆表面 张力的能力，虽然 C WB M钻井液的表面张力降低并 不十分明显，但可一定程度上削弱水锁损害对储层的 伤害， 起到储层保护作用。 参 考 文 献 5表 面 张 力分 析 研究表明，水锁伤害是低透渗储层最主要的伤 害形式。页岩储层普遍具有低孔、低渗的特点，渗流 阻力大，使得水锁损害更为突出。针对水相流体侵入 J 储层后形成的 “ 水锁损害” ，有研究者采用低张力钻 井液体系削弱水锁损害以保护储层 [2 3 -2 5 ] o使用 Q B Z Y 系列全 自动表面张力仪，测得 5 ％膨润土、5 ％膨润 土 3 ％纳米硅 、聚合醇钻井液 、C WB M 钻井液 的表 [ 5 】 王中华 ． 页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则 [ J ] ． 中外能源，2 0 1 2 ，1 7 4 4 3 4 7 ． W a n g Z h o n g h u a ． Di ffic u l t y a n d a p p l i c a b l e p r i n c i p l e o f t h e d r i l l i n g f l u i d t e c t mo l o g y o f h o r i z o n t a l w e l l s f o r s h a l e g a s [ J ] ． S i n o Gl o b a l E n e r g y ， 2 0 1 2 ，1 7 4 4 3 4 7 ． 李建成 ，杨鹏 ，关键 ，等 ． 新型全油基钻井液体系 [ J ] ． 石 油勘探与开发， 2 0 1 4 ， 4 1 4 4 9 0 ． 4 9 6 ． Li J i a n c h e n g，Ya n g P e n g，Gu a n J i a n，e t a 1 ． A n e w t y p e o f wh o l e o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n A n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 4 ， 4 1 4 4 9 0 - 4 9 6 ． 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，2 0 1 3 ，0 2 1 7 ． 2 2 ． W a n g Xi a n g ua n g，Li Xi o n g，Li n Yo n g x u e ． Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h p e r f o r ma n c e o i l b a s e d r i l l i n g flu i d f o r s h a l e h o r i z o n t a l we l l s [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 3 ，0 21 7 ． 2 2 ． 白小东，蒲晓林 ． 水基钻井液成膜技术研究进展 ． 天然气 工业 ， 2 0 0 6 ，2 6 8 7 5 ． 7 7 ，1 6 6 ． 1 6 7 ． Ba i Xi a o d o n g ，P u Xi a o l i n ． E v o l u t i o n o f me mb r a n e f o r mi n g t e c h n o l o g y o f wa t e r b a s e d mu d [ J ] ． N a t u r a l G a s I n d u s t r y， 2 0 0 6 ，2 6 8 7 5 ． 7 7 ， 1 6 6 ． 1 6 7 ． E r i c v a n Oo r t ，Ha l e H A ，M o d y K F，e t a 1 ． Tr a n s p o r t i n 三 三 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第2 期 常德武等一种适合页岩气水平井的水基钻井液 5 l s h a l e s a n d t h e d e s i g n o f i mp r o v e d wa t e r - b a s e d s h a l e d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ． S P E2 8 3 0 9 ， 1 9 9 6 ． [ 6 ]6 B a i l e y L，C r a s t e r B，S a wd o n C，e t a 1 ． Ne w i n s i g h t i n t o t h e me c h a n i s ms o f s h a l e i n h i b i t i o n u s i n g wa t e r b a s e d s i l i c a t e d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ． S P E 3 9 4 0 1 ， 1 9 9 8 ． [ 7 ] J a y P ，B r a d y F r i t z ， Mi c h a e l J a r r e t t ． D e v e l o p me n t o f wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s c u s t o mi z e d f o r s h a l e r e s e r v o i r s [ J ] ． S P E 1 4 0 8 6 8， 2 01 1 ． [ 8 ] 张克勤，方慧，刘颖，等 ，国外水基钻井液半透膜的研 究概述 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 3 ， 2 0 6 1 - 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