頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)

1、頁巖氣鉆井過程中的鉆井液技術(shù)二I匕尋目示頁巖氣開發(fā)目前成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。在我國，由于現(xiàn)有的天燃?xì)猱a(chǎn)量難 以持續(xù)滿足中國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)高速發(fā)展的需求，也由于北美頁巖氣勘 探開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，所以中國頁巖氣的發(fā)展引起政府、企業(yè)和民眾的高度關(guān)注。中國的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)剛剛起步，缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；美國是最 早進(jìn)行頁巖氣研究和開采的國家，目前已形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模，并且進(jìn)入了開發(fā)的 快速發(fā)展階段。頁巖氣鉆井方式的選擇美國開發(fā)頁巖氣的成功經(jīng)驗(yàn)表明，水平井和多種儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)是成功 開發(fā)頁巖氣的關(guān)鍵。在頁巖氣層鉆水平井，可以獲得更大的泄流面積，更高的天然氣產(chǎn)量。根據(jù)美國頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，水平井成本平

2、均為直井的3倍，但日均產(chǎn)氣量及 最終產(chǎn)氣量是直井35倍，產(chǎn)氣速率則提高10倍。因此，水平井成為了開發(fā)頁 巖氣最主要的鉆井方式。頁巖氣水平井鉆井存在的主要問題一方面，頁巖是以粘土礦物為主的沉積巖，鉆井過程中粘土礦物水化造成 強(qiáng)度降低，進(jìn)而產(chǎn)生縮徑、井壁垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故；另一方面，在頁巖氣 水平井鉆井中，水平段較長，井壁失穩(wěn)、摩阻、攜巖及地層污染等問題非常突 出。因此，鉆井液的選擇及其配方直接影響鉆井效率、工程事故的發(fā)生率及儲(chǔ) 層保護(hù)效果。從鉆井液角度看，要求鉆井液能提高地層承壓能力，防漏堵漏效 果好，最重要的是抑制粘土水化膨脹，造成儲(chǔ)層傷害。選擇鉆井液體系的原則 為：要使鉆井液有較強(qiáng)的抑制性

3、、封堵性能和較低的滲透性和活度；能阻止濾 液進(jìn)入頁巖地層，防止頁巖吸水、強(qiáng)度降低。傳統(tǒng)的頁巖氣鉆井過程中，使用最多的是油基鉆井液。油基鉆井液具有以 下優(yōu)點(diǎn)；（1）強(qiáng)的抑制性，能防止和減少水敏性地層的水化、膨脹、分散而引 起的縮徑或井塌；（2）在鉆遇石膏層、鹽層及水泥塞時(shí)，對(duì)Ca、Mg. Na等離 子具有很強(qiáng)的抗污染能力；（3）由于以油為外相，油基鉆井液潤濕效果極佳， 能大大降低鉆進(jìn)及起下鉆時(shí)的扭矩、阻力和張力，減少由于阻、卡引起的井下 復(fù)雜事故；（4）對(duì)鉆井設(shè)備無腐蝕；（5）具有極好的油氣層保護(hù)特性；（6） 與其他水基鉆井液相比，油基鉆井液的濾餅濾失速率較小，濾液基本不會(huì)引起 粘土礦物水化膨脹

4、；（7）濾液進(jìn)入親水型硬脆性泥頁巖阻力大，從而能較好地 穩(wěn)定泥頁巖地層口設(shè)想納米技術(shù)解決頁巖氣鉆井難題納米技術(shù)抑制頁巖水化納米顆粒擁有極高的表面積，使其能夠與大量基團(tuán)接觸，從而實(shí)現(xiàn)其抑制 功能，防止頁巖和鉆井液反應(yīng)以及鉆井液滲入地層引起的井眼不穩(wěn)定問題。此 外，納米顆粒容易進(jìn)入頁巖基質(zhì)，抑制內(nèi)外表面，防止頁巖結(jié)構(gòu)的破壞。納米技術(shù)提高乳化鉆井液穩(wěn)定性利用納米粒子特殊的性質(zhì)，提高油包水或水包油乳化鉆井液的穩(wěn) 定性。一 方面，有效控制水相滲入頁巖地層而造成頁巖水化，一定程度上解決頁巖水化 膨脹問題；另一方面，強(qiáng)化鉆井液攜屑能力，減少 巖屑沉降形成巖屑床，提高 機(jī)械鉆速，延長水平井延伸極限的長度。納米

5、技術(shù)降低摩阻納米材料粒度極細(xì)，可形成薄膜。納米鉆井液在井壁和鉆桿界面處形成一 層薄而連續(xù)的潤滑層，能有效減小鉆具和井壁之間的摩擦力。此外，細(xì)小的球 形納米顆?？梢孕纬梢粚訕O細(xì)的滾珠軸承表面，從而使鉆柱能夠在該表面上自 由滑動(dòng)。納米技術(shù)解卡與防卡一方面，納米鉆井液在井壁上形成一層薄而光滑的泥餅可顯著降低壓差卡 鉆發(fā)生的概率。另一方面，當(dāng)發(fā)生壓差卡鉆或機(jī)械卡鉆時(shí)，納米鉆井液可用來 作為解卡劑。納米解卡劑很容易進(jìn)入二者之間的接觸面，形成一層有效地潤滑 膜或孤立泥餅或破壞泥餅，使鉆桿和泥餅表面之間的連接失效。納米技術(shù)防止泥包鉆頭納米鉆井液在鉆頭和穩(wěn)定器表面形成疏水膜，可有效防止泥包鉆頭的發(fā)生。 納米鉆

6、井液可形成抑制劑和疏水膜，減少泥包鉆頭發(fā)生的可能，大大降低鉆井 成本。其他解決辦法欠平衡氣體鉆井以氣體作為循環(huán)介質(zhì)的欠平衡鉆井能有效防止頁巖水化、儲(chǔ)層損害等問題。 美國能源部采用氣體鉆井使泥盆紀(jì)的頁巖水平井產(chǎn)量提高了約10倍，在 Texas州西部的頁巖鉆井中，空氣鉆井使鉆井費(fèi)用節(jié)省了 64% （ Yost II , 1990）。有機(jī)鹽聚合醴鉆井液針對(duì)頁巖氣開發(fā)中面臨的頁巖極易吸水膨脹、縮徑、破碎垮塌等特點(diǎn)，優(yōu) 選出了有機(jī)鹽聚合醇鉆井液的配方，并在第一 口頁巖氣專層井一寧206井進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該鉆井液體系有如下特性：低粘度和切力、低滲透、低固相、低活 度，強(qiáng)抑制封堵防塌O有機(jī)鹽聚合醇鉆井液體系

7、的應(yīng)用效果如下：（1）有機(jī)鹽聚合醇鉆井液具有 “低粘度和切力、低滲透、低活度、低固相、強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵”特性，在頁巖 氣井中能阻止頁巖的吸水膨脹、縮徑垮塌，確保鉆井施工安全；（2）有機(jī)鹽聚 合醇鉆井液具有很強(qiáng)的抑制、封堵和防塌能力，可解決頁巖氣井高伽瑪碳質(zhì)頁 巖的失穩(wěn)問題；（3）通過優(yōu)化有機(jī)鹽聚合醇鉆井液配方，可成功實(shí)現(xiàn)化學(xué)防塌 （部分）解放鉆井液密度，對(duì)頁巖氣井開發(fā)提速鉆井具有很好的參考價(jià)值。以抑制頁巖水化為出發(fā)點(diǎn)，研制新型鉆井液體系。正電聚醇鉆井液體系：抑制粘土顆粒水化分散的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于聚合醇; 抗鹽效果較好；自動(dòng)降解，生物毒性低；有機(jī)正電膠鉆井液體系：正電膠與水分子的親和力強(qiáng)，抑制了粘土的 水化，使粘土成為惰性；改變鉆井液的流變性能；抗溫性能良好；有效保護(hù)頁 巖氣層；甲酸鹽鉆井液體系：能很好地抑制泥頁巖的水化膨脹與分散，其性能 優(yōu)于目前使用的聚合物鉆井液和有機(jī)硅鉆井液；有效保護(hù)頁巖氣層。結(jié)論及建議頁巖氣鉆井液選擇的原則為：較強(qiáng)的抑制性、封堵性能和較低 的滲透性 和活度；根據(jù)頁巖氣地層的實(shí)際情況，優(yōu)選出最佳