用于頁(yè)巖儲層的水基鉆井液體系

  近年，非常規頁(yè)巖氣儲層鉆井活動(dòng)急劇增加。頁(yè)巖氣儲層鉆井液的選擇經(jīng)常是油基鉆井液（NAF）。

 

  雖然 NAF 具有頁(yè)巖穩定性和潤滑性好及抗污染等優(yōu)點(diǎn)，但是在環(huán)境影響和附帶成本方面存在嚴重問(wèn)題，使作業(yè)者尋求用水基鉆井液（WBM）進(jìn)行非常規頁(yè)巖氣儲層鉆井。哈里伯頓的 Jay P. Deville 等人利用頁(yè)巖礦物學(xué)和井底溫度等非常規頁(yè)巖氣儲層中的關(guān)鍵因素，打破“用一種水基鉆井液來(lái)實(shí)現全球頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)”的思想，提出基于給定頁(yè)巖參數詳細分析的客制化服務(wù)。分析不僅包括頁(yè)巖形態(tài)和巖性，還包括鉆井方案、環(huán)境因素和其它儲層專(zhuān)用考慮因素。

 

  Haynesville頁(yè)巖氣水基鉆井液的定制過(guò)程在定制過(guò)程中首先分析了 Haynesville 頁(yè)巖及其上部 Bossier 頁(yè)巖的礦物學(xué)成分。Haynesville 和Bossier 頁(yè)巖主要由黏土、碳酸鹽巖、黃鐵礦和石英組成，且黏土幾乎全部是伊利石。因此不用再考慮保障水基鉆井液抑制性的問(wèn)題，可以?xún)H研究如何解決水基鉆井液的抗高溫難題。最終優(yōu)選出的配方由具有高熱力學(xué)穩定性的添加劑構成 ；一般的鉆井液添加劑，包括黏土、重晶石和水，用高溫抗絮凝劑控制體系黏土的熱力學(xué)絮凝 ；用表面活性劑化學(xué)減少粒子間作用力，從而達到更高的鉆井液密度及容納更多的低比重固相 ；用磺化丙烯酰胺基三元聚合物控制濾失 ；加入緩沖劑來(lái)抵抗 CO2侵入，緩沖劑能夠充分控制 CO2，同時(shí)不會(huì )引起合成聚合物水解。

 

  作為定制過(guò)程中的關(guān)鍵部分，用于研究的 LGS 是由 Haynesville 和 Bossier頁(yè)巖的鉆屑制成的，D50小于 10 ?m。用于以上研究的是 50%Haynesville 鉆屑和 50%Bossier 鉆屑的混合物。表 3 中數據表明，定制的鉆井液能很好地解決高溫問(wèn)題，沒(méi)有樣品出現凝膠問(wèn)題，甚至是含有 CO2的樣品 ；考慮到鉆井液的老化效應和固體含量，鉆井液的塑性黏度和剪切強度仍然非常低 ；在含有高達 12% 的 LGS 時(shí)，鉆井液仍然保持有功能特性 ；而且鉆井液的 API 和高溫高壓濾失量非常低。證明通過(guò)定制化方法能夠研發(fā)形成一種熱力學(xué)穩定、抗 CO2污染、且具有高低固相容量的水基鉆井液。

 

  進(jìn)一步測定了鉆井液在模擬井底溫度和壓力條件下的流變性能。使用 FANN 75 高溫高壓流變儀監測鉆井液流變學(xué)參數變化，溫度和壓力分別從 48.9 ℃、0 MPa 慢慢升至 204.4 ℃、68.9 MPa。一旦達到最高溫度和壓力值，樣品會(huì )在該溫度和壓力下養護 24 h。

 

  之后，溫度和壓力慢慢降至48.9 ℃、0 MPa。結果表明，即使是在極端溫度和壓力下，鉆井液仍然沒(méi)有出現熱凝膠現象。觀(guān)察 τ0值上升和下降周期的變化能夠證明這是非常穩定的鉆井液。

 

  水基鉆井液在Haynesville頁(yè)巖氣井的應用為 Haynesville 頁(yè)巖定制的水基鉆井液在路易斯安那州的紅河縣進(jìn)行了現場(chǎng)應用，該地區是抗高溫要求最高的地區之一，井底溫度大于 176.6 ℃。在鉆至 Bossier 頁(yè)巖頂部井深 3 261.36 m 時(shí)將井漿轉換為定制鉆井液，用其鉆至完鉆井深 5 425.4 m，鉆井液在裸眼中停留了 45 d。在鉆進(jìn)過(guò)程中，出現了大量的、恒定量的 CO2侵入（＞ 8 000 mg/L），但由于鉆井液的抗CO2侵染能力強，鉆井液流變性能未受影響。

 

  在入侵量最大的時(shí)候（除氣裝置失效），鉆井液流變性能有一些增加，但加入一定的處理劑可以容易地解決該問(wèn)題。機械鉆速與鄰井差不多。除 Haynesville頁(yè)巖外，還在 Fayetteville 和 Barnett 頁(yè)巖進(jìn)行了客制化服務(wù)，研發(fā)定制水基鉆井液的原理包括收集關(guān)鍵井和地層的數據以及地層樣品的特殊實(shí)驗室試驗數據。

 

  大頁(yè)巖區塊的定制鉆井液具有良好的室內實(shí)驗數據和現場(chǎng)性能，驗證了鉆井液設計方法的可行性。