适用于页岩气水平井的低摩阻硅酸钾钻井液体系

雷正勇，许明标，2，由福昌，郭远曜，周文

（1.长江大学石油工程学院，武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心，武汉 430100；3.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州434000）

据统计，我国页岩气可采储量是常规天然气资源的1.6 倍，开发潜力巨大。同时，页岩气的成藏特征决定了它的开发方式大多以大位移井、丛式水平井为主。而在长段水平井的钻进过程中，由于页岩地层具有微裂缝和层理发育、储层水敏性强等特性，往往极易发生井壁失稳、井漏和井眼缩径等复杂工况[1-3]。同时还常常伴随着井眼清洁困难、地层污染严重以及高摩阻引起的起下钻困难，以及憋扭矩引发的钻具扭转振动破坏等问题。目前市面上常见的水基钻井液体系难以满足长水平段钻进的要求。而当前普遍采用的油基钻井液往往又面临着高昂的成本以及日趋严格的环保要求等实际问题。因此，建立一套有效针对页岩层水平段钻井的水基钻井液体系迫在眉睫。大量的研究数据表明，硅酸盐钻井液体系对泥页岩地层有很强的抑制封堵能力。笔者通过在硅酸盐体系的基础上引入一种具有一定封堵能力的水基润滑剂，构建了一套适用于页岩气水平钻井的水基钻井液体系，系统分析评价了该体系的各项性能指标。

1 页岩层水基钻井液技术难点

1.1 井壁稳定问题

基于页岩气储层独特的理化性质和开采方式，钻进过程中井眼稳定问题尤为突出，主要原因如下。

1）页岩地层含有大量膨胀性黏土矿物组分。当钻井液中离子浓度与地层流体矿化度差异较大时，由于渗透压差的作用，地层与井筒流体间发生水运移，同时伴随大量水化离子进入地层和黏土晶层之间，导致黏土水化膨胀，破坏岩石结构导致强度降低，引发井壁失稳。其次，钻井液水相部分渗入页岩后，页岩中可溶性盐组分溶解，使得页岩孔洞增多，页岩强度降低，页岩井壁应力分布改变，进而导致不稳定的井眼环境[4]。

2）泥页岩本身层理和微裂缝发育。正常钻进时，由于井筒流体的支撑，页岩微裂缝由闭合状态迅速转变为扩张状态，此外再加上微裂缝本身的毛细渗透作用，使得钻井液中的水相沿着微裂缝和层理面侵入岩层。与此同时缝间充填物和破碎的岩石的水化膨胀对渗流通道起了一种支撑作用，这种“水楔作用”进一步破坏井壁微结构，加速了压力的传导，使得流体渗流尖劈形成的锥进破坏不断推进到地层深部，引发井壁失稳[5-6]。

1.2 高摩阻扭矩以及井眼清洁

在页岩地层钻进的过程中，随着井斜角和水平段位移的增加，钻柱自身重力在井壁上的分量愈来愈大，迫使钻柱紧贴井壁，在摩阻、扭矩剧增的同时还会加速钻柱与套管鞋的之间磨损。此外扭矩的增大还会引起钻柱反转产生钻柱横向振动造成钻柱失效[7]。

井眼清洁效率同样影响钻井液体系润滑效果。在井筒流体循环过程中，基于斜井段和长水平井段特殊的水动力条件，钻屑更容易发生沉积形成岩屑床从而进一步增大扭矩。同时在斜井段，堆积的岩屑在自重作用下发生滑移，堵塞井眼，严重时还可能会导致钻具被埋卡。更重要的是，在解决井眼清洁能力的同时，还必须兼顾平衡好ECD 的问题，防止井漏或井涌等复杂的发生[8]。

2 钻井液技术路线

2.1 井壁失稳解决对策

鉴于页岩气井壁失稳机理的复杂多元性，单一地从降低黏土膨胀压的角度出发难以解决问题。通过对硅酸盐抑制机理的大量分析调研，认为硅酸钾体系既有一定抑制黏土水化膨胀的能力，又能通过成膜效应有效封堵地层渗流通道，可能是解决页岩地层井壁失稳的有效途径[9]。

为确定硅酸盐稳定页岩的能力，实验采用同源龙马溪组页岩，钻取相同规格岩心，评价各类页岩稳定剂溶液高温浸泡（90 ℃）后的岩心单轴抗压强度。此外还测试了不同抑制剂下的页岩膨胀率。实验结果如图1、表1 所示。

图1 不同单剂浸泡72 h 后岩心单轴抗压强度

表1 常温常压下不同单剂页岩线性膨胀率

实验结果表明，硅酸钾相对于其他抑制剂，不仅可以有效抑制泥质组分水化膨胀，还能一定程度上提升岩石本身强度，是理想的泥页岩稳定剂。这一方面是因为硅酸钾具备优异的成膜特性，能吸附在岩石表面形成一层薄膜，减缓水分子侵入地层的速度的同时在黏土矿物表面形成水化膜，降低黏土水化速率[10]；另一方面则是因为硅酸根在扩散进入岩层内部时，随着环境pH 值的降低，会迅速缩聚成为多聚硅酸形成凝胶冻，同时还有部分与高矿化度地层水中的金属阳离子反应生成沉淀，二者协同高效封堵岩石孔隙渗流通道，阻止破坏进一步向地层深处推进；此外，当温度高于80 ℃时，其硅醇基与黏土矿物的铝醇基发生缩合反应产生胶结性物质，将黏土等矿物颗粒胶结成牢固整体，提升岩石强度[11]。

实际观察高温浸泡后岩心表面后发现（图2），硅酸钾浸泡岩样表面结有较厚白色硅酸盐膜层，其中两块样本由于黏土与硅酸盐之间的化学作用而牢固黏连在一起；氯化钾实验组则岩样表面硬度下降，去离子水组除强度降低外还有部分岩屑脱落，这些现象进一步印证了相对其他页岩稳定剂，硅酸钾确实具有强抑制性和成膜封堵能力以及胶结提升岩石强度的特性，是优良页岩稳定剂。

图2 高温浸泡岩心表面状态

2.2 降摩减阻途径

为解决水基钻井液润滑性的问题，实验室开发了一种聚酰胺树脂类润滑剂MULFLUB。该润滑剂具有多个含强吸附基团的链段，能以多位点吸附的方式高效包被在钻柱、井壁表面，并在经过多层次吸附反转形成次生结构后，将钻柱与井壁之间的障碍摩擦转变成为润滑膜层之间的滑动摩擦，有效降低摩阻扭矩。相较一般润滑剂而言，这种特殊吸附方式也决定了相同浓度下它能形成更加牢固致密的疏水薄膜，获得更好的润滑性能，同时对于金属钻具还能起一定的缓蚀保护作用[12]。

实验现象显示，在1.5%江汉膨润土浆中加入5%MULFLUB 后，黏土颗粒从水溶液中分离并悬浮于液体上层（A），说明MULFLUB 确实能在黏土颗粒表面覆膜形成疏水膜结构实现润滑功能。分别调整分散液pH 至9（B）和加入端二胺（C），被MULFLUB 包覆的黏土颗粒在水相中均匀分散。这是因为碱性环境使得分子末端基团离子化，呈现亲水性，吸附层外侧亲水性随之增强，同时静置后（B′）组膨润土分散明显好于（C′）组，证明引入端二胺能辅助增溶该润滑剂。

图3 静置10 d 前后的润滑剂包覆后的膨润土浆分散状态

后续实验利用Fann 极压润滑仪测试其不同浓度下润滑系数，并对比其他润滑功能流体性能参数（图4），结果表明15%MULFLUB 溶液已经具备媲美白油基的润滑性能。并且通过抗磨实验磨痕、磨斑照片对比（图5）可以发现，相较于地层水组和白油组的大面积磨斑，边缘毛刺状的不规则磨痕又或是大量分布的纵向擦痕，MULFLUB 实验组不仅磨斑面积小，而且表面光滑，泛有金属光泽，同时其抗磨砝码质量达到10 kg，耐磨性能远超常规水基低摩阻体系。印证了MULFLUB 优异的润滑抗磨能力。

图4 不同种类润滑剂MULFLUB 性能对比

图5 不同润滑剂的抗磨实验擦痕对比

2.3 封堵降滤失处理

实际应用过程中，钻井液不同功能的实现过程往往是相互影响而非完全孤立的作用。特别是对页岩长水平段钻井而言，其封堵能力、滤失造壁性严重影响井壁稳定和实际润滑效果，滤失过大会增加井壁失稳风险并且污染储层，过厚的滤饼则会造成实际摩阻扭矩剧增。如何正确处理这两者之间的关系，是解决页岩气钻井液技术难题的关键。

为了解决这一问题，实验室筛选出一种淀粉微球DP-14。其中值粒径均为7.38 µm，颗粒粒径从0.67µm 到14.66 µm 均有广泛分布（图6），能协同其他高分子聚合物及刚性的屏蔽暂堵材料，实现良好的颗粒级配。同时还具有一定微膨胀变形封堵能力和疏水结构，能更好应对复杂孔隙条件，有效封堵渗流通道。

图6 淀粉微球粒度微分分布和累计分布

实际对比不同淀粉微球加量下的硅酸钾体系的泥饼渗透率（图7）发现，随着淀粉微球加量增加，泥饼渗透率迅速下降；此外常温条件下当1.5%实验组实验压差由3.5 MPa 提高到 4.0 MPa 时其渗透率由0.132 mD 降至0.11 mD。以上两组实验共同说明了淀粉微球能通过颗粒级配和变形封堵这两种作用，有效降低泥饼的渗透率，从而达到降低体系滤失量的目的。

图7 不同淀粉微球加量下泥饼渗透率变化

此外，研究还发现多功能润滑剂MULFLUB能有效降低膨润土浆滤失量（图8）。原因是被MULFLUB 包覆的不同粒级的黏土颗粒会在压差的作用下堆积挤压，能在泥饼表面形成近乎连续的疏水层，达到降失水的目的。

图8 不同加量MULFLUB 下膨润土浆的滤失量

3 钻井液体系构建与评价

基于上述研究以及大量评价筛选实验，最终构建了一套适用页岩地层大位移井的水基钻井液体系（见表2）。该体系整体pH 值控制为约11.6，具有优异的降摩阻和滤失造壁性能以及页岩强抑制能力。

表2 低摩阻硅酸钾体系配方

3.1 不同密度下体系的流变、滤失、润滑性能

测试体系在不同密度下的性能变化，如表3 所示。各密度下该体系高温高压滤失量低于6 mL,润滑系数在0.08 左右，具备较好的滤失造壁能力和优良的润滑性能。同时，除开烧碱外，钻井液中的ORGAM 溶液能很大程度上维持体系的强碱性，实际老化前后钻井液pH 值均保持在11.40 以上，此时硅酸根多以低聚体的形式存在，各高分子处理剂优先于低聚硅酸吸附在黏土表面，所以浆体呈现老化前后整体流变参数变化不大的情形[13]。此外，该体系剪切稀释性很好，整体动切力在6～8 Pa 左右，1.6 g/cm3下，切力保持在4.5 Pa/8.5 Pa 左右，使得该体系具备优良的携岩能力，能很好维持井眼清洁，并尽可能降低ECD 大小。

表3 低摩阻水基钻井液不同密度下性能变化（90 ℃、16 h）

3.2 抗污染能力

由于引入了总量为12%的硅酸钾和有机盐，该体系中具有大量Na+、K+。这些金属阳离子一方面削弱了黏土层间的静电斥力，另一方面基于K+的固定作用共同抑制了黏土的水化膨胀。同时高浓度阳离子体系也避免了在高矿化度地层水侵入时体系剧烈的性能变化。此外，体系中的MULFLUB、VINPY 和其他高分子材料吸附在黏土表面，由于其空间位阻效应和对分散黏土的吸附固定，防止了黏土的进一步聚结和重度絮凝。基于上述机理，该体系应当具备较强抗污染能力，实验结果见表4。

表4 低摩阻水基钻井液不同侵污条件下钻井液性能变化（90 ℃、16 h）

实际实验结果显示，体系在经过膨润土、钻屑、地层盐水的侵污后，其流变参数和滤失量仍然能保持稳定，证实了该体系的抑制和抗盐能力，说明该体系能很好适应页岩地层复杂环境。

4 结论

1.该低摩阻体系基于硅酸钾可以形成凝胶、沉淀和吸附膜的特性以及胶固黏土组分的能力，能有效封堵页岩孔隙渗流通道。同时体系本身还具有很强的抑制性和抗污染能力，能很好应对页岩地层井壁失稳和体系性能稳定性的问题。

2.该体系润滑系数在0.08 左右，抗磨砝码质量达到10 kg。具有媲美油基钻井液的润滑性能和抗磨能力以及优良的滤失造壁性能，能很好满足页岩气大位移井低摩阻、低扭矩、低滤失的要求。在提倡降本增效以及环保压力日益增大的今天，有望成为替代油基钻井液的可行方案。