石油与天然气化工  2017, Vol. 46 Issue (6): 71-74
高效环保型页岩气开发水基钻井液体系研究
李林 1, 黄文章 1, 向林 1, 李敏 1, 邓磊 1, 朱力敏 1, 沈丽 2     
1. 重庆科技学院化学化工学院;
2. 重庆大学化学化工学院
收稿日期：2017-04-15
基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目“高效环保型页岩气开发水基钻井液体系研究”(YKJCX1620505)
作者简介：李林(1991-), 男, 在读硕士研究生, 主要从事油气田应用化学方面的研究。E-mail: 295022312@qq.com.
摘要：目前在页岩气水平段钻井过程中常用油基钻井液，但存在一系列环保问题。因此，有必要研究出一种可替代油基钻井液的高效环保型水基钻井液体系。针对涪陵礁石坝区块龙马溪-五峰组页岩气地层的实际情况，通过老化前后流变性、高温膨胀率、滚动回收率、常温中压失水、高温高压失水以及极压润滑摩阻系数等实验，以KCl和甲酸钠为抑制剂、准纳米颗粒与新型Soltex复配、高效润滑剂与乳化剂复配，研制出一种强抑制性、强封堵和良好润滑性的高效环保型水基钻井液体系。性能评价结果表明, 该体系膨胀率为5.12%、FLAPI为1.6 mL、FLHTHP为4.8 mL、Kf为0.14，能够满足水平段泥页岩地层钻进的要求。
关键词：页岩气    水基钻井液    强抑制    强封堵    良好润滑性    
Study of water-based drilling fluid system with high efficiency and environment-friendly for shale gas development
Li Lin1 , Huang Wenzhang1 , Xiang Lin1 , Li Min1 , Deng Lei1 , Zhu Limin1 , Shen Li2     
1. Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing, China;
2. Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing, China
Abstract: At present, oil-based drilling fluids are commonly used in the drilling process of shale gas, but there are a series of environmental problems of oil-based drilling fluids. Therefore, it is necessary to develop an efficient and environmental friendly water-based drilling fluid system which can replace oil-based drilling fluid. In this paper, aiming at the actual situation of shale gas strata in Longmaxi-Wufeng Formation of Fuling reef dam block, the experiments, such as rheological property, high temperature expansion rate, rolling recovery rate, normal temperature medium pressure water loss, high temperature high pressure water loss and extreme pressure lubrication friction coefficient were carried out before and after aging, then using KCl and sodium formate as inhibitors, compounding quasi-nano-particles with the new soltex, and compounding efficient lubricant with emulsifier compound, a efficient environment-friendly water base drilling fluid system with strong inhibitory, strong sealing and good lubrication was developed. The performance evaluation results show that the expansion rate is 5.12%, FL (API) = 1.6 mL, FL (HTHP) = 4.8 mL, Kf = 0.14, which can meet the requirement of horizontal shale formation drilling.
Key Words: shale gas    water-based drilling fluid    strong inhibition    strong sealing    good lubrication    

由于油基钻井液对环境不友好和成本高等问题，制约了油基钻井液的使用。因此，国内外技术人员针对页岩气水平井钻井的技术难题和环保要求，力求研发出一种可替代油基钻井液的高效水基钻井液[1-2]，如斯伦贝谢M-I公司水基钻井液体系[3-4]、哈里伯顿公司水基钻井液体系[5]、贝克休斯的高性能水基钻井液体系[6]、美国Newpark公司的新型水基钻井液体系[7-8]以及我国中国石油研制的CQH-M1和DRHPW-1两套页岩气水基钻井液体系[9]，其中一些钻井液技术已在水平井上成功应用。但目前在涪陵焦石坝区块尚无使用水基钻井液钻井成功的案例。

涪陵焦石坝区块龙马溪-五峰组主要为硬脆性泥页岩，微裂缝和层理发育，而目前使用的聚合物KCl钻井液体系在抑制性、封堵性等方面无法满足水平井钻井的需求[10]。因此，需要研制出一种强抑制性、强封堵和良好润滑性的高效环保型水基钻井液体系，用于涪陵焦石坝区块龙马溪-五峰组泥页岩的钻进。在基本配方的基础上，对抑制剂和降滤失剂进行优选，研制出一套高效水基钻井液体系，室内评价了该体系的热稳定性、抑制性、封堵性和润滑性。

1 高效水基钻井液的研制
1.1 高效水基钻井液的研制思路

(1) 密度设计范围。根据涪陵礁石坝区块龙马溪-五峰组页岩气地层的实际情况，研发出与现阶段油基钻井液体系的密度相当、范围在1.3~1.5 g/cm3的钻井液体系，可以有效地防止地层的垮塌。

(2) 强泥页岩抑制性。通过开展大量膨胀率、滚动回收率实验，使体系对龙马溪-五峰组泥页岩具有很好的抑制性。

(3) 良好的封堵能力。采用准纳米颗粒与新型Soltex结合的封堵体系，可以有效降低水基钻井液体系滤失量，防止滤液进入地层，造成井壁的应力垮塌。

(4) 良好的降摩阻效果。在体系中加入高效润滑剂，大大降低了钻井液体系的摩阻，防止卡钻的情况出现。

1.2 泥页岩抑制剂的优选

絮凝实验是评价抑制剂对黏土水化分散抑制作用最直观的评价手段之一，絮凝物界面的高度越低，表明絮凝效果越好，抑制剂对黏土的抑制作用也越好。KCl、甲酸钠、CaCl2和硅酸钾的絮凝实验见图 1。

图 1     4种抑制剂的絮凝实验结果 Figure 1     Locculation results of four inhibitors

从图 1可看出，1#样品没有絮凝现象，2#样品絮凝量小于5 mL，3#样品略低于5 mL，4#样品在6 mL左右，5#样品在9 mL左右。在这4种抑制剂中，KCl絮凝效果最佳，其次是甲酸钠。因此，本实验选用KCl和甲酸钠为体系的抑制剂。

1.3 降滤失剂的优选

实验选用在水基钻井液中常用的具有良好效果的降滤失剂进行优选，实验结果见图 2。

图 2     降滤失剂的滤失量 Figure 2     Loss of several kinds of fluid loss agents

基本配方：清水+0.6%(w)膨润土+1%(w)NaOH+0.8%(w)HZ-01(护胶剂)+5%(w)HW-01(稳定剂)+降滤失剂+8%(w)HR-01(封堵剂)+8%(w)防卡润滑剂+2%(w)乳化剂+2%(w)超细CaCO3+12%(w)KCl+11%(w)甲酸钠+重晶石(ρ=1.2 g/cm3)。

从图 2可看出，准纳米颗粒与新型Soltex复配使用时，钻井液滤失量明显降低。其中，HJ-01的降滤失量效果最佳。因此，本实验选用HJ-01为体系的降滤失剂，加量为7%(w)。

2 高效水基钻井液体系的性能评价
2.1 高效水基钻井液体系的配方

在基本配方的基础上，对抑制剂和降滤失剂进行优选，最终得到高效水基钻井液体系，其配方为：水+0.6%(w)膨润土+1%(w)NaOH+0.8%(w)HZ-01(护胶剂) +5%(w)HW-01(稳定剂) +7%(w)HJ-01(降滤失剂)+8%(w)HR-01(封堵剂)+8%(w)防卡润滑剂+2%(w)乳化剂+2%(w)超细CaCO3+12%(w) KCl +11%(w)甲酸钠+重晶石。

2.2 热稳定性

高效钻井液体系的热稳定性性能见表 1。从表 1可知，优选出的抑制剂、降滤失剂和体系中的其他处理剂有很好的复配性。高效水基钻井液在室温下具有较好的流变性能和较低的滤失量，在130 ℃下老化后，其表观黏度、塑性黏度和动切力都略有降低，滤失量基本没有变化，说明高效水基钻井液的热稳定性良好。

表 1    高效水基钻井液体系的基本性能(130 ℃滚动16 h) Table 1    Basic performances of high efficient water-based drilling fluid system(130 ℃, rolling for 16 h)

2.3 抑制性能评价
2.3.1 高温高压膨胀性分析

实验选用龙马溪-五峰组露头页岩和膨润土作岩样，使用HTP-3A型高温高压泥页岩膨胀仪分别测量岩样在油基钻井液、KCl聚磺钻井液和高效水基钻井液的膨胀率，结果见表 2。

表 2    3种钻井液体系的高温高压膨胀率数值 Table 2    High temperature and high pressure expansion rate of three kinds of drilling fluid systems

从表 2可看出：两种岩心在3种钻井液体系中都具较低的膨胀性；KCl聚磺钻井液体系的膨胀率明显高于油基钻井液体系和高效水基钻井液体系的膨胀率；高效水基钻井液体系与油基钻井液体系的膨胀率差别不大。

2.3.2 岩屑滚动回收率分析

取龙马溪-五峰组露头2.00~3.35 mm页岩样品40 g，在120 ℃的条件下，使用HGRL-4A型变频高温滚子加热炉进行滚动回收率实验。热滚16 h后，过0.425 mm筛，称量回收岩屑质量，测量其滚动回收率，实验结果见表 3。

表 3    3种钻井液体系的滚动回收率 Table 3    Rolling recovery of three kinds of drilling fluid systems

从表 3可看出，龙马溪-五峰组露头页岩在清水和3种钻井液体系中基本没有水化，滚动前后岩屑质量变化极小，说明龙马溪-五峰组露头页岩水化膨胀能力很低。

通过表 2和表 3的实验结果可发现，高效水基钻井液体系能够有效地抑制泥页岩的水化分散，有利于井壁稳定，能满足页岩气钻井时所需强抑制性的要求。

2.4 封堵性和润滑性评价
2.4.1 滤失封堵性分析

高效水基钻井液体系选用准纳米颗粒与新型Soltex复配使用的封堵体系，通过对KCl聚磺钻井液体系和高效水基钻井液体系所形成的滤饼进行电镜扫描(见图 3和图 4)评价高效水基钻井液体系的封堵性能。

图 3     KCI聚磺钻井液体系所形成的滤饼电镜扫描图 Figure 3     Electron microscopy scan of filter cake formed by KCI polysulfide drilling fluid system

图 4     高效水基钻井液体系的摩阻系数 Figure 4     Friction coefficient of high efficient water-based drilling fluid system

通过对比图 3和图 4，可看出高效水基钻井液体系是通过不同粒径的刚性颗粒和塑性颗粒来封堵滤饼的微裂缝，并致密填充。从图 2可看出，高效水基钻井液体系的常温中压失水量仅有1.6 mL，高温高压失水量也只有4.8 mL。说明该体系封堵效果非常好，能满足页岩气钻井时所需强封堵的要求。

2.4.2 润滑性分析

体系中加入高效润滑剂，可在钻具表面形成憎水膜，同时乳化剂起协同作用，有效降低了体系的摩阻。使用EP-B型极压润滑仪评价了高效水基钻井液体系的润滑性，实验结果见表 4。

表 4    高效水基钻井液体系的摩阻系数 Table 4    Friction coefficient of high efficient water-based drilling fluid system

从表 4可看出，高效水基钻井液体系的摩阻系数＜0.15，达到页岩气钻井时所需润滑性的要求。

3 结论

(1) 通过分析涪陵礁石坝区块龙马溪-五峰组页岩气地层的实际情况，有针对性地研制出一套高效水基钻井液体系，其配方为：水+0.6%(w)膨润土+1%(w)NaOH+0.8%(w)HZ-01(护胶剂) +5%(w)HW-01(稳定剂) +7%(w)HJ-01(降滤失剂)+8%(w)HR-01(封堵剂)+8%(w)防卡润滑剂+2%(w)乳化剂+2%(w)超细CaCO3 +12%(w) KCl+11%(w)甲酸钠+重晶石。

(2) 室内实验评价表明：高效水基钻井液体系具有以下特征：①接近于油基钻井液体系的强抑制性；②较好的热稳定性，热滚前后体系性能变化不大，热滚后FL(API)仅有1.4 mL；③强封堵性，FL(API)=1.6 mL、FL(HTHP)=4.8 mL；④良好的润滑性，Kf=0.14；因此，高效水基钻井液能满足页岩气钻井的基本要求。

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