生物合成基钻井液在长宁页岩气水平井的应用

李茜， 周代生， 彭新侠， 伍葳， 陈骥， 李文哲

（1. 中国石油西南油气田公司工程技术研究院，成都 618000；2. 中国石油西南油气田公司蜀南气矿，四川泸州 646000；3. 四川长宁天然气开发有限责任公司，成都 610017）

0 引言

随着中国页岩气革命序幕的拉开，油基钻井液技术在中国获得了空前的发展。但在新环保法及含油废物处理要求不断提高的背景下，传统难降解油基钻井液面临极大的挑战，这也给低毒且可生物降解的合成基钻井液技术带来了很大的发展机遇。合成基钻井液是采用合成油作为基础油的一种油基钻井液体系。其是由人工合成或者改性的有机物，再加入处理剂组成的合成基钻井流体[1-3]。

合成基钻井液具封堵性强、润滑性好等传统矿物油基钻井液具有的优点，同时又具备对环境危害小、毒性低和可生物降解等优点，是一种可同时满足高效钻井作业和环境保护要求的新型钻井液技术 [5-8]。

四川长宁页岩气区块龙马溪组水平段长、井壁稳定性差，长期以来使用油基钻井液钻井，环保压力巨大，使其应用受到一定限制。在四川长宁CN-H井龙马溪井段试用了一种生物合成基环保钻井液，钻井过程中该体系表现出优异的性能，实现了龙马溪组安全快速钻井。

1 钻井液体系优选

1.1 长宁地区页岩气开发难点

长宁区块构造位于川南古坳中隆低陡构造区与娄山褶皱带之间，属于构造复合体。地层倾角起伏大，地层应力分布不规律，无法求得规律性地层坍塌压力和漏失压力；龙马溪地层岩性成份复杂，碳质含量高，层理发育，水平段易垮塌。钻井液安全密度窗口需要现场根据井下情况实时调整。通过利用钻井液强封堵性和化学抑制性来克服地层坍塌压力不明确的瓶颈[9]。

1.2 生物合成基钻井液体系

通过室内实验优选出一套生物合成基钻井液体系，该钻井液配方如下。

（46%～50%）生物合成基础液+3%ATGEL+3%ATMUL+2%ATCOAT+4%ATTROL+2.3%CaO+7.7%CaCl2+H2O+加重剂

主要维护处理剂为ATMUL、 ANCOAT、CaO、ANTROL、 ANTGEL。

该生物合成基钻井液采用第3代生物合成基液作为连续相，是由植物油经特殊工艺加工而成的改性有机物。该体系抗温达到200 ℃，使用密度范围为1.10～2.50 g/cm3。该体系兼备水基钻井液的环保性与油基钻井液优越的润滑、封堵及抑制性。基础液为植物油，无芳香烃、无毒、无荧光、不含重金属、可生物降解，现场施工无刺激性气味，符合HSE要求。该钻井液对橡胶件无腐蚀，减少了对带橡胶件仪器（如螺杆、导向工具等）的损伤，延长了使用时间，减少了其维修及保养产生的时间。

对密度为2.1 g/cm3的生物合成基钻井液进行了室内评价，实验结果见表1。由表1可以看出，老化前后合成基钻井液的动塑比均较高，说明其剪切稀释性较强；体系抑制性强；极压润滑系数低于0.1，说明其润滑性较好；体系具有较强封堵性。体系老化后基本性能未发生太大改变，其抗高温稳定性较好。

表1 生物合成基钻井液性能

2 现场应用

2.1 地质工程简况

2.1.1 长宁CN-H井地质简况

长宁CN-H井是四川长宁公司部署在长宁背斜构造中奥顶构造南翼的一口页岩气水平井开发井，钻探目的层为志留系龙马溪组，钻探目的是开发长宁地区龙马溪组页岩气资源。地质分层自上而下为嘉陵江组、飞仙关组、长兴组、龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组、韩家店组、石牛栏组和龙马溪组。

2.1.2 工程简况

长宁CN-H井设计井深为4 524 m，完钻井深为4 630 m，水平段长为1 500 m，全井平均机械钻速为6.42 m/h，全井钻井周期为46.93 d。全井井眼稳定，井径规则，平均井径扩大率为4.9%，井身结构为四开四完：φ914.4 mm×19.5 m（φ508 mm×19.5 m）+φ406.4 mm×392 m（φ339.7 mm×390.83 m）+φ311.2 mm×1 394 m（φ244.5 mm×1 393.19 mm）+φ215.9 mm×4 630 m（φ139.7 mm×4 625.59 m）。

2.2 现场应用情况

根据该井的地质特征和井身结构确定钻井液施工重点：一开（0～19.5 m），使用清水钻进，下入φ508 mm导管封隔地表窜漏层、疏松易垮塌层；二开（19.5～392 m），使用清水钻进；快速钻过表层易漏地层，下套管封隔；三开（392～1 394 m），使用聚合物钻井液；提高抑制性、防塌性钻至韩家店顶下套管；四开（1 394～4 630 m），继续使用三开聚合物钻井液钻水泥塞，钻进至井深1 479 m转换为新型生物合成基环保钻井液体系。钻遇地层为韩家店组、石牛栏组、龙马溪组，岩性以泥岩夹砂岩页岩为主，龙马溪组页岩易垮塌、易漏、产气，泥岩易水化分散，造浆性强；钻井液工作重点是稳固井壁、防漏、防垮塌。应用井段为1 479～4 630 m、段长为3 151 m，平均机械钻速为6.93 m/h，钻井周期为25.37 d。

2.2.1 分段钻井液性能

合成基钻井液在长宁CN-H井现场应用的分段性能见表2。从表2可以得出，合成基钻井液的性能稳定，随着井深的增加、钻井液密度的提高，漏斗黏度、塑性黏度、动切力、初终切力等性能参数的波动小。

2.2.2 钻井液维护处理

1）密度。由于使用合成基钻井液，提高了钻井液的抑制性， 钻井液体系能从化学方面在一定程度上解决井壁稳定的问题。因此在满足井壁稳定的前题下尽可能低地控制钻井液密度，防止漏失。在实钻过程中根据井眼状况及时调整钻井液密度，以保证井眼安全。

2）油水比。随密度的增加而提高，钻井液的油水比始终维持在80/20左右。

3）高温高压滤失量。适时补充ATTROL-HT降低高温高压滤失量，控制高温高压滤失量小于5 mL（120 ℃）。现场实测小于1.0 mL。

4）电稳定性。适时向循环体系中补充ANTMUL和ANTCOAT来提高和稳定合成基钻井液的电稳定性，始终控制破乳电压大于400 V。现场实测破乳电压值均在900 V以上。

5）石灰含量。维持钻井液中有适量的多余石灰对保持乳化液的高温稳定性和防止电解质发生电离有着决定性的作用，并为乳化剂和其他处理剂提供适当的碱性环境以获得较佳的效果。

6）低密度固相含量控制。使用细目数的振动筛布（0.063～0.076 mm），开启除砂器。

表2 长宁CN-H井四开钻井用合成基钻井液性能

3 现场应用效果

3.1 钻井液常规性能、流变性能对比

生物合成基钻井液与邻井油基钻井液、高性能水基钻井液使用情况对比见表3。

从表3可以看出，生物合成基钻井液，高温下的黏度更低，有利于提高机械钻速；在同等密度下，合成基钻井液黏度低于常规油基钻井液，钻井液的沿程流阻减小，泵压更低，有利于强化钻井参数，提高排量；生物合成基钻井液还具有优异的剪切稀释性能，在同等密度下，反应钻井液剪切稀释能力的动塑比为0.35 Pa/mPa乌s，远高于邻井油基钻井液的0.11 Pa/mPa乌s，甚至优于同等条件水基钻井液的0.31 Pa/mPa乌s。合成基钻井液与亲油胶体的配伍性较好，与加重剂相容性较好，使得体系内部液固之间、固固之间内摩擦阻力较低，因此塑性黏度较低；合成基钻井液动切力更高，其携带岩屑的能力更强，在低剪切速率下的结构明显强于常规油基钻井液，避免了岩屑床的产生。

长宁CN-H井5次起下钻均畅通无阻，电测时仪器落井，井底静止6 d，打捞下钻一次到底，无沉淀，顺利打捞成功；生物合成基钻井液体系流变性好，起出钻具清洁，钻井液黏附少，石牛栏、龙马溪组岩屑返出层次分明、外形完整、棱角分明（见图1）。岩屑槽岩屑干燥成型，方便环保收集处理（见图 2）。

图1 石牛栏、龙马溪组返出岩屑

图2 起钻清洁的钻具及返出完整的岩屑

3.2 钻井液润滑性能对比

该生物合成基钻井液具有优异的润滑性能，钻具与井壁的摩擦阻力越小，钻压越能施加到钻头上，机械钻速越高；生物合成基钻井液实钻过程中无论是扭矩还是钻具摩阻，相比油基钻井液均有较大幅度的下降。尤其是钻具摩阻相比油基钻井液降低10 t，降低幅度达40%；钻进中扭矩小，起下钻无阻卡，套管一次性顺利下到底。钻井液性能对比见表3。

3.3 工程施工参数对比

使用合成基钻井液与油基钻井液时的工程参数（最优参数）见表4。从表4可见，实际施工中相同排量下合成基钻井液泵压更低，有利于强化钻井参数，提高机械钻速；长宁CN-H井龙马溪组使用合成基钻井液的机械钻速达到9.74 m/h，比使用油基钻井液的井提高了2.14 m/h。

表4 长宁CN-H井与邻井钻井液工程参数对比（龙马溪组）

3.4 井径扩大率

长宁CN-H井四开使用生物合成基钻井液钻井过程中井壁稳定，平均井径扩大率为4.9%，见图3。

长宁CN-H井四开替入生物合成基环保型钻井液，完钻井深为4 630 m，钻井周期为26 d。截止到完钻日期，该井刷新了长宁页岩气井多项记录：①实现单只钻头“一趟钻”进尺2 366 m，钻井周期为13.48 d，刷新了长宁页岩气“一趟钻”进尺和钻井周期记录；②水平段长1 500 m，平均机械钻速为9.74 m/h，钻井周期为8.58 d，刷新了长宁页岩气水平段周期记录；③完钻井深为4 630 m，全井平均机械钻速为6.2 m/h，全井钻井周期为46.93 d，刷新了长宁页岩气井全井钻井周期记录。

图3 长宁CN-H井四开井径曲线

4 结论与建议

1.生物合成基钻井液流变性好，具备优越的润滑、封堵及抑制能力，能够防止页岩水平段井壁垮塌、减少阻卡及井下复杂。

2.长宁CN-H井龙马溪组使用生物合成基钻井液，钻井液性能稳定、井壁稳定、井眼规则、起下钻摩阻小、机械钻速高，且安全环保，刷新了长宁页岩气钻井周期、机械钻速等多项纪录。

3.建议加强合成基钻井液重复利用技术研发，以推动其在长宁地区的推广使用。