ZY-APD高性能水基钻井液在常压页岩气井的应用

赵 虎

中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001

武隆等常压页岩地层多采用直井勘探，取芯、试气等作业显示较好后，再侧钻水平井开发，目的层为龙马溪和五峰组，岩性为页岩，黏土胶结物具有一定的水敏性，微裂缝和层理发育，井壁易失稳。通过选用ZY-APD高性能水基钻井液，较好地解决了页岩地层的井壁失稳难题，润滑性好，井眼清洁度高，较好地满足了常压页岩气钻完井的施工要求。

1 ZY-APD高性能水基钻井液体系

烷基糖苷(APG)被称作21世纪绿色表面活性剂，20世纪90年代国外将它应用于钻井液，井壁稳定，润滑防卡和流型调节能力良好，加量为36%。其后该钻井液在大庆、胜利、辽河、新疆、中原等油田应用[1-5]，但考虑到成本原因，加量为5%～8%，抑制性不足。2012年，中原钻井院首次将APG产品改性为阳离子烷基糖苷CAPG，CAPG具有较强的抑制性，在陕北、四川、中原等地区的油田现场应用100余井次；随后又改性出聚醚胺基烷基糖苷(NAPG)，低加量下即表现出很强的抑制性，与钻井液配伍性好，在东北、四川、中原、新疆等地区的油田现场应用100余井次，均表现出突出的抑制防塌和润滑防卡效果[6-10]。

2016年中原钻井院针对不同区块的页岩气研发出以NAPG，CAPG和APG为核心主剂的烷基糖苷衍生物钻井液体系，简称ZY-APD钻井液。通过岩样水敏性分析、孔缝层理分布确定合理的抑制剂加量和粒径级配范围，满足页岩气井等油基钻井液应用受限、而常规水基钻井液不能解决的钻完井需求。ZY-APD钻井液先后在昭通、长宁、南川、武隆和普光等地区应用6口井，解决了沙溪庙、千佛崖、小河坝、石牛栏组和龙马溪组等地层破碎带的坍塌掉块问题，起下钻、下套管畅通，避免了同类井应用水基钻井液钻井出现的复杂情况，技术和成本优势明显[11-13]。

2 常压页岩气地质与工程概况

2.1 地质概况

中石化探区四川盆地外围常压页岩气资源丰富，资源量达7.9万亿m3，目的层五峰组—龙马溪组主要发育在武隆、南川、彭水、黔江、道真、酉阳、正安等地。武隆和南川23组目的层岩样的X衍射分析数据表明，页岩地层矿物的组成主要为石英、长石和黏土矿物，含有少量方解石、白云石和黄铁矿等，局部地层方解石含量较高，黏土矿物主要为伊利石等。龙马溪组黑色炭质页岩中的矿物以脆性矿物和黏土矿物为主。水敏性分析数据表明，页岩中易水化膨润土含量较低，活性较强，吸水趋势强。XRD全矿物组成分析结果如表1所示，部分岩样水敏性分析结果如表2所示。

表1 不同岩样的XRD全矿物组成分析

表2 岩样水敏性分析

武隆和南川地区龙马溪组页岩厚度最大。五峰组—龙马溪组脆性矿物含量较高，热演化程度处于高成熟-过成熟早期阶段，发育溶蚀(微)孔、粒间微孔、粒内微孔、有机质孔及微裂缝等。扫描电镜下可观测到孔隙、裂缝、层理和破碎结构，如图1所示。

图1 武隆和南川岩样SEM照片

2.2 工程概况

常压页岩气井根据地质特点有2种井深结构：1)二开，一开φ311.2 mm钻头，下技术套管，二开φ215.9 mm钻头；2)二开，不下技术套管，φ311.2 mm和φ215.9 mm 2种尺寸钻头钻进。具体工程参数如表3所示。

表3 试验井工程概况

3 钻井液技术难点与技术思路

3.1 技术难点

页岩的地质特性导致地层稳定难度大。武隆地区页岩地层黏土矿物含量为10%～34%，Zeta电位为-20～-35 mV，分散特性较强。易表面水化，水分子侵入黏土晶层，导致胶结强度降低。五峰及龙马溪泥页岩层理性强，裂缝发育，主要缝宽和孔径3～20 μm，与流体接触后产生强烈的自吸现象，使裂缝萌生、扩展、贯通形成宏观裂缝。南川地区页岩地层黏土矿物含量为18%～40%，SY-2井邻井黏土含量为35%，Zeta电位为-20～-30 mV，分散特性较强。易表面水化，水分子侵入黏土晶层，导致胶结强度降低。小河坝及龙马溪泥页岩层理性强，裂缝发育，主要缝宽和孔径0.1～10 μm，与流体接触后产生强烈的自吸现象，形成宏观裂缝。

该井段钻完井周期多为30～45 d，钻井过程中的机械破坏和钻井液长时间浸泡地层超过坍塌周期，导致井壁失稳发生。

3.2 技术思路

NAPG是非离子型抑制剂，作用机理为吸附成膜、嵌入及拉紧晶层等。复配KCl可使体系获得更高的抑制能力，KCl在该体系还具有降低滤失量、灭菌、增强钻井液的长期稳定性等作用。武隆页岩地层的孔缝和微孔缝(主要缝宽和孔径3～20 μm)，南川页岩地层的孔缝和微孔缝(主要缝宽和孔径0.1～10 μm)，级配0.05～50 μm粒径的纳米-微米级封堵材料，利于快速形成致密的高强度封堵层，提高井壁的承压能力，可满足该区块页岩地层的封堵需求，减轻流体自吸现象，提高钻井液的井壁稳定能力。

NAPG等糖苷类助剂分子结构上的多羟基和1个烷基基团，能够在钻具、套管表面及井壁岩石上产生强力吸附作用，烷基作为亲油基则朝外规则排列，形成非常稳定且具有一定强度的润滑膜，并可直接参与泥饼的形成，使泥饼具有较好的润滑性。

4 ZY-APD钻井液在常压页岩气井的应用

4.1 ZY-APD钻井液的配制

取现场井浆，按配方APD(2%～3%)+纳米-微米封堵剂(2%～3%)+KCl(1%～2%)+NaOH(0.1%)加入处理剂后搅拌20 min，加热至出口温度，测定钻井液的性能。边钻进边转换ZY-APD钻井液共250～280 m3，循环均匀后测定钻井液的性能。

4.2 钻井液的维护处理

1)流变性控制和井眼清洁

为了保证φ215.9 mm井眼带砂要求，钻井液应保持合理的流变性，钻井液的黏度控制在50～70 s，动切力为6～14 Pa，静切力为2～4 Pa/4～15 Pa较为合理；若要降低钻井液的黏切，可用含APD和降滤失剂ZY-JLS或PAC-LV的稀胶液稀释；若下钻划眼较多，可用HV-CMC配制稠塞液清砂。

2)滤失量和泥饼质量控制

适当补充ZY-JLS或PAC-LV可降低钻井液的滤失量，补充APD可改善泥饼质量，纳米-微米封堵剂可降低API滤失量和HTHP滤失量。

3)钻井液的防塌措施

保持合理的钻井液密度，有效支撑井壁，是保持井壁稳定的前提，遇到泥岩或泥质含量较高的井段适当提高钻井液的密度。钻开龙马溪、五峰组钻井液的密度为1.36 g/cm3。控制抑制剂的用量为2%～3%APD和3%～5%KCl(K+的质量浓度不低于15 000 mg/L)，控制纳米-微米封堵剂的用量为2%～4%，当出现井壁掉块时可适当提高用量。

4)润滑防卡措施

APD具有良好的润滑效果和防黏卡作用，但随着裸眼段的增长，在需要定向的井段适当提高APD的用量。

4.3 应用效果

分段钻井液的性能如表4所示。

表4 应用井分段钻井液的性能

在整个钻进过程中，钻井液性能稳定，起下钻畅通无阻，取芯等作业顺利，未出现井下复杂情况，达到了稳定井壁、保护储层及井下安全的目的。具体应用效果如下：

1)强抑制和强封堵相结合，有效保障了页岩地层的稳定

保持合理的钻井液密度，有效支撑井壁，保持不低于2%NAPG和3%KCl的用量，保持纳米-微米封堵剂的用量不低于2%，提高对页岩地层微裂缝和微孔隙的封堵能力。LY-3井钻遇小河坝地层，较多3 cm×2 cm×0.5 cm薄片掉块，2 820 m时转换为APD钻井液，2 835 m处掉块逐渐减少，2 900 m处掉块基本消失，应用井段电测平均井径扩大率为1.81%。SY-2井应用段钻进过程中未发生掉块等井壁失稳现象，应用井段电测平均井径扩大率为2.39%，电测井径如图2所示，充分表明钻井液的抑制能力和封堵能力强。施工中APD钻井液较好地解决了的钻屑污染钻井液的问题，钻井液的性能稳定。

2)润滑性好，满足定向施工要求，利于降低循环压耗、提高机械钻速APD具有良好的润滑性，可改善钻井液的泥饼质量，同时加强固相控制，控制钻井液的含砂量不大于0.3%，可满足钻井工程的需要。LY-3井二开下技术套管，为φ215.9 mm井眼，钻进过程中排量为26～30 L/s，泵压为12～20 MPa，定向过程无托压，起下钻和拉井壁平均摩阻为10～20 t；SY-2井二开段为φ311.2 mm井眼+φ215.9 mm井眼，不下技术套管，钻进过程中排量为23～31 L/s，泵压为10～20 MPa，起下钻和拉井壁平均摩阻为10～20 t，较好地满足了钻井工程的需要。

图2 SY-2井 APD钻井液转换前后电测井径

3)剪切稀释性好，携岩能力强，保证了井眼清洁及岩屑床的清除

LY-3井APD钻井液的黏度控制在50～70 s，排量为26～30 L/s；SY-2井APD钻井液的黏度控制在45～70 s，排量为23～31 L/s。可较好地满足造斜段的悬浮携砂，该井实钻过程中起下钻通畅，说明井眼较为清洁，避免了井下复杂的发生。

5 结论

1)APD水基钻井液在LY-3井和SY-2井应用后，较好地解决了转换前小河坝的掉块问题，龙马溪等页岩地层井壁稳定，起下钻畅通，电测一次成功，能够满足武隆和南川区块常压页岩气井钻井完井施工要求。

2)采用边钻进边转换为APD钻井液的方式，APD钻井液与常规水基钻井液配伍性良好，提高了生产时效。