临兴致密气区块降阻钻井液研究及应用

贾 佳，夏忠跃，冯 雷，范志坤

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452

目前，致密气开发由于自然产能低或基本无产能，需要采用低成本高效开发模式。在钻井作业过程中，多口井出现了托压、钻具遇阻、遇卡等高摩阻的情况，部分井由于托压严重，未能钻至设计井深，提前完钻，不能实现地质气藏目的。对现场实际作业进行模拟反演，显示正常钻进和下套管过程中的摩阻系数均较高，为了降低摩阻，有必要开展钻井液相关研究。

1 钻井液研究

1.1 已钻井情况

临兴区块已钻井显示，一些井摩阻过大未钻至设计深度，见表1，部分井设计井深与设计完钻深度相差275 m，影响了致密气开发的效果和质量。

表1 高摩阻未正常完钻井统计表

根据现场实际作业情况，对已钻井的摩阻系数进行了反演，钻进过程中裸眼段摩阻系数约0.40，见图1，比正常摩阻系数0.25大；下套管过程中裸眼段摩阻系数为0.45，见图2，比正常摩阻系数0.30偏大。为了降低摩阻，有必要开展钻井液相关研究。

图1 临兴区块钻进过程中摩阻系数

图2 临兴区块下套管过程中摩阻系数

1.2 地质特征

临兴钻遇的地层依次有第四系、三叠系纸坊组、三叠系和尚沟组、刘家沟组、石千峰组、石盒子组、山西组、太原组、本溪组等[1-2]，见图3，地层非均质性强，连续性差，具有低孔、低温、低渗的特点。

图3 临兴区块地层情况统计

1.3 地层敏感性分析

为了解地层敏感性情况，对临兴区块地层开展了碱敏、水敏、速敏、酸敏、盐敏分析[3-4]，结果见表2。临兴区块地层表现为弱碱敏特征，中强水敏特征；临界流速为0.41 mL/min，中等偏弱速敏；酸敏损害率平均为54.3%，中等偏强酸敏特征；临界盐度12 500 mg/L，弱盐敏特征。

表2 临兴地区储层敏感性研究分析表

1.4 降阻钻井液体系的研制

根据临兴地层碱敏、水敏、速敏、酸敏、盐敏特征，将超双疏理论及材料引进到钻井液体系中，形成了适合临兴区块KCl双疏封堵钻井液体系方案。一般情况下，固相和液相进行接触时，存在一定的角度，称为接触角，接触角的范围是0～180°，当接触角为0时，液体在固体表面完全铺展开；接触角是0～90°时，有一定的润湿性；接触角大于90°时，液体对固体表面已不呈现润湿性；当角度增加至130°～140°时，液体呈现对固体表面的排斥性；当接触角增加到150°以上时，形成“荷花效应”，可以有效排斥固体，见图4。

图4 荷花效应示意图

荷花的自洁效应与表面的微观结构有很大关系，其叶面上存在着许多复杂的纳米和微米级的超微结构，形成了一个又一个的乳突，间距12 μm，每个乳突由直径为200 nm的突起组成。这些乳突的存在，使得液体接触荷叶时，只能与类似“山包”的凸起点接触，不会浸湿叶面。

根据“荷花效应”的原理，研制了超双疏剂，该双疏剂由直径100 nm以下的纳米材料组成，该种结构可以在井壁表面形成乳突，当钻井液与之接触时，不会浸湿井壁，降低表面张力，实现双疏效果[5]。利用实验评价超双疏剂加量对表明张力的影响规律，结果表明，随着加量增加，表明张力迅速下降，当质量分数超过1%以后时，表面张力的变化缓慢，当加量增加至3%时，基本趋于稳定，不再变化，见图5。所以，3%的加量为最优加量[6-7]。

图5 岩心表面张力随超双疏处理剂加量的变化

1.5 提高钻井液润滑性

对不同类别润滑剂对钻井液润滑性能的影响进行了实验研究，结果如图6所示。根据实验结果，LUBE润滑剂的性能比较突出。

使用LUBE作为润滑剂时，不同加量对润滑性能的影响不尽相同，如图7。随着加量的增加，泥包黏滞系数先下降，当加至1%以后，基本保持不变；随着加量增加，E-P极压润滑系数减少，当加至1%以后，基本保持不变。同时考虑到成本因素，建议后续井作业时，LUBE加量范围为1%～2%。

图6 不同种类润滑剂润滑性能数据对比

为了进一步降低水平井作业时的摩阻，以缓解托压问题，研究了石墨加量对润滑性能的影响，在添加2%LUBE润滑剂的基础配方中，分别添加0.5%、1%、1.5%的润滑剂，考察不同加量对润滑性能的影响，结果见图8。

图8 不同石墨加量时润滑性能数据对比

随着加量增加，润滑性能提高，但0.5%加量以后，润滑性能提高速率变慢，基本保持一致。所以，对于水平井作业时，建议添加0.5%的石墨来进一步降低作业摩阻。

2 现场应用

对钻井液进行改进后，钻井作业中的遇阻、遇卡现象得到了有效控制，同时，水平井的托压现象也得到了明显缓解，同时使用水力振荡器等提效工具[9]，水平井最大井深可以钻至3 500 m，多口水平井实现了正常完钻。改进前，水平井钻井工期约50 d，改进后水平井工期约36 d，工期缩短了28%，如图9。

图9 折算成3000 m当量深度水平井改进前后工期对比

3 结论

对影响摩阻较大的钻井液进行了实验研究，研制了KCl双疏钻井液体系，超双疏剂的最优加量为3%。对润滑剂的加量进行了实验评价，润滑剂LUBE的最优加量范围为1%～2%。在此基础上，继续添加0.5%的石墨可进一步增强润滑性能。现场应用表明，改进后的钻井液可以有效缓解致密气水平井高摩阻问题，钻井工期可以缩短28%。