摘 要：常壓頁巖氣儲層頁理層理、微裂隙發育，水平井鉆井井壁穩定難度大、鉆井液漏失風險高，商業開發降本提效需求迫切。為 此文章研發了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩定性高的“四低四高”油基鉆井液體系，室 內結果表明其整體性能指標達到或優于國外同類技術水平。該油基鉆井液在武隆和梨樹等常壓氣區塊多口井成功應用，現場油水比可 降至 60/40，較以往技術單井平均減少基礎油用量約 50t，取得了良好的應用效果和經濟效益。本研究對于常壓頁巖氣水平井鉆井液成 本控制具有重要意義和參考價值。

　　關鍵詞：常壓頁巖氣;水平井;油基鉆井液;性能控制

　　1 概述

　　2008 年以來，由于頁巖油氣勘探開發和復雜深層鉆探 需求的大幅增多，我國油基鉆井液技術發展迅速[1-2]，技術 水平快速提高。截止 2018 年底，我國已經實現了頁巖氣水 平井用油基鉆井液技術的完全自主化，打破了早期國外技 術在該領域的壟斷，充分保障了中國石化涪陵、中國石油 長寧-威遠兩大國家級頁巖氣田的建設與開發。 隨著國內頁巖氣資源勘探開發的深入，以重慶武隆、 彭水五峰組-龍馬溪組地層和吉林梨樹斷陷營城組營地層 為代表的常壓(壓力系數 1.0～1.2)頁巖氣資源成為關注的 熱點[3]。

　　區別于涪陵與威遠-長寧，上述常壓儲層頁理層理 和微裂隙更加發育，水平井鉆井井壁穩定難度更大、鉆井 液漏失風險更高，如何在充分保障水平井鉆井安全的前提 下、充分降低鉆井成本成為常壓頁巖氣水平井鉆井液技術 的最大挑戰。 針對上述問題和商業開發需求，本文聚焦常壓頁巖儲 層的地質特征、長水平井鉆井安全、優質、高效施工的綜合 要求，研制了一套黏度低、濾失量低、加量低、油水比低和 破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩定性高的“四低四高”油 基鉆井液體系，在重慶武隆和吉林梨樹等常壓氣區塊多口井成功應用，取得了良好的應用效果和經濟效益。

　　2 體系構建

　　常壓頁巖儲層不僅頁理、層理發育，而且由于地質演 變過程中歷經了多期構造運動[4]，其裂隙更加發育。頁巖氣 商業開發為了獲得更高產能，儲層水平段通常長達 800～ 2000m，這給常壓頁巖氣水平井施工帶來了巨大的挑戰，施 工中井壁失穩風險更高、井眼凈化難度更大、頁巖漏失問 題愈加突出。

　　為此，常壓頁巖氣水平井用油基鉆井液必須 具有良好的乳化穩定性能、突出的微裂隙封堵效果和出眾 的井眼清潔功能。為了達到上述鉆井液性能要求，本文對 常壓頁巖水平井用油基鉆井液體系組成進行了構建[5]：

　　(1)乳化穩定性是體系穩定的基礎。高效的乳化劑可 以保障油基鉆井液中水相的充分乳化，最大程度降低頁巖 的水化，這對于常壓頁巖井筒的穩定尤為重要。根據 Hy- dropHile-LipopHile Balance 原理[6]，選用高效乳化劑，以保 障低油水比下的乳化穩定。

　　(2)頁巖有效封堵是井下安全的保障。利用掃描電鏡 SEM 等分析手段，對武隆、梨樹等地區的頁巖巖心進行了 微觀分析，獲得了頁巖的微裂縫和孔隙的尺度范圍，進而 選擇合理粒徑范圍隨鉆封堵材料[7]，強化井筒，降低消耗、減少漏失。

　　(3)合理流變性能是水平井井眼清潔的關鍵。基于提 高頁巖長水平井攜巖能力、凈化井筒的目的，需使用可提 升油基鉆井液結構力的流型調節劑，并盡可能降低漏斗黏 度與塑性黏度，維持較高的動塑比，有效地控制合理的流 變性能，確保井眼清潔、保障施工安全。

　　(4)低油水比是降低油基鉆井液成本的核心。武隆、梨 樹區塊常壓頁巖儲層鉆探采用的鉆井液密度范圍為 1.10～ 1.40g/cm3 ，基于現有油水乳化穩定和流變性能控制水平， 油水比宜控制在 60/40~70/30，施工中應結合實鉆安全盡可 能維持在上述范圍的下限。這有利于減少基礎油用量、降 低鉆井液的總體成本。

　　3 體系配方與性能

　　3.1 配方組成

　　依據上述的構建思路與設計原則，在新型乳化劑、強 力封堵劑和提切劑等關鍵處理劑優選的基礎上，通過大量 室內實驗，獲得了常壓頁巖水平井用“四低四高”油基鉆井 液的配方組成：基礎油+1.5%主乳化劑+0.5%輔乳化劑+鹽水(CaCl2 質 量分數為 20%～35%)+2.0%CaO+1.0%有機土+2.0%降濾失 劑+0.3%提切劑+3.0%～5.0%封堵劑+加重劑，油水比 60/ 40～70/30。

　　按照上述“四低四高”油基鉆井液配方組成，依據 GB/T 16783.2 中所述配制程序與測定方法，室內對密度為 1.20～ 1.40g/cm3 的配方 120℃16h 老化后的各項性能進行了評 價，同時與國外 Schlumberger 公司的 MEGADRIL 油基鉆井 液的性能進行了對比，上述油基鉆井液在油水比 60/40～70/30 條件下經 120℃老化后破乳電壓均高于 550V，說明該鉆井 液乳化穩定;在 1.20～1.40g/cm3 范圍內，塑性黏度在 22～ 27mPa·s，動切力為 8~11Pa，具有高于 0.35 的動塑比和低 剪切轉速下的讀值，顯示了良好的低黏度、高切力流變特 征，說明攜巖能力出眾，可有效降低環空壓耗、保障頁巖氣 長水平段的井眼清潔和井下安全;同時數據還顯示其高溫 高壓濾失量均低于 3.0mL，這對于維持井壁穩定和降低鉆 井液消耗均具有重要的意義。

　　處理劑加量低和穩定性高、破乳電壓高、切力高、動 塑比高的“四低四高”突出特征。與國外先進油基鉆井液 Schlumberger 公司的 MEGADRIL 相比，常壓頁巖水平井用 “四低四高”整體性能指標達到同等技術水平，在油水比、 動塑比等指標方面同比更具優勢，這使得其更具技術競爭 力。

　　3.2 抗污染性能評價

　　基于常壓頁巖氣水平井施工工況，“四低四高”油基鉆 井液現場受到的污染主要包括替漿用水、鉆屑和固井沖洗 液三個方面，室內評價了密度為 1.20g/cm3 時三種因素對 其性能的影響，實驗模擬了油基鉆井液轉換過程中，替漿水侵入 后對其性能的影響。數據顯示，當模擬的替漿水侵入“四低 四高”油基鉆井液后，會引起黏切的升高和濾失量的略微 上升，還會導致破乳電壓的降低，這均是由于作為分散相 的水量增加所致。當模擬替漿水侵入量達到 15%時，此時 油基鉆井液的油水比已達 54/45，破乳電壓為 425V，尚高 于業界安全值 400V，表明其具有良好的抗水污染的能力， 這對于鉆井液轉換工藝過程控制，“四低四高”油基鉆井液 維持性能穩定具有重要的指導意義。

　　5~10 目的大顆粒頁巖鉆屑侵入“四 低四高”油基鉆井液后，其破乳電壓、切力等各項性能幾乎 無變化，展現出優良污染能力。粒徑 180~200 目的鉆屑粉 加入后對油基鉆井液破乳電壓影響很小，但塑性黏度、切 力均有一定程度的增長。當鉆屑粉加量至 12%時，塑性黏 度增幅達 36%，表明小粒徑鉆屑的持續增加將不可避免地 導致油基鉆井液中固相內摩擦加劇，此時必須需通過離心 機高速分離的方式將其去除，以保持鉆井液流變性能穩 定。

　　水平井固井作業時，固井油基沖洗液 的混入會導致“四低四高”油基鉆井液破乳電壓下降，當沖 洗液混入 10%時，油基鉆井液表現為黏切升高、破乳電壓 降低，整體性能保持穩定。但隨著固井液侵入量持續增加 至 15%時，乳化穩定性變差，破乳電壓降至業界安全值 400V 以下，高溫高壓濾失量也迅速增加，表明乳化穩定性 大幅下降。

　　由于油基沖洗液中含有大量親水性的表面活性組分，這些組分的侵入導致油基鉆井液中油水乳化液滴界 面吸附的表面活性組分的重新分布，使得乳化液滴的界面 膜強度降低甚至破乳，表現為油基鉆井液破乳電壓的大幅 降低。因此，基于回收后油基鉆井液乳化穩定與提高重復 使用的目的，水平井固井替漿過程中，應加強替漿終點的 判斷，以減少固井用油基沖洗液混入“四低四高”油基鉆井 液的數量。

　　3.3 封堵性能評價

　　電鏡掃描 SEM 測試顯示武隆和梨樹區塊常壓頁巖地 層微裂隙的尺度分布于 50nm～20um，為了有效模擬上述尺 度的頁巖微裂隙的封堵，本文采用粒徑尺度為 2um 的 PPA 陶瓷砂盤模擬頁巖地層，具體測試程序如下：在 PPA 測試 樣杯中裝入陶瓷砂盤，然后加入含有不同封堵劑加量的四 低四高”油基鉆井液，密封后開啟測定程序，測定 120℃下 3.0MPa 和 4.5MPa 不同壓差下 30min 的砂盤濾失量。

　　模擬封堵實驗結果表明，當“四低四高”油基鉆井液在 未加封堵材料時，在 3.0MPa 和 4.5MPa 的壓差下，PPA 封 堵實驗的高溫濾失量為 2.2mL 和 3.8mL。當加入微納米粒 度尺度、合理級配的封堵劑后，其在 PPA 封堵實驗中的濾 失量大幅度降低，封堵效果顯著提升。當不同規格的納微 米封堵劑加量增至 5.0%時，3.0MPa 和 4.5MPa 壓差下的高 溫濾失量均降至 0mL，表明納微米顆粒的粒徑與模擬的微 裂隙的尺度實現了良好的匹配，同時封堵材料的有效濃度 可以在陶瓷砂盤表面形成致密的封堵層，使得其承壓能力 顯著提升。

　　4 應用及效果

　　基于常壓頁巖水平井用“四低四高”油基鉆井液體系研究，結合重慶武隆和吉林梨樹等常壓氣區塊施工要求， 現場通過油水比維護、封堵防漏控制等措施實現了該技術 多口井的成功應用，取得了良好的應用效果和經濟效益。 本文以隆頁 A 井為例予以介紹。

　　4.1 隆頁 A 井概況

　　隆頁 A 井是中國石化武隆常壓頁巖氣區塊的一口開 發井，該井鉆探目的層為下志留統龍馬溪組和五峰組，地 層壓力系數為 1.10，屬典型常壓頁巖儲層。隆頁 A 井采用 三級井身結構，三開包括造斜井段與水平井段，設計完鉆 井深 4954m。基于提高鉆井速度的目的，該井采用旋轉導 向鉆井方式。為充分保障鉆井井下安全，同時降低成本，采 用“四低四高”油基鉆井液技術施工。

　　4.2 關鍵維護控制工藝

　　4.2.1 采用低油水比乳液補充消耗

　　鉆進中，采用油水比 60/40 乳液補充鉆井液消耗，該措 施不僅可以保障鉆井液的總量，還可以有效維持全井鉆井 液的油水比在 70/30～60/40，利于黏切的合理控制。

　　4.2.2 監測與控制流變性能與固相含量

　　(1)每班次監測流變性能與固相含量，利用固控設備 和乳液調整，將密度 1.25～1.30g/cm3 范圍的鉆井液漏斗黏 度控制在 50～65s、動切力控制在 8～14Pa。

　　(2)120 目及以上高頻振動篩和除砂除泥一體機 24h 運轉、間歇使用高速離心機，將低密度固相含量控制在 5.0%以下。

　　4.2.3 及時補充隨鉆封堵材料，強化封堵、降低消耗 使用多種納微米尺度的封堵劑，維持濃度在 4-5%的 濃度用量，將高溫高壓濾失量控制在低于 4.0mL，單位進尺 鉆井液消耗量控制在不高于 0.07m3 /m，強化井筒、節約成 本。

　　4.3 應用效果

　　現場應用表明，隆頁 A 井三開采用“四低四高”油基鉆 井液技術施工效果顯著，累計進尺 1982m。“四低四高”油基鉆井液技術整個施工過程油 水比均低于 70/30，較同區域傳統油基鉆井液技術同比降 低約 15%，累計節約基油 55t，降本顯著;低黏高切流變性能突出，攜巖返砂正常，保障了旋轉導向鉆井速度的充分 釋放，機械轉速較鄰井同比提升 30%，鉆井周期縮短 12d， 提速效果突出;隨鉆封堵效果明顯，單位進尺鉆井液消耗 降至 0.07m3 /m，較該區塊平均消耗量降幅達 24m3 ，有效節 約鉆井液成本。

　　5 結論與建議

　　(1)基于常壓頁巖儲層特征，聚焦長水平井施工安全 和降本提速的需求，研發了一套黏度低、濾失量低、加量 低、油水比低和破乳電壓高、切力高、動塑比高、穩定性高 的“四低四高”油基鉆井液體系。

　　(2)室內結果表明“四低四高”油基鉆井液油水比可達 60/40、破乳電壓高于 550V、動塑比大于 0.35，整體性能指 標達到或優于國外同類先進技術水平。

　　(3)“四低四高”油基鉆井液在武隆和梨樹等常壓氣區 塊多口井成功應用，較以往技術單井平均減少基礎油用量 約 50t，鉆井液消耗量同比減少 20%以上，經濟效益顯著。

　　(4)“四低四高”油基鉆井液對于常壓頁巖氣水平井鉆 井液成本控制具有重要意義，建議推廣應用。

　　石油論文投稿刊物：《石油鉆探技術》創刊于1973年，經國家科委批準，1979年在全國發行，1988年對國內外公開發行。主要報道國內石油鉆探工程(包括鉆井、泥漿、固井、完井、開采等專業)以及鉆探機械設備與自動化方面的科技進展和現場經驗，適當介紹國外石油鉆探技術發展的水平和動向。

　　參考文獻：

　　[1]王顯光，李雄，林永學.頁巖水平井用高性能油基鉆井液研究與 應用[J].石油鉆探技術，2013，41(2)：17-22.

　　[2]林永學.中國石化頁巖氣油基鉆井液技術進展與思考[J].石油鉆 探技術，2014，42(4)：7-13.

　　[3]方志雄，何希鵬.渝東南武隆向斜常壓頁巖氣形成與演化[J].石 油與天然氣地質，2016，37(6)：819-827.

　　作者：王顯光