涪陵頁巖氣田鉆井液體系的優化探討

李永成

（中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司，重慶 涪陵408014）

前 言

頁巖氣是指從頁巖層中開采出來的天然氣，是一種以吸附或游離狀態存在的非常規天然氣，賦存于富含有機質泥頁巖及其夾層中，以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，與常規儲層氣藏不同，頁巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲層和蓋層。中國是繼美國和加拿大之后，正式開始頁巖氣資源勘探開發的國家。涪陵頁巖氣田是除北美之外第一個實現商業化開發的頁巖氣田，屬于典型的喀斯特地貌，是國家能源局批復設立的國家級頁巖氣示范區，是國土資源部命名的第一個國家級頁巖氣勘查開發示范基地。涪陵頁巖氣田2013年1月投入商業試采，預計到2017年建成100億方／年產能，相當于建成一個1 000萬噸級的大型油田。由于涪陵頁巖氣田地層氣藏的非常規性和特殊性，在鉆井施工過程中易發生井漏、井口溢流、溢漏并存和頁巖氣層垮塌等復雜情況，如焦頁X－YHF井，表層鉆遇地層暗河，造成嚴重井漏被迫重新移井口等，給鉆井施工帶來了極大風險和諸多的困難，嚴重影響了鉆井時效和頁巖氣勘探開發進程。要盡可能地規避這些風險和攻克鉆井技術難題，就必須研究鉆井過程中針對性的技術措施，其中鉆井液體系的優選尤其重要，直接關系到地表水資源的保護和鉆井施工的成敗，也影響著頁巖氣示范區的建設。當前在涪陵工區從事鉆井施工的井隊，由江漢油田工程公司、中原油田工程公司共41支鉆井隊組成，會戰初期鉆井使用的鉆井液體系各具特色，沒有形成統一的焦石壩鉆井液體系模式。因此，針對涪陵頁巖氣田鉆井工藝技術研究，尤其是頁巖氣田鉆井液體系的優選，形成“焦石壩鉆井液體系模式”已迫在眉睫，對安全、優質、高效地開發頁巖氣藏，保護地表水資源及環境具有非常重要的意義。

1 地層特征

涪陵焦石壩區塊屬于典型的喀斯特地貌，出露地層主要為中生界三疊系雷口坡和嘉陵江組，鉆遇地層自上而下依次為：中生界三疊系雷口坡組、飛仙關組，古生界二疊系長興組、龍潭組，下統茅口組、棲霞組、梁山組，石炭系中統黃龍組（部分缺失），志留系韓家店、小河壩組、龍馬溪組，奧陶系上統五峰組。其地層主要特征是：

1）淺表溶洞、暗河發育，分布不規則。

2）三疊系、二疊系地層巖性以灰巖為主，嘉陵江組以下地層井壁相對穩定。

3）三疊系嘉陵江組中下部地層為區域水層，水層屬于非高壓地層。

4）志留系為砂泥巖地層，泥頁巖井段較多，坍塌和漏失壓力窗口較窄。

5）奧陶系上統五峰組為黑色灰質頁巖、硅質頁巖，頂部為薄層含生屑泥質灰巖。

6）目的層段志留系為龍馬溪組和奧陶系五峰組，以大套灰黑色頁巖、碳質頁巖及灰黑色和碳質泥巖為主，儲層微裂縫和層理發育。粘土礦物含量平均一般為40%，其中伊蒙混層和伊利石含量較高，分別平均含量21%和17%，其次為綠泥石，平均為2.5%。

2 鉆井液技術難點

2.1 井身結構

涪陵頁巖氣田鉆井井身結構經過第二輪優化，已基本形成了涪陵特殊模式。導管：Φ508mm或473.1mm套管下深60m左右，水泥返地面，建立井口；表層套管：Φ339.7套管下至飛仙關組飛三段底部，固井水泥返至地面；技術套管：Φ244.5套管封龍馬溪組頁巖氣層之上易漏、易垮地層，以鉆至龍馬溪組頁巖氣層標志層“濁積砂”為中完原則，無標志層的則以進入馬溪組50～100m為中完原則，水泥返地面；生產套管：Φ139.7mm套管封已鉆遇的目的段，水泥返地面，如遇井漏，水泥至少返至技術套管內300～500m內，井口要水泥“帶帽”。

2.2 技術難點

1）導管和一開井段，溶洞、暗河發育，易漏失；雷口坡組上部為紫紅色粉砂質、灰綠色鈣質頁巖，下部灰色含泥質灰巖及含鈣質頁巖，易垮塌。嘉陵江組中下部的水層區域，與地表連通性好，鉆井施工存在地表水資源被污染的環保風險，鉆井液體系要求其既經濟又環保無污染，且能夠滿足井下攜砂要求。

2）二開井段，主要是在志留系井段。針對泥頁巖井段地層鉆井液應有較強抑制能力，同時該井段屬于施工中反復定向井段，對鉆井液的攜砂能力和潤滑性能要求較高。地層承壓能力較低，易漏失。

3）三開井段，儲層泥頁巖發育，井壁易失穩。龍馬溪下段微裂縫和層理發育，伊蒙混層含量高，當鉆井液濾液沿著層理、裂縫侵入地層內部，粘土礦物易水化膨脹發生剝落坍塌。水平井段上壁由于缺乏地層支撐，應力失衡更增加了垮塌的可能性。三開水平段一般在1 000m以上，由于在其軌跡控制過程中，反復進行增－穩－降斜，有的易形成鋸齒狀，鉆井液攜砂困難，極易產生巖屑床，可能會給鉆井施工帶來起下鉆摩阻大、井下復雜及卡鉆等較大安全風險。

3 鉆井液體系優選及現場應用

3.1 鉆井液體系優選

3.1.1 導管和一開井段的鉆井液體系優選

鉆遇地層為嘉陵江組、飛仙關組。該地層較穩定，選用清水鉆進，可以規避鉆遇裂縫、溶洞、暗河漏失時所帶來的對地表水資源污染的環保風險，不足是遇大型地層坍塌，其攜帶能力不能滿足鉆井需要。遇特殊情況時，南部區塊部分井含雷口坡組地層易坍塌，巖屑攜帶困難，可選擇不添加任何鉆井液處理劑由膨潤土或凹凸棒石粘土與清水攪拌配成的普通土漿，同樣也可規避環保和其攜帶能力的不足造成卡鉆的風險。

3.1.2 二開井段的鉆井液體系優選

鉆遇地層為長興組、龍潭組、茅口組、棲霞組、梁山組、韓家店組、小河壩組、龍馬溪組（50～100m）。三疊系和二疊系上部地層穩定，鉆井體系亦可選用清水。特殊情況，如提前工程定向，為確保鉆井液攜帶能力，可提前轉化泥漿體系。二疊系下部地層流體含有硫化氫，泥頁巖井段較多，宜選擇具有較強抑制性的防硫化氫鉆井液體系。鄂西渝東地區較常用的KCL聚合物潤滑水基鉆井液體系，具有很強的抑制、包被封堵、潤滑能力，該體系能夠對地層起到有效的防塌、防漏功能，技術上成熟可行，二開非清水體系井段選用該體系合適 。

3.1.3 三開井段鉆井液的體系優選

三開井段為大斜度井段，鉆遇地層為龍馬溪－五峰組，是主要的目的層段。泥頁巖地層既是源巖又是儲層和蓋層具有其特殊性，裂縫和層理結構發育，這就要求鉆井液必須具有很好防塌、潤滑、封堵、環保功能，同時還應具有較好地保護頁巖氣的功能。目前兼顧二者功能的鉆井液體系有普通的油基鉆井液體系、合成基鉆井液體系、仿油基甲基葡萄糖甙鉆井液體系、聚合醇鉆井液體系等（表1）。

1）涪陵頁巖氣田目前使用的是普通的柴油油基鉆井液體系。此油基鉆井液體系以柴油為基液，以有基土和乳化劑等作為基本材料，油水比一般按照9∶1－8∶2配置而成，從會戰初期到現在一直沒有變。陸地、海上鉆井都在使用，其優點是配制方法簡單，維護容易，性能優越，可重復利用，能滿足常規生產井、水平井的鉆井需求，缺點是安全環保管控風險大，油基鉆屑及與之相關的廢棄物的無害化處理，不僅處理難度大，費用昂貴，而且一旦對環境造成污染難以在短時間徹底根除，可否用污染小、毒性小或者無污染的其它材料代替柴油，也將是油基鉆井液體系發展的方向。用于鉆井液作為基液的油類，能滿足污染小，環保治理容易，且無毒或者毒性小的環保品種十分有限，目前柴油替代品主要用的是5＃白油。工業級5＃白油為基液的油基鉆井液體系涪陵頁巖氣田尚未試用，以5＃白油為基液的油基鉆井液體系具有如下優點：白油不屬于易燃、易爆危險品（GB13690－92未被定為?；罚?，鉆后治理容易，但是仍具有低毒性，可刺激呼吸道和眼睛，皮膚長期接觸會產生紅斑和濕疹，其生態毒理毒性評價也待進一步深化，其價格與柴油相當，盡管國內外已有應用，但是建議慎用。

2）合成基鉆井液體系，是以聚α－ 烯烴為基液的非水基鉆井液體系，亦屬于油基類鉆井液體系，油水比一般為：9∶1－7∶3，它具有很強的厭氧降解能力，對環境基本無污染，既具有油基鉆井液的優良性能，同時毒性極低，可生物降解，是一種較好的油基環保型鉆井液體系，它已在國外海洋鉆井中廣泛應用，國內也正在嘗試，今后可選井試驗。通過研究表明，合成基鉆井液體系既經濟又環保，將是未來鉆井液體系的首選。

3）其它類非油基鉆井液體系。仿油基甲基葡萄糖甙鉆井液體系，基液是甲基葡萄糖甙水液，甲基葡萄糖甙加量一般為15%～30%，是近年來提出的可以替代油基鉆井液的新型水基鉆井液體系。研究表明，它是一種既保護油氣層又保護環境的雙保鉆井液體系，國內外已投入試用。

4）聚合醇鉆井液體系，基液以2%～5% 聚合醇、2%～4%膨潤土和2%～3% 氯化鉀等配制的水基鉆井液，在國內常規油氣井已成功應用過多口井。目前安全、環保相關的法規已陸續出臺，環保風險與日俱增，可替代油基鉆井液體系的水基體系非常有限，可以選擇性地試驗。涪陵工區頁巖氣井的目的層具有其特殊性，對鉆井液體系性能的要求更高，“安全、環保、質優、經濟”，是選擇改性水基鉆井液體系的原則。目前以水為連續相的水基鉆井液體系，在頁巖氣井中應用應謹慎嘗試，因為涪陵頁巖氣田目的層是非常規的泥頁巖層，與常規的砂巖儲集層相比有其特殊性，泥頁巖易水化膨脹是其固有的屬性，不管用什么水基鉆井液體系都不可避免，尤其是水平井更要做好風險評估，一定要經過室內試驗評價后再在現場試驗。

表1 三開鉆井液體系優選

3.2 現場應用

2013年1月至2015年8月，涪陵頁巖氣田開鉆共213口，完井157口井，正在鉆井施工56口井，已投產127口井。早期開發先導試驗井組區共17口井，導眼井段一般采用膨潤土漿，一開井段，有焦頁1－2HF、13－2HF等7口井為空氣（泡沫）鉆井液體系，二開直井段有焦頁1－3HF、焦頁12－2HF等8口井為空氣（泡沫）鉆井液體系。焦頁1－2HF在空氣（泡沫）鉆進階段（41.57～946m），井場硫化氫濃度達1～5PPm，排砂口硫化氫濃度達10PPm以上，而且淺層氣不斷地在排砂口聚集閃爆，安全環保風險極大，采取排砂口長明火燃燒及注入除硫劑等有關安全措施下才得以艱難地完成一開井段。通過先導試驗部分井試驗，證實使用空氣（泡沫）鉆井液體系鉆進，機械鉆速大幅度提高，但是安全、環保風險很大，一旦防護措施不當，很有可能造成人身傷害和財產損失事故。一、二開井段空氣（泡沫）鉆井液體系易對地下水資源造成污染，安全、環保得不到保障，同時，硫化氫防護措施也非常有限，所以在此之后放棄了繼續采用空氣（泡沫）鉆井液體系，導眼和一開井段改用清水體系鉆進，均取得成功。

三開井段全部采用普通柴油油基鉆井液體系，均取得較好的效果，目的層段無坍塌，定向井段施工順利，無掛卡現象，并且全部回收重復利用，但是環保風險較大，被油基鉆井液污染的鉆屑要進行無害化處理，費用昂貴，而且可能處理不徹底，易造成二次污染環境。目前非柴油油基鉆井液體系和改性水基鉆井液體系在該井段還從未試驗，今后將加大有關非柴油油基鉆井液體系的研究，逐步實施非柴油油基鉆井液體系。

4 結論與建議

涪陵頁巖氣田目前正在使用的鉆井液體系在整體上能夠滿足鉆井施工要求，在利用現場重復回收的油基鉆井液時，一定要提前做好相關性能檢測并做好維護處理工作后，再行利用。

分段鉆井液體系優選和建議：

1）導管和一開井段的鉆井液體系選用清水鉆井液體系，特殊情況，如涪陵工區南部井有雷口坡組井，遇巖屑攜帶困難，可選擇不添加任何鉆井液處理劑由膨潤土或凹凸棒石粘土和清水攪拌配成的普通土漿體系。

2）二開井段的鉆井液體系二疊系上部地層（定向前）鉆井液體系選用清水，其它井段選用KCL聚合物潤滑水基鉆井液體系。

3）三開井段采用普通柴油油基鉆井液體系，在條件成熟再逐步實施非柴油油基鉆井液體系。合成基聚α－烯烴鉆井液體系和改性水基鉆井液體系將是未來試驗及使用發展的方向，合成基鉆井液體系建議盡快試用。

［1］伍鐵英，劉堯文，等.涪陵頁巖氣田實驗井組開發實踐與認識［M］.北京：中國石化出版社，2014.

［2］張艷，王濤，等.合成基鉆井液體系的室內研究［J］.精細與專用化學品，2011.19（03）：28－31.

［3］岳明.聚合醇鉆井液體系的研究與應用［J］.鉆采工藝，2003.26（02）：90－91.