用于页岩储层的水基钻井液体系

  近年，非常规页岩气储层钻井活动急剧增加。页岩气储层钻井液的选择经常是油基钻井液（NAF）。

 

  虽然 NAF 具有页岩稳定性和润滑性好及抗污染等优点，但是在环境影响和附带成本方面存在严重问题，使作业者寻求用水基钻井液（WBM）进行非常规页岩气储层钻井。哈里伯顿的 Jay P. Deville 等人利用页岩矿物学和井底温度等非常规页岩气储层中的关键因素，打破“用一种水基钻井液来实现全球页岩气开发”的思想，提出基于给定页岩参数详细分析的客制化服务。分析不仅包括页岩形态和岩性，还包括钻井方案、环境因素和其它储层专用考虑因素。

 

  Haynesville页岩气水基钻井液的定制过程在定制过程中首先分析了 Haynesville 页岩及其上部 Bossier 页岩的矿物学成分。Haynesville 和Bossier 页岩主要由黏土、碳酸盐岩、黄铁矿和石英组成，且黏土几乎全部是伊利石。因此不用再考虑保障水基钻井液抑制性的问题，可以仅研究如何解决水基钻井液的抗高温难题。最终优选出的配方由具有高热力学稳定性的添加剂构成 ；一般的钻井液添加剂，包括黏土、重晶石和水，用高温抗絮凝剂控制体系黏土的热力学絮凝 ；用表面活性剂化学减少粒子间作用力，从而达到更高的钻井液密度及容纳更多的低比重固相 ；用磺化丙烯酰胺基三元聚合物控制滤失 ；加入缓冲剂来抵抗 CO2侵入，缓冲剂能够充分控制 CO2，同时不会引起合成聚合物水解。

 

  作为定制过程中的关键部分，用于研究的 LGS 是由 Haynesville 和 Bossier页岩的钻屑制成的，D50小于 10 ?m。用于以上研究的是 50%Haynesville 钻屑和 50%Bossier 钻屑的混合物。表 3 中数据表明，定制的钻井液能很好地解决高温问题，没有样品出现凝胶问题，甚至是含有 CO2的样品 ；考虑到钻井液的老化效应和固体含量，钻井液的塑性黏度和剪切强度仍然非常低 ；在含有高达 12% 的 LGS 时，钻井液仍然保持有功能特性 ；而且钻井液的 API 和高温高压滤失量非常低。证明通过定制化方法能够研发形成一种热力学稳定、抗 CO2污染、且具有高低固相容量的水基钻井液。

 

  进一步测定了钻井液在模拟井底温度和压力条件下的流变性能。使用 FANN 75 高温高压流变仪监测钻井液流变学参数变化，温度和压力分别从 48.9 ℃、0 MPa 慢慢升至 204.4 ℃、68.9 MPa。一旦达到最高温度和压力值，样品会在该温度和压力下养护 24 h。

 

  之后，温度和压力慢慢降至48.9 ℃、0 MPa。结果表明，即使是在极端温度和压力下，钻井液仍然没有出现热凝胶现象。观察 τ0值上升和下降周期的变化能够证明这是非常稳定的钻井液。

 

  水基钻井液在Haynesville页岩气井的应用为 Haynesville 页岩定制的水基钻井液在路易斯安那州的红河县进行了现场应用，该地区是抗高温要求最高的地区之一，井底温度大于 176.6 ℃。在钻至 Bossier 页岩顶部井深 3 261.36 m 时将井浆转换为定制钻井液，用其钻至完钻井深 5 425.4 m，钻井液在裸眼中停留了 45 d。在钻进过程中，出现了大量的、恒定量的 CO2侵入（＞ 8 000 mg/L），但由于钻井液的抗CO2侵染能力强，钻井液流变性能未受影响。

 

  在入侵量最大的时候（除气装置失效），钻井液流变性能有一些增加，但加入一定的处理剂可以容易地解决该问题。机械钻速与邻井差不多。除 Haynesville页岩外，还在 Fayetteville 和 Barnett 页岩进行了客制化服务，研发定制水基钻井液的原理包括收集关键井和地层的数据以及地层样品的特殊实验室试验数据。

 

  大页岩区块的定制钻井液具有良好的室内实验数据和现场性能，验证了钻井液设计方法的可行性。