海洋鉆井水基鉆井液在頁巖地層的使用

姜 韡

(中國石化上海海洋油氣分公司海洋石油工程技術(shù)研究院，上海 200120)

海洋鉆井水基鉆井液在頁巖地層的使用

姜 韡

(中國石化上海海洋油氣分公司海洋石油工程技術(shù)研究院，上海 200120)

鉆井液已經(jīng)是一門比較成熟有完整體系的技術(shù)，如今研究的重點是尋找適合鉆井復雜新情況的鉆井液體系及使用方法。隨著海洋油氣勘探開發(fā)的大力推進，水基鉆井液在頁巖地層的使用將成為一項影響海洋鉆進效率的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)頁巖與水基鉆井液的自身特點，分析了水基鉆井液在頁巖地層使用的技術(shù)難點和產(chǎn)生問題的原因，結(jié)合現(xiàn)場實際提出了可行的解決方法，為現(xiàn)階段海洋鉆井水基鉆井液在頁巖地層的使用提供技術(shù)幫助，并為將來的深入研究明確方向。

海洋鉆井 頁巖 水基鉆井液

我國南部海域蘊藏著豐富的油氣資源，但南海東部珠江口盆地油氣田韓江組、珠江組和南海北部灣盆地潿洲組等地區(qū)泥頁巖地層層理發(fā)育，水敏性強，井壁垮塌等井下復雜頻繁發(fā)生，成為影響南海鉆井速度及鉆井成本的主要原因。合理解決泥頁巖地層井壁失穩(wěn)已成為推進南海油氣開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。同時海洋鉆井要求鉆井液在滿足常規(guī)性能的同時，還要毒性小，生物降解性好，無生物積累以及排放后對環(huán)境無害等[1]。因此，水基鉆井液成為目前海洋油氣鉆探的首選。本文對海洋鉆井中使用水基鉆井液在泥頁巖段遇見的問題以及解決方法進行了研究。

1 技術(shù)難點分析

水基鉆井液的主要技術(shù)難點有：鉆屑分散、鉆頭泥包和井壁失穩(wěn)。

1.1 鉆屑分散

由水、膨潤土和各種對黏土、鉆屑起分散作用的處理劑配制的水基鉆井液稱為分散鉆井液。其主要特點為黏土在水中高度分散，正是通過高度分散的黏土顆粒使鉆井液具有所需的流變和降濾失性能。但是在使用、維護過程中往往存在一些缺點與局限性，主要表現(xiàn)為：

1)性能不穩(wěn)定，易受可溶性鹽類的污染。

2)濾液的礦化度低，容易引起井壁附近的泥頁巖水化、松散、垮塌，并使井壁的巖溶解，即抑制性能差，不利于防塌。

3)由于固相含量高，尤其是粒徑小于1 μm的顆粒多，對機械鉆速有明顯影響。

4)濾液侵入易引起黏土膨脹，不能有效保護油氣層。

1.2 鉆頭泥包

海上鉆井PDC鉆頭的使用非常廣泛，根據(jù)實鉆經(jīng)驗，PDC鉆頭配合使用水基鉆井液時，鉆頭泥包現(xiàn)象非常普遍。主要原因有：

1)鉆井液性能差，如失水大、濾餅厚、抑制性差、潤滑性能差等。

2)鉆遇軟泥巖地層、易吸水膨脹的地層或軟硬交錯的地層，易形成泥包。

3)鉆井參數(shù)方面，鉆進中排量較小，未能將鉆屑及時帶離井底，造成重復切削。鉆進中鉆壓不均勻，使切削齒瞬間切入地層的深度不一致，特別是鉆時變慢后，盲目加大鉆壓，會迅速包死PDC鉆頭。

4)鉆頭選型選用中心孔流道較小的PDC鉆頭，容易導致鉆屑堵在底部，造成泥包。近年使用中DBS的PDC鉆頭泥包很少，而其他PDC鉆頭或試驗用鉆頭較易泥包。

1.3 井壁失穩(wěn)

1.3.1 頁巖的物理化學特性

頁巖是一種沉積巖，成分復雜，主要由粘土沉積經(jīng)高溫高壓形成，但其中混雜有石英、長石的碎屑以及其他化學物質(zhì)(組分比例見表1)。具頁狀或薄片狀層理，用硬物擊打易裂成碎片。由粘土物質(zhì)經(jīng)壓實作用、脫水作用和重結(jié)晶作用后形成。頁巖抵抗風化的能力弱，在地形上往往因侵蝕形成低山和谷地。頁巖不透水，在地下水分布中往往成為隔水層。頁巖儲層孔隙處于納米量級，孔隙類型可分為有機質(zhì)納米孔、黏土礦物粒間孔、巖石骨架礦物孔、古生物化石孔和微裂縫5種類型，其中有機質(zhì)納米孔和黏土礦物粒間孔發(fā)育最為廣泛[2]。在石油天然氣鉆井中，超過75%的地層是頁巖。并且70%～90%的井眼問題都與頁巖的不穩(wěn)定性有關(guān)，其中硬脆性泥頁巖地層約占2/3，軟泥頁巖地層約占1/3。

頁巖由于含有黏土礦物，容易產(chǎn)生水化作用，而頁巖水化是造成頁巖巖石強度降低，從而造成鉆井井壁不穩(wěn)定的重要因素[3]。南海常見的硬脆性頁巖的失穩(wěn)機理及特點主要為：孔隙壓力擴散是導致井壁失穩(wěn)的根本原因；另一個原因是自吸水產(chǎn)生的次生裂縫；井眼壓力與孔隙壓力之差、鉆井液與孔隙流體的化學勢差、毛細管壓力也會使濾液進入地層，導致井壁失穩(wěn)[4]。

表1 頁巖組分

1.3.2 井壁失穩(wěn)機理及維穩(wěn)因素分析

水基鉆井液在頁巖地層導致井壁失穩(wěn)的機理有：壓縮剪切垮塌；與鉆井液相互作用；鉆井液的沖刷；頁巖薄弱層的滑動；塑性蠕動；拉伸破裂。產(chǎn)生的結(jié)果包括徑向垮塌井眼擴大、縮徑和井壁破裂垮塌[5]。

維持井壁穩(wěn)定的主要因素分為可控因素和不可控因素[6](見表2)。

表2 維持井壁穩(wěn)定的主要因素

井壁穩(wěn)定應滿足如下條件：

1)適當?shù)哪酀{比重。如果沒有合適的泥漿比重，無論使用任何泥漿體系，均可能導致井壁失穩(wěn)。

2)防止泥漿濾液侵入。降低頁巖的滲透性，如封堵頁巖的孔喉，增大泥漿濾液粘度。

3)嘗試以下方式提高井壁穩(wěn)定：改善頁巖膜效率，降低鉆井液水活度，產(chǎn)生孔隙水從頁巖流向鉆井液，從而降低井壁附近頁巖的水含量和孔隙壓力；使用溶質(zhì)有效降低頁巖的膨脹壓力；通過溶質(zhì)與頁巖的化學作用提高頁巖的膠結(jié)力。

4)物理和化學封堵?？商岣咩@井液的有效壓力和膜效率，降低孔隙壓力傳遞的速度，改變孔隙壓力傳遞的方向。

5)提高鉆井液的膜效率。要注意一定時間內(nèi)頁巖的膜效率隨著時間的增加而減少。

2 解決問題建議

1)針對巖屑分散問題，從抑制劑、包被劑的使用和阻止水的入侵兩方面解決。

水基鉆井液抑制劑與包被劑是泥頁巖地層鉆井中經(jīng)常需要添加的兩種鉆井液處理劑。大量的現(xiàn)場經(jīng)驗[7]與實驗數(shù)據(jù)(圖1，2)說明，抑制劑能有效抑制泥頁巖和鉆屑的水化分散，降低泥漿結(jié)構(gòu)粘度和水眼粘度。

圖1 離子型抑制劑頁巖固結(jié)儀試驗結(jié)果[10]

圖2 頁巖抑制劑抑制膨潤土分散的評價試驗結(jié)果

同時推薦使用HPHA、PAC等高分子聚合物包被劑，能更好地包被鉆屑，防止鉆屑和泥頁巖水化，防止井壁垮塌，有利于井壁穩(wěn)定，提高鉆井速度。

阻止水的侵入，推薦主要從提高濾液粘度、封堵孔隙和產(chǎn)生水的滲透回流三方面著手；同時推薦使用乙二醇，胺類聚合物的成膜劑。成膜劑可使鉆井液具有半透膜性能，增加抑制能力。在井壁上能形成一層(多層)隔離膜，在井壁的外圍形成保護層，阻止水及鉆井液進入地層，可有效地防止地層水化膨脹，封堵地層層理裂隙，防止地層內(nèi)粘土顆粒的運移，防止井壁坍塌，保護油氣層。

2)井壁失穩(wěn)有多種原因，在此針對一種主要原因進行研究

對硬脆性頁巖，孔隙壓力擴散是導致井壁失穩(wěn)的根本原因；硬脆性泥頁巖礦物顆粒間微孔隙自吸水后產(chǎn)生較強水化作用，促使次生微裂縫的產(chǎn)生、擴展與連通，自吸水產(chǎn)生次生裂縫是硬脆性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)的主要原因。維穩(wěn)的關(guān)鍵是阻止孔隙壓力傳遞，孔隙壓力擴散的快慢取決于泥頁巖的滲透性、彈性和鉆井液與井壁之間物理化學作用等邊界條件。阻止孔壓傳遞須加強微裂縫的封堵，防止其開啟。只有有效的封堵才能有效控制和延緩孔隙壓力的擴散[8]。

采用物理與化學封堵兩種方式：物理封堵即表面封堵，一般使用瀝青及磺化瀝青、褐煤、乙二醇、可變形的納米顆粒等；化學封堵即內(nèi)封堵，一般使用乙二醇、絡合鋁和硅酸鹽。研究認為以下封堵材料使用效果最優(yōu)：

圖3 納米乳膠的電子顯微鏡掃描照片

圖4 可變形納米級顆粒物理封堵頁巖的裂縫

(1)納米級封堵材料(圖3)。其固相成分的粒徑均為納米級，粒徑減小不但使其能夠進入滲透率更小的地層(圖4)，而且該封堵劑還具有一些特殊的性能，如無需添加膨脹劑固化體體積就會膨脹，漿體具有高流動度等。

(2)聚合醇堵漏材料。聚合醇的濁點效應，當溫度超出其濁點后，聚合醇從溶液中析出，形成乳化油滴，在井內(nèi)壓差的作用下被擠入井壁孔隙或裂縫，起封堵作用，同時，聚合醇具有很強的吸附性能，能夠與水分子爭搶頁巖中粘土礦物上的吸附位置，并優(yōu)先吸附到粘土礦物表面，阻止水分子進入粘土礦物的晶層中，降低了粘土膨脹壓；控制鉆井液中劣質(zhì)固相的含量，降低失水，形成良好的泥餅，減少濾液的侵入。

(3)有機絡合鋁的使用，可以對頁巖孔喉和微裂縫進行有效的封堵，能夠在頁巖表面和近井壁形成致密的鋁絡合物沉淀層，使用后能有效提高頁巖的半透膜效率，使鉆井液效果接近于油基鉆井液(圖5)。

圖5 有機絡合鋁在頁巖形成的“內(nèi)泥餅”

圖6 頁巖類型對PDC泥包-時間曲線的影響

3)泥包問題解決方案

對不同類型頁巖對泥包-時間曲線的影響進行分析(圖6)，認為鉆頭泥包與時間有直接關(guān)系，因此針對如何解決泥包問題，優(yōu)先推薦添加鉆井提速劑；同時推薦使用防泥包劑。需要注意的是防泥包劑與鉆遇地層、包被劑的配伍性問題。

3 結(jié)論與建議

(1)隨著海洋油氣勘探開發(fā)的大力推進，水基鉆井液在頁巖地層的使用將成為影響鉆進效率的關(guān)鍵技術(shù)。本文根據(jù)頁巖與水基鉆井液的自身特點，分析了在頁巖地層使用水基鉆井液的技術(shù)難點和問題產(chǎn)生的原因，提出了可行的解決方案。

(2)隨著海洋開發(fā)的進一步擴大，生產(chǎn)井基本都為定向井和水平井，未來海洋水基鉆井液既要適合大段頁巖地層鉆水平井的要求，還要進一步提高鉆井液的潤滑性、防卡性及膜效率。大規(guī)模的使用可以促使國內(nèi)在此方面進行更深入的研究。

[1] 吳長勇，梁國昌，馮寶紅，等.海洋鉆井液技術(shù)研究與應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].斷塊油氣田，2005，12(3)：69-71.

[2] 吉利明，邱軍利，夏燕青，等．常見黏土礦物電鏡掃描微孔隙特征與甲烷吸附性[J].石油學報，2012，33(2)：249-256.

[3] 王中華.鉆井液處理劑應用現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].精細與專用化學品，2007，15(19):1-4.

[4] 王建華，鄢捷年，丁彤偉，等.高性能水基鉆井液研究進展[J].鉆井液與完井液，2007，24(1)：71-75.

[5] 鄧金根，郭東旭，周建良，等．泥頁巖井壁應力的力學-化學耦合計算模式及數(shù)值求解方法．巖石力學與工程學報，2003;22(增刊11):2250-2253.

[6] 金衍，陳勉．井壁穩(wěn)定力學．北京:科學出版社，2012:14-15.

[7] 汪海，王信，張民立，等.BH-WEI完井液在迪西1井的應用[J].鉆井液與完井液，2013，30(4)：88-90.

[8] Cliffe S，Young S.Agglomeration and accretion of drilled cuttings in water-based fluids [C].AADE-08-DF-HO-10，2007.

(編輯 謝 葵)

《蘇北盆地致密砂巖儲層定量評價及成藏研究》通過驗收

2016年4月12日，江蘇油田分公司承擔的集團公司項目《蘇北盆地致密砂巖儲層定量評價及成藏研究》，在東營順利通過了中國石化科技部組織的驗收。

項目經(jīng)過3年的深入研究，認清了蘇北盆地致密砂巖的成因類型與展布特征。通過運用多種實驗方法，定量分析蘇北盆地致密砂巖儲層的孔喉特征、流體賦存與可動性，確定了致密砂巖儲層的下限與分級，并進行定量評價與預測。研究過程中，結(jié)合儲層微觀特征與成藏動力學分析，總結(jié)蘇北盆地致密砂巖儲層的孔隙形成機制與演化特征，詳細分析致密化與成藏過程的關(guān)系。研究還形成了一套適合蘇北盆地致密砂巖油氣藏勘探的儲層定量評價技術(shù)。

專家高度評價本項研究，認為項目形成的方法和技術(shù)，對深化中石化東部老油田的勘探，具有較好的指導作用。

(徐 銘)

Application of water-based drilling fluids in the shale formation of offshore drilling

Jiang Wei

(OffshorePetroleumEngineeringInstituteofShanghaiOffshoreOilandGasCompany，SINOPEC,Shanghai200120，China)

The drilling fluid has been a mature technology with complete system.The key of the current study is to seek the drilling fluid system suitable for the drilling complexibility.With the offshore drilling development,the use of the water-based drilling fluid will become an important technology affecting the efficiency of ocean drilling.According to the characteristics of shale and water-based drilling fluid,it was analyzed the difficulties of water-based fluid used in shale formation and problem causes.For the field actulality,the feasible solutions were put forward，to provide help for the now use and directions of the future study.

offshore drilling；shale formation；water-based drilling fluids

2016-01-18；改回日期：2016-02-04。

姜韡(1989—)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程設計和科研工作。電話：13816543005，E-mail：2099830472@qq.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.02.017

TE254

A