鉆井液對(duì)頁(yè)巖井壁的穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)方法探討

趙虎，司西強(qiáng)，王善舉，孫舉

中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院 （河南 濮陽 457001）

評(píng)價(jià)鉆井液井壁穩(wěn)定能力的主要方法有：相對(duì)抑制率、線性膨脹實(shí)驗(yàn)、滾動(dòng)回收率、陽離子交換容量Zeta電位、毛細(xì)管虹吸時(shí)間試驗(yàn)、活度匹配和巖心浸泡等[1-4]。通過對(duì)比清水、常規(guī)水基鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液的評(píng)價(jià)結(jié)果，指出評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確度和可操作性及其優(yōu)缺點(diǎn)，以期為不同區(qū)塊頁(yè)巖氣開發(fā)中選用安全低成本的鉆井液提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

主要試劑為石油醚（沸程30～60℃）、氯化鈉（分析純）、氯化鎂（分析純）等。

1.2 主要儀器

主要儀器有高溫滾子加熱爐、電子分析天平、JS94H2型Zeta電位測(cè)試儀、HD-5型智能水活度分析儀、D8型X射線衍射儀、S-4800型掃描電鏡分析儀、YAW-300D型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)、RTR-1000型三軸巖石力學(xué)測(cè)試儀、油田化學(xué)劑評(píng)級(jí)模擬裝置等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 巖屑滾動(dòng)回收率

取涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣井焦頁(yè)1-3HF井志留系下統(tǒng)龍馬溪組黑色炭質(zhì)泥頁(yè)巖鉆屑（油基鉆井液）（3 500～3 800 m），洗油晾干[5]，稱取粒徑為 2.00～5.27 mm 的巖屑10 g，分別放置在不同液體中，90℃、16 h測(cè)定一次回收率和二次回收率。

1.3.2 巖心浸泡及抗壓強(qiáng)度測(cè)試

模擬焦石壩地層溫度和三開段鉆完井周期，分別用不同介質(zhì)，90℃條件下對(duì)頁(yè)巖巖心連續(xù)浸泡5～90 d。在不同的時(shí)間段取出不同巖心進(jìn)行觀察，并采用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)勻速緩慢加壓，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

1.3.3 巖心封堵實(shí)驗(yàn)

將頁(yè)巖巖心裝入巖心夾持器，測(cè)定巖樣的正向地層水滲透率K1；用水基鉆井液反向損害巖樣，升溫至地層溫度（下表溫度為80℃），壓差3.5 MPa，損害時(shí)間2 h，用地層水正向測(cè)巖樣的滲透率K2。計(jì)算滲透率降低率：R=(K1-K2)/K1×100%。

巖屑Zeta電位、活度分析、礦物組分分析，巖心三軸強(qiáng)度等評(píng)價(jià)均按自動(dòng)化儀器通用方法測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖屑分析與評(píng)價(jià)

2.1.1 巖屑滾動(dòng)回收率

頁(yè)巖滾動(dòng)回收率測(cè)試是評(píng)價(jià)鉆井液井壁穩(wěn)定能力較為通用的測(cè)試方法，可較為直觀地反映鉆井液抑制黏土礦物分散的能力。焦頁(yè)1-3HF井鉆屑在高性能水基鉆井液中抑制性較好，一次回收率和二次回收率均超過90%，與油基鉆井液相當(dāng)。而在聚磺鉀鹽等鉆井液中回收率較低，表明該井巖屑在高性能鉆井液中穩(wěn)定性良好，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。然而，較多硬脆性頁(yè)巖巖屑在清水中的回收率較高，如長(zhǎng)寧H9-3井清水回收率大于90%，再評(píng)價(jià)鉆井液回收率就沒有太大參考意義。

圖1 頁(yè)巖滾動(dòng)回收率

2.1.2 巖屑Zeta電位

Zeta電位是評(píng)價(jià)頁(yè)巖水敏性的重要方法之一，頁(yè)巖活性越高，電負(fù)性越強(qiáng)，Zeta絕對(duì)值越大。模擬地層溫度在不同介質(zhì)中浸泡頁(yè)巖鉆屑24 h，測(cè)試Ze?ta電位數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 頁(yè)巖巖屑Zeta電位

由表1中數(shù)據(jù)可知，高性能水基鉆井液1浸泡頁(yè)巖Zeta電位絕對(duì)值小于10 mV，巖屑分散能力大幅下降，頁(yè)巖趨于穩(wěn)定；而清水浸泡頁(yè)巖Zeta電位絕對(duì)值大于20 mV，頁(yè)巖活性較強(qiáng)，聚磺鉀鹽鉆井液浸泡頁(yè)巖次之。頁(yè)巖顆粒的不均性使顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)相互干擾，運(yùn)動(dòng)時(shí)彼此影響，可通過多次測(cè)定取平均值以降低偶然誤差。

2.1.3 巖屑活度分析

活度是評(píng)價(jià)頁(yè)巖吸水趨勢(shì)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，頁(yè)巖活度越低，吸水趨勢(shì)越強(qiáng)，水基鉆井液濾液越易進(jìn)入頁(yè)巖，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)越高。通過降低鉆井液的活度，平衡頁(yè)巖地層的滲透壓，減少濾液浸入，提高頁(yè)巖的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖活度范圍為0.40～0.65（如焦頁(yè)20-2HF活度為0.61、焦頁(yè)20-2HF為0.65、YS108H3-2為0.41、延頁(yè)-平3為0.55），高性能水基鉆井液1可控制活度0.40～0.75，實(shí)現(xiàn)與頁(yè)巖地層活度平衡，減少濾液浸入；而常規(guī)水基鉆井液活度大于0.75（飽和鹽水鉆井液活度為0.75，聚磺鉀鹽鉆井液為0.96），濾液浸入頁(yè)巖地層趨勢(shì)較高[6]。巖屑和鉆井液活度評(píng)價(jià)結(jié)果較為穩(wěn)定，但僅能說明頁(yè)巖吸水趨勢(shì)和鉆井液浸入頁(yè)巖地層水量的難易程度，只能作為表征井壁穩(wěn)定的數(shù)據(jù)之一。

2.1.4 巖屑礦物組分分析

頁(yè)巖中黏土礦物含量也是表征頁(yè)巖吸水趨勢(shì)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，開展不同介質(zhì)浸泡后頁(yè)巖巖屑黏土礦物損失率，評(píng)價(jià)鉆井液抑制黏土水化分散能力。如模擬地層溫度在不同介質(zhì)中浸泡頁(yè)巖巖屑3 d，測(cè)試浸泡前后礦物組成變化，高性能水基鉆井液1浸泡后黏土礦物（蒙脫石或伊利石）含量接近原始黏土組成，鉆屑分散程度低，對(duì)比清水浸泡后黏土礦物損失較高，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。巖屑礦物組成可測(cè)試黏土礦物總量，以及黏土中蒙脫石等易水化分散組分的含量，表征頁(yè)巖的水敏性；通過鉆井液與清水浸泡后過篩洗滌，再次測(cè)試黏土礦物含量，可以表征鉆井液抑制黏土水化分散的能力。需要說明的是，該方法僅作為鉆井液對(duì)頁(yè)巖井壁穩(wěn)定能力的定性分析。

圖2 頁(yè)巖巖屑在不同介質(zhì)浸泡后的黏土礦物含量

2.1.5 巖屑浸泡掃描電鏡分析

為了評(píng)價(jià)頁(yè)巖的孔縫和層理結(jié)構(gòu)特征，可對(duì)頁(yè)巖巖樣（一般可采用頁(yè)巖掉塊）進(jìn)行掃描電鏡分析，同樣可進(jìn)行鉆井液浸泡（多采用濾液）后再次掃描分析，以評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)頁(yè)巖的穩(wěn)定能力。如模擬地層溫度90℃，分別使用高性能水基鉆井液1和清水浸泡焦頁(yè)6側(cè)鉆水平井龍馬溪掉塊3 d，掃描電鏡觀測(cè)表明，5 000倍放大可以看出高性能水基鉆井液1保持片狀層理和微孔結(jié)構(gòu)完整，對(duì)比清水浸泡后結(jié)構(gòu)破壞，孔徑擴(kuò)大率為100%～150%，如圖3所示。該方法可較為直觀地展現(xiàn)頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)，以及濾液對(duì)頁(yè)巖的穩(wěn)定能力，但巖樣平行和垂直層理掃描存在差異，同樣平行層理也存在差異，該方法僅作為鉆井液對(duì)頁(yè)巖穩(wěn)定能力的一個(gè)定性分析。

圖3 焦頁(yè)6側(cè)龍馬溪掉塊掃描電鏡5 000倍放大圖

2.2 頁(yè)巖巖心分析與評(píng)價(jià)

2.2.1 頁(yè)巖巖心浸泡及抗壓強(qiáng)度測(cè)試

模擬地層溫度，使頁(yè)巖巖心在不同介質(zhì)中浸泡不同時(shí)間后，觀察巖心外觀的變化，并測(cè)試巖心強(qiáng)度變化，考察不同的介質(zhì)對(duì)頁(yè)巖巖心的影響情況，可作為評(píng)價(jià)鉆井液井壁穩(wěn)定能力的重要依據(jù)。由于頁(yè)巖地層巖心樣品數(shù)量少，獲取難度大，往往采用與實(shí)鉆巖心礦物種類和含量相當(dāng)?shù)穆额^巖心開展評(píng)價(jià)研究。如90℃時(shí)將頁(yè)巖巖心連續(xù)浸泡，在不同的時(shí)間段取出巖心觀察，測(cè)試抗壓強(qiáng)度，如圖4和圖5所示。

圖4 浸泡露頭巖心抗壓強(qiáng)度變化

圖5 巖心在不同介質(zhì)中浸泡的狀態(tài)

由圖4可知，巖心浸泡5 d后，在高性能水基鉆井液和油基鉆井液中的巖心強(qiáng)度較大，其他介質(zhì)中的巖心強(qiáng)度均下降幅度較大；20 d內(nèi)清水和常規(guī)水基鉆井液浸泡的巖心均出現(xiàn)斷裂，失去抗壓強(qiáng)度；高性能水基鉆井液2中浸泡60 d的巖心抗壓強(qiáng)度降低；高性能水基鉆井液1和油基鉆井液浸泡90 d的巖心抗壓強(qiáng)度變化較小。從圖5可以看到，在清水或常規(guī)水基鉆井液浸泡5 d后的巖心均出現(xiàn)不同程度的裂縫；在高性能水基鉆井液和油基鉆井液中浸泡90 d的巖心外觀沒有明顯變化。說明了高性能水基鉆井液1與油基鉆井液具有較長(zhǎng)的頁(yè)巖穩(wěn)定周期，高性能水基鉆井液2次之。該方法可以模擬地層溫度，測(cè)試巖樣在不同鉆井液中浸泡的穩(wěn)定周期，操作簡(jiǎn)便，復(fù)測(cè)性較強(qiáng)，可定性說明鉆井液井壁穩(wěn)定能力，但模擬實(shí)鉆程度較低。當(dāng)然，浸泡巖心也可以放置在密閉承壓容器，并充入一定壓力的氮?dú)饽M地層壓力，然而，密閉承壓容器不易長(zhǎng)期密封和觀察，需要每隔1～2 d檢查一次容器壓力，可測(cè)試巖心在90℃、3.5 MPa浸泡5 d后抗壓強(qiáng)度的變化，評(píng)價(jià)巖心的壓力敏感性。

2.2.2 頁(yè)巖巖心三軸強(qiáng)度測(cè)試

通過頁(yè)巖巖心三軸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)可以獲得巖石在特定條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究巖樣的變形和破壞規(guī)律，并求得巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)楊氏模量、靜態(tài)泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等量化表征巖樣抗破壞能力的巖樣強(qiáng)度參數(shù)。同樣可進(jìn)行鉆井液浸泡后測(cè)試，以評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)頁(yè)巖的穩(wěn)定能力。如模擬地層溫度90℃，分別使用不同介質(zhì)浸泡龍馬溪露頭巖心30 d，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，三軸抗壓強(qiáng)度變化如圖6所示。

圖6 浸泡露頭巖心三軸抗壓強(qiáng)度變化

由圖6可知，巖心在不同介質(zhì)中浸泡后，三軸抗壓強(qiáng)度都有降低的趨勢(shì)，但油基鉆井液浸泡后巖心抗壓強(qiáng)度降低了16%，高性能水基鉆井液浸泡次之，再次為聚磺鉀鹽鉆井液，清水浸泡15 d碎裂，失去抗壓強(qiáng)度。該方法可模擬地層施加三向不同的壓力，更加貼近地層內(nèi)巖樣受力狀況，測(cè)試較單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試貼近實(shí)鉆情況[7-8]，但仍存在難以模擬頁(yè)巖易破碎膠結(jié)層面的穩(wěn)定情況，且操作較為繁瑣，儀器費(fèi)用較高，該方法可作為表征井壁穩(wěn)定的數(shù)據(jù)之一。

2.2.3 頁(yè)巖巖心封堵實(shí)驗(yàn)

測(cè)試鉆井液污染前后的頁(yè)巖巖心滲透率變化，可作為鉆井液井壁穩(wěn)定能力（重點(diǎn)是封堵能力）的一項(xiàng)參考數(shù)據(jù)。評(píng)價(jià)不同類型的鉆井液污染對(duì)露頭巖心滲透率的影響，結(jié)果見表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，高性能水基鉆井液在露頭巖心滲透率測(cè)試中12 h未通，可以認(rèn)為滲透率接近0，滲透率降低率接近100%，具有較好的巖芯封堵效果。常規(guī)水基鉆井液難以形成致密的封堵層，導(dǎo)致巖心滲透率降低較多。該方法可以表明鉆井液的封堵能力，缺點(diǎn)是頁(yè)巖滲透率極低，要求測(cè)試儀器承壓能力和密封性較強(qiáng)，誤差率較高。

表2 不同鉆井液的巖心滲透率降低率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論與建議

頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定問題是制約其開發(fā)的主要因素之一，影響井壁穩(wěn)定的因素較多，如鉆井液的密度、抑制性、封堵能力、活度平衡以及與防漏堵漏的關(guān)系等。有機(jī)構(gòu)和學(xué)者開展了巖石連續(xù)刻劃強(qiáng)度測(cè)試、巖石裂縫擴(kuò)展層析成像測(cè)試等大型儀器分析；也有對(duì)多種評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)相關(guān)性進(jìn)行分析，更加精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定能力。

建議根據(jù)不同的地層水敏性及微孔縫層理發(fā)育選擇合理評(píng)價(jià)測(cè)試方法：①黏土礦物含量較高，水敏性較強(qiáng)的地層重點(diǎn)評(píng)價(jià)巖屑滾動(dòng)回收、Zeta電位、活度和礦物組成等；②微孔縫和層理較為發(fā)育的地層重點(diǎn)評(píng)價(jià)掃描電鏡、抗壓強(qiáng)度、三軸強(qiáng)度和巖心封堵實(shí)驗(yàn)等；③現(xiàn)場(chǎng)易采用巖屑滾動(dòng)回收等較為簡(jiǎn)潔的測(cè)試方法，并考慮地質(zhì)、工程和鉆井液等因素，為現(xiàn)場(chǎng)井壁失穩(wěn)的預(yù)防和快速處理提供技術(shù)支撐，以期實(shí)現(xiàn)低成本環(huán)保開發(fā)頁(yè)巖氣資源。