水平井井壁穩(wěn)定性分析及鉆井液優(yōu)化策略

張大力

摘 要：研究區(qū)域油氣藏是以多種相態(tài)存在、主體上富集于泥頁巖（部分粉砂巖）地層中的天然氣聚集。具有儲量大、生產(chǎn)周期長等特點，針對頁巖氣的成藏特征，開發(fā)以淺層大位移井、叢式水平井布井為主。由于頁巖地層裂縫發(fā)育、水敏性強，在長水平段鉆井中，不僅容易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等問題，而且由于水平段較長，還會帶來摩阻、攜巖及地層污染等問題，從而增大了產(chǎn)生井下復雜情況的幾率。因此，在水平井鉆井中解決井壁穩(wěn)定、降阻減摩和巖屑床清除等問題就成為鉆井液選擇和設計的關(guān)鍵?；谒骄@井的特點及對鉆井液的需求，本文就水平井鉆井液技術(shù)的難點與要求進行了初步探討。

關(guān)鍵詞：鉆井液；井壁穩(wěn)定性；選擇和設計；難點與要求

1水平井鉆井液技術(shù)難點分析

與常規(guī)水平井相比，以淺層大位移井、叢式水平井布井為主的頁巖氣水平井水平段長，并需要進行分段壓裂。對于要進行分段壓裂的水平井，原則上其水平段方位應垂直于最大水平主應力方向或沿著最小水平主應力方向。井眼沿著最小主應力方向鉆進時，由于頁巖地層裂縫發(fā)育，長水平段（1200m左右）鉆井中不僅易發(fā)生井漏、垮塌、泥頁巖水化膨脹縮徑等問題而產(chǎn)生井下復雜情況，而且在長水平段，摩阻、攜巖及地層污染問題也非常突出，鉆井液性能的好壞將直接影響鉆井效率、井下復雜情況的發(fā)生率及儲層保護效果。因此，從鉆井液方面講，井壁穩(wěn)定技術(shù)、降阻減摩技術(shù)和井眼清洗技術(shù)等將成為頁巖氣水平井鉆井中的關(guān)鍵技術(shù)；同時，在實施這些技術(shù)的過程中，將面臨井壁穩(wěn)定、降阻減摩和巖屑床清除等難題。

1.1井壁穩(wěn)定問題

① 孔隙壓力變化造成井壁失穩(wěn)。頁巖與孔隙液體的相互作用，改變了黏土層之間水化應力或膨脹應力的大小。濾液進入層理間隙，頁巖內(nèi)黏土礦物遇水膨脹，膨脹壓力使張力增大，導致頁巖地層（局部）拉伸破裂；相反，如果減小水化應力，則使張力降低，產(chǎn)生泥頁巖收縮和（局部）穩(wěn)定作用。

②對于低滲透性頁巖地層，由于濾液緩慢地侵入，逐漸平衡鉆井液壓力和近井壁的孔隙壓力（一般大約為幾天時間），因此失去了有效鉆井液柱壓力的支撐作用。由于水化應力的排斥作用使孔隙壓力升高，頁巖會受到剪切或張力方式的壓力，減少使頁巖粒間聯(lián)結(jié)在一起的近井壁有效應力，誘發(fā)井壁失穩(wěn)。

③對于層理和微裂縫較發(fā)育、地層膠結(jié)差的水敏性頁巖地層，濾液進入后會破壞泥頁巖的膠結(jié)性。水或鉆井液濾液極易進入微裂縫，破壞原有的力學平衡，導致巖石的碎裂。近井壁含水量和膠結(jié)的完整性改變了地層的強度，并使井眼周圍的應力場發(fā)生改變，引起應力集中，井眼未能建立新的平衡而導致井壁失穩(wěn)。

1.2高摩阻和高扭矩問題

對于淺層大位移水平井，由于其定向造斜段造斜率高，斜井段滑動鉆進，定向時容易在井壁形成小臺階，造斜點至A靶點相對狗腿度較大，起下鉆容易形成鍵槽。在水平井段，定向滑動鉆進時鉆具與井壁摩擦力大，正常鉆進時鉆頭扭矩大，必須要求鉆井液具有良好的潤滑性，以起到降阻減摩的作用。

1.3巖屑清除問題

由于水平井造斜段井斜變化大，井眼難清潔；同時，在水平段由于頁巖的坍塌和井中巖屑重力效應，影響了井眼清潔；再者，小井眼環(huán)空間隙小，泵壓高，因排量受到限，施工中易形成巖屑床，進一步增加磨阻、扭矩和井下復雜情況發(fā)生的機率。此時，鉆井液流變性和攜巖清砂能力顯得更加重要。

2頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定措施及鉆井液體系

2.1提高井壁穩(wěn)定性的方法

針對上述井壁穩(wěn)定性影響因素分析，井壁穩(wěn)定的措施包括鉆井液的化學作用（抑制和封堵）、鉆井液密度以及控制環(huán)空壓力激動，特別是利用鉆井液的化學作用來控制水和離子在頁巖中的進出從而控制水化應力、孔隙壓力和頁巖強度，非常重要。

①對于低滲透性頁巖，當鉆井液的活度比孔隙液體的活度低時，孔隙液體的滲透回流作用可以平衡水力流動，使水化減慢、孔隙壓力升高速度降低，地層強度和近井壁有效應力增加，此結(jié)果將有利于井眼穩(wěn)定。

②對于裂隙和裂縫性或?qū)永戆l(fā)育的高滲透性頁巖，可使用有效的封堵劑進行封堵。因為在原始地層被壓裂的情況下，即使采用低活度水基鉆井液，也不一定起到穩(wěn)定作用。此時，可以通過提高液體濾液黏度或封堵作用與滲透回流作用相結(jié)合，以降低頁巖滲透率來降低水力傳導率；采用低相對分子質(zhì)量的增黏劑以降低滲透率來實現(xiàn)穩(wěn)定頁巖的目的；采用觸變性鉆井液和低密度鉆井液，盡可能降低鉆井液對縫隙的穿透能力。

③由于油基鉆井液可提高水濕性頁巖的毛細管壓力，防止鉆井液對頁巖的侵入，通過使用油基鉆井液和合成基鉆井液，可以有效地解決井壁不穩(wěn)定的問題。即使采用油基鉆井液，對裂縫或?qū)永戆l(fā)育的頁巖地層，還必須強化封堵，以減少液體進入地層造成的壓力傳遞。

2.2鉆井液體系

2.2.1選擇原則

頁巖氣水平井鉆井可以采用油基鉆井液和合成基鉆井液，也可以采用強抑制性水基鉆井液，其關(guān)鍵是確保井壁穩(wěn)定、潤滑、防卡和井眼清洗。對于水基鉆井液，保證井壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵是提供良好的抑制性和封堵能力。從抑制性方面講，可以通過減少鉆井液濾液的水力流入來減輕頁巖的不穩(wěn)定性；無論對于哪種頁巖，都可以通過維持高濾液黏度或采用封堵孔喉的化學劑降低有效頁巖滲透率來實現(xiàn)。實踐表明，盡管使用低活度水基鉆井液，也只能減少進入地層中的水量，不能根本解決井壁穩(wěn)定問題。而油基鉆井液可提高水濕性頁巖的毛細管壓力，防止鉆井液對頁巖的侵入。相對于水基鉆井液，油基鉆井液和合成基鉆井液用于頁巖氣水平井鉆井，在井壁穩(wěn)定、潤滑、防卡方面具有絕對優(yōu)勢。

2.2.2油基鉆井液和水基鉆井液的優(yōu)缺點

用于頁巖氣水平井鉆井，油基鉆井液和水基鉆井液體系各具特點，現(xiàn)將其優(yōu)缺點分別列出。

①油基鉆井液

優(yōu)點：a.井壁穩(wěn)定性好，抑制能力強；b.潤滑性好，卡鉆趨勢低，定向滑動鉆進不拖壓；c.熱穩(wěn)定性好，高溫、高壓條件下濾失量低；d.抗污染能力強（鹽、膏、固相以及CO2、H2S氣體污染），維護處理工作量小；e.無腐蝕性；f.有利于保護儲層。

缺點：a.不環(huán)保；b.成本相對高，后勤保障工作量大；c.影響天然氣浸探測；d.溫度對流變性影響較大；e.循環(huán)漏失趨勢高。

②水基鉆井液

優(yōu)點：a.環(huán)保；b.天然氣浸易發(fā)現(xiàn)；c.溫度對流變性影響較小；d.成本相對低；e.遇井漏容易處理。

缺點：a.井壁穩(wěn)定性差；b.熱穩(wěn)定性相對較差，易于高溫凝膠化；c.抗污染性差（固相及CO2、H2S氣體污染），維護處理工作量大；d.潤滑防卡能力不足。

2.2.3下步需要開展的工作

從兩種體系的優(yōu)缺點對比來看，在目前情況下，油基鉆井液表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢，故為了實現(xiàn)防塌需要，同時獲得良好潤滑性的目標，淺層大位移頁巖氣水平井鉆井應首先使用油基鉆井液體系。同時，應結(jié)合油基鉆井液在應用中存在的問題及需要，研制油基鉆井液降濾失劑、乳化劑、提黏切劑、封堵劑及潤濕劑等，以不斷完善油基鉆井液體系，發(fā)展低毒或無毒油基鉆井液。當活性頁巖暴露于高礦化度（35%CaCl2）的水基鉆井液時，活性的頁巖會發(fā)生失水（或脫水）現(xiàn)象。在高礦化度條件下，頁巖中的水分反而會被吸入到鉆井液中去，這樣對于提高頁巖地層穩(wěn)定性非常有利。