不同流體介質(zhì)條件下龍馬溪組頁巖井壁穩(wěn)定性能評價

王顯光，高書陽，褚奇，張亞云 (頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

王松 (長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

甄劍武 (頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

近年來，我國先后在涪陵、長寧、威遠等區(qū)塊的海相龍馬溪組頁巖勘探開發(fā)中取得重大突破[1～3]。其中，截至2018年3月，涪陵頁巖氣年產(chǎn)已達100×108m3，標志著我國頁巖氣加速邁進大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展階段，對緩解我國能源壓力具有重要意義[4,5]。與常規(guī)泥頁巖不同，龍馬溪組頁巖儲層層理性強、微裂隙發(fā)育，與鉆井液接觸后極易坍塌掉塊，發(fā)生失穩(wěn)，給水平井鉆進帶來極大的安全隱患。多個區(qū)塊的龍馬溪組頁巖在鉆進過程中頻繁發(fā)生井壁坍塌現(xiàn)象，造成工期延緩，成本急劇增加[6,7]，因此,如何有效地評價龍馬溪組頁巖的井壁穩(wěn)定性對安全快速鉆井具有重大的意義。

劉向君等[8]通過浸泡方法研究了龍馬溪組頁巖浸泡前后裂縫的變化；姚光華等[9]、楊恒林等[10]研究了龍馬溪露頭巖樣在不同層理角度下的力學特性，認為層理發(fā)育對力學性能具有較大的影響；崔云海等[7]、丁乙等[11]研究了不同條件下龍馬溪組頁巖力學性質(zhì)的變化；林永學等[12,13]采用巖石強度連續(xù)刻劃方法評價了礦物組分變化對強度的影響；馬天壽等[14]采用掃描試驗分析了龍馬溪組頁巖露頭在清水浸泡前后的細觀損傷特征，認為頁巖損傷主要發(fā)生在浸泡前期。但目前尚未有論述不同流體介質(zhì)條件下龍馬溪組頁巖井壁穩(wěn)定性能評價方面的研究。為此，筆者采用川渝地區(qū)龍馬溪組頁巖巖心，采用多種不同的試驗方法評價了龍馬溪組頁巖在油基鉆井液體系、高性能水基鉆井液體系、氯化鉀聚合物鉆井液體系及蒸餾水等4種流體介質(zhì)條件下的井壁穩(wěn)定性能，并進行了深入分析，旨在為進一步研究龍馬溪組頁巖井壁失穩(wěn)機理及頁巖水平井鉆井液體系的研發(fā)提供理論參考。

1 礦物組分及微觀結構分析

1.1 礦物組分

通過對威遠、涪陵、彭水等多個區(qū)塊近300個巖樣進行礦物組分分析，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)塊的龍馬溪組頁巖礦物組分大體相當，均以黏土礦物和石英為主。其中黏土礦物質(zhì)量分數(shù)在15%～76%之間，平均34%；石英質(zhì)量分數(shù)在17%～72%之間，平均40%；且同一區(qū)塊不同井深、不同位置處礦物組分變化也較大，表現(xiàn)出極強的非均質(zhì)性特征。在黏土礦物中，各個區(qū)塊龍馬溪組頁巖均以伊利石為主，不含蒙脫石。

1.2 微觀結構

圖1為涪陵區(qū)塊龍馬溪組頁巖電鏡掃描照片。通過圖1(a)可見，龍馬溪組頁巖發(fā)育有大量平行的微裂縫，方向與層理面相同；另可見少量與層理面斜交的裂縫，走向較為隨機；由圖1(b)可見頁巖微裂縫寬度主要集中在1～20μm之間；圖1(c) 和圖1(d)可見大量納米級和亞微米級孔喉和晶間縫。

2 試驗方案

2.1 試驗樣品

試驗采用焦頁11-4井、彭頁1HF井和威頁23-1H井龍馬溪組各一段巖心，將巖心粉碎篩取6～10g巖屑用于頁巖滾動回收試驗；篩取大于100目巖粉，并在6000psi(1psi≈6895Pa)壓力下經(jīng)30min壓制成巖心片用于線性膨脹試驗；沿層理面方向用取心設備套取規(guī)格為?25mm×50mm的巖心柱用于裂縫擴展試驗、封堵試驗和力學試驗。

試驗選取蒸餾水、氯化鉀聚合物鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液等4種不同性能的流體。

蒸餾水：采用英國ELGA MICRA純水儀制得。

氯化鉀聚合物鉆井液：4%膨潤土+0.8%羧甲基纖維素鈉鹽LV-CMC+0.2%部分水解聚丙烯酰胺KPAM+0.5%NaOH +2%磺化酚醛樹脂SMP-2+2%磺化瀝青DF-1+5%KCl。

高性能水基鉆井液：2%膨潤土+0.5%聚陰離子纖維素LV-PAC+0.5%羧甲基纖維素鈉鹽LV-CMC +4%磺化酚醛樹脂SMP-2+4%褐煤樹脂SPNH+4%鑲嵌成膜封堵防塌劑SMSHIELD-2+2%高酸溶磺化瀝青FF-Ⅲ+1.5%微納米封堵劑SMFD-1+2%納米乳液SMNR-1+1.5%碳酸鈣QS-2+0.3%聚胺SMJA-1+2%環(huán)保潤滑劑SMLUB-E+2%高效潤滑劑SMJH-1+6%KCl+0.5% KOH。

油基鉆井液：白油+2%有機土SMGEL-O+1.5%主乳化劑SMEMUL-1+1%輔乳化劑SMEMUL-2+2%降濾失劑SMFLA-O+ 25%CaCl2溶液+1.5%流型調(diào)節(jié)劑SMHSFA-1+2%CaO。

2.2 試驗設備

Fann2000型泥頁巖線性膨脹儀、Phoenix v|tome|x型高精度工業(yè)CT、ShaleStab頁巖壓力穿透試驗系統(tǒng)、TerraTek三軸巖石力學測試系統(tǒng)。

2.3 試驗方法

采用Fann2000型泥頁巖線性膨脹儀測定常溫條件下龍馬溪組頁巖在不同流體浸泡條件下的線性膨脹曲線，進行對比分析;采用Phoenix v|tome|x型高精度工業(yè)CT掃描龍馬溪組頁巖在不同流體中浸泡0、0.5、2、720h時的二維圖像，進行對比分析;采用ShaleStab頁巖壓力穿透試驗系統(tǒng)測試不同流體對龍馬溪組頁巖的封堵情況，進行對比分析;采用TerraTek三軸巖石力學測試系統(tǒng)測試龍馬溪組頁巖在不同流體中浸泡0、7、14、28d時的巖石抗壓強度，進行對比分析。

3 結果與分析

3.1 膨脹分散性能評價

3.1.1 線性膨脹性能

圖2為蒸餾水條件下龍馬溪組頁巖與H泥巖和W泥巖的水化膨脹性能對比。從圖2中可見,H泥巖最終線性膨脹率為67%，W泥巖最終線性膨脹率為45%；而涪陵和彭水龍馬溪組頁巖線性膨脹率僅為12.2%和11.6%。由此可以說明2個區(qū)塊的龍馬溪組頁巖的水化膨脹性能相近，但都要遠小于常規(guī)泥巖的膨脹性能。導致這一現(xiàn)象的原因主要在于龍馬溪組頁巖黏土礦物主要以伊利石為主，活度較弱，膨脹性能較差。

圖3為涪陵龍馬溪組頁巖在4種不同流體介質(zhì)條件下的線性膨脹性能對比情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁巖在蒸餾水、氯化鉀聚合物鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液條件下的線性膨脹率分別為12.4%、10.4%、3.7%和1.6%。從上述結果可以發(fā)現(xiàn)，雖然龍馬溪組頁巖水化膨脹性能較弱，但不同的流體介質(zhì)對其抑制能力仍具有顯著的差異，因此在構建鉆井液體系時需強化體系的水化抑制能力。

3.1.2 頁巖水化分散能力

采用頁巖滾動回收試驗可有效評價頁巖在高溫滾動狀態(tài)下的分散性能。試驗評價了威遠、涪陵和彭水等3個區(qū)塊的龍馬溪組頁巖在4種流體介質(zhì)條件下的滾動回收率，結果如圖4所示。3個不同區(qū)塊的龍馬溪組頁巖表現(xiàn)幾乎相同，不論是蒸餾水，還是抑制能力最強的油基鉆井液，高溫滾動回收率都大于97%，且4種流體介質(zhì)條件下滾動回收率差距極小，表明龍馬溪組頁巖水化分散能力極弱。

3.2 微觀結構變化評價

采用美國通用電氣公司的Phoenix v|tome|x型高精度工業(yè)CT評價了涪陵龍馬溪組頁巖在蒸餾水、氯化鉀聚合物鉆井液、高性能水基鉆井液和油基鉆井液浸泡條件下頁巖微觀結構隨時間的變化情況。

圖5為蒸餾水作用下不同時刻龍馬溪組頁巖微觀結構變化情況。可以發(fā)現(xiàn),與浸泡前(見圖5(a))相比，浸泡0.5h時(見圖5(b))在圖像中間位置產(chǎn)生一條與層理方向相同的新縫；2h時(見圖5(c))在圖像上方又產(chǎn)生一條新的裂縫，該裂縫方向與層理面方向呈一定的夾角；2h之后直至720h內(nèi)(見圖5(d))圖像再無明顯變化，也即說明巖心內(nèi)部無明顯變化發(fā)生。上述現(xiàn)象也可以說明在毛細管力、滲透壓等的作用下，蒸餾水可在極短的時間內(nèi)快速進入頁巖微裂縫、層理縫，并使裂縫壁面的黏土礦物等發(fā)生水化膨脹，促使裂縫逐漸擴張、延伸，最終導致宏觀裂縫的產(chǎn)生；而在實際的鉆井過程中，便可導致層狀掉塊剝落，井壁失穩(wěn)發(fā)生。這也要求在鉆井液設計和使用中，應在保持合理抑制的同時，也應強化鉆井液體系的封堵性能，盡量在較短的時間內(nèi)對頁巖微裂縫形成良好的封堵效果，減少濾液的進入，方可保持頁巖地層井壁的長期穩(wěn)定。

圖6為氯化鉀聚合物鉆井液作用下不同時刻龍馬溪組頁巖微觀結構變化情況。該巖心在浸泡之前存在3條平行于層理的裂縫；浸泡0.5h時(見圖6(b))與浸泡前(見圖6(a))相比，頁巖內(nèi)部微觀結構沒有發(fā)生顯著的變化；2h時(見圖6(c))上部產(chǎn)生2條明顯的裂縫;2h之后直至720h(見圖6(d))，巖心內(nèi)部再無明顯變化發(fā)生。從上述現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)與蒸餾水相比，氯化鉀聚合物鉆井液浸泡條件下龍馬溪組頁巖裂縫主要形成于0.5～2h內(nèi)，同蒸餾水浸泡條件相比略晚。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在于體系中鉀離子的存在可對頁巖黏土礦物的水化作用具有一定的抑制效果，致使其裂縫形成及擴展較晚；然而由于氯化鉀聚合物鉆井液體系本身封堵能力較弱，雖可減緩但卻無法阻止濾液的侵入，因此也就無法阻止裂縫的形成。

試驗采用的高性能水基鉆井液是依據(jù)龍馬溪組頁巖地層的儲層特點，在“合理抑制、高效封堵”的技術思路指導下研發(fā)的強抑制強封堵水基鉆井液體系。該體系以聚胺和氯化鉀復合作為強抑制劑，以多種不同尺度的納米級和微米級封堵材料復配作為強封堵劑，具有優(yōu)異的井壁穩(wěn)定性能。

圖7為高性能水基鉆井液作用下不同時刻龍馬溪組頁巖微觀結構變化情況。該巖心在試驗進行的720h內(nèi)，其內(nèi)部微觀結構均無明顯變化發(fā)生，說明高性能水基鉆井液有效防止了頁巖裂縫的形成。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在于體系中的氯化鉀和聚胺強抑制劑可對頁巖中的黏土礦物產(chǎn)生強抑制作用，阻止了黏土礦物的水化膨脹；而微米級和納米級封堵劑可對頁巖微裂縫及孔喉形成強力封堵作用，防止了濾液的侵入，從而達到了有效防止井壁失穩(wěn)的效果。

由于油基鉆井液井壁穩(wěn)定及潤滑減阻方面的突出優(yōu)勢，目前國內(nèi)外絕大多數(shù)頁巖儲層長水平段鉆井均采用油基鉆井液進行鉆井作業(yè)。圖8為油基鉆井液作用下不同時刻龍馬溪組頁巖微觀結構變化情況，可以發(fā)現(xiàn)試驗過程中沒有新裂縫產(chǎn)生，其他部分也未有明顯的變化，說明油基鉆井液具有優(yōu)異的封堵和抑制能力，可有效維持頁巖的井壁穩(wěn)定。

通過上述試驗可以發(fā)現(xiàn),龍馬溪組頁巖內(nèi)部微觀結構的變化主要為裂縫的形成和擴展情況，且其裂縫產(chǎn)生于同流體接觸開始的極短時間內(nèi);受頁巖層理發(fā)育的影響，形成的裂縫大都平行于層理面，具有明顯的方向性;隨著抑制能力和封堵性能的增強，鉆井液體系可有效地延緩甚至是阻止頁巖中裂縫的形成和擴展，起到井壁穩(wěn)定的作用。

3.3 頁巖微裂縫封堵評價

上述研究表明鉆井液濾液沿層理、微裂縫持續(xù)侵入地層，使頁巖微裂縫不斷的擴展、貫通，最終導致頁巖的整體破壞而失穩(wěn)。因此，如何有效地封堵頁巖層理微裂隙，減緩甚至是阻止濾液在頁巖中的穿透效應，是維持頁巖地層井壁穩(wěn)定的關鍵。目前國內(nèi)外學者主要采用常規(guī)濾失試驗、鑄體薄片、割縫鋼板和玻璃刻蝕等方法來評價頁巖微裂縫的封堵效果；然而這些方法都存在一定的缺陷，如割縫鋼板和玻璃刻蝕等方法所模擬微裂縫大都在100μm以上，遠大于頁巖微裂縫及孔喉尺寸，而常規(guī)濾失試驗和鑄體薄片等無法反映頁巖微裂縫的結構特征，致使封堵結果出現(xiàn)一定的偏差。

壓力穿透試驗是近年發(fā)展的一種井壁穩(wěn)定評價方法，由于采用頁巖巖心，可真實地反映裂縫壁面結構特征及尺寸，克服了上述評價方法的不足，準確反映不同流體對頁巖微裂縫的封堵情況。其主要試驗原理是將巖樣置于巖樣夾持器中，巖樣上游通過鉆井液循環(huán)維持一個恒定的壓力，在壓差和活度差影響下，流體向巖樣內(nèi)部滲透，并促使頁巖下游壓力逐漸升高，而通過檢測頁巖下游壓力的變化即可獲取流體在頁巖中壓力傳遞的情況。試驗采用美國ShaleStab頁巖壓力穿透試驗系統(tǒng)測定了不同流體在龍馬溪組頁巖中的壓力穿透情況，結果見圖9。試驗所用巖心取心方向均平行于層理面。

由圖9可知，當上游循環(huán)流體為蒸餾水時，隨著上游壓力的增大，下游壓力也隨之快速升高，在短短的30s內(nèi)便由0psi快速上升至132psi達到平衡，隨后維持該壓力不再變化，通過計算在該條件下頁巖相對滲透率高達8.87mD。形成這一現(xiàn)象的主要原因在于蒸餾水沒有封堵作用，在壓差的作用下，蒸餾水可快速通過層理微裂縫形成穿透。這種情況極易導致在實際的頁巖地層鉆進過程中，壓力沿著頁巖層理裂縫形成穿透，導致井筒圍巖失去應力支撐而發(fā)生失穩(wěn)。

當上游循環(huán)流體為氯化鉀聚合物鉆井液時，頁巖巖心上游壓力保持200psi基本不變，而下游壓力緩慢增加；但隨著時間的延長，下游壓力增加的趨勢逐漸降低，在14h時基本達到124psi的平衡狀態(tài)，隨后維持該壓力不再變化，通過計算在該條件下頁巖滲透率為7.32×10-2mD。與蒸餾水相比，氯化鉀聚合物鉆井液條件下頁巖相對滲透率明顯降低，說明體系中的膨潤土等微顆粒對頁巖微裂縫形成了一定的封堵作用。

在高性能水基鉆井液條件下，當上游循環(huán)壓力保持200psi時，下游壓力在試驗開始的前1.5h為0psi，說明高性能水基鉆井液在試驗開始的瞬間便對頁巖微裂縫形成封堵；隨后下游壓力開始緩慢的增加；至14h時下游壓力僅為25psi，通過計算在該條件下頁巖滲透率為3.12×10-6mD，說明高性能水基鉆井液體系中的微納米封堵劑可對頁巖微裂縫形成優(yōu)異的封堵效應，極大地降低了濾液的壓力穿透作用。

在油基鉆井液條件下，頁巖下游壓力上升最慢；至14h時下游壓力僅為10psi，通過計算在該條件下頁巖滲透率僅為1.28×10-6mD，說明油基鉆井液封堵效果最好。

3.4 力學性能評價

上述微觀結構的變化評價中的試驗表明與流體接觸后會導致頁巖中裂縫的形成和擴展，而裂縫的形成和擴展會對其力學性能產(chǎn)生顯著的影響。采用美國TerraTek三軸巖石力學測試系統(tǒng)測試了龍馬溪組頁巖巖心在4種不同流體介質(zhì)中浸泡0、7、14、28d后的力學性能變化情況。浸泡溫度90℃，力學測試圍壓30MPa。

圖10為4種不同流體浸泡條件下龍馬溪組頁巖三軸抗壓強度的變化情況。由圖10可知，龍馬溪組頁巖在4種流體中浸泡后，三軸抗壓強度都隨時間的延長呈現(xiàn)出降低的趨勢；但不同流體作用下三軸抗壓強度變化具有明顯的區(qū)別，其中油基鉆井液條件下抗壓強度由浸泡前的235.64MPa降低至28d時的198.27MPa，強度降低了15.85%，強度降低幅度最?。桓咝阅芩@井液浸泡28d時三軸抗壓強度為168.80MPa，降低幅度為28.06%；氯化鉀聚合物鉆井液浸泡28d時強度為140.34MPa，降低幅度為40.44%；蒸餾水浸泡后強度為72.63MPa,降低幅度達69.17%，降低幅度最大。

內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角是反映巖石破壞的2個主要參數(shù)，其中內(nèi)聚力體現(xiàn)了巖體內(nèi)部各相鄰部分之間的吸引力；內(nèi)摩擦角反映了巖體的摩擦特性，包括巖體表面摩擦力以及顆粒間的咬合力等。通過0MPa和30MPa這2種不同圍壓條件下的強度測試，采用摩爾應力圓法對不同流體介質(zhì)條件下的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角進行了計算。圖11為4種不同流體浸泡后龍馬溪組頁巖內(nèi)聚力的變化情況。由圖11可知，在不同流體浸泡作用下，龍馬溪組頁巖內(nèi)聚力變化區(qū)別較大。在油基鉆井液作用下，不同浸泡時刻頁巖內(nèi)聚力幾乎沒有變化，始終維持在32～33MPa左右；在高性能水基鉆井液作用下，內(nèi)聚力降低較為明顯，28d時降低至20.71MPa，降低率37.91%；在氯化鉀聚合物鉆井液作用下，巖石內(nèi)聚力降低更為明顯，28d時降低率已經(jīng)達到了68.25%。在蒸餾水條件下，龍馬溪組頁巖內(nèi)聚力降低程度最大，在14d時降低率已經(jīng)達到了70%。

圖12為4種不同流體浸泡后龍馬溪組頁巖內(nèi)摩擦角的變化情況。由圖12可知，不同時間條件下，不同流體浸泡后龍馬溪組頁巖內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)出降低的趨勢，但內(nèi)摩擦角變化幅度較小，內(nèi)摩擦角整體集中在28°～32°。

4 結論與建議

1)龍馬溪組頁巖黏土礦物主要以伊利石為主，水化膨脹性能較弱，在不同流體介質(zhì)中的分散性能均較弱，具有明顯的硬脆性特征。

2)與流體接觸后，龍馬溪組頁巖可在極短的時間內(nèi)完成裂縫的擴展和延伸，且生成的裂縫大都與層理平行；隨著流體抑制和封堵能力的增強，龍馬溪組頁巖裂縫的形成可得到明顯的推遲或阻止。

3)壓力穿透試驗表明，不同試驗流體對龍馬溪組頁巖封堵效果差異較大；通過合理的粒徑搭配強化鉆井液體系的封堵能力，可有效地降低頁巖的壓力穿透效應。

4)流體浸泡對龍馬溪組頁巖抗壓強度和內(nèi)聚力影響顯著，其中蒸餾水浸泡后抗壓強度和內(nèi)聚力降低程度最大，氯化鉀聚合物鉆井液、高性能水基鉆井液次之，油基鉆井液條件下降低程度最小。