川西低滲氣藏井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液技術(shù)

吳雄軍 ，林永學(xué) ，金軍斌 ，李大奇 ，劉珂

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在低滲氣藏高效鉆井液技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展［1-3］，在一定程度上解決了低滲氣藏鉆探過(guò)程中出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)、水平段延伸能力不足等問(wèn)題，保障了低滲油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)。但是，隨著我國(guó)油氣資源戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施，勘探開(kāi)發(fā)不斷深入，低滲氣藏高效鉆井液技術(shù)面臨復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的諸多挑戰(zhàn)［4］。以川西低滲氣藏為例，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈擠壓，沉積物嚴(yán)重致密化，地下斷裂發(fā)育且發(fā)育程度不均衡，屬于典型的致密砂巖裂縫性氣藏。該類氣藏上三疊統(tǒng)和侏羅系陸相碎屑巖地層，如沙溪廟組、千佛崖組、須家河組等，鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生掉塊型井壁失穩(wěn)，不僅會(huì)顯著增加鉆井綜合成本，而且還會(huì)延誤低滲油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程［5-6］。筆者以川西低滲氣藏主力開(kāi)發(fā)氣藏沙溪廟組地層為主要研究對(duì)象，開(kāi)展了川西低滲氣藏井壁失穩(wěn)原因分析，研制了井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液處理劑，開(kāi)發(fā)了川西低滲氣藏井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液技術(shù)，為川西低滲氣藏的“提速、提產(chǎn)、提質(zhì)、提效”開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。

1 川西低滲氣藏井壁失穩(wěn)原因分析

1.1 地層特性

川西陸相低滲儲(chǔ)層沙溪廟組分為2段。其中：沙溪廟組上段以紫紅色含鈣質(zhì)泥巖為主，夾厚層長(zhǎng)石石英砂巖；沙溪廟組下段以厚層巖屑長(zhǎng)石砂巖、巖屑石英砂巖為主，偶夾紫紅色泥巖。物性分析結(jié)果表明，儲(chǔ)層平均孔隙度為8.66%，平均滲透率為0.021×10-3μm2，屬低滲中低孔儲(chǔ)層。

從沙溪廟組地層巖樣的顯微鏡照片（見(jiàn)圖1）中可以看出，地層巖性以細(xì)—中粒巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，粒間微孔隙及粒內(nèi)微裂縫發(fā)育，且微裂隙尺寸分布范圍廣，表現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)性。

圖1 沙溪廟組地層巖樣顯微鏡照片

1.2 黏土礦物分析

采用X射線衍射儀分析了川西低滲氣藏侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組和沙溪廟組2個(gè)主力產(chǎn)層的巖樣黏土礦物組成，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 蓬萊鎮(zhèn)組和沙溪廟組巖樣黏土礦物組成

從分析結(jié)果可以看出，蓬萊鎮(zhèn)組和沙溪廟組黏土礦物中伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%以上，蒙皂石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.92%～10.88%，且間層比較低，屬于典型的硬脆性泥頁(yè)巖。

1.3 井壁失穩(wěn)原因

綜合地層特性分析結(jié)果和黏土礦物分析結(jié)果可以看出，川西低滲氣藏沙溪廟組地層微裂隙發(fā)育，采用水基鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，若體系中缺少與地層微裂隙相匹配的微納米封堵材料，將難以對(duì)微納米級(jí)的地層裂隙進(jìn)行有效封堵［7］。鉆井液濾液沿裂縫侵入后，一方面會(huì)使得微裂隙內(nèi)孔隙壓力增加，弱面摩擦力降低，地層坍塌壓力上升；另一方面還會(huì)使得微裂縫中的片狀黏土礦物發(fā)生水化膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力。在兩方面因素的共同作用下，裂隙周圍的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)將不可避免地被打破，引起硬脆性泥頁(yè)巖快速分散、剝落，并誘導(dǎo)產(chǎn)生更多新的裂縫或微孔，加速鉆井液濾液的進(jìn)一步侵入，從而導(dǎo)致井周應(yīng)力的整體改變，引發(fā)嚴(yán)重的剝落掉塊與井壁坍塌［8-9］。因此，川西低滲氣藏鉆井液體系選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)首先考慮其與地層裂隙相匹配的封堵防塌性能。

2 井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液技術(shù)

2.1 井壁修補(bǔ)強(qiáng)化劑研制

2.1.1 井壁修補(bǔ)強(qiáng)化劑合成與表征

針對(duì)川西低滲氣藏地層裂隙發(fā)育、非均質(zhì)性明顯、鉆井液體系選擇時(shí)難以與不同尺寸微裂隙準(zhǔn)確匹配的問(wèn)題，采用水分散聚合方法設(shè)計(jì)合成了一種含有溫度響應(yīng)結(jié)構(gòu)和分子鏈膨脹控制結(jié)構(gòu)的親水性交聯(lián)聚合物——井壁修補(bǔ)強(qiáng)化劑（SM-SCH）。

合成反應(yīng)步驟：配制25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的硫酸銨溶液，加入1.50%～3.00%的丙烯酰胺（AM）和3.00%～5.00%的丙烯酸（AA）；然后，加入3.45%～5.75%的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化胺（DMC）；攪拌均勻后，再加入1.20%～2.75%的交聯(lián)劑N-N/-亞甲基雙丙烯酰胺復(fù)配物和0.04%～0.10%的引發(fā)劑2，2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二鹽酸鹽；在保持充分?jǐn)嚢璧臈l件下，通入氮?dú)?0～45 min，在 65 ℃下反應(yīng) 4～6 h 即可得到 SM-SCH［10］。

對(duì)合成產(chǎn)物SM-SCH進(jìn)行紅外光譜分析（見(jiàn)圖2）。

圖2 SM-SCH紅外光譜

從圖2可以看出，3 426.8 cm-1處見(jiàn)酰胺羰基振動(dòng)峰，1 635.6 cm-1處見(jiàn)羧酸羰基振動(dòng)峰，963.8 cm-1處見(jiàn)羥基振動(dòng)峰，1 491.5 cm-1處見(jiàn)與N相連的—CH2振動(dòng)峰?！f(shuō)明合成產(chǎn)物SM-SCH分子結(jié)構(gòu)中含有3種聚合單體的結(jié)構(gòu)單元，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

2.1.2 井壁修補(bǔ)強(qiáng)化劑性能評(píng)價(jià)

采用掃描電子顯微鏡對(duì)合成產(chǎn)物SM-SCH的形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，SM-SCH為粒徑分布在0.5～7.0 μm的球形顆粒，粒徑主要集中在2.5 μm左右?！f(shuō)明SM-SCH用作鉆井液處理劑時(shí)，可進(jìn)入微納米尺度的地層微裂隙中實(shí)施封堵。

圖3 SM-SCH掃描電鏡照片

采用激光粒度分析儀測(cè)試了SM-SCH在4%膨潤(rùn)土漿中的原始尺寸和在不同溫度下老化2 h后的平均粒徑，考察了SM-SCH的溫度響應(yīng)性能和膨脹性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同溫度下SM-SCH在膨潤(rùn)土漿中的平均粒徑

從表2可以看出，SM-SCH分散在 22°C，4%膨潤(rùn)土漿中2 h后，平均粒徑為2.71 μm，較合成產(chǎn)物原始粒徑略有上升。在70℃以下的溫度條件下熱滾老化2 h后，SM-SCH的平均粒徑增大并不明顯，吸水膨脹倍率均在2.5以內(nèi)。當(dāng)熱滾老化溫度達(dá)到75℃后，在溫度的激發(fā)作用下，SM-SCH平均粒徑增大至42.95 μm，表現(xiàn)出良好的溫度激發(fā)吸水膨脹特性，膨脹倍率超過(guò)15.0。值得注意的是，當(dāng)熱滾老化溫度繼續(xù)升高時(shí)，SMSCH的平均粒徑基本保持不變。由此說(shuō)明，SM-SCH可在75℃時(shí)被激發(fā)，產(chǎn)生明顯的吸水膨脹。當(dāng)然，SMSCH的激發(fā)溫度和吸水膨脹倍率還可以根據(jù)地層需要，通過(guò)對(duì)聚合單體加量的改變進(jìn)行調(diào)整?？紤]到SMSCH合成產(chǎn)物的平均粒徑分布，當(dāng)它被用作鉆井液處理劑時(shí)，在地層溫度下被激發(fā)，可以有效提高鉆井液體系的封堵范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸微裂隙的準(zhǔn)確匹配與有效封堵。

2.2 鉆井液封堵劑優(yōu)選

川西低滲氣藏主力產(chǎn)層蓬萊鎮(zhèn)組和沙溪廟組地層中微裂隙發(fā)育。對(duì)中江-高廟區(qū)塊地層的微觀測(cè)試數(shù)據(jù)表明，地層中存在大量尺寸在1 μm以下的微裂隙。以江沙某井為例，1 μm以下的微裂隙占比約為40%，1 μm以上的裂隙主要集中在1～10 μm，占比約為45%，最大裂隙約為34.5 μm。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SM-SCH能夠在地層溫度激發(fā)下吸水膨脹，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述尺寸微裂隙的匹配封堵，但吸水膨脹后SM-SCH的強(qiáng)度不可避免會(huì)有所降低。為進(jìn)一步提高對(duì)微裂隙的封堵強(qiáng)度，有必要向封堵材料中補(bǔ)充一定量的剛性顆粒類封堵材料［11］。利用D90理想充填模型，對(duì)不同粒徑的超細(xì)碳酸鈣和改性石蠟的配比進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，得到最佳（質(zhì)量）配比——3 000目超細(xì)碳酸鈣∶2 500目超細(xì)碳酸鈣∶1 500目超細(xì)碳酸鈣∶改性石蠟=2∶4∶3∶1（記作 SM-P1）。

采用FDS動(dòng)態(tài)濾失及地層傷害評(píng)價(jià)系統(tǒng)，利用取自江沙區(qū)塊沙溪廟組的地層巖心進(jìn)行封堵性優(yōu)化評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)（溫度設(shè)定在75℃），以測(cè)試4%膨潤(rùn)土漿中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SM-SCH和SM-P1后對(duì)地層巖心的封堵效果。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：1）采用模擬地層水，以0.025 mL/min的恒定流量，測(cè)試通過(guò)巖心時(shí)的穩(wěn)定壓力p1；2）用添加不同封堵材料的膨潤(rùn)土漿在4.2 MPa的壓力下對(duì)巖心動(dòng)態(tài)污染30 min；3）采用模擬地層水以與之前相同的恒定流量，測(cè)試通過(guò)污染后的巖心時(shí)的穩(wěn)定壓力p2。則封堵率η的計(jì)算公式為

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同配比的封堵劑對(duì)巖心的封堵效果

從表3可以看出：?jiǎn)为?dú)加入3%的SM-SCH或SMP1時(shí)，對(duì)巖心的封堵率低于85%；當(dāng)兩者復(fù)配使用時(shí)，對(duì)巖心的封堵率得到明顯提高，封堵率超過(guò)90%，且隨著兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，封堵效果更好。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮，將2%SM-SCH+2%SM-P1作為鉆井液封堵材料推薦配方。

2.3 鉆井液抑制劑優(yōu)選

利用川西低滲氣藏中江區(qū)塊X井沙溪廟組巖心和巖屑，通過(guò)線性膨脹率實(shí)驗(yàn)和巖屑回收率實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行鉆井液抑制劑優(yōu)選［12］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 巖心和巖屑在不同抑制劑中的線性膨脹率和回收率

由表4可以看出，沙溪廟組巖心在3.0%鋁基聚合物防塌劑和3.0%聚胺抑制劑溶液中的線性膨脹率最低，明顯低于在其他幾種抑制劑溶液中的測(cè)試結(jié)果。綜合考慮巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇3.0%聚胺抑制劑為鉆井液體系推薦抑制劑。

2.4 鉆井液潤(rùn)滑劑優(yōu)選

川西低滲氣藏孔隙度小、滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)、自然產(chǎn)能低，為提高單井產(chǎn)量和采收率，大多采用水平井鉆井技術(shù)。由于水平井造斜率高、造斜段泥巖段長(zhǎng)和鉆井液密度高等不利因素，造成定向段托壓嚴(yán)重、機(jī)械鉆速低、鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大［13］。此外，由于川西地區(qū)水系發(fā)達(dá)，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)鉆井液潤(rùn)滑劑的環(huán)境可接受性也提出了較高的要求。在室內(nèi)合成環(huán)保高性能潤(rùn)滑劑SMLUB-E的基礎(chǔ)上［14］，采用極壓潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，對(duì)比評(píng)價(jià)4%膨潤(rùn)土漿中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SMLUB-E與常用潤(rùn)滑劑時(shí)的潤(rùn)滑性能［15］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5（熱滾老化條件均為120°C，16 h）。

表5 不同潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

由表5可以看出，SMLUB-E在較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下即可獲得明顯優(yōu)于常用極壓潤(rùn)滑劑和抗溫抗飽和鹽潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，2% SMLUB-E下的極壓潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)與6%原油相當(dāng)。因此，選擇2% SMLUB-E作為鉆井液潤(rùn)滑劑推薦配方。

2.5 鉆井液性能評(píng)價(jià)

根據(jù)處理劑的優(yōu)選結(jié)果，研究形成了適用于川西低滲氣藏的井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液體系推薦配方。即：4%膨潤(rùn)土漿+2% SM-SCH+2% SM-P1+2% SMLUB-E+（0.5%～1.0%）水解聚丙烯腈鉀鹽+0.2%氫氧化鉀+（0.3%～0.5%）LV-PAC+（3%～5%） 氯化鉀+（0.4%～0.6%）生石灰+（0.1%～0.2%）黃原膠+重晶石。

2.5.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

對(duì)鉆井液體系推薦配方在120℃熱滾老化16 h前后的常規(guī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)［16］，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 鉆井液體系推薦配方常規(guī)性能評(píng)價(jià)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，按推薦配方配制的井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液體系在120℃老化16 h后，體系黏度和切力雖略有上升，但變化幅度均較小，鉆井液流變性能保持良好。值得注意的是，鉆井液高溫老化后，高溫高壓濾失量明顯降低?！f(shuō)明SM-SCH與其他鉆井液處理劑具有良好的配伍性能，在溫度激發(fā)下產(chǎn)生的吸水膨脹作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了鉆井液體系的封堵性能。

2.5.2 綜合性能評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)了鉆井液體系推薦配方在120℃下熱滾老化16h前后的綜合性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7可以看出，井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液體系推薦配方在120℃老化前后，鉆井液性能整體保持穩(wěn)定。得益于SM-SCH的溫度激發(fā)后吸水膨脹特性，鉆井液體系巖心封堵率進(jìn)一步提高，表現(xiàn)出良好的封堵防塌性能和潤(rùn)滑減阻性能。

表7 鉆井液體系推薦配方綜合性能評(píng)價(jià)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液在川西低滲氣藏GS311HF，JS211-2HF井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有效解決了沙溪廟組井壁失穩(wěn)和定向段托壓?jiǎn)栴}，取得了良好的應(yīng)用效果。

GS311HF井位于川西坳陷新場(chǎng)構(gòu)造帶高廟子構(gòu)造，該井的目標(biāo)層位為沙溪廟組下段JS33-1層，上部主要鉆遇劍門關(guān)組、蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組地層。已完鉆井的井史資料顯示，川西地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組等地層在鉆開(kāi)后均不同程度出現(xiàn)井壁掉塊失穩(wěn)現(xiàn)象，其中以沙溪廟組尤為嚴(yán)重。GS311HF井同區(qū)塊鄰井在2 385～3 100 m井段均發(fā)生明顯的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。

GS311HF實(shí)鉆過(guò)程中見(jiàn)明顯掉塊（見(jiàn)圖4a），起下鉆摩阻在78.4～117.6 kN；自2 329 m轉(zhuǎn)換井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液后，掉塊明顯減少。通過(guò)適時(shí)補(bǔ)充SMSCH和SM-P1等封堵材料和SMLUB-E潤(rùn)滑劑，有效提高了鉆井液體系的封堵防塌性能和潤(rùn)滑減阻性能，在易于發(fā)生井壁失穩(wěn)的2 385～3 100 m井段未見(jiàn)明顯掉塊，返出的鉆屑規(guī)則、完整（見(jiàn)圖4b），水平段起下鉆摩阻降為39.2～58.8 kN。測(cè)井曲線表明，該井沙溪廟組轉(zhuǎn)換鉆井液體系前施工井段平均井徑擴(kuò)大率為13.52%，轉(zhuǎn)換后施工井段平均井徑擴(kuò)大率降為5.36%，取得了良好的井壁穩(wěn)定和潤(rùn)滑減阻效果。

圖4 轉(zhuǎn)換井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液前后返出巖樣照片

4 結(jié)論

1）采用水分散聚合方法設(shè)計(jì)合成了一種能夠在溫度激發(fā)下吸水膨脹的井壁修補(bǔ)強(qiáng)化劑，研制了可對(duì)不同尺寸微裂隙實(shí)施準(zhǔn)確匹配與有效封堵的封堵材料配方。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選了聚胺抑制劑、環(huán)保高性能潤(rùn)滑劑等核心處理劑，形成了適用于川西低滲氣藏的井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液。

2）室內(nèi)評(píng)價(jià)表明，井壁修補(bǔ)強(qiáng)化鉆井液具有良好的封堵防塌和潤(rùn)滑減阻性能，能滿足川西低滲氣藏水平井鉆井過(guò)程中的井壁穩(wěn)定和潤(rùn)滑減阻需求；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該體系能有效解決川西低滲氣藏沙溪廟組水平井施工中存在的井壁失穩(wěn)和定向段托壓難題。