重慶頁巖氣井油基鉆井液堵漏防塌新工藝探索

陳 亮，胡進科，耿 冬，李子鈺

（1.中國石化華東石油工程有限公司六普鉆井分公司，江蘇鎮(zhèn)江212000；2.中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210000；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083）

為了保證頁巖氣井水平段施工的順利進行，國內(nèi)絕大多數(shù)的頁巖氣井使用油基鉆井液進行施工。油基鉆井液抗污染能力強、潤滑性好、抑制性強，有利于保持井壁穩(wěn)定，能最大限度地保護油氣層[1-2]。漏失和微裂縫的滲漏引發(fā)井眼失穩(wěn)一直是頁巖氣開發(fā)的一個難題，加強對微裂縫的封堵是解決頁巖氣井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵措施之一[3]。鉆井液中加入微納米材料，可用來封堵頁巖儲層的微裂隙，從而提高儲層的漏失壓力[4-6]。國外有過一些油基鉆井液堵漏的報道，但國內(nèi)應(yīng)用的實例較少，目前國內(nèi)大多采用自有的技術(shù)和材料進行施工，也研發(fā)了頁巖封堵模擬評價儀，為頁巖氣開發(fā)封堵劑評價提供技術(shù)支撐[7-8]。由于油基鉆井液堵漏材料品種相對較少，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進行了一些嘗試和攻關(guān)，取得了一定成果。LI 等[9]通過連續(xù)乳液聚合法合成了苯乙烯丁二烯樹脂/納米SiO2（丁苯橡膠/SiO2）復(fù)合材料，用作油基鉆井液堵漏劑，提高了頁巖地層的堵漏效率；唐國旺等[10-11]研制的一種堵漏材料在油基鉆井液中配伍性好、分散性好、吸油膨脹率高、抗高溫；梁文利[12]使用國外油基堵漏劑和自研油基堵漏材料聯(lián)合堵漏，可提高承壓能力至1.85 g/cm3；李紅梅等[13]研制的油基堵漏材料具有良好的韌性、可變形性及吸油膨脹性，且抗壓強度是其他同類產(chǎn)品的20 倍；舒曼等[14]優(yōu)選剛性堵漏劑、變形顆粒與彈性封堵劑，研制出了耐溫性能佳及承壓能力強的油基鉆井液用隨鉆防漏堵漏體系；親水性堵漏材料在部分井實驗顯示其不僅堵漏效果差，且常常出現(xiàn)復(fù)漏的情況，許明標(biāo)等[15]通過室內(nèi)實驗開發(fā)的一種新型油基橋架堵漏劑，與油基鉆井液有好的配伍性，熱穩(wěn)定性好，能快速滲入裂縫中形成韌性封堵層；路宗羽等[16]針對準(zhǔn)噶爾南緣地層泥巖含量高的特點，優(yōu)選油基鉆井液并復(fù)合防漏材料獲得了高密度防漏型油基鉆井液，實驗表明具有良好的封堵和防漏性能。伴隨著滲漏會出現(xiàn)不同程度的坍塌或者掉塊，還需要進一步研究適應(yīng)性的對策。國內(nèi)很多油田存在著堵漏和井壁坍塌的難題，昭通頁巖氣示范區(qū)總體呈現(xiàn)出淺表層、中深部直井段和水平段的“三段式”井漏特征[17]；塔河油田鉆遇二疊系、柯坪塔格組，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重、井漏現(xiàn)象多發(fā)[18-19]；涪陵頁巖氣田二期區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，鉆井“跨、斜、漏、慢”等難題十分突出[20]。解決不同頁巖氣區(qū)塊的漏失垮塌難題，需要實踐和探索具有區(qū)塊適應(yīng)性的油基鉆井液堵漏、防塌的新工藝。通過對化學(xué)固化堵漏工藝的研究及對重慶地區(qū)龍馬溪組頁巖巖樣XRD 分析優(yōu)選納微米級粒徑封堵材料，有效解決了焦頁某井的井漏問題，不僅完全控制了坍塌與掉塊現(xiàn)象，而且日均鉆井液消耗量降低1/3，達到了防滲防塌的目的。

1 漏失和坍塌成為制約頁巖氣水平井鉆井的最大難題

焦頁××井是中國石化在重慶地區(qū)的一口開發(fā)井，一開作業(yè)采用φ311.2 mm 鉆頭，下入φ244.5 mm套管固井。以進入韓家店組50 m 為原則，實鉆套管下至小河壩組中部井段3 311 m（垂深3 307.87 m）。

一開施工韓家店組至小河壩組3 311 m，曾5 次漏失，鉆井液密度為1.28～1.30 g/cm3，說明韓家店組—小河壩組存在地層承壓能力較低的問題。

二開轉(zhuǎn)換成油基鉆井液進行施工，為了避免漏失，密度控制在1.28 g/cm3，但出套管鉆進至3 312.44 m時即發(fā)生井漏，鉆至4 748 m共發(fā)生井漏10次（表1），基本上每次都是井口失返，采用堵漏漿（配方為：井漿+2%～3%油基隨鉆堵漏劑+3%～5%剛性堵漏劑+1%彈性石墨+5%～8%復(fù)合堵漏劑）作先導(dǎo)漿，后續(xù)用水泥漿封堵的方法應(yīng)對，堵漏耗時超過60 d，漏失油基鉆井液超過1 200 m3。期間，為了控制井斜增加后的坍塌壓力增大問題，密度逐漸增加至1.58 g/cm3，但隨著密度的增加，漏失現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，而隨著漏失的出現(xiàn)，坍塌現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重，形成了惡性循環(huán)。

表1 二開井段10次堵漏作業(yè)簡況Table 1 Ten lost circulation stoppage operations during the second spud

鉆至4 748 m 以后，多次出現(xiàn)提下鉆困難，在3 689 m（井斜50°）、3 910 m（井斜75°）處遇阻，劃眼、循環(huán)期間振動篩返出大量掉塊（掉塊直徑為2～6 cm，圖1），同時頻繁憋泵憋頂驅(qū)，憋泵非常嚴(yán)重，頂驅(qū)反復(fù)憋停，劃眼十分困難，同時排量無法提高。在劃眼過程中還出現(xiàn)兩次復(fù)漏，33 d處理復(fù)雜情況，沒有進尺。由于頻繁漏失，加上掉塊、垮塌嚴(yán)重，經(jīng)甲方同意，在3 580 m處打水泥塞，報廢下部進尺，在封固上部漏層后，進行側(cè)鉆作業(yè)。

圖1 龍馬溪組垮塌掉塊Fig.1 Collapse block of Longmaxi Formation

2 堵漏困難原因分析

1）低壓裂縫漏失堵漏難度大，小河壩組地層壓力系數(shù)介于1.25～1.3，裂縫發(fā)育，部分井段發(fā)生鉆壓放空現(xiàn)象，天然通道和壓力差是漏失發(fā)生的主因。

2）通過前期堵漏效果分析，裂縫可能存在大小不一的情況，堵漏材料若顆粒級配不合理，就會造成封門現(xiàn)象，或者出現(xiàn)較大裂縫被封堵，較小的裂縫無法封堵的現(xiàn)象。

3）使用的橋塞堵漏材料部分親水性較強，在油基鉆井液中分散不均勻，封堵層不密實，極易在壓力激動條件下發(fā)生破壞，導(dǎo)致封堵層失效。

4）水泥漿抗油基鉆井液污染的能力差，水泥中混入油基鉆井液后固結(jié)效果差，進入漏失通道后會出現(xiàn)無法固結(jié)的情況。

5）部分橋塞堵漏劑抗溫、抗壓強度差，導(dǎo)致橋塞在高溫作用下強度降低，進而出現(xiàn)復(fù)漏。

6）存在不同壓力系統(tǒng)。二開井段小河壩組地層壓力系數(shù)低于1.3 MPa，龍馬溪組地層壓力相對較高，坍塌壓力往往高于1.48 MPa，受井眼軌跡的控制，一開套管又無法將存在低壓層的小河壩組進行封堵，為了保證龍馬溪組地層穩(wěn)定，鉆井液密度值必須高于坍塌壓力值，這就給小河壩組的低壓地層形成了較大的壓差。

3 油基鉆井液堵漏新思路

結(jié)合前期堵漏效果分析，若采取堵漏漿+水泥漿堵漏的方法，基本可建立循環(huán)恢復(fù)鉆進，但封堵層強度不足。因此，應(yīng)尋找一種可以在油基鉆井液中固結(jié)，進入漏失通道后，能夠形成較強強度的封堵技術(shù)，將較大的漏失通道徹底封死，在此基礎(chǔ)上，尋找一種微納米雙親纖維堵漏材料，一旦井眼出現(xiàn)微裂縫，或者原先堵漏層出現(xiàn)復(fù)漏現(xiàn)象，隨即封堵微裂縫，不僅可以解決滲漏問題，同時可以解決井壁坍塌掉塊問題，從而確保后期鉆井施工的順利進行。

根據(jù)以上思路，在油基鉆井液出現(xiàn)漏失時，引入了化學(xué)固結(jié)技術(shù)，成功率遠(yuǎn)高于水泥封固和橋塞堵漏工藝；同時，開發(fā)出了聚硅纖維，為國內(nèi)首創(chuàng)的微米級雙親封堵劑，配合納米封堵劑，成功解決了頁巖氣儲層滲漏及防塌的問題。

4 油基鉆井液專用的化學(xué)固化堵漏技術(shù)

化學(xué)固化堵漏技術(shù)篩選納微米級粒徑封堵材料，利用緊密堆積固化原理，解決在不同漏失通道快速駐留封堵的技術(shù)難題，實現(xiàn)堵漏材料在不同裂縫尺寸的高效適應(yīng)。

由于引入特殊親油性惰性粒子，堵漏漿在混入30%～40%油基鉆井液條件下仍然可以高效固化封堵，解決了水泥漿受油基鉆井液污染后不固化的技術(shù)難題。

4.1 水灰比選擇

水灰比的變化，影響到固化堵漏漿的密度、稠度和固化強度。由于施工時井漿密度已經(jīng)達到1.58 g/cm3，根據(jù)表2的實驗，考慮到堵漏漿密度應(yīng)略高于井漿，故選擇水灰比為1∶1.4的堵漏漿。

表2 水灰比對固化堵漏漿性能的影響Table 2 Effect of water cement ratio on performance of solidified plugging slurry

4.2 稠化時間調(diào)整

預(yù)測漏層溫度為70 ℃左右，因此，在此溫度下，用緩凝劑的不同加量控制稠化時間（表3）。

表3 70 ℃環(huán)境下緩凝劑對固化堵漏漿性能影響Table 3 Effect of retarder on performance of solidified plugging slurry at 70 ℃

為了保證施工的安全，避免出現(xiàn)提前固結(jié)的現(xiàn)象，故選擇④號配方，加入0.6%的緩凝劑。

4.3 現(xiàn)場施工實錄

根據(jù)前10 次井漏及多次堵漏掃塞情況分析，可以判斷漏層位置介于3 312.44～3 515.4 m，層位為小河壩組中下部以及龍馬溪組上部，因此，針對該層位進行堵漏作業(yè)。

1）第1次堵漏

配制堵漏漿15.7 m3，配方為12 m3清水+17 t固化堵漏劑+0.2%分散劑+0.6%緩凝劑。

光鉆桿鉆具下鉆，探水泥塞到位置3 580 m，大排量循環(huán)，沖洗漏層，使漏失通道開啟，確保堵漏漿能夠充分進入漏層，起鉆至3 159 m。

注固化堵漏漿15.7 m3，排量1.3 m3/min，立壓21 MPa，替油基鉆井液7.1 m3，關(guān)井平推擠入泥漿20 m3，套壓最高7 MPa，停泵后套壓4 MPa。

憋壓候凝16 h 開井，下鉆探塞，塞面3 308 m，其中3 308～3 400 m 井段為硬塞。掃塞后，下鉆至3 562 m，關(guān)井做承壓實驗，鉆井液密度1.57 g/cm3，套壓3.2 MPa不漏失。為了檢測堵漏效果，關(guān)井并打開節(jié)流閥，做動態(tài)承壓試驗，結(jié)果套壓達到2.9 MPa 隨即發(fā)生漏失。

效果：3 400 m 以上漏層被成功封堵，但隨著壓力升高，形成了新的漏失通道。

2）第2次堵漏

鉆具放在套管內(nèi)3 158 m，入井固化堵漏漿16.4 m3，正擠20.5 m3，反擠2 m3，共擠入鉆井液22.5 m3，實際塞面3 308 m，3 308～3 443 m井段有硬塞。

掃塞結(jié)束后下至3 466 m，循環(huán)處理鉆井液，做地層承壓試驗。最大壓力2.72 MPa，穩(wěn)壓0.85 MPa，當(dāng)量密度1.65 g/cm3。

循環(huán)驗漏：排量逐漸上提至2 m3/min，發(fā)生漏失，漏失泥漿2.16 m3，漏速3.6 m3/h，降低排量至1.8 m3/min，漏速減小至0.5 m3/h。

劃眼至3 510 m時，漏速突然增大，達到55 m3/h，降低排量至0.9 m3/min 循環(huán)，漏速未降，而且很快失返。停泵觀察，井口未見液面。

其原因為3 443 m處存在漏層，堵漏漿在此處短路，注入3 443 m 以下漏層的堵漏漿數(shù)量非常有限，無法形成有效封堵。

3）第3次堵漏

鉆具放至3 150 m；注固化堵漏漿20.4 m3；使用泥漿泵替油基鉆井液6 m3，關(guān)井平推正擠鉆井液24 m3，擠入過程中套壓最高4.26 MPa，停泵后套壓2 MPa；

憋壓候凝12 h 開井，下鉆探塞，塞面3 185 m，3 185～3 409 m井段成塞。

掃塞結(jié)束后，下至3 553 m，循環(huán)處理鉆井液，做地層承壓試驗：鉆井液密度1.62 g/cm3，最高壓力3.06 MPa，穩(wěn)壓10 min，降至2.39 MPa，小河壩組底部當(dāng)量密度1.69 g/cm3。

下鉆至水泥塞面3 580 m，掃塞至3 590 m 驗漏，未發(fā)生漏失。

循環(huán)驗漏：排量逐漸上提至2 m3/min，立壓18 MPa，共累計大排量循環(huán)約12 h，未發(fā)生漏失。

為驗證加入循環(huán)壓耗后的效果，起鉆更換定向鉆具組合，下鉆至水泥塞面3 590 m 處，控時側(cè)鉆至3 596 m，排量1.7 m3/min，立壓21.5 MPa，未發(fā)生漏失。

至此，承壓實驗、大排量循環(huán)驗漏、掃水泥塞及控時側(cè)鉆均未發(fā)生漏失，表明該技術(shù)應(yīng)用油基鉆井液體系中堵漏成功，該井恢復(fù)正常施工。

在該井水平段堵漏成功以后，該技術(shù)又應(yīng)用于JY14-6、JY204-1HF、JY13-5HF 等井，均取得了成功。其中，JY204-1HF 井在3 344 m 和3 496 m 處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的漏失，分別進行了兩次堵漏作業(yè)，均一次性成功，確保了后續(xù)施工的安全。

5 頁巖氣井水平段防塌新技術(shù)

5.1 重慶地區(qū)龍馬溪組巖性分析

采用XRD技術(shù)對重慶地區(qū)龍馬溪組頁巖122塊巖樣進行全巖礦物組分分析，頁巖儲層主要包括石英、黏土礦物、長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦，黏土礦物含量介于25.5%～47.9%，平均為35%，黏土礦物中主要包括伊蒙混層和伊利石，其次為綠泥石。伊蒙混層含量介于7.18%～34.28%，平均為16.92%；伊利石含量介于5.1%～28.89%，平均為11.91%；綠泥石含量介于1.56%～19.14%，平均為9.15%。

施工區(qū)塊龍馬溪組頁巖中裂縫比較發(fā)育，以頁理縫和構(gòu)造成因裂縫為主。志留紀(jì)早期經(jīng)歷多次海侵活動，龍馬溪組沉積早期以深水沉積為主，而頁理縫在深水環(huán)境較為發(fā)育，在龍馬溪組黑色頁巖中較為常見；后期成巖演化過程中受多期構(gòu)造活動影響，構(gòu)造縫發(fā)育程度不同，以高角度裂縫為主。局部能見高角度裂縫兩兩相切，而低角度裂縫不發(fā)育，也可見在成巖過程中形成的層間微裂縫（圖2、圖3）。

圖2 微裂縫氬離子拋光掃描電鏡成像Fig.2 SEM image of argon ion polishing for microfractures

圖3 構(gòu)造成因高角度裂縫Fig.3 High angle fracture caused by structure

5.2 油基鉆井液封堵劑選擇

龍馬溪組存在的天然微裂縫形成了漏失通道，一旦油基鉆井液侵入，將降低地層的強度，逐漸出現(xiàn)坍塌和掉塊現(xiàn)象，因此，對這些微裂縫的有效封堵是解決地層穩(wěn)定的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)開發(fā)的油基封堵劑相對較少，現(xiàn)場施工中常常用竹纖維、棉纖維等材料作為纖維狀封堵劑，這些纖維材料在高溫鉆井液中會碳化、失效，而且有很強的親水性，往往會造成油基鉆井液的流變性和破乳電壓變化，因此無法在高溫井中使用。

為了有效封堵微裂縫，需要尋找抗溫、耐壓，與油基鉆井液配伍性好，又不能影響井下定向工具的材料，加工成短纖維狀和粉末狀，堵漏材料可以通過200目篩網(wǎng)。

1）雙親聚硅纖維

該纖維（圖4）選取某種特殊硅源，與耐高溫?zé)o機填料和成型助劑混合均勻后，經(jīng)噴絲形成耐高溫硅基纖維，可在200 ℃以上的高溫環(huán)境中發(fā)揮良好的堵漏防滲效果，具有既親水又親油的特點，可以在油基和水基中廣泛使用。

圖4 雙親聚硅纖維掃描電鏡成像Fig.4 SEM image of amphiphilic polysilicon fibers

從圖5的粒徑分布看，該產(chǎn)品均為微米級纖維，具有一定的廣譜性，非常適合重慶地區(qū)龍馬溪組的微裂縫封堵。

圖5 雙親聚硅纖維粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of amphiphilic polysilicon fiber

由表4可以看出，聚硅纖維在不同溫度下對油基鉆井液的流變性能都幾乎沒有影響。由表5可以看出，聚硅纖維不影響油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性，甚至還有利于提高破乳電壓。對高溫高壓濾失量也幾乎無影響，在低溫下還有一定的降濾失效果。

表4 流變性實驗Table 4 Rheological test

表5 對破乳電壓和高溫高壓濾失量的影響Table 5 Effect on demulsification voltage and HTHP filtration

由表6可看出，超過160 ℃后基漿侵入超過150 mm，而聚硅纖維在180 ℃熱滾后，仍有著很好的封堵效果。

表6 沙床實驗Table 6 Sand bed experiment

2）納米封堵劑

納米封堵劑是以200 nm 左右的SiO2顆粒為主體，經(jīng)表面活性處理制成的復(fù)合材料（圖6、圖7），其作用機理是在井壁表面形成1層低滲透封堵膜，以實現(xiàn)井眼與地層之間的屏蔽隔離來達到穩(wěn)定井壁、強化井眼、預(yù)防漏失、儲層保護及預(yù)防壓差卡鉆的作用，適用于水基、油基等多種鉆井液體系?？箿匦阅芨哌_180 ℃，可隨鉆使用。

圖6 納米封堵劑Fig.6 Nano plugging agent

圖7 納米封堵劑掃描電鏡成像Fig.7 SEM image of nano plugging agent

3）現(xiàn)場應(yīng)用實錄

焦頁××井在3 580 m 處進行注水泥塞側(cè)鉆，隨后，在井漿中隨鉆加入0.2%納米封堵劑和0.5%聚硅纖維。從表7看，對鉆井液流變性影響不大，但對高溫高壓濾失量，有明顯的降低作用。從表8中也可以看到，正常施工期間，日均鉆井液消耗量大大降低，為原井漿消耗量的2/3 左右，而且從現(xiàn)場工程人員反饋信息得知：該2 種產(chǎn)品對井下儀器無任何影響。

表7 封堵材料對油基鉆井液的影響Table 7 Influence of plugging materials on oil-based drilling fluid

施工期間，加入封堵材料以后，井眼穩(wěn)定，巖屑返出規(guī)則，掉塊現(xiàn)象非常少見，巖屑床現(xiàn)象比較正常，而且正常劃眼就可以通過（表8）。

表8 實鉆效果對比Table 8 Comparison of actual drilling effect

在該井取得了成功以后，又在重慶地區(qū)的多口井進行了推廣試驗，使用效果如表9。

表9 現(xiàn)場推廣試驗Table 9 Other field tests

6 結(jié)論與建議

1）化學(xué)固化堵漏技術(shù)是油基鉆井液體系中針對裂縫型漏失的一種有效手段，現(xiàn)場實踐表明封堵漏層后，地層承壓能力增加6 MPa 以上，一旦封堵成功，不會出現(xiàn)復(fù)漏。

2）聚硅纖維為微米級纖維，納米封堵劑為納米級顆粒，兩者搭配使用，可以有效封堵泥頁巖地層中的微裂縫，現(xiàn)場應(yīng)用表明，日均鉆井液消耗量降低1/3，滲漏的降低，意味著進入地層的油基鉆井液減少，有效控制了地層的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場推薦加量：0.25%～1.0%聚硅纖維+0.1%～0.3%納米封堵劑。

3）建議針對不同類型頁巖儲層的鉆井液漏失進行分析后，根據(jù)實際情況確定封堵劑配方，降低復(fù)雜情況發(fā)生概率。