頁(yè)巖氣油基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)研究

趙 晗，戴 昆，晏 琰，崔應(yīng)中，舒福昌

(1.中石油川慶鉆探工程有限公司頁(yè)巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，四川 成都 610051；2.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023；3.湖北漢科新技術(shù)股份有限公司 湖北省油田化學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，湖北 荊州 434000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求量急劇增加。近年來(lái)，除了加大常規(guī)石油天然氣資源的勘探開發(fā)力度外，國(guó)家對(duì)非常規(guī)油氣如稠油、油頁(yè)巖、煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣、天然氣水合物的勘探開發(fā)逐年推進(jìn)，已經(jīng)形成了相對(duì)成熟的技術(shù)體系。頁(yè)巖氣作為非常規(guī)油氣資源的重要組成部分，已成為勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。由于我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層埋深較深、地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井安全和鉆井液技術(shù)一直以來(lái)都面臨極大挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)主要使用水基鉆井液和油基鉆井液兩類體系，前者多用在常規(guī)頁(yè)巖氣地層，后者主要用在復(fù)雜、深井和批鉆作業(yè)區(qū)塊。油基鉆井液由于具有優(yōu)良的井壁穩(wěn)定性能、潤(rùn)滑性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能，成為頁(yè)巖氣勘探開發(fā)鉆井作業(yè)的首選鉆井液體系。

作者通過(guò)頁(yè)巖氣鉆井作業(yè)過(guò)程中面臨的井壁穩(wěn)定問(wèn)題，從頁(yè)巖特征和井壁失穩(wěn)機(jī)理出發(fā)，分析現(xiàn)有油基鉆井液的不足，從油基鉆井液封堵、活度匹配、合理流變參數(shù)選擇等3個(gè)方面進(jìn)行研究，形成一套適合頁(yè)巖氣地層的油基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)。

1 頁(yè)巖特征和井壁失穩(wěn)機(jī)理分析

頁(yè)巖氣地層頁(yè)巖具有以下特點(diǎn)：(1)基巖強(qiáng)度高，孔隙發(fā)育差，存在微裂縫、微裂隙；(2)粘土礦物含量高，但蒙脫石含量相對(duì)較低，膨脹性、分散性弱；(3)基巖中主要存在納米級(jí)孔喉通道，但是普遍發(fā)育有微裂縫、微裂隙，程度不等；(4)頁(yè)巖脆性強(qiáng)，在應(yīng)力作用下易開裂和破碎。

一般而言，頁(yè)巖氣地層的頁(yè)巖基巖都具有質(zhì)地硬脆、強(qiáng)度高、膨脹分散性弱等特點(diǎn)，但由于地層的非均質(zhì)性、鉆井作業(yè)使用的鉆井液體系及采取的井壁穩(wěn)定措施不同，導(dǎo)致實(shí)際作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)井壁失穩(wěn)垮塌。分析認(rèn)為頁(yè)巖氣地層的井壁失穩(wěn)機(jī)理如下：(1)作業(yè)過(guò)程中流體侵入地層和鉆井液浸泡，液相與地層頁(yè)巖中的礦物組分作用帶來(lái)膨脹和微觀力學(xué)破壞，進(jìn)而逐漸導(dǎo)致宏觀的頁(yè)巖力學(xué)失穩(wěn)；(2)地層頁(yè)巖存在天然微裂縫、微裂隙，鉆進(jìn)過(guò)程中也會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生微裂縫、微裂隙，從而提供了通道、加劇了液相侵入和壓力傳遞，如果鉆井液封堵能力不足或者不匹配地層，就無(wú)法有效減少液相及壓力對(duì)地層的破壞作用；(3)鉆井液黏切過(guò)高會(huì)增大井下當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)，鉆井液黏切過(guò)低會(huì)增強(qiáng)對(duì)井壁的沖刷，同時(shí)如果鉆井液的攜巖能力不足，井筒內(nèi)容易積存巖屑、產(chǎn)生巖屑床，這些也會(huì)直接或間接影響井壁穩(wěn)定。

2 油基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)

油基鉆井液的連續(xù)相為油，含有大量的油包水乳化液滴和瀝青類防塌封堵材料，因而具有優(yōu)良的抑制性、封堵性和潤(rùn)滑性。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于微裂縫發(fā)育的頁(yè)巖地層，油基鉆井液作業(yè)仍存在井壁失穩(wěn)的問(wèn)題，分析其原因如下：

首先，在微裂縫發(fā)育的頁(yè)巖地層，往往納米級(jí)的孔隙和微米級(jí)的微裂縫、微裂隙并存，孔隙和微裂縫的尺寸范圍小到幾納米、大到幾百微米，而通常油基鉆井液的固相粒徑分布在幾十微米范圍，乳液平均粒徑也在幾微米范圍，因此油基鉆井液從尺寸參數(shù)方面不能很好地匹配較小的納米級(jí)孔隙和較大的微裂縫。

其次，頁(yè)巖井壁失穩(wěn)通常和水相侵入帶來(lái)的水化膨脹應(yīng)力破壞有直接關(guān)系，油基鉆井液因?yàn)檫B續(xù)相為油相，可以最大程度地避免水相對(duì)地層帶來(lái)的危害。然而由于大多數(shù)油基鉆井液含有內(nèi)相鹽水，與地層巖石水相間存在化學(xué)勢(shì)差，所以存在油基鉆井液內(nèi)相鹽水中的自由水向地層頁(yè)巖遷移的可能。現(xiàn)場(chǎng)一般通過(guò)控制油基鉆井液內(nèi)相鹽水的活度來(lái)減少自由水遷移。但由于地層頁(yè)巖的原始活度值很難在第一時(shí)間獲取，所以在實(shí)際作業(yè)時(shí)，油基鉆井液內(nèi)相鹽水活度值基本是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而其是否合理值得商榷。

最后，井下的鉆井液沖刷和壓力激動(dòng)會(huì)加劇液相侵入，加劇微裂縫、微裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)張。

為此，從以下3個(gè)方面提出了頁(yè)巖氣油基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)對(duì)策：(1)針對(duì)納米級(jí)孔隙引入具有納微米粒徑特征的封堵材料，針對(duì)較大尺寸微米級(jí)微裂縫、微裂隙引入封堵纖維；(2)根據(jù)地層巖石活度，通過(guò)活度擬合軟件分析油基鉆井液內(nèi)相鹽水的合理活度值；(3)根據(jù)攜巖理論和ECD控制要求，在滿足懸浮攜巖的基礎(chǔ)上盡量降低油基鉆井液的黏切。

2.1 油基鉆井液用封堵劑的封堵效果評(píng)價(jià)

MORLF是一種柔性的納米乳液充填封堵粒子，一方面可封堵納米級(jí)孔喉；另一方面由于其良好的吸附粘結(jié)作用，可在頁(yè)巖表面和微裂縫、微裂隙通道內(nèi)粘結(jié)成膜，有“糊壁”的效果，有利于強(qiáng)化井壁。MOHFR是一種可軟化的復(fù)合樹脂，粒徑分布寬，在進(jìn)入微裂縫、微裂隙后，隨井溫的升高開始軟化，可粘結(jié)巖石和自粘結(jié)，從而形成封堵膜，加固井壁。

基漿配方：3#白油∶30%氯化鈣鹽水=85∶15，3%主乳化劑+2%輔乳化劑+3%有機(jī)土+5%降濾失劑MOTEX+2%堿度調(diào)節(jié)劑+重晶石加重至2.20 g·cm-3。

油基鉆井液中加入3%MORLF后，在實(shí)驗(yàn)溫度120 ℃、上、下壓力均為0.689 5 MPa(100 psi)的條件下，壓力平衡時(shí)間從原來(lái)的137 h延長(zhǎng)至172 h。

鋼質(zhì)巖心微裂縫封堵結(jié)果(表1)顯示，加入封堵劑MOHFR后，100 μm微裂縫的30 min漏失量變得很小，不到1 mL。

表1 鋼質(zhì)巖心微裂縫封堵結(jié)果Tab.1 Plugging results of microcracks in steel cores

2.2 油基鉆井液內(nèi)相鹽水合理活度值擬合分析

在不同頁(yè)巖活度情況下，油基鉆井液和地層頁(yè)巖間的滲透壓隨油基鉆井液內(nèi)相鹽水活度的變化曲線如圖1所示。

圖1 滲透壓隨油基鉆井液內(nèi)相鹽水活度的變化曲線Fig.1 Variation curves of osmotic pressure with brine activity of oil-based drilling fluid

由圖1可知，頁(yè)巖活度不變時(shí)，油基鉆井液內(nèi)相鹽水活度越低則滲透壓越小，而隨著頁(yè)巖活度的降低，維持滲透壓為負(fù)值所需的油基鉆井液內(nèi)相鹽水活度就越低。由于不同地層頁(yè)巖的活度存在較大差異，因此針對(duì)具體區(qū)塊和地層，應(yīng)以頁(yè)巖活度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)擬合分析，選擇合適的油基鉆井液內(nèi)相鹽水活度，進(jìn)而平衡鉆井液正向壓差，阻礙井筒內(nèi)鉆井液和地層頁(yè)巖之間發(fā)生過(guò)多的自由水遷移[1-2]，盡量維持地層頁(yè)巖的原始狀態(tài),從而有助于井壁穩(wěn)定。

2.3 油基鉆井液合理流變參數(shù)選擇

鉆井液的重要功能之一是懸浮攜巖，即將井下鉆頭破碎出來(lái)的巖屑懸浮攜帶到地面，保持井筒內(nèi)干凈不積存巖屑。依據(jù)攜巖模型[3]和SY/T 6613-2005《鉆井液流變學(xué)與水力學(xué)計(jì)算程序推薦作法》，對(duì)油基鉆井液流變參數(shù)與攜巖能力、ECD的關(guān)系進(jìn)行分析。按下式計(jì)算攜巖指數(shù)(Zj)：

Zj=(ρf/ρs)PV(YP/PV)

式中：ρf為油基鉆井液密度，g·cm-3；ρs為巖屑密度，g·cm-3；PV為油基鉆井液的塑性黏度，mPa·s；YP為油基鉆井液的動(dòng)切力，Pa。

攜巖指數(shù)、ECD隨油基鉆井液密度、塑性黏度、動(dòng)切力的變化曲線如圖2所示。

由圖2a可知，油基鉆井液的流變參數(shù)不變，隨著油基鉆井液密度的增大，油基鉆井液的攜巖指數(shù)逐漸增大，而井下ECD也明顯增大。從趨勢(shì)來(lái)看，油基鉆井液密度對(duì)井下ECD的影響要顯著大于對(duì)攜巖指數(shù)的，井下ECD與油基鉆井液密度呈近似線性函數(shù)關(guān)系。由圖2b～c可知，從增幅來(lái)看，動(dòng)切力對(duì)攜巖指數(shù)及ECD的影響程度要顯著大于塑性黏度的。

從攜巖指數(shù)和ECD隨油基鉆井液塑性黏度、動(dòng)切力的變化曲線綜合分析，對(duì)比圖2a發(fā)現(xiàn)，盡管油基鉆井液密度的增大或者說(shuō)高密度油基鉆井液有利于油基鉆井液懸浮攜巖，但動(dòng)態(tài)攜巖能力仍主要取決于油基鉆井液的動(dòng)切力。

從井壁穩(wěn)定角度分析，過(guò)高的井下ECD會(huì)加劇對(duì)地層頁(yè)巖的破壞作用，因此現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井液密度的控制一直以來(lái)都是極其嚴(yán)格和慎重的。因此，選擇和控制一個(gè)合理的動(dòng)切力值范圍是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)必須考慮的問(wèn)題。對(duì)于高密度油基鉆井液而言，正常的動(dòng)切力變化范圍一般在20 Pa以內(nèi)。近年來(lái)，有研究人員認(rèn)為高密度鉆井液應(yīng)該盡量走低黏切路線，這種思路主要基于低黏切有利于現(xiàn)場(chǎng)高密度鉆井液的性能調(diào)控及維護(hù)，但是會(huì)使鉆井液?jiǎn)适б徊糠謶腋y巖性能。結(jié)合圖2c及室內(nèi)評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，油基鉆井液的動(dòng)切力宜控制在5～11 Pa，具體井的動(dòng)切力控制范圍指標(biāo)應(yīng)結(jié)合該井的井身結(jié)構(gòu)、三壓力剖面的實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)選擇。

3 結(jié)論

從頁(yè)巖特征和井壁失穩(wěn)機(jī)理出發(fā)，分析了現(xiàn)有油基鉆井液的不足，從油基鉆井液封堵、活度匹配、合理流變參數(shù)選擇等3個(gè)方面進(jìn)行了研究，提出了納米乳液封堵、粘結(jié)固壁、活度擬合、流變參數(shù)擬合分析的技術(shù)思路，形成了一套適合頁(yè)巖氣地層的油基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)。認(rèn)為頁(yè)巖氣油基鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，選用適合具體區(qū)域、井位、地層特征的匹配的孔縫封堵技術(shù)、適合的活度控制范圍、合理的流變性能，從切斷流體及壓力侵入途徑、阻礙自由水遷移能力、控制合理的流變參數(shù)范圍以保障攜巖的同時(shí)維持低的井下ECD和避免壓力激動(dòng)等方面，強(qiáng)化油基鉆井液穩(wěn)定頁(yè)巖井壁的能力。